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电池奥秘揭示,锂电池的能量库,负极材料介绍

2022-12-14 来源:智电汽车 浏览数:1

文/桃李

电池其实大家都很熟悉的,日常的很多电子设备都会用到它,你或许不知道电池的内部长什么样,也许不知道电池工作的原理,但是一定知道电池有正极和负极之分,使用时如果将正极和负极的位置放错了,电子设备就不能正常的工作,这一点在新能源电动汽车上也是也有的。

上次我们说到过动力电池的正极部分,它是电池中最重要的一个部分,其成本占单个电池总成本的50%以上。相比较而言,电池的负极似乎不太被注意到,在成本上,它只占单个电池总成本的5%—15%,那么与正极相对的负极在电池中有什么用呢?它真的没有正极重要吗?

首先我们可以明确地说,电池的负极与正极一样重要,成本上的差异主要是因为材料的不同导致的,这并不能作为衡量正负极重要程度的标准。锂电池的负极是由活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。在电池充放电过程中,负极材料作为锂离子和电子的载体,起着能量的储存与释放的作用。

这里我们简单说明一下电池的正负极如何工作。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

关于负极材料的选择,需要满足以下的要求,比如在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱嵌以得到高容量,而在插入/脱嵌过程中,负极主体结构没有或很少发生变化;另外主体材料具有良好的表面结构,能够与液体电解质形成良好的SEI,并且插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性,在形成SEI后不与电解质等发生反应等。

目前负极材料主要可以分为两大类,一类是以石墨为代表的碳素材料,另一类则是以硅基材料为代表的非碳负极材料,之所以说它们俩是代表,原因在于前者是当前负极材料的主流选择,而后者是负极材料未来发展的一个重要方向,两种材料各有优劣。

石墨类负极材料的工艺较为成熟,其理论容量为372mAh/g,而且其来源丰富,具有综合性能较好、性价比高等优势,是当前动力电池市场的普遍选择。石墨分为天然石墨和人造石墨,在不断地竞争中,人造石墨由于优异的性能,在加工过程中可提高和增加锂离子电池的快充性能和循环寿命,近年来逐渐成为负极材料市场主流。2021年上半年,人造石墨出货量达到28.5万吨,占负极材料总量的84.9%。

不过石墨的缺点也很多,比如克容量较低,不太能满足动力电池的需求,而且如果纯度不够,副反应较多。其次层状结构稳定性有待提高,倍率性能不好,充放电平台过低。

相比于石墨,作为新型负极材料,硅基负极最大的优势在于拥有更高的能量密度上限,硅基负极材料中的硅和锂发生合金化反应,最大克容量为4200毫安/克,是石墨的10倍以上。而这与广大车企追求更高能量、更大续航里程的目标相符合,是目前研究的一个重点方向。

目前硅基负极材料的主要缺陷在于成本较高,另外其体积膨胀可达300%,这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎,还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络,导致活性物质损失,从而严重影响硅负极材料的循环性能,这些都是制约其市场需求上升的重要因素。不过随着研究的进一步深入,以及技术水平的提高,未来应该会有更大的发展空间。

总结:

负极材料作为锂离子电池的四大关键技术之一,它与正极材料有着同样重要的作用,包括动力电池的每一个部分其实都是有其存在的作用的,我们不能单从其成本占比来考虑。

 

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