2017年最熱門(mén)八大鋰電新材料
2017年01月13日 8:39 2915次瀏覽 來(lái)源: 電動(dòng)汽車(chē)網(wǎng) 分類(lèi): 鋰
2017年鋰電產(chǎn)業(yè)將持續(xù)升溫,而最熱門(mén)的鋰電材料又有哪些呢?鋰電大數(shù)據(jù)專(zhuān)門(mén)為大家盤(pán)點(diǎn)了2017年最熱門(mén)鋰電新材料,具體如下:
1、石墨烯
最近兩年,石墨烯相關(guān)“產(chǎn)業(yè)”在國(guó)內(nèi)也是如火如荼。石墨烯在鋰電行業(yè)的應(yīng)用更是備受關(guān)注。什么是石墨烯?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(gè)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(jiān)硬的納米材料,它幾乎完全透明只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只約10-8俜m,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。
石墨烯主要有如下幾種生產(chǎn)方法:機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法(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(zhǎng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等。
當(dāng)前“石墨烯電池”這一名詞很火熱。目前,幾乎所有的商品鋰離子電池都采用石墨類(lèi)負(fù)極材料。此前,華為宣布在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破,推出業(yè)界首個(gè)高溫長(zhǎng)壽命石墨烯基鋰離子電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,以石墨烯為基礎(chǔ)的新型耐高溫技術(shù)可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10 ,使用壽命是普通鋰離子電池的2倍??梢灶A(yù)見(jiàn),2017年石墨烯仍將是鋰電產(chǎn)業(yè)熱門(mén)材料。
2、硅負(fù)極
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,以及電動(dòng)汽車(chē)的迅速普及,市場(chǎng)對(duì)高比能鋰離子電池的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,而傳統(tǒng)的石墨材料理論比容量?jī)H為372mAh/g,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高比能鋰離子電池的需求,在巨大的市場(chǎng)需求的刺激下,各種新型的負(fù)極材料紛紛開(kāi)始出現(xiàn),例如硅基負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、氮摻雜多孔石墨材料和過(guò)渡金屬硫化物負(fù)極(例如MoS2)等,在這眾多的新型負(fù)極材料中,目前技術(shù)較為成熟的為硅基負(fù)極材料,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。
事實(shí)上,高電壓、聚合物、硅負(fù)極這三種都屬于鋰電池,硅負(fù)極只是是一種新技術(shù),目前大多數(shù)的鋰電池都是以碳基材料作為負(fù)極的,但是由于這種碳基材料的負(fù)極的可逆容量只有372mAh/g,嚴(yán)重限制了未來(lái)鋰離子電池的發(fā)展,所以需要研發(fā)下一代鋰離子電池負(fù)極材料。在研究的過(guò)程中,研究員們發(fā)現(xiàn)一種硅元素(Li22Si5)的容量達(dá)到了4200mAh/g,是開(kāi)發(fā)具有高容量電池極佳的材料。并且使用這種負(fù)極材料做成的電池在使用的過(guò)程中幾乎沒(méi)有容量衰減,更有利于提高電池的使用壽命。再加上硅在地球上儲(chǔ)量豐富,成本較低,因而是一種非常有發(fā)展前途的鋰離子電池負(fù)極材料。
3、鋁箔涂炭
涂炭鋁箔是新型電池陰極基片,相比傳統(tǒng)的鋁箔,涂炭鋁箔擁有導(dǎo)電性良好和內(nèi)阻率小、機(jī)械性能強(qiáng)和韌性好等優(yōu)點(diǎn),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(zhǎng)鋰離子電池使用壽命。
中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的Xuefeng Tong等人研發(fā)了一種基于涂炭鋁箔負(fù)極的雙離子電池,其中鋁箔不僅作為集流體,更是用作負(fù)極材料。相比于石墨材料,Al具有更高的理論比容量,當(dāng)形成LiAl結(jié)構(gòu)時(shí),比容量可以達(dá)到993mAh/g,形成Li9Al4材料時(shí),比容量達(dá)到2235mAh/g,電壓平臺(tái)僅為0.19-0.45V vs Li+/Li,相比于硅材料其具有更小的體積膨脹,形成Li9Al4時(shí),體積膨脹僅為97%,并且Al材料還具有良好的導(dǎo)電性、易加工和低成本等優(yōu)勢(shì),但是Al負(fù)極目前仍然需要提高其循環(huán)壽命。
碳涂布多孔鋁負(fù)極制備工藝較為簡(jiǎn)單,首先將鋁箔采用電解的方法進(jìn)行腐蝕處理,然后在其表面包覆一層PAN材料,經(jīng)過(guò)低溫固化和高溫碳化后,即可在鋁箔的表明形成一層碳層,可以多次重復(fù)PAN處理過(guò)程提高碳的含量,研究發(fā)現(xiàn),一次碳包覆碳含量約為1.5%,兩次碳包覆碳含量約為2.8%,三次碳包覆碳含量約為4%。
