未來10大最具潛力的鋰電池新材料
發(fā)布時(shí)間:2017-08-03 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】鋰電池的發(fā)展正處于一個(gè)瓶頸期,能量密度已經(jīng)接近其物理極限。我們需要新的材料或者技術(shù)去實(shí)現(xiàn)鋰電池的突破,以下幾種電池材料被業(yè)內(nèi)人士一直看好,或?qū)⒊蔀榇蚱其囯姵卣系K的突破口。
1、硅碳復(fù)合負(fù)極材料
數(shù)碼終端產(chǎn)品的大屏幕化、功能多樣化后,對(duì)電池的續(xù)航提出了新的要求。當(dāng)前鋰電材料克容量較低,不能滿足終端對(duì)電池日益增長的需求。
硅碳復(fù)合材料作為未來負(fù)極材料的一種,其理論克容量約為4200mAh/g以上,比石墨類負(fù)極的372mAh/g高出了10倍有余,其產(chǎn)業(yè)化后,將大大提升電池的容量。現(xiàn)在硅碳復(fù)合材料存在的主要問題有:
充放電過程中,體積膨脹可達(dá)300%,這會(huì)導(dǎo)致硅材料顆粒粉化,造成材料容量損失。同時(shí)吸液能力差。
循環(huán)壽命差。目前正在通過硅粉納米化,硅碳包覆、摻雜等手段解決以上問題,且部分企業(yè)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。
相關(guān)研發(fā)企業(yè):目前各大材料廠商紛紛在研發(fā)硅碳復(fù)合材料,如BTR、斯諾、星城石墨、湖州創(chuàng)亞、上海杉杉、華為、三星等。國內(nèi)負(fù)極材料企業(yè)研發(fā)硅基材料的情況是:大部分材料商都還處于研發(fā)階段,目前只有上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段。
2、鈦酸鋰
近年來,國內(nèi)對(duì)鈦酸鋰的研發(fā)熱情較高,鈦酸鋰的優(yōu)勢(shì)主要有:1.循環(huán)壽命長(可達(dá)10000次以上),屬于零應(yīng)變材料(體積變化小于1%),不生成傳統(tǒng)意義的SEI膜;2.安全性高,其插鋰電位高,不生成枝晶,且在充放電時(shí),熱穩(wěn)定性極高;3.可快速充電。
目前限制鈦酸鋰使用的主要因素是價(jià)格太高,高于傳統(tǒng)石墨,另外鈦酸鋰的克容量很低,為170mAh/g左右。只有通過改善生產(chǎn)工藝,降低制作成本后,鈦酸鋰的長循環(huán)壽命、快充等優(yōu)勢(shì)才能發(fā)揮作用。結(jié)合市場(chǎng)及技術(shù),鈦酸鋰比較適合用于對(duì)空間沒有要求的大巴和儲(chǔ)能領(lǐng)域。
3、石墨烯
石墨烯自2010年獲得諾獎(jiǎng)以來,廣受全球關(guān)注,特別在中國。國內(nèi)掀起了一股石墨烯研發(fā)熱潮,其具諸多優(yōu)良性能,如透光性好,導(dǎo)電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性較高,機(jī)械強(qiáng)度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應(yīng)用有:
作負(fù)極材料。石墨烯的克容量較高,可逆容量約700mAh/g,高于石墨類負(fù)極的容量。另外,石墨烯良好的導(dǎo)熱性能確保其在電池體系中的穩(wěn)定性,且石墨烯片層間距大于石墨,使鋰離子在石墨烯片層間擴(kuò)散通暢,有利于提高電池功率性能。由于石墨烯的生產(chǎn)工藝不成熟,結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定,導(dǎo)致石墨烯作為負(fù)極材料仍存在一定問題,如首次放電效率較低,約65%;循環(huán)性能較差;價(jià)格較高,明顯高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極。
作為正負(fù)極添加劑,可提高鋰電池的穩(wěn)定性、延長循環(huán)壽命、增加內(nèi)部導(dǎo)電性能。
鑒于石墨烯當(dāng)前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)格高昂、性能不穩(wěn)定,石墨烯將率先作為正負(fù)極添加劑在鋰離子電池中使用。
4、碳納米管
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料,自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短,作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小,可提高電池的大倍率充放電性能。
缺點(diǎn):碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí),會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過濾制備了單壁碳納米管,將其直接作為負(fù)極材料,其首次放電容量為1700mAh/g,可逆容量僅為400mAh/g。
碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料(石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復(fù)合,利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。
5、富鋰錳基正極材料
高容量是鋰電池的發(fā)展方向之一,但當(dāng)前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg,鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg,都偏低。富鋰錳基的理論能量密度可達(dá)到900Wh/kg,成為研發(fā)熱點(diǎn)。
富鋰錳基作為正極材料的優(yōu)勢(shì)有:1、能量密度高;2、主要原材料豐富。由于開發(fā)時(shí)間較短,目前富鋰錳基存在一系列問題:1、首次放電效率很低;2、材料在循環(huán)過程析氧,帶來安全隱患;3、循環(huán)壽命很差;4、倍率性能偏低。
目前解決這些問題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量優(yōu)勢(shì)明顯,潛力巨大,但限于技術(shù)進(jìn)展較慢,其大批量上市還需時(shí)間。
6、動(dòng)力型鎳鈷錳酸鋰材料
一直以來,動(dòng)力電池的路線存在很大爭(zhēng)議,因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線都有被采用。國內(nèi)動(dòng)力電池路線以磷酸鐵鋰為主,但隨著特斯拉火爆全球,其使用的三元材料路線引起了一股熱潮。
磷酸鐵鋰雖然安全性高,但其能量密度偏低軟肋無法克服,而新能源汽車要求更長的續(xù)航里程,因此長期來看,克容量更高的材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術(shù)路線。
鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內(nèi)下一代動(dòng)力電池主流材料。國內(nèi)陸續(xù)推出三元路線的電動(dòng)車,如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚藍(lán)等,單位重量密度較磷酸鐵鋰電池有很大提升。
7、涂覆隔膜
隔膜對(duì)鋰電池的安全性至關(guān)重要,這要求隔膜具有良好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性,以及反復(fù)充放電過程中對(duì)電解液保持高度浸潤性。
涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜的作用是:1、提高隔膜耐熱收縮性,防止隔膜收縮造成大面積短路;2、涂覆材料熱傳導(dǎo)率低,防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。
8、陶瓷氧化鋁
在涂覆隔膜中,陶瓷涂覆隔膜主要針對(duì)動(dòng)力電池體系,因此其市場(chǎng)成長空間較涂膠隔膜更大,其核心材料陶瓷氧化鋁的市場(chǎng)需求將隨著三元?jiǎng)恿﹄姵氐呐d起而大幅提升。
用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求,日本、韓國的產(chǎn)品較成熟,但價(jià)格比國產(chǎn)的貴一倍以上。國內(nèi)目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁,希望減少進(jìn)口依賴。
9、高電壓電解液
提高電池能量密度乃鋰電池的趨勢(shì)之一,目前提高能量密度方法主要有兩種:一種是提高傳統(tǒng)正極材料的充電截止電壓,如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的,進(jìn)一步提升電壓會(huì)導(dǎo)致鈷酸鋰結(jié)構(gòu)坍塌,性質(zhì)不穩(wěn)定;另一種方法則是開發(fā)充放電平臺(tái)更高的新型正極材料,如富鋰錳基、鎳鈷酸鋰等。
正極材料的電壓提升后,需要與之配套的高電壓電解液,添加劑對(duì)電解液的高電壓性能起到關(guān)鍵性作用,其成為近年來的研發(fā)重點(diǎn)。
10、水性粘結(jié)劑
目前正極材料主要使用PVDF做粘結(jié)劑,用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。負(fù)極的粘結(jié)劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等,也會(huì)用到有機(jī)溶劑。在電極片制作過程中,需要將有機(jī)溶劑烘干揮發(fā),這既污染環(huán)境,又危害員工健康。干燥蒸發(fā)的溶劑需用特殊的冷凍設(shè)備收集并加以處理,且含氟聚合物及其溶劑價(jià)格昂貴,增加了鋰電池的生產(chǎn)成本
另外,SBR/CMC粘結(jié)劑在加工過程中易粘輥,且難以用于正極片制備,使用范圍受到限制。
出于環(huán)保、降低成本、增加極片性能等需求考量,水性粘結(jié)劑的開發(fā)勢(shì)在必行。
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