高容量硅碳负极新材料走向产业化
里程焦虑,高容一直是量硅电动汽车市场没有拔掉的“刺”。传统电池材料已不能满足锂离子电池高容量化的碳负发展,电池新材料的极新攻关及产业化进程亟待加快。 天津师范大学物理与材料科学学院研究员张波带领团队,材料产业依托该校储能材料表面技术国际联合研究中心,高容在高容量硅碳负极材料产业化方面进行了10年研发。量硅近日,碳负天津师范大学与江苏贝嘉宁硅业有限公司成功签约,极新共转让9项发明专利,材料产业使科技创新成果从实验室走向企业生产线。高容 目前,量硅在大规模商业化应用方面,碳负锂离子电池负极材料以人造石墨为主。极新石墨负极材料的材料产业容量已经接近其理论容量,提升空间非常有限。 硅材料的理论容量是石墨的10倍,且硅基负极材料还具有低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点,被视为最具潜力的下一代负极材料。 张波团队早在10年前便把硅碳负极材料的产业应用作为研究方向和开发目标。 “我们在研发的过程中,攻克了硅碳负极材料产业化中的诸多关键问题。”张波说。 在研发初期,科研团队最先遇到的难题就是硅的纳米化。“我们把纳米硅和碳进行复合,但数据结果不理想。国产纳米硅不能满足生产需求,而进口纳米硅价格又十分高昂。”张波说,为此团队进行了大量的实验,从原料的预处理到设备的改造、工艺条件的优化,终于将硅的尺度降低到50纳米以下,解决了硅的纳米化问题。 “我们还实现了纳米硅的有效分散和包覆,并将其与石墨负极材料进行了匹配。这样既可以提升复合材料的比容量,又可以保证硅碳负极较高的库伦效率。”张波介绍,团队制备的硅碳负极材料,相较传统材料,可有效提升锂离子电池容量,使电子产品和电动汽车的续航时间增加20%至30%,同时提升材料稳定性,降低成本,整体工艺利于规模化生产。 除了汽车动力电池外,目前锂离子电池还应用于3C类电子产品和储能电池。这些领域对锂离子电池都有高容量化的需求,但具体要求又不尽相同。 “3C类电子产品已开始采用硅碳负极材料,增加电池的容量提高了电子产品的待机时间。”张波介绍。 中国化学与物理电源行业协会储能应用分会发布的《2024年中国新型储能产业发展白皮书》显示,预计2025年全球锂离子电池储能累计装机量将超过300GW,其中,中国锂离子电池储能累计装机量将达65—70GW。在动力电池领域,以特斯拉为首的电动汽车企业正在积极导入硅碳负极材料,提升电动汽车的续航里程。 据介绍,按照预测,2025年,硅碳负极材料的市场需求将达到30万吨,产值将达到200亿元—300亿元。纳米硅、硅碳负极材料的市场前景非常广阔。目前,国内外的机构都在积极布局。 “我们研发工作开展得非常早,解决了很多核心问题,尤其是在工程化方面进行了10年的积累,成果优势非常明显。”张波说。 江苏贝嘉宁硅业有限公司对该创新成果的市场前景十分看好。公司相关负责人介绍,面向新材料,他们将持续投资。一期产线建成后,年产值将达到1000万元。在此基础上,二期计划投资1.6亿元,年产值将达到2.5亿元。 张波表示,下一步,他们将继续依托学校和企业研发平台,研发新一代硅碳负极材料,继续优化硅碳材料结构,提升材料的性能,降低材料的成本,提高工艺稳定性和成熟度。
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