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“锂”想的负极材料

2022-12-16 来源:中国网 浏览数:1

充电太慢,续航不够,虚电焦虑,是每一个想拥有纯电动汽车的人都绕不过的坎。如果有一天新能源汽车拥有快速充电、续航给力两大超能力,新能源汽车乃至庞大的储能市场将会迎来另一个春天。近日,中科院山西煤化所传来喜讯,该所709课题组经过6年攻关,成功实现了锂电池负极材料的全新突破。

攻克锂电池负极材料的第三代技术

车水马龙中,纯电动汽车的比例越来越高,全球锂电池行业受益汽车电动化的迅猛发展,带动锂电负极材料需求高速增长。2011年,我国锂电池负极材料行业进入了快速发展期,国产企业在锂电池负极材料领域大部分已经实现了进口替代,上半年负极材料出货量达到33.2万吨,其中人造石墨出货量占比达到85%。

2016年,中科院山西煤化所709课题组陈成猛团队在省内资金的支持下,尝试探索无烟煤制造人造球形石墨的技术路线,历经5年时间里,掌握了煤基人造石墨的基础理论知识、工程化经验,为煤基负极材料快速开发和应用于锂电池打下了基础。锂电池最为人诟病的问题就是充电慢、续航差,而这与正极材料、隔膜、电解液都有关系,但是相比较而言,负极材料是主要因素,更需要突破。传统的人造石墨算是第二代商业化负极材料,它是石油焦或者针状焦经过包覆造粒、碳化、及石墨化加工等一系列的工艺制造而成。较于第一代天然石墨等材料,其循环性能好、高低温性能优、安全性高且工艺成熟,是非常理想的选择,但其各项指标逼近理论极限,未来的提升空间极为有限。技术路线越成熟,前路就越狭窄,针状焦、石油焦制成的人造石墨自身特点决定了它的上限,为此,锂电池厂商一直在寻找第三代技术。709组研发的煤基快充负极材料可以超出这一理论值,独特的结构让锂电池快充快放变成了现实,这项科技成果已具备了从实验室走进工业示范线的必要条件。

709课题组组长陈成猛介绍:“当初,我们十分看好锂电池负极材料这个广阔市场,布局了无烟煤到人造石墨,再从人造石墨到负极材料这条路线,这是一条没有人走的路,第一步就花了我们5年时间。”

2021年,陈成猛课题组发挥煤基新材料研发的优势,独辟蹊径使用无烟煤制造锂电池人造石墨负极材料,摒弃国内外使用针状焦系、石油焦系制造负极材料的传统方法,完成了煤基快充负极材料的成套技术研发,建成了国内首条吨级试验示范线。

打通“隧道”口上的拥堵

要实现快充,锂电池就要扛得住大电流,如果将充电过程看作汽车驶入高速公路的“隧道”,锂离子是在传统人造石墨这条旧高速上行驶,由于它的层间距小,易在“隧道”口形成拥堵,堆积过多的锂离子就会在负极表面形成“锂枝晶”,严重影响离子的行驶速度,甚至容易引发“安全事故”。课题组成员孙国华研究员告诉记者:“传统人造石墨原料在高温热处理过程中,分子会重新排列组合,微晶层间距会缩小;煤基人造石墨相对质地偏硬、具有微孔、微晶层间距适宜,这是无烟煤天然的优势。这样有利于锂离子的嵌入,而不会引起结构显著膨胀,具有很好的快速充放电性能,材料表面的中孔和贯穿孔就像扩张的‘隧道’,不会让锂离子拥堵,因此加快了充放电的过程。”

不仅是嵌入速度有所提升,负极材料的容量也有了扩充。“传统的针状焦、石油焦系人造石墨就像一本书,规则的石墨就像纸张,中间可以嵌入一层锂离子;而煤基人造石墨就像零散的纸张,每一片纸张可以双面嵌入锂离子,不同片之间的孔隙中也可以存储锂离子,因而容量更大。”孙国华形象地描述了煤基人造石墨的结构。

经过评测,课题组研制的煤基快充负极材料初始存储容量突破了372毫安小时每克(mAh/g)的理论比容量,还可满足在5C下快速充电。首次比容量可达365-375mAh/g,比目前市面快充产品提升5%-10%,在同等的大倍率下容量保留率比市售产品提升10%-20%,可使充电时间缩短至20分钟以内,不足3000元/吨的无烟煤摇身一变身价翻了20余倍。

寻求创新成果的产业化路径

相比其他领域10-20年才能形成一条扎实的技术路线,709课题组不到6年时间就完成了突破,这源于他们长期以来形成的三大优势——扎实的基础理论、工程化经验、完整的创新链。

“这种组织能力是很多科技成果难以转化的痛点,但也是我们课题组的强项。”课题组成员、碳基新材料技术负责人李晓明表示。煤炭是由复杂的有机质和120多种矿物质组成,成分复杂多变,所有的煤基新材料都面临的首要工程问题就是原材料的提纯——掌握高效低成本除灰除杂技术。传统的煤炭洗选技术只需要把灰分控制在8-11wt%。煤基快充负极材料需要将灰分指标控制在极低的水平,这其中的固液分离、高效脱灰技术等没有先例可循。

原料不纯就没有研究的基础,原料不过关会造成材料品质难控制、缩短设备寿命,还会造成“蹿火炸炉”等安全事故。陈成猛团队经过长达半年的技术攻关突破了该技术,经过极限粉碎至微米级甚至能够得到灰分小于2wt%的煤。

另一项关键技术就是煤炭石墨化,需要在3000℃的高温下对煤炭进行热处理,并且50-100小时不间断运行。在此期间,团队成员收集了山西、云南、河南、北京等地20种无烟煤,反复试验上百次。跑上游、跑下游,进企业、进展会……即便煤基人造石墨在性能上有着不俗的优势,但是作为切入新市场的外来“物种”,如何获得市场的青睐?

709课题组拥有自己一套独特的方法。按照他们以往的经验看,一个自己眼中成熟的材料拿到客户眼前,无论介绍得如何天花乱坠,也很难打动人。“负极材料还是要放在锂电池身上才能展现优势,我们购买了正极材料、隔膜自制了锂电池,不论是调试还是试验,第一手数据总能迅速掌握,客户的认可度也很高,而且我们还在自制隔膜方面进行了理论探索。”李晓明介绍,“课题组的科学家们花费大量精力,频繁与锂电池龙头企业和负极材料龙头企业保持着密切接触,了解最前沿的下游需求,针对性的改进指标。”

“探索研究煤炭原料化、材料化低碳发展路径符合国家的布局,希望通过新一代的负极材料技术,给电动汽车更大的信心。”陈成猛表示。

目前,锂电池市场规模的急剧扩张,行业技术日新月异,行业龙头企业都在紧罗密布布局下一代负极材料,709课题组也把这项创新成果的产业化提上了日程。

 

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