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動力電池負極材料前景:天然石墨VS人造石墨

放大字體??縮小字體 光伏產業網訊 發布日期:2019-10-19??瀏覽次數:200
核心提示:動力電池負極材料前景:天然石墨VS人造石墨
 鋰離子電池以其高容量、高電壓、高循環穩定性、高能量密度、無環境污染等優異的性能倍受青睞,被譽為21世紀的綠色能源與主導電源,具有廣泛的民用與國防應用前景。

目前鋰離子電池及其關鍵材料已成為各國關注產業焦點,也是我國能源領域重點扶持的高新技術產業。

近日,2019年諾貝爾化學獎被授予了約翰·班寧斯特·古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆、吉野彰三位教授,以表彰他們為鋰電池發展做出的貢獻。

1976年,斯坦利·惠廷漢姆和他的團隊制成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池,完成了電池技術領域一次質的飛躍。

1980年,約翰·班寧斯特·古迪納夫以鈷酸鋰作為正極材料代替了硫化鈦,使得電池技術又向前邁出了實質性的一大步。

1991年,吉野彰用石墨為負極材料代替了金屬鋰,從根本上改善了鋰電池容量、循環壽命,以及降低了成本。

鋰離子電池的能量密度在很大程度上取決于負極材料,從鋰離子電池實現商業化到現在,所用的負極材料最成熟的主要為石墨。

與其他碳材料相比,石墨類材料具備電子電導率高、鋰離子擴散系數大、嵌鋰容量高與嵌鋰電位低等優點,且石墨材料來源廣泛、價格便宜,是較早應用的負極材料,也是目前主流的鋰離子電池負極材料。

隨著石墨負極中鋰離子嵌入越來越深入,負極的表面顏色也逐漸發生變化,從黑色到青黑色再到暗黃色最后到金黃,石墨負極也完成了C到LiC12到LiC6的轉變,從而完成了充電過程。

石墨材料主要分為人造石墨與天然石墨。

2018年,天然石墨與人造石墨的滲透率合計約為93%,其中人造石墨占比達69%,天然石墨占比24%,其他石墨占比7%。

天然石墨大小顆粒不一,粒徑分布廣,未經處理的天然石墨不能作為負極材料直接使用的,需要經過一系列的加工后才能使用,而人造石墨在形貌以及粒徑分布上較為一致。

天然石墨的容量高,壓實密度高,價格也比較便宜,但是由于顆粒大小不一,表面缺陷較多,與電解液的相容性比較差,副反應比較多;而人造石墨的各項性能則比較均衡,循環性能好,與電解液的相容性也比較好,因此價格也會貴一些。

天然石墨雖具備成本和比容量優勢,但其循環壽命低,且一致性低于人造石墨,相較于天然改性石墨,人造石墨技術發展較為成熟,且其電解液相容性較好。

此外,天然石墨主要用于小型鋰電池和一般用途的電子產品鋰電池,人造石墨則憑借優良的循環性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優勢,廣泛應用于車用動力電池及中高端電子產品領域。

天然石墨主要分為無定形石墨與鱗片石墨兩種。

無定形石墨純度低,石墨晶面間距為0.336 nm,主要為六面體石墨晶面排序結構,即石墨層按ABAB…順序排,單個微晶之間的取向呈現各項異性,但經過加工,微晶顆粒相互之間有一定的交互作用,形成塊狀或顆粒狀的粒子時具有各向同性性質。

鱗片石墨的結晶度較高,片層結構單元化大,具有明顯的各向異性。這種結構決定了石墨在鋰嵌入和脫嵌過程中體積產生較大的變化,導致石墨層結構破壞,進而造成了較大的不可逆容量損失和循環性能的劇烈惡化。

作為鋰離子電池負極石墨時,鱗片石墨有首次不可逆容量大的缺點,且鱗片石墨循環性能和大電流充放電性能差,因此,在使用時往往側重于對天然石墨進行改性研究,改善其自身結構缺點提升電池性能。

人造石墨根據加工工藝的不同,主要分為MCMB、軟碳和硬碳等。

人造石墨負極材料是將針狀焦、石油焦、瀝青焦等原料在一定溫度下煅燒,再經粉碎、分級、高溫石墨化制成,其高結晶度是通過高溫石墨化形成的。

隨著全球動力電池市場的爆發,對材料成本、加工性能、能量密度、循環壽命、快充倍率等因素的綜合要求提升,人造石墨逐步成為鋰電池負極材料的首選。

近年來,受益于新能源汽車需求帶來的動力電池產量增長,全球人造石墨市場需求量逐年增加,2018年全球人造石墨需求量達12.7萬噸,同比增長39.6%,預計到2025年市場需求量將達到42.5萬噸。

2018年,我國人造石墨需求量達8.6萬噸,同比增長32.3%,出貨量達13.3萬噸,同比增長33%。

隨著動力電池市場的持續擴大,人造石墨已成為我國負極材料中最主要的材料,預計2025年中國人造石墨需求量將達到26.5萬噸。

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關鍵詞: 鋰離子電池
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