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郑洪河教授:新型差异化石墨负极材料与应用(报告)
2022年11月09日 发布 分类:行业要闻 点击量:127
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锂离子电池性能的改善和提升大多是基于正负极材料的改进所进行的,因此对于正负极材料的研究一直是行业技术革新的重点。目前在锂电池负极领域,石墨负极材料产业的发展如火如荼,但仍然存在明显的缺陷和不足:一是生产能耗过高,二是污染大,这些都不符合我国的低碳产业政策和路线。为了解决这些突出问题,行业内一大改进方向是发展高性能天然石墨材料,使天然石墨的性能达到甚至超过人工石墨的水平,把我国天然石墨的资源优势充分挖掘出来,保障锂离子电池产业的健康发展。

石墨

在自然状态下,由地质活动形成的石墨为天然石墨。由于各地区地质条件不同,石墨在成矿过程中的变质程度也不相同,由此导致石墨晶体的结晶程度、结构类型、结晶形态均有所不同。一般常见的天然石墨为鳞片石墨和块状石墨,这两者的结晶程度较高,另外还有一些晶粒形态不太明显的隐晶质石墨。

目前,人造石墨在锂离子电池负极材料市场中的份额在 70%左右,而我国具有较大的晶质石墨和隐晶质资源储量,通过将天然石墨改性,使其性能指标与人造石墨几乎无异,可发挥商业化生产成本低、对环境影响更小等优势,具有极大的发展潜力。

作为锂电池负极材料,天然石墨负极材料的理论容量为372 mAh/g,但在当前的电解液体系下,天然石墨化学稳定性较差,往往导致实际容量低、循环倍率性差、充放电寿命短等问题。要充分发挥天然石墨负极材料的性能,就需要对其进行改性处理。改性思路有以下几类:(1)降低石墨颗粒的表面活性;(2)增强石墨的层间力;(3)构建稳定的SEI膜。

天然石墨剖面图(左)、人造石墨剖面图(右)

天然石墨剖面图(左)、人造石墨剖面图(右)

为了实现上述突破,苏州大学的郑洪河教授团队发展了功能有机分子在石墨材料表面嫁接和原位转化技术,该技术的核心是将功能分子通过桥连原子或官能团直接嫁接到石墨材料表面,形成纳米厚度的功能嫁接分子层,分子层厚度约20nm。

这种方法实现了三个方面的重要突破:

(1)通过功能有机质分子表面嫁接和原位转化取代高温石墨化技术,大幅度降低了石墨负极材料的生产能耗:全新的界面处理技术突破了传统沥青包覆和2800-3000℃高温石墨化的工艺路线,利用天然石墨自身的优势,发展了低能耗高性能有机质/石墨复合负极材料的设计与制造技术。与现有技术相比,新技术可以在300℃以下完成,每吨新型石墨负极材料的生产能耗可低至1200度电以下,与当前高温石墨化技术路线相比,每吨产品实现节能90%以上;

(2)发展了电解液通用型天然石墨负极材料,大大拓宽了锂离子电池的应用场景,第三方检测显示,该石墨材料可以在PC和普通酯类中发挥优异的电化学性能,从而大大拓宽锂离子电池的电解液种类和应用场景,对解决锂离子电池的低温和快充性能有突出的作用;

(3)天然石墨性能全面提升,该技术以天然石墨为主要原料,实现首次库仑效率达到 96.2%,循环稳定性、高温稳定性都得到了显著改善。更重要的是新材料可以大幅度降低电池自放电,显著提高电池高温稳定性和提高电池安全性,对动力和储能市场都有重要的价值和意义。


在即将到来的2022年11月24-26日与珠海举办的2022年全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛(第二届),粉体圈邀请了郑洪河教授现场分享报告“新型差异化石墨负极材料与应用”,报告将详细讲解功能其开发的有机分子在石墨材料表面嫁接和原位转化技术用于制备高性能天然石墨负极材料,对于负极材料的未来技术发展十分有启发性。如果您对相关内容感兴趣,请千万不要错过!

报告人简介

郑洪河,苏州大学能源学院教授,博士生导师。1967年生,2001年获得湖南大学材料学专业工学博士学位,2004年在日本京都大学工学部合作研究,2007年进入美国劳伦斯伯克利国家实验室工作,2010年回国加盟苏州大学,负责组建了苏州大学能源学院,先后任苏州大学能源学院院长和学术委员会主任,系中国电化学会化学电源分会召集人,中国化学与物理电源学会理事,中国固态离子学会理事,《储能科学与技术》、《电源技术》和《电池》杂志编委等。现任江苏省二级教授、苏州华赢新能源材料科技有限公司总经理。研究领域包括先进碳素材料、软功能介质材料(电解液和粘结剂)等,先后主持国家自然科学基金面上项目6项、科技部863重大项目(子课题)2项,出版与新能源技术相关的科学著作2部。在国内外主要期刊发表论文200余篇,申请专利57项(已授权24项),2016,2021先后获得江苏省科学技术二等奖和三等奖。


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