未來10大最具潛力的鋰電池新材料大盤點

2022年，我國鋰離子電池產(chǎn)量達750GWh，同比增長超過130%，行業(yè)總產(chǎn)值突破1.2萬億元。工信部有關(guān)負責人表示，2022年，鋰電在新能源汽車領(lǐng)域以及風光儲能、通信儲能、家用儲能等儲能領(lǐng)域加快興起并迎來增長窗口期，2022年全國新能源汽車動力電池裝車量約295GWh，儲能鋰電累計裝機增速超過130%。據(jù)預(yù)測，納米管導(dǎo)電劑市場2025年將增至32萬噸，三年增長近170%。本文，小編就來給大家盤點一下，未來最具潛力的10大鋰電池新材料。1、硅碳復(fù)合負極材料數(shù)碼終端產(chǎn)品的大屏幕化、功能多樣化后，對電池的續(xù)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(fù)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(chǎn)業(yè)化后，將大大提升電池的容量?，F(xiàn)在硅碳復(fù)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(dǎo)致硅材料顆粒粉化，造成材料容量損失。同時吸液能力差。循環(huán)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(yè)已經(jīng)取得了一定進展。相關(guān)研發(fā)企業(yè)：目前各大材料廠商紛紛在研發(fā)硅碳復(fù)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(nèi)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入中試量產(chǎn)階段。2、鈦酸鋰鈦酸鋰電池是一種鋰離子電池，其正極材料為鈦酸鋰（Li?TiO?），負極材料為碳材料。相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，鈦酸鋰電池具有更高的安全性、更長的使用壽命和更快的充電速度等優(yōu)勢。鈦酸鋰電池的正極材料鈦酸鋰具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可以提高電池的安全性能。同時，鈦酸鋰還具有良好的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性，能夠保持長期的高容量和長壽命。鈦酸鋰電池的負極材料采用碳材料，例如天然石墨、人工石墨、碳纖維等，這種負極材料具有較高的比容量和較長的使用壽命。與此同時，鈦酸鋰電池的電解液通常采用無水有機溶液體系，例如碳酸二甲酯（DMC）和丙烯腈（AN）混合物，可以提高電池的充電速度和能量密度。由于其安全性、長壽命和快速充電等優(yōu)點，鈦酸鋰電池被廣泛應(yīng)用于電動汽車、電動工具、太陽能電池儲能系統(tǒng)、電力工具等領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)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(可達10000次以上)，屬于零應(yīng)變材料(體積變化小于1%)，不生成傳統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)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(chǎn)工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長循環(huán)壽命、快充等優(yōu)勢才能發(fā)揮作用。結(jié)合市場及技術(shù)，鈦酸鋰比較適合用于對空間沒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(guī)模較小的鈦酸鋰生產(chǎn)廠家。流程工業(yè)最新線上課程3、石墨烯利用石墨烯所具有的超薄超輕、優(yōu)異電化學性能、較高比表面積、電子和離子傳導(dǎo)性能及特殊的二維單原子層結(jié)構(gòu)，可以將其應(yīng)用于動力電池石墨烯負極復(fù)合材料、鋰電池正極導(dǎo)電劑和石墨烯功能涂層鋁箔等。極大地減輕電池重量從而降低整車質(zhì)量，延長電池使用壽命，大大提高電動汽車的續(xù)航里程和充電速度。石墨烯直接作為負極材料石墨烯直接儲鋰的優(yōu)點：高比容量：鋰離子在石墨烯中具有非化學計量比的嵌入、脫嵌，比容量可達700~2000mAh/g；高充放電速率：多層石墨烯材料的層間距離要明顯大于石墨的層間距，更有利于鋰離子的快速嵌入和脫嵌。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，但其二維微觀結(jié)構(gòu)的易相互堆疊導(dǎo)致對石墨烯獨立電極材料的研究并不理想。主要表現(xiàn)為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。石墨烯自2010年獲得諾獎以來，廣受全球關(guān)注，特別在中國。國內(nèi)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(dǎo)電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性較高，機械強度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應(yīng)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(dǎo)熱性能確保其在電池體系中的穩(wěn)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(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定，導(dǎo)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(huán)性能較差;價格較高，明顯高于傳統(tǒng)石墨負極。