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盘点:2017年最热门八大锂电新材料

 2017年锂电产业将持续升温,而最热门的锂电材料又有哪些呢?本文专门为大家盘点了2017年最热门锂电新材料,具体如下:

1石墨烯

最近两年,石墨烯相关产业在国内也是如火如荼。石墨烯在锂电行业的应用更是备受关注。什么是石墨烯?石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道?成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m˙K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V˙s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。

石墨烯主要有如下几种生产方法:机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、氧化-还原法、溶剂剥离法、溶剂热法、高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。

当前石墨烯电池这一名词很火热。目前,几乎所有的商品锂离子电池都采用石墨类负极材料。此前,华为宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破,推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示,以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10 ,使用寿命是普通锂离子电池的2倍。可以预见,2017年石墨烯仍将是锂电产业热门材料。

2、硅负极

随着电子技术的快速发展,以及电动汽车的迅速普及,市场对高比能锂离子电池的需求越来越强烈,而传统的石墨材料理论比容量仅为372mAh/g,远远不能满足高比能锂离子电池的需求,在巨大的市场需求的刺激下,各种新型的负极材料纷纷开始出现,例如硅基负极材料、锡基负极材料、氮掺杂多孔石墨材料和过渡金属硫化物负极(例如MoS2)等,在这众多的新型负极材料中,目前技术较为成熟的为硅基负极材料,目前已经实现小规模的商业化应用。

事实上,高电压、聚合物、硅负极这三种都属于锂电池,硅负极只是是一种新技术,目前大多数的锂电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,严重限制了未来锂离子电池的发展,所以需要研发下一代锂离子电池负极材料。在研究的过程中,研究员们发现一种硅元素(Li22Si5)的容量达到了4200mAh/g,是开发具有高容量电池极佳的材料。并且使用这种负极材料做成的电池在使用的过程中几乎没有容量衰减,更有利于提高电池的使用寿命。再加上硅在地球上储量丰富,成本较低,因而是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。

3、铝箔涂炭

涂炭铝箔是新型电池阴极基片,相比传统的铝箔,涂炭铝箔拥有导电性良好和内阻率小、机械性能强和韧性好等优点,可避免毛刺造成短路,改善电极材料的粘附,增大电池的放电能力和延长锂离子电池使用寿命。

中科院深圳先进技术研究院的Xuefeng Tong等人研发了一种基于涂炭铝箔负极的双离子电池,其中铝箔不仅作为集流体,更是用作负极材料。相比于石墨材料,Al具有更高的理论比容量,当形成LiAl结构时,比容量可以达到993mAh/g,形成Li9Al4材料时,比容量达到2235mAh/g,电压平台仅为0.19-0.45V vs Li+/Li,相比于硅材料其具有更小的体积膨胀,形成Li9Al4时,体积膨胀仅为97%,并且Al材料还具有良好的导电性、易加工和低成本等优势,但是Al负极目前仍然需要提高其循环寿命。

碳涂布多孔铝负极制备工艺较为简单,首先将铝箔采用电解的方法进行腐蚀处理,然后在其表面包覆一层PAN材料,经过低温固化和高温碳化后,即可在铝箔的表明形成一层碳层,可以多次重复PAN处理过程提高碳的含量,研究发现,一次碳包覆碳含量约为1.5%,两次碳包覆碳含量约为2.8%,三次碳包覆碳含量约为4%

4、陶瓷混胶隔膜

由于锂电池的材料是影响其安全性能的重要因素,为保证锂电池的安全性,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,就是将纳米级陶瓷颗粒涂覆在隔膜上。其作用主要是提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路。另外,陶瓷热传导率低,防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。一般可耐高温在200℃左右。陶瓷涂覆的市场主要为高电压的电池和动力电池。其发展方向有两种:一是涂氧化铝,以LG为代表,采用浸涂;二是表面做一层芳纶,以日本帝人为代表。

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

5、芳纶涂覆隔膜

随着锂电池在储能、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、芳纶等耐高温树脂制备基体隔膜,还是无纺布和纸隔膜在一些特殊领域的研发,在未来静电纺丝技术必定会取代现有隔膜工艺技术。芳纶涂覆隔膜吸液、保液性能强,能提升容量,更轻薄,在不影响安全的前提下,制造出更轻薄能满足小巧、微型高容量电池。离子电导率更强的新材料隔膜。此外,芳纶涂覆隔膜解决了高温下不变形,避免了短路的发生,低自放电,可以降低微短路带来的容量损失,高倍率性能、电解液浸润性能、提升了循环性能。

6CNT

CNT的英文全称是Carbon Nanotube。中文名称是碳纳米管,与金刚石、石墨、富勒烯一样,是碳的一种同素异形体。它是一种管状的碳分子,管上每个碳原子采取sp2杂化,相互之间以碳-σ键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。

碳纳米管是在19911月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子,管上每个碳原子采取sp2杂化,相互之间以碳-σ键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细,只有纳米尺度,几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽,碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

作为一种高品质的纳米材料,由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻,且性质会随结构的变化而变化,可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属;具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通量是量子化的,表现出阿哈诺夫-波姆效应(A-B效应)

7、高电压正极

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电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

三元材料是镍钴锰酸锂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电池安全性高。

目前越来越多的电动物流车采用了三元材料电池,这主要是由于三元系正极材料NCA

具有能量密度高、循环寿命长、成本低、利于整车轻量化等优点,能够有效解决城市物流最后一公里的问题,而且由此引发了电动物流车从磷酸铁锂向三元技术转变的趋势。