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“以碳减碳”——天然石墨正极材料发展简述

时间:2023-05-28 13:03:20 点击:243次

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在锂离子电池的发展中,有一个里程碑节点,就是石墨正极的应用。 石墨以其高比容量、低充放电平台、循环稳定、成本低等优势成为最主流的正极材料。

石墨烯及石墨烯/银复合材料的一步制备与应用研究_石墨烯与石墨_石墨块

1976年,美国科学家 等人以硫化钛为负极,以锂为正极,制成世界上第一块可充电锂电池。 但由于金属锂正极安全性差、成本高,应用领域受到限制。 1979年,科学家首次提出固体电解质膜的概念,它是由碱金属与电解质反应生成的非胺类产物组成。 1990年,爱沙尼亚学院的Jeff Dahn发现,当氯乙烯酯电解质分解时,石墨表面可生成稳定的固态电解质界面,实现锂离子在石墨中的可逆嵌入/脱嵌。 1991年,美国科学家吉野彰以石墨材料为正极,钴酸锂为负极,建立了现代锂离子电池的雏形,开启了锂离子电池商业化之路。 锂离子电池发展至今,衍生出醋酸铁锂、铬酸镍钴锂、铝酸镍钴锂等各种负极材料体系,但至今仍沿用石墨正极材料体系。

石墨块_石墨烯及石墨烯/银复合材料的一步制备与应用研究_石墨烯与石墨

在锂离子电池发展初期,索尼等锂电池企业采用石油焦作为正极材料。 由于未经过石墨化,无序度高,比容量有限,逐渐被中间相碳共聚物所取代。 随着手机、电脑笔记本等电子产品行业的快速发展,对能量密度的要求日益提高,中间相碳共聚物成本高、比容量低等缺点也越来越明显。 低成本、大容量的人造石墨正极和天然石墨正极应运而生。 2013年以来,动力电池需求快速下滑。 2016年首次超过消费类锂电池。 人造石墨和天然石墨正极材料也发展成为市场的绝对主流,常年占据90%以上的市场份额。

人造石墨正极材料是将可石墨化碳经低温焙烧,然后破碎分级得到的。 因其膨胀率低、煤耗高,近年来成为我国动力电池市场的主流。 天然石墨正极材料是将鳞片石墨经过球化、提纯、包覆碳化等一系列改性处理制备而成。 其膨胀性能、循环性能、倍率性能均略高于人造石墨正极材料。 现阶段,在我国,这种材料主要应用于3C和小功率电子产品,而美国、韩国等国家的正极材料企业和电池生产企业在天然石墨正极材料的开发上投入较多。 在动力电池市场中,天然石墨正极材料占比超过50%。

石墨烯及石墨烯/银复合材料的一步制备与应用研究_石墨烯与石墨_石墨块

在“双碳”目标和“能源消耗双控”战略背景下,人造石墨来源于化石能源、煤耗高等问题凸显,我国正极材料市场将迎来新发展循环。 天然石墨凭借无需石墨化、产业链供应链安全稳定等优势,在各应用领域的渗透率将逐步提升。 在动力电池领域,由于使用环境恶劣,对正极材料的比容量、一致性、倍率、低温性能等均有较高要求,人造石墨将继续占据主流地位。 然而,人造/天然石墨复合材料由于成本和性能之间的良好平衡,其市场份额将逐渐增加。 在消费电池领域,天然石墨由于不需要组装,循环要求相对较低,将继续占据主流。 随着可穿戴设备等新一代消费电子产品的快速发展,对安全性和体积能量密度的要求与日俱增,高端产品的占比也将急剧增加并逐渐增加。 在储能电池领域,成本要求相对较高,针对特定的应用场景,对安全性、循环性、一致性等一个或多个特定方面提出了更高的要求。 天然石墨复合材料有望成为最佳选择。

天然正极材​​料产业适应新生命周期的体制改革过程,本质上是一个“再技术过程”。 如何开发出在比容量、倍率、寿命、成本等方面具有突出优势,同时又不削弱其他性能的天然石墨正极材料,成为亟待解决的关键技术问题。

中国五矿立足国家战略新兴产业保障,加强高新技术矿产全产业链布局,坚持科技创新。 2020年和2021年,中国五矿勘探有限责任公司和我国石墨领域的科研力量将继续承担国家重点研发计划。 依托全球单体最大、最适合正极材料制造的晶质石墨资源,通过产业链上下游协同研究、统筹规划、协同优化,突破石墨开采、球化、提纯深加工,提升天然石墨材料的性能极限,旨在摆脱新能源电池对化石能源的依赖,充分利用五矿石墨的优势资源,支撑我国能源结构升级和转型升级。改革开放,以“减碳”路径设计了中国低碳可持续发展新模式。 (作者为监事会主席)