4、陶瓷混膠隔膜
由于鋰電池的材料是影響其安全性能的重要因素,為保證鋰電池的安全性,選用安全性更高的隔膜成為很多企業(yè)考慮的方向之一。
陶瓷隔膜,就是將納米級(jí)陶瓷顆粒涂覆在隔膜上。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(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。一般可耐高溫在200℃左右。陶瓷涂覆的市場(chǎng)主要為高電壓的電池和動(dòng)力電池。其發(fā)展方向有兩種:一是涂氧化鋁,以LG為代表,采用浸涂;二是表面做一層芳綸,以日本帝人為代表。
未來(lái)陶瓷隔膜將會(huì)有廣泛的應(yīng)用,它是解決鋰電池安全性問(wèn)題的一個(gè)重要手段,也是未來(lái)鋰電池隔膜發(fā)展的一個(gè)方向。
5、芳綸涂覆隔膜
隨著鋰電池在儲(chǔ)能、新能源汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)的推廣,隔膜市場(chǎng)快速增長(zhǎng),其中三元材料的滲透對(duì)陶瓷涂覆隔膜的需求加大。對(duì)隔膜來(lái)說(shuō),不管是PI、TPX、芳綸等耐高溫樹(shù)脂制備基體隔膜,還是無(wú)紡布和紙隔膜在一些特殊領(lǐng)域的研發(fā),在未來(lái)靜電紡絲技術(shù)必定會(huì)取代現(xiàn)有隔膜工藝技術(shù)。芳綸涂覆隔膜吸液、保液性能強(qiáng),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(mǎn)足小巧、微型高容量電池。離子電導(dǎo)率更強(qiáng)的新材料隔膜。此外,芳綸涂覆隔膜解決了高溫下不變形,避免了短路的發(fā)生,低自放電,可以降低微短路帶來(lái)的容量損失,高倍率性能、電解液浸潤(rùn)性能、提升了循環(huán)性能。
6、CNT
CNT的英文全稱(chēng)是Carbon Nanotube。中文名稱(chēng)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(gè)碳原子采取sp2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來(lái),形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。
碳納米管是在1991年1月由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子,管上每個(gè)碳原子采取sp2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來(lái),形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個(gè)碳原子上未參與雜化的一對(duì)p電子相互之間形成跨越整個(gè)碳納米管的共軛π電子云。按照管子的層數(shù)不同,分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細(xì),只有納米尺度,幾萬(wàn)根碳納米管并起來(lái)也只有一根頭發(fā)絲寬,碳納米管的名稱(chēng)也因此而來(lái)。而在軸向則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。
作為一種高品質(zhì)的納米材料,由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同,所以具有很好的電學(xué)性能。碳納米管具有超常的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、磁阻,且性質(zhì)會(huì)隨結(jié)構(gòu)的變化而變化,可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體、由半導(dǎo)體變?yōu)榻饘?;具有金屬?dǎo)電性的碳納米管通過(guò)的磁通量是量子化的,表現(xiàn)出阿哈諾夫-波姆效應(yīng)(A-B效應(yīng))。
7、高電壓正極
鋰電正極材料的研發(fā)一直是鋰電研究的最重要的領(lǐng)域之一,鋰電正極材料到底如何發(fā)展,也是大家非常關(guān)心的話題。提高能量密度,無(wú)非有兩個(gè)主要途徑,提高電極材料容量或者提高電池工作電壓。如果能夠?qū)⒏唠妷汉透呷萘績(jī)烧呓Y(jié)合起來(lái)那將是再好不過(guò)了,事實(shí)上這正是目前鋰電池正極材料發(fā)展的主流,如高電壓高壓實(shí)鈷酸鋰、高電壓三元材料等。
8、NCA
三元材料是鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O2,三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品,是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整,三元材料做正極的電池相對(duì)于鈷酸鋰電池安全性高。
目前越來(lái)越多的電動(dòng)物流車(chē)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(huán)壽命長(zhǎng)、成本低、利于整車(chē)輕量化等優(yōu)點(diǎn),能夠有效解決城市物流“最后一公里”的問(wèn)題,而且由此引發(fā)了電動(dòng)物流車(chē)從磷酸鐵鋰向三元技術(shù)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。
責(zé)任編輯:周大偉
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