作為正負極添加劑：可提高鋰電池的穩(wěn)定性、延長循環(huán)壽命、增加內(nèi)部導(dǎo)電性能。鑒于石墨烯當前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價格高昂、性能不穩(wěn)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，廈門凱納等4、碳納米管碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)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。在鋰電池的應(yīng)用中，碳納米管作為導(dǎo)電劑時，其獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地連接更多的活性物質(zhì)，出色的電導(dǎo)率也可以大幅降低阻抗。此外，較大長徑比的碳納米管具有更大的比表面積，與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑SuperP、石墨相比，它只需很少的添加量便足以在電極內(nèi)組建高效的三維高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并達到提升電池能量密度的目標。因此，更深入的研發(fā)新型碳納米管導(dǎo)電劑是未來重點關(guān)注的方向。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，到2023年碳納米管導(dǎo)電劑在中國鋰離子動力電池市場的滲透率將達到82.2%。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(yīng)用是與其他負極材料(石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復(fù)合，利用其獨特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點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。根據(jù)《2022-2027年中國富鋰錳基正極材料行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測報告》顯示，富鋰錳基正極材料是一種鋰離子電池正極材料，在“碳中和”背景下，全球新能源汽車市場滲透率快速提升，動力電池需求旺盛，與現(xiàn)階段常見的鋰離子電池正極材料相比，富鋰錳基正極材料比容量高、續(xù)航能力強，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮履茉雌囦囯x子電池正極材料。行業(yè)分析人士表示，富鋰錳基正極材料放電比容量高，是目前已知鋰離子電池正極材料中放電比容量最高的產(chǎn)品之一，遠高于市場中常見的三元材料與磷酸鐵鋰正極材料，可制造高能量密度動力電池，提升動力電池續(xù)航能力。并且富鋰錳基正極材料中的鈷、鎳含量僅為三元材料的3成左右，也可以不含鈷，進一步降低其成本，其安全性能也高于三元材料電池，因此成為極具潛力的下一代鋰離子電池正極材料。富鋰錳基正極材料具有放電比容量高、放電電壓高、能量密度高、成本低、安全性高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，未來市場潛力大，我國科研院所正在加快其技術(shù)研究步伐。目前富鋰錳基存在一系列問題：首次放電效率很低;材料在循環(huán)過程析氧，帶來安全隱患;循環(huán)壽命很差;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(yù)循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量優(yōu)勢明顯，潛力巨大，但限于技術(shù)進展較慢，其大批量上市還需時間。我國富鋰錳基正極材料技術(shù)研究正在不斷深入，當現(xiàn)有瓶頸問題被解決后，有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。相關(guān)研發(fā)企業(yè)：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(nèi)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(xù)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(shù)路線。鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內(nèi)下一代動力電池主流材料。國內(nèi)陸續(xù)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(guān)研發(fā)企業(yè)：湖南杉杉、當升科技、廈門鎢業(yè)、科恒股份等7、涂覆隔膜現(xiàn)階段我國隔膜市場以濕法隔膜為主，盡管濕法隔膜在性能上領(lǐng)先于干法隔膜，但是在實際的應(yīng)用中仍會出現(xiàn)一些缺陷，為進一步提升濕法隔膜產(chǎn)品的使用性能，各廠商持續(xù)加大對隔膜產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的研究，逐步形成了在原有隔膜的基礎(chǔ)上涂覆特定材料的涂覆工藝。