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锂电池硬碳负极材料技术与应用进展
发布人:裕丰碳纤维 发布时间:2018-08-01 11:32 阅读量:

  硬碳(Hard Carbon)是指石墨化碳,是高分子聚合物的热分解产物,具有较高的可逆比容量,一般为500~700mAh/g。硬碳作为锂电池负极材料结构稳定,充放电循环寿命长,并具有良好的倍率性能,可以满足电动车锂电池大功率充放电的要求。此外,硬碳与碳酸丙烯酯(PC)基电解液的兼容性优于石墨。

  硬碳表面是疏松多孔结构,易吸附空气中水分与氧气,在表面形成各种C-H官能团,锂离子能与这些官能团反应,造成锂离子的损耗,提高了不可逆容量,降低了首次效率。硬碳负极材料的改性可以有效提升其电化学性能。

  硬碳改性的方法主要包括:

  1.无机材料包覆硬碳改性,向碳材料中掺杂非金属元素B、Si、P、N、S等均可使硬碳材料的嵌锂特性发生明显改变,降低不可逆容量;

  2.化学气相沉淀法(CVD法)包覆硬碳改性,目前CVD法可以使可逆循环容量保持在理论值的70%左右。对CVD法各参数的优化可以使硬碳可逆容量进一步增大。

  目前已有不少HEV动力锂电池企业在采用硬碳作为负极材料。如本田(Honda)推出的思域HEV,由Blue Energy(本田与GS汤浅合资组建的HEV锂电池企业)提供的动力锂电池。采用的正负极材料分别是NCM三元材料和硬碳材料。日产风雅HEV锂电池采用的也是硬碳负极材料。

  日本住友电木开发出了用于高输出用途锂离子充电电池负极的硬碳材料。该硬碳属于耐热性和阻燃性都很高的苯酚树脂类材料。住友电木开发的硬碳的晶粒特点是:粒径为数个μm,结晶间距离约为4埃(4×10-10m),大于石墨的约3.4埃。作为负极材料使用时,便于锂离子进出,在-20℃的低温环境下与石墨相比可将单元电阻降低20~30%。

  中国的杉杉科技等企业也在积极开发用于HEV的硬碳负极材料产品并有所成就。其硬碳材料产品(HCP)采用优选的沥青原料,与添加剂混合进行交联处理等工序,前驱体经高温炭化制得具有难石墨化性的硬碳材料。当硬碳表面包覆致密的沥青热解炭后,表面的微孔被堵住,硬碳表面官能团大大地减少,从而降低了不可逆容量损失,提高首次效率。

  此外,日本吴羽化工于2011年12月14日宣布,已与可乐丽(Kuraray)就共同开展锂离子充电电池负极材料业务达成协议。吴羽将和可乐丽旗下的可乐丽化学合资成立采用植物原料的硬碳“Bio Carbotoron”制造子公司,Bio Carbotoron的生产工厂将在可乐丽化学位于日本冈山县备前市的生产基地内投资15~20亿日元建设。

  双方计划在2013年构筑起年产1,000吨硬碳负极的生产装置,并在2015年之前再引进具备年产3,000吨硬碳负极的生产设备,以达成可年产4,000吨硬碳负极的装置。原料有望采用压榨棕榈油后剩下的油棕榈渣。吴羽目前在福岛县磐城市已建成了年产1,000吨硬碳负极的生产线,并计划在2015年之前将产能扩充至4,000吨。因此,2015年可以供应最多8,000吨/年的锂离子电池用硬碳。


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