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盤點:2017年最熱門八大锂電新材料

发布时间:2017-03-06       点击数:2010
      2017年锂電産業將持續升溫,而最熱門的锂電材料又有哪些呢?本文專門爲大家盤點了2017年最熱門锂電新材料,具體如下:

1石墨烯

最近兩年,石墨烯相關産業在國內也是如火如荼。石墨烯在锂電行業的應用更是備受關注。什麽是石墨烯?石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道?成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,它幾乎完全透明只吸收2.3%的光;導熱系數高達5300W/m˙K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V˙s,又比納米碳管或矽晶體高,而電阻率只約10-8m,比銅或銀更低,爲世上電阻率最小的材料。

石墨烯主要有如下幾種生産方法:機械剝離法、化學氣相沈積法(CVD)、氧化-還原法、溶劑剝離法、溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學法等。

當前石墨烯電池這一名詞很火熱。目前,幾乎所有的商品锂離子電池都采用石墨類負極材料。此前,華爲宣布在锂離子電池領域實現重大研究突破,推出業界首個高溫長壽命石墨烯基锂離子電池。實驗結果顯示,以石墨烯爲基礎的新型耐高溫技術可以將锂離子電池上限使用溫度提高10 ,使用壽命是普通锂離子電池的2倍。可以預見,2017年石墨烯仍将是锂电産業热门材料。

2、矽負極

隨著電子技術的快速發展,以及電動汽車的迅速普及,市場對高比能锂離子電池的需求越來越強烈,而傳統的石墨材料理論比容量僅爲372mAh/g,遠遠不能滿足高比能锂離子電池的需求,在巨大的市場需求的刺激下,各種新型的負極材料紛紛開始出現,例如矽基負極材料、錫基負極材料、氮摻雜多孔石墨材料和過渡金屬硫化物負極(例如MoS2)等,在這衆多的新型負極材料中,目前技術較爲成熟的爲矽基負極材料,目前已經實現小規模的商業化應用。

事实上,高电压、聚合物、矽負極这三种都属于锂電池,硅负极只是是一种新技术,目前大多数的锂電池都是以碳基材料作为负极的,但是由于这种碳基材料的负极的可逆容量只有372mAh/g,嚴重限制了未來锂離子電池的發展,所以需要研發下一代锂離子電池負極材料。在研究的過程中,研究員們發現一種矽元素(Li22Si5)的容量達到了4200mAh/g,是開發具有高容量電池極佳的材料。並且使用這種負極材料做成的電池在使用的過程中幾乎沒有容量衰減,更有利于提高電池的使用壽命。再加上矽在地球上儲量豐富,成本較低,因而是一種非常有發展前途的锂離子電池負極材料。

3、鋁箔塗炭

塗炭鋁箔是新型電池陰極基片,相比傳統的鋁箔,塗炭鋁箔擁有導電性良好和內阻率小、機械性能強和韌性好等優點,可避免毛刺造成短路,改善電極材料的粘附,增大電池的放電能力和延長锂離子電池使用壽命。

中科院深圳先進技術研究院的Xuefeng Tong等人研發了一種基于塗炭鋁箔負極的雙離子電池,其中鋁箔不僅作爲集流體,更是用作負極材料。相比于石墨材料,Al具有更高的理論比容量,當形成LiAl結構時,比容量可以達到993mAh/g,形成Li9Al4材料時,比容量達到2235mAh/g,電壓平台僅爲0.19-0.45V vs Li+/Li,相比于矽材料其具有更小的體積膨脹,形成Li9Al4時,體積膨脹僅爲97%,並且Al材料還具有良好的導電性、易加工和低成本等優勢,但是Al負極目前仍然需要提高其循環壽命。