涂覆本質(zhì)上是一種改性手段，通過涂覆特定材料，改變基膜的性能，以此滿足更加多元化的需求，使用涂覆工藝可以有效的增強隔膜的熱穩(wěn)定性和機械性能。涂覆材料可以分為涂覆顆粒和涂覆溶劑兩種，其中涂覆顆粒包括有機和無機兩大類，無機材料主要有勃姆石、氧化鋁等，有機材料包含PVDF、芳綸等；涂覆溶劑則可以分為水性和油性兩種，油性涂覆均勻性和粘性優(yōu)于水性涂覆，成本比較高，海外電池廠更為青睞。目前隔膜市場中，無機涂覆隔膜的生產(chǎn)工藝更為成熟，且生產(chǎn)的產(chǎn)品可拉伸強度和熱收縮率更好，成本較低，因而無機涂覆隔膜占據(jù)涂覆隔膜市場的絕大部分市場份額。2019年以來，我國無機涂覆隔膜產(chǎn)品占總涂覆隔膜產(chǎn)品的比重在不斷增加，2021年我國無機涂覆在涂覆隔膜中的占比超過95%。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和熱穩(wěn)定性，以及反復(fù)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：提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路;涂覆材料熱傳導(dǎo)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(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(chǎn)品較成熟，但價格比國產(chǎn)的貴一倍以上。國內(nèi)目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁，希望減少進口依賴。氧化鋁是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體。氧化鋁作為一種無機物，具有很高的熱穩(wěn)定性及化學惰性，是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。其優(yōu)點有：循環(huán)壽命長：降低了循環(huán)過程中的機械微短路，有效提升循環(huán)壽命；高倍率性：高純納米氧化鋁在鋰電池中可形成固溶體，提高倍率性和循環(huán)性能；高純納米氧化鋁還具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能：電池溫度過高時，這種材料可以很好地進行熱量傳導(dǎo)，從而解決了PP/PE材料導(dǎo)熱性差的問題；良好浸潤性：高純納米氧化鋁粉末具有良好的吸液及保液能力；高純納米氧化鋁材料還具有優(yōu)良的阻燃性：這是因為氧化鋁材料本身就是非常優(yōu)良的阻燃劑，即使因為溫度過高，達到燃燒零界點，該材料的良好的阻燃性能會阻止大范圍的燃燒甚至爆炸；電流過大時，能夠阻斷電流：隨著鋰離子電池容量的不斷提高，內(nèi)部蓄積的能量越來越大，內(nèi)部溫度會提高，有可能出現(xiàn)溫度過高使負極隔膜被融化而造成短路。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(tǒng)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(dǎo)致鈷酸鋰結(jié)構(gòu)坍塌，性質(zhì)不穩(wěn)定;另一種方法則是開發(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，其成為近年來的研發(fā)重點。隨著鋰離子電池向高能量密度方向的不斷發(fā)展，高電壓電解液方面的研究也越來越深入。目前，新型高電壓電解液有砜類、腈類、離子液體和氟代類電解液等，這些新體系電解液在一定程度上可滿足高電壓的需求。砜類電解液砜類電解液成本低廉，電化學窗口超過5V，是潛在的鋰離子電池高電壓電解液。砜類與碳酸酯類作為共溶劑后，可優(yōu)化砜類與正極材料的兼容性，也為開發(fā)高電壓電解液提供了新的思路。砜類溶劑存在熔點較高，多數(shù)砜類在室溫下呈現(xiàn)為固態(tài)，以及與正極材料相容性不好等問題，解決好這些問題，砜類電解液的應(yīng)用將更廣泛。腈類電解液腈類物質(zhì)擁有一系列的優(yōu)點，如：熱穩(wěn)定性高，陽極穩(wěn)定性好、液態(tài)溫度范圍寬等。最突出的特點為電化學窗口寬，單腈類抗氧化穩(wěn)定性可達到7V，在通常5V級高電壓鋰離子電池中很難發(fā)生分解。腈類溶劑比碳酸酯類溶劑在高電壓下更穩(wěn)定，并且在低溫下?lián)碛懈錾男阅堋５c石墨或金屬鋰等負極的兼容性不良，會在負極聚合，生成的聚合物會阻礙鋰離子的脫嵌。因此，如何解決好其與負極材料的相容性，揚長避短，是其應(yīng)用于鋰離子電池高電壓電解液的必經(jīng)之路。氟代類電解液氟原子的電負性比較強，極性較弱，氟代溶劑的化學穩(wěn)定性較優(yōu)異，在高電壓電解液應(yīng)用方面具有很大的潛力，如何研發(fā)具有優(yōu)良性能的氟代類電解液，是科研工作者的目標。離子液體離子液體具有揮發(fā)性低、阻燃性能優(yōu)異、電化學窗口寬等特性，近來其研究已經(jīng)很廣泛，其可以在高電壓下提高鋰離子電池的穩(wěn)定性。不足的地方是使用該離子液體后電池庫侖效率僅約95%，容量衰減較快，因此庫侖效率還需提高，真正實現(xiàn)高效率、高容量保持率。為改善其不足，可將離子液體與常規(guī)溶劑作為共溶劑，提升鋰離子電池在高電壓下的性能。雖然離子液體可應(yīng)用在高電壓鋰離子電池，但是其高的黏度、低的電導(dǎo)率導(dǎo)致電池循環(huán)和倍率性能降低；其次，其浸潤性不好，致使與電極的相容性也較差；再者，離子液體熔點高，使得在低溫下的性能下降。離子液體真正實現(xiàn)應(yīng)用化還需更多的研究。相關(guān)研發(fā)企業(yè)：新宙邦、天賜材料等10、水性粘結(jié)劑目前正極材料主要使用PVDF做粘結(jié)劑，用有機溶劑進行溶解。負極的粘