行業(yè)趨勢：未來(lái)10大最具潛力的鋰電池材料

中國儲能網(wǎng)訊：鋰電池的發(fā)展正處于一個(gè)瓶頸期，能量密度已經(jīng)接近其物理極限。我們需要新的材料或者技術(shù)去實(shí)現鋰電池的突破，以下幾種電池材料被業(yè)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(chǎn)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(mǎn)足終端對電池日益增長(cháng)的需求。

 

　　硅碳復合材料作為未來(lái)負極材料的一種，其理論克容量約為4200mAh/g以上,比石墨類(lèi)負極的372mAh/g高出了10倍有余，其產(chǎn)業(yè)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(wèn)題有：

 

　　充放電過(guò)程中，體積膨脹可達300%，這會(huì )導致硅材料顆粒粉化，造成材料容量損失。同時(shí)吸液能力差。

 

　　循環(huán)壽命差。目前正在通過(guò)硅粉納米化，硅碳包覆、摻雜等手段解決以上問(wèn)題，且部分企業(yè)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　目前各大材料廠(chǎng)商紛紛在研發(fā)硅碳復合材料，如BTR、斯諾、星城石墨、湖州創(chuàng )亞、上海杉杉、華為、三星等。國內負極材料企業(yè)研發(fā)硅基材料的情況是：大部分材料商都還處于研發(fā)階段，目前只有上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段。

 

　　2鈦酸鋰

 

　　近年來(lái)，國內對鈦酸鋰的研發(fā)熱情較高。

 

　　鈦酸鋰的優(yōu)勢主要有：

 

　　循環(huán)壽命長(cháng)(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(shí)，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(jià)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(guò)改善生產(chǎn)工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長(cháng)循環(huán)壽命、快充等優(yōu)勢才能發(fā)揮作用。結合市場(chǎng)及技術(shù)，鈦酸鋰比較適合用于對空間沒(méi)有要求的大巴和儲能領(lǐng)域。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　珠海銀隆、四川興能、湖州微宏動(dòng)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(chǎn)廠(chǎng)家。

 

　　3石墨烯

 

　　石墨烯自2010年獲得諾獎以來(lái)，廣受全球關(guān)注，特別在中國。國內掀起了一股石墨烯研發(fā)熱潮，其具諸多優(yōu)良性能，如透光性好，導電性能優(yōu)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(lèi)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(chǎn)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(wèn)題，如首次放電效率較低，約65%;循環(huán)性能較差;價(jià)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(cháng)循環(huán)壽命、增加內部導電性能。

 

　　鑒于石墨烯當前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)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(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　珈偉股份，東旭光電，青島昊鑫新能源，廈門(mén)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(yōu)良的導電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

 

　　缺點(diǎn)：

 

　　碳納米管直接作為鋰電池負極材料時(shí)，會(huì )存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問(wèn)題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過(guò)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?jì)H為400mAh/g。

 

　　碳納米管在負極中的另一個(gè)應用是與其他負極材料(石墨類(lèi)、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(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負極材料的電性能。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　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(fā)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(fā)熱點(diǎn)。

 

　　富鋰錳基作為正極材料的優(yōu)勢有：

 

　　能量密度高、主要原材料豐富

 

　　由于開(kāi)發(fā)時(shí)間較短，目前富鋰錳基存在一系列問(wèn)題：

 

　　首次放電效率很低、材料在循環(huán)過(guò)程析氧，帶來(lái)安全隱患、循環(huán)壽命很差、倍率性能偏低。

 

　　目前解決這些問(wèn)題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量?jì)?yōu)勢明顯，潛力巨大，但限于技術(shù)進(jìn)展較慢，其大批量上市還需時(shí)間。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　中國科學(xué)院寧波材料所等

 

　　6動(dòng)力型鎳鈷錳酸鋰材料

 

　　一直以來(lái)，動(dòng)力電池的路線(xiàn)存在很大爭議，因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線(xiàn)都有被采用。國內動(dòng)力電池路線(xiàn)以磷酸鐵鋰為主，但隨著(zhù)特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路線(xiàn)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(wú)法克服，而新能源汽車(chē)要求更長(cháng)的續航里程，因此長(cháng)期來(lái)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(shù)路線(xiàn)。

 

　　鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內下一代動(dòng)力電池主流材料。國內陸續推出三元路線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)，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(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　湖南杉杉、當升科技、廈門(mén)鎢業(yè)、科恒股份等

 

　　7涂覆隔膜

 

　　隔膜對鋰電池的安全性至關(guān)重要，這要求隔膜具有良好的電化學(xué)和熱穩定性，以及反復充放電過(guò)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(diǎn)擴大形成整體熱失控。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　星源材質(zhì)、上海恩捷、中材科技、義騰隔膜、天津東皋、璞泰來(lái)等

 

　　8陶瓷氧化鋁

 

　　在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要針對動(dòng)力電池體系，因此其市場(chǎng)成長(cháng)空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場(chǎng)需求將隨著(zhù)三元動(dòng)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(chǎn)品較成熟，但價(jià)格比國產(chǎn)的貴一倍以上。國內目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁，希望減少進(jìn)口依賴(lài)。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　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(jìn)一步提升電壓會(huì )導致鈷酸鋰結構坍塌，性質(zhì)不穩定;

 

　　另一種則是開(kāi)發(fā)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(guān)鍵性作用，其成為近年來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。

 

　　相關(guān)研發(fā)企業(yè)：

 

　　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(jìn)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(huì )用到有機溶劑。在電極片制作過(guò)程中，需要將有機溶劑烘干揮發(fā)，這既污染環(huán)境，又危害員工健康。干燥蒸發(fā)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(jià)格昂貴，增加了鋰電池的生產(chǎn)成本。

 

　　另外，SBR/CMC粘結劑在加工過(guò)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(huán)保、降低成本、增加極片性能等需求考量，水性粘結劑的開(kāi)發(fā)勢在必行。