鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)工藝

鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)工藝一、負(fù)極材料類型分類及對(duì)比負(fù)極材料主要分為碳材料與非碳材料兩類。碳類是指碳基體系，主要包括中間相碳微球、人造石墨、天然石墨和硬碳。目前市場(chǎng)化應(yīng)用程度最高的為碳材料中的石墨類負(fù)極材料，其中人造石墨、天然石墨有較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。非碳材料主要包括硅基材料、錫基材料、鈦酸鋰等，其中硅基負(fù)極材料屬于目前各大負(fù)極材料主流廠商重點(diǎn)研究的對(duì)象，是未來最可能大規(guī)模應(yīng)用的新型負(fù)極材料之一。二、人造石墨負(fù)極制備工藝人造石墨制造流程可分為四大步、十余個(gè)小工序，造粒和石墨化是關(guān)鍵。人造石墨負(fù)極材料生產(chǎn)流程可以分為四個(gè)步驟：1）預(yù)處理2）造粒3）石墨化4）球磨篩分。四大步驟中，破碎和篩分相對(duì)簡單，體現(xiàn)負(fù)極行業(yè)技術(shù)門檻和企業(yè)生產(chǎn)水平的主要是造粒和石墨化兩個(gè)環(huán)節(jié)。石墨化基地的建設(shè)固定資產(chǎn)投資較大、且石墨化電阻料廢料的處置需要穩(wěn)定的鋼廠、鋁廠客戶資源，專業(yè)性較強(qiáng)。石墨化、原料粉碎工藝均是碳素行業(yè)傳統(tǒng)成熟的工藝，可選擇外委外工的廠商比較多，但石墨化委外加工和自有石墨化的成本差異大，故大多數(shù)企業(yè)均在自建石墨化基地以降低成本。具體到生產(chǎn)流程，首先將焦類和導(dǎo)電顆粒、碳納米管、炭黑、乙炔黑中的一種或者多種進(jìn)行預(yù)混，再將混合好的物料與碳類進(jìn)行一次燒結(jié)包覆，將制備好的顆粒進(jìn)行石墨化處理；石墨化處理后的物料與樹脂類材料進(jìn)行二次包覆；采用溶劑進(jìn)行表面處理，用離心、沉淀等方法從溶劑中分離出固相顆粒，再進(jìn)行碳化，制得5-20um的顆粒，得到一種高倍率碳負(fù)極材料。采用這種方法通過混捏造粒等方式，對(duì)顆粒進(jìn)行二次包覆造粒將材料內(nèi)殼填充，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使碳負(fù)極材料具有高倍率性能、高壓實(shí)、高比容量等優(yōu)點(diǎn)。人造石墨的四大工序中，破碎和篩分相對(duì)簡單，體現(xiàn)負(fù)極行業(yè)技術(shù)門檻和企業(yè)生產(chǎn)水平的主要是造粒和石墨化兩個(gè)環(huán)節(jié)。而高端人造石墨，會(huì)多一些工序，例如二次造粒、碳化包覆、二次包覆、摻雜改性等。天然石墨負(fù)極制備工藝天然石墨的工藝流程。天然石墨負(fù)極材料是以天然鱗片石墨為原材料，經(jīng)過粉碎、分級(jí)、球化、純化、表面處理等工序制備而成的負(fù)極材料。硅基材料負(fù)極制備工藝硅基主要技術(shù)路徑對(duì)比：硅基負(fù)極高比容、資源廣，是最有前景的負(fù)極材料之一。當(dāng)前高端石墨克容量已達(dá)到360-365mAh/g，接近理論克容量372mAh/g，難以滿足日益增長的高能量密度要求。而硅基負(fù)極理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨負(fù)極的理想替代材料。硅基負(fù)極的主要優(yōu)勢(shì)為：1）電位低、克容量高，能量密度高；2）地殼中含量高，理論成本低；3）高倍率、高安全性，其本身為均勻的纖維，能夠緩解脫嵌和吸附中表面吸力引起的安全問題；4）工作電壓適宜，略高于石墨，低于鈦酸鋰和過渡金屬氧化物。硅基負(fù)極主要問題是膨脹大、首銷低、倍率低，可通過改善材料設(shè)計(jì)、改良電池體系等實(shí)現(xiàn)性能提升。硅基負(fù)極主要的應(yīng)用挑戰(zhàn)：1）硅材料在進(jìn)行合金化反應(yīng)時(shí)，體積膨脹率可達(dá)300%（碳材料僅為16%），材料易粉化；2）負(fù)極活性物質(zhì)易脫落；3）膨脹使得SEI膜破碎，放電時(shí)SEI重構(gòu)，使得其處于破損-修復(fù)動(dòng)態(tài)階段，厚度會(huì)持續(xù)增加，界面阻抗提高，活性物質(zhì)消耗。主要解決方案有兩種：1）改善材料設(shè)計(jì)，如尺寸控制、包覆高導(dǎo)電材料、預(yù)鋰化、構(gòu)建空腔等；2）改良電池體系，如開發(fā)更為合適的粘結(jié)劑、導(dǎo)電添加劑、電解液。硅基技術(shù)優(yōu)化發(fā)展方向：目前，商業(yè)化的硅基負(fù)極材料主要包括碳包覆氧化亞硅、納米硅碳、無定型硅合金、硅納米線四種，其中碳包覆氧化亞硅、納米硅碳是商業(yè)化程度最高的兩種硅基負(fù)極材料。1）碳包覆氧化亞硅，目前較好的碳包覆氧化亞硅碳產(chǎn)品搭配石墨到450-500mAh/g容量后使用，已經(jīng)可以做到在鋼殼電芯中循環(huán)1000-2000周，在軟包電芯中循環(huán)500-1000周。2）納米硅碳，目前商業(yè)化的軟包電池和