高能量密度锂电池研究获进展

石墨烯复合硅碳负极材料中试生产线建成

  中化新网讯 针对硅碳负极材料的体积膨胀问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队近日从源头出发,构筑出高机械稳定的自机械抑制石墨烯复合硅碳负极材料,并建成了百吨级石墨烯复合硅碳负极材料中试生产线。

  研究人员表示,由于硅基负极材料的可逆容量与体积膨胀呈线性关系,通过机械限制体积膨胀,可有效控制硅基负极材料的可逆容量。石墨烯是已知的机械性能最高的材料,但其片层之间的弱黏附力较弱,宏观结构机械强度较差,沥青裂解碳可有效缝合石墨烯,提升石墨烯宏观体的机械稳定性。

  研究人员将氧化亚硅(SiOx)和石墨烯浆料在液相体系混合均匀,用沥青作为添加剂,通过喷雾干燥、高温热处理和化学气相沉积等工艺,制备类球形的石墨烯/沥青裂解碳封装硅氧化物复合负极材料(SGC)。研究表明,石墨烯改性后的SGC负极,粉体电导率可提高2个数量级以上,当石墨烯含量超过7%时,石墨烯的润滑作用有利于提升粉体压实密度。且SGC复合负极材料可抑制SiOx摄锂量,降低体积膨胀,提升循环稳定性。

  以此为基础,研究团队进一步解决了石墨烯复合硅碳负极材料规模化制备技术难题,依托宁波富理电池材料科技有限公司建成了百吨级石墨烯复合硅碳负极材料中试生产线。应用该高性能的石墨烯复合硅碳负极材料,他们进一步研制出能量密度达350~400Wh/kg的系列新型高能量密度锂离子电池;与宝能集团旗下昆山聚创新能源科技有限公司共同研发并实现310Wh/kg动力电池装车应用示范。

  动力电池、消费类电池等终端产品对高能量密度锂离子电池需求日益增强。目前,产业界主要采取硅碳复合路线来提升硅基负极应用水平,450mAh/g以下的硅碳复合负极材料在循环性、倍率性等方面基本能够满足应用要求,450mAh/g以上的硅基负极应用还存在技术难点。高比容量的硅碳负极材料嵌/脱锂过程体积膨胀巨大,循环过程中活性材料会发生结构失效导致电接触变差、表面固体电解质膜(SEI膜)反复破裂/再生导致电解液快速消耗、锂离子电池可逆容量迅速衰减。因此,高比容量、长循环稳定的硅碳复合负极材料开发充满挑战。

关键字:硅碳负极材料
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