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锂离子电池高容量硅基负极材料的开发与应用
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2017
  • 中图分类:
    TM242
  • 关键词:
  • 成果简介:
    研究目的:锂离子电池已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车等领域。自1991年商业化以来,提升电池能量密度一直是行业努力的方向,而开发新型高容量电极材料是关键。锂离子电池主要采用石墨作为负极材料,其理论比容量为372mAh/g,高端石墨产品比容量已达360mAh/g,难以进一步提升。硅基负极材料室温理论比容量为3589mAh/g,远高于石墨材料。此外,硅基材料还具有储量丰富、成本低廉、环境友好等优势,被行业公认为下一代锂离子电池负极材料的首选。该项目致力于硅基负极材料的研发及产业化推广。 主要技术创新点:团队于1997年在国际上首次将纳米硅材料应用于锂离子电池,申请了首个发明专利且获授权,共有6个专利已授权;于1999年在国际上发表了首篇纳米硅负极材料应用于锂离子电池的科研论文。之后,一直致力于硅基负极材料的产业化推进。主要技术创新点如下:1)解决了纳米硅制备及与碳均匀复合的问题,纯纳米硅材料嵌锂过程具有超过300%的体积形变,难以直接应用。团队通过自主设计用于制备纳米硅的设备,获得了颗粒尺寸小、粒径分布范围窄、表面氧化程度小的纳米硅。同时,通过引入融合、气相包覆等工艺优化复合结构与包覆层,成功获得了成本低、首效高、循环性能良好的硅基负极材料;2)解决了氧化亚硅材料首周效率低问题:氧化亚硅材料循环性能较好,但首周效率较低。团队通过自主研发设备,从原材料制备入手调控氧化亚硅的原子结构,抑制其不可逆嵌锂过程。同时通过精细化表面包覆、严格控制生产工艺,最终成功的制备了高首效,循环稳定性优异的硅基复合材料;3)解决了硅基负极材料工程化制备过程中的技术难题:采用自主研发设计的中试生产线,突破了材料批量制备的技术难题,成功实现了硅基负极材料的工程化制备。已掌握500公斤/批次稳定制备技术。 产生成果的价值:锂离子电池市场庞大,采用高容量的硅基负极材料锂离子电池质量能量密度可提升8%以上,体积能量密度提升10%以上,同时每kWh电池的成本下降至少3%。因此,硅基材料具有非常广阔的市场前景。据高工产研锂电研究所统计,2016年中国负极材料产量为12.25万吨,产值66.39亿元,其中石墨负极占90%。据中国产业网预测,到2020年,全球锂离子电池总量将达到200GWh,其中电动汽车用动力电池100GWh,3C类产品50GWh,其他应用50GWh。如10%的动力电池、20%的3C产品采用硅基负极材料,至少将需要2.4万吨硅基负极材料,产值将达21亿元。
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