碳塗布多孔鋁負極制備工藝較爲簡單,首先將鋁箔采用電解的方法進行腐蝕處理,然後在其表面包覆一層PAN材料,經過低溫固化和高溫碳化後,即可在鋁箔的表明形成一層碳層,可以多次重複PAN處理過程提高碳的含量,研究發現,一次碳包覆碳含量約爲1.5%,兩次碳包覆碳含量約爲2.8%,三次碳包覆碳含量約爲4%

4、陶瓷混膠隔膜

由于锂電池的材料是影响其安全性能的重要因素,为保证锂電池的安全性,选用安全性更高的隔膜成为很多企业考虑的方向之一。

陶瓷隔膜,就是將納米級陶瓷顆粒塗覆在隔膜上。其作用主要是提高隔膜耐熱收縮性,防止隔膜收縮造成大面積短路。另外,陶瓷熱傳導率低,防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控。一般可耐高溫在200℃左右。陶瓷塗覆的市場主要爲高電壓的電池和動力電池。其發展方向有兩種:一是塗氧化鋁,以LG爲代表,采用浸塗;二是表面做一層芳綸,以日本帝人爲代表。

未来陶瓷隔膜将会有广泛的应用,它是解决锂電池安全性问题的一个重要手段,也是未来锂電池隔膜发展的一个方向。

5、芳綸塗覆隔膜

随着锂電池在储能、新能源汽车、电动自行车的推广,隔膜市场快速增长,其中三元材料的渗透对陶瓷涂覆隔膜的需求加大。对隔膜来说,不管是PITPX、芳綸等耐高溫樹脂制備基體隔膜,還是無紡布和紙隔膜在一些特殊領域的研發,在未來靜電紡絲技術必定會取代現有隔膜工藝技術。芳綸塗覆隔膜吸液、保液性能強,能提升容量,更輕薄,在不影響安全的前提下,制造出更輕薄能滿足小巧、微型高容量電池。離子電導率更強的新材料隔膜。此外,芳綸塗覆隔膜解決了高溫下不變形,避免了短路的發生,低自放電,可以降低微短路帶來的容量損失,高倍率性能、電解液浸潤性能、提升了循環性能。

6CNT

CNT的英文全稱是Carbon Nanotube。中文名稱是碳納米管,與金剛石、石墨、富勒烯一樣,是碳的一種同素異形體。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子采取sp2雜化,相互之間以碳-σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作爲碳納米管的骨架。

碳納米管是在19911月由日本築波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生産的碳纖維中發現的。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子采取sp2雜化,相互之間以碳-σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作爲碳納米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p電子相互之間形成跨越整個碳納米管的共轭π電子雲。按照管子的層數不同,分爲單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細,只有納米尺度,幾萬根碳納米管並起來也只有一根頭發絲寬,碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。

作爲一種高品質的納米材料,由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同,所以具有很好的電學性能。碳納米管具有超常的強度、熱導率、磁阻,且性質會隨結構的變化而變化,可由絕緣體轉變爲半導體、由半導體變爲金屬;具有金屬導電性的碳納米管通過的磁通量是量子化的,表現出阿哈諾夫-波姆效應(A-B效應)

7、高電壓正極

锂电正极材料的研发一直是锂电研究的最重要的领域之一,锂电正极材料到底如何发展,也是大家非常关心的话题。提高能量密度,无非有两个主要途径,提高电极材料容量或者提高电池工作电压。如果能够将高电压和高容量两者结合起来那将是再好不过了,事实上这正是目前锂電池正极材料发展的主流,如高电压高压实钴酸锂、高电压三元材料等。

8NCA

三元材料是鎳钴錳酸锂Li(NiCoMn)O2,三元复合正极材料前驱体产品,是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整,三元材料做正极的电池相对于钴酸锂電池安全性高。

目前越來越多的電動物流車采用了三元材料電池,這主要是由于三元系正極材料NCA

具有能量密度高、循環壽命長、成本低、利于整車輕量化等優點,能夠有效解決城市物流最後一公裏的問題,而且由此引發了電動物流車從磷酸鐵锂向三元技術轉變的趨勢。

 

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