鉅大LARGE | 點擊量：1461次 | 2019年01月11日
石墨烯/碳納米管最具潛力材料藏大招
鋰電池的發展正處于一個瓶頸期，能量密度已經接近其物理極限。我們需要新的材料或者技術去實現鋰電池的突破，以下幾種電池材料被業內人士一直看好，或將成為打破鋰電池障礙的突破口。
1、硅碳復合負極材料
數碼終端產品的大屏幕化、功能多樣化后，對電池的續航提出了新的要求。當前鋰電材料克容量較低，不能滿足終端對電池日益增長的需求。
硅碳復合材料作為未來負極材料的一種，其理論克容量約為4200mAh/g以上,比石墨類負極的372mAh/g高出了10倍有余，其產業化后，將大大提升電池的容量。現在硅碳復合材料存在的主要問題有：
充放電過程中，體積膨脹可達300%，這會導致硅材料顆粒粉化，造成材料容量損失。同時吸液能力差。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
循環壽命差。目前正在通過硅粉納米化，硅碳包覆、摻雜等手段解決以上問題，且部分企業已經取得了一定進展。
相關研發企業：目前各大材料廠商紛紛在研發硅碳復合材料，如BTR、斯諾、星城石墨、湖州創亞、上海杉杉、華為、三星等。國內負極材料企業研發硅基材料的情況是：大部分材料商都還處于研發階段，目前只有上海杉杉已進入中試量產階段。
2、鈦酸鋰
近年來，國內對鈦酸鋰的研發熱情較高，鈦酸鋰的優勢主要有：
循環壽命長(可達10000次以上)，屬于零應變材料(體積變化小于1%)，不生成傳統意義的SEI膜;
安全性高。其插鋰電位高，不生成枝晶，且在充放電時，熱穩定性極高;
可快速充電。
目前限制鈦酸鋰使用的主要因素是價格太高，高于傳統石墨，另外鈦酸鋰的克容量很低，為170mAh/g左右。只有通過改善生產工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長循環壽命、快充等優勢才能發揮作用。結合市場及技術，鈦酸鋰比較適合用于對空間沒有要求的大巴和儲能領域。
相關研發企業：珠海銀隆、四川興能、湖州微宏動力有限公司、深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司、湖南杉杉新材料有限公司以及安徽和深圳周邊的多家規模較小的鈦酸鋰生產廠家。
3、石墨烯
石墨烯自2010年獲得諾獎以來，廣受全球關注，特別在中國。國內掀起了一股石墨烯研發熱潮，其具諸多優良性能，如透光性好，導電性能優異、導熱性較高，機械強度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應用有：
作負極材料。石墨烯的克容量較高，可逆容量約700mAh/g,高于石墨類負極的容量。另外，石墨烯良好的導熱性能確保其在電池體系中的穩定性，且石墨烯片層間距大于石墨，使鋰離子在石墨烯片層間擴散通暢，有利于提高電池功率性能。由于石墨烯的生產工藝不成熟，結構欠穩定，導致石墨烯作為負極材料仍存在一定問題，如首次放電效率較低，約65%;循環性能較差;價格較高，明顯高于傳統石墨負極。
作為正負極添加劑，可提高鋰電池的穩定性、延長循環壽命、增加內部導電性能。
鑒于石墨烯當前的批量生產工藝不成熟、價格高昂、性能不穩定，石墨烯將率先作為正負極添加劑在鋰離子電池中使用。
相關研發企業：珈偉股份，東旭光電，青島昊鑫新能源，廈門凱納等
4、碳納米管
碳納米管是一種石墨化結構的碳材料，自身具有優良的導電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。
缺點：碳納米管直接作為鋰電池負極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。
碳納米管在負極中的另一個應用是與其他負極材料(石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復合，利用其獨特的中空結構、高導電性及大比表面積等優點作為載體改善其他負極材料的電性能。
相關研發企業：天奈科技、納米港等
5、富鋰錳基正極材料
高容量是鋰電池的發展方向之一，但當前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg,鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg，都偏低。富鋰錳基的理論能量密度可達到900Wh/kg，成為研發熱點。
富鋰錳基作為正極材料的優勢有：1、能量密度高;2、主要原材料豐富。由于開發時間較短，目前富鋰錳基存在一系列問題：1、首次放電效率很低;2、材料在循環過程析氧，帶來安全隱患;3、循環壽命很差;4、倍率性能偏低。
目前解決這些問題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預循環、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量優勢明顯，潛力巨大，但限于技術進展較慢，其大批量上市還需時間。
相關研發企業：中國科學院寧波材料所等
6、動力型鎳鈷錳酸鋰材料
一直以來，動力電池的路線存在很大爭議，因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線都有被采用。國內動力電池路線以磷酸鐵鋰為主，但隨著特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路線引起了一股熱潮。
磷酸鐵鋰雖然安全性高，但其能量密度偏低軟肋無法克服，而新能源汽車要求更長的續航里程，因此長期來看，克容量更高的材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術路線。
鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內下一代動力電池主流材料。國內陸續推出三元路線的電動車，如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚藍等，單位重量密度較磷酸鐵鋰電池有很大提升。
相關研發企業：湖南杉杉、當升科技、廈門鎢業、科恒股份等
7、涂覆隔膜
隔膜對鋰電池的安全性至關重要，這要求隔膜具有良好的電化學和熱穩定性，以及反復充放電過程中對電解液保持高度浸潤性。
涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜的作用是：1、提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路;2、涂覆材料熱傳導率低，防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控。
相關研發企業：星源材質、上海恩捷、中材科技、義騰隔膜、天津東皋、璞泰來等
8、陶瓷氧化鋁
在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要針對動力電池體系，因此其市場成長空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場需求將隨著三元動力電池的興起而大幅提升。
用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求，日本、韓國的產品較成熟，但價格比國產的貴一倍以上。國內目前也有多家企業在研發陶瓷氧化鋁，希望減少進口依賴。
相關研發企業：國瓷材料等
9、高電壓電解液
提高電池能量密度乃鋰電池的趨勢之一，目前提高能量密度方法主要有兩種：一種是提高傳統正極材料的充電截止電壓，如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的，進一步提升電壓會導致鈷酸鋰結構坍塌，性質不穩定;另一種方法則是開發充放電平臺更高的新型正極材料，如富鋰錳基、鎳鈷酸鋰等。
正極材料的電壓提升后，需要與之配套的高電壓電解液，添加劑對電解液的高電壓性能起到關鍵性作用，其成為近年來的研發重點。
相關研發企業：新宙邦、天賜材料等
10、水性粘結劑
目前正極材料主要使用PVDF做粘結劑，用有機溶劑進行溶解。負極的粘結劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等，也會用到有機溶劑。在電極片制作過程中，需要將有機溶劑烘干揮發，這既污染環境，又危害員工健康。干燥蒸發的溶劑需用特殊的冷凍設備收集并加以處理，且含氟聚合物及其溶劑價格昂貴，增加了鋰電池的生產成本。
另外，SBR/CMC粘結劑在加工過程中易粘輥，且難以用于正極片制備，使用范圍受到限制。
出于環保、降低成本、增加極片性能等需求考量，水性粘結劑的開發勢在必行。
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