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  • 武漢天鈉技術總監徐月:鈉離子電池關鍵正負極材料的研...
    發布時間:2023-11-17 11:09    來源:網絡轉載    點擊: 返回列表

    11月13-14日,由起點鋰電、起點鈉電、起點儲能、起點充換電、起點研究院(SPIR)PECA光儲充聯盟、中國新能源企業家俱樂部主辦的2023起點鋰電&起點鈉電&光儲充行業年會LNEC9-2023中國新能源電池千人大會暨第9屆起點金鼎獎頒獎典禮在深圳坪山格蘭云天國際酒店盛大召開。超過1000+上下游企業嘉賓和行業大咖蒞臨現場,50+行業領先企業嘉賓和專家發表精彩演講。

    在14日上午舉辦的論壇5:2023起點鈉電行業年會上,武漢天鈉 技術總監 徐月發表了《鈉離子電池關鍵正負極材料的研究及產業化》的演講。

    圖:武漢天鈉 技術總監 徐月

    以下為演講實錄:

    各位同行,大家好!

    今天非常高興能有這個機會向大家介紹《鈉離子電池關鍵正負極材料的研究及產業化》。

    雙碳政策實施為儲能領域帶來百萬億級的市場預期,推動鈉電池產業發展。雖然現階段鈉離子電池的成本跟鋰電相比沒有很大的優勢,主要的原因是因為鈉電仍然還處于產業發展的前期階段,和已經成熟的產業化鋰電比較成本,鈉電還有一段路要走。另外,鈉離子電池也有它自己相對的高低溫適應性強、倍率性能優異等等優勢,能夠補足相對于鋰電的成本弱勢,鋰電在低溫,或者是高功率的應用場景下成本也有所提升,所以在一些特殊的應用場景下,鈉電的成本還是非常有競爭優勢的。

    鈉離子電池未來應用的目標場景是儲能場景,因為鈉離子具有資源優勢,是儲能市場的必然之選。

    鈉離子電池和鋰離子電池相關指標的差異,也帶來了正負極材料的差異化。

    接下來,我要講一下正負極材料。

    首先是天鈉科技的硬碳負極材料及產品。硬碳是由任意相互交錯的碳層堆積而成,硬碳結構是高度無定型的,碳層間存在較多的缺陷和微孔。碳層形態、孔徑大小與前驅體種類、交聯程度以及碳化溫度密切相關。各研究組使用的原料及前處理手段的差異化會引起碳層結構以及堆積方式的差異,碳層復雜的堆積方式使得結構表征較為困難。硬碳儲鈉機理還未達成統一,但是目前我們已經知道的是,平臺的儲鈉容量是提高鈉電能量密度的關鍵,因此我們在評判硬碳負極這一類材料的時候,不能單獨的以克容量去評判,我們需要使它的斜坡容量盡量減少,從而拉長平臺容量,盡量提高整個鈉離子電池的可用能量密度。

    因為硬碳材料是無定型的,這一類材料的表征相對來說比較困難,競品的研發路線,他們在硬碳的結構、儲鈉性能之間沒有達到微納結構的連接,因此在研發高性能硬碳的時候,沒有辦法點對點地進行驗證,通常大家在研究硬碳材料時用X射線衍射,或者是碳化程度來比較,但對于它的碳鏈、雜質、孔隙、碳層發育程度,怎么表征呢?我們開發了獨有的原子對分布函數(PDF)表征技術可精確解析硬碳微納結構,構建微納結構與儲鈉性能間的構效關系,指導前驅體結構設計并修正熱解碳化工藝,實現高儲鈉性能硬碳的研發。

    我們通過PDF技術在原子尺度表征硬碳材料的微納結構的變化,監控量產硬碳結構衍變,實現材料一致化生產。PDF技術不僅可以解析工程化階段由于設備環境變化引起的硬碳微納結構變化所導致的儲鈉性能的變化,還可以指導工藝參數的微調,從而對產品的微納結構進行微調,修正量產硬碳與小中試產品的性能差異、保持量產硬碳的批次一致性。

    我們還對硬碳的產品進行了造粒處理,做了非常好的球形化的產品,球形化的負極有高的材料以及極片壓實密度,可以生成均勻結實的SEI膜,抑制極片膨脹增加循環壽命,我們的硬碳最終是形成球形化或者類球形化的產品?;谇捌诟咝У难邪l,實現了對于硬碳材料的精準控制,使得斜坡處的容量不變,平臺容量翻倍增長。

    公司的第一款硬碳產品是TianNa-320,克容量超過320mAh/g。第二款產品是TianNa-350,克容量超過350mAh/g,斜坡并沒有非常大的拉長,我們拉長的是平臺的容量,并且這款材料的首效也能得到非常大的提升,大于90%。另外我們還有一款球形化的材料TianNa-385,實際克容超過400mAh/g,公斤級生產也可以超過390mAh/g,首效也非常高。前面的兩款材料,現在已經可以進行批量發貨,最后一款產品現在是在中試過程中,也可以送樣。

    硬碳的負極的產業化還是有一些痛點,包括現階段的生產、原料成本的問題。對于前端的原料篩選、設備供應商的選擇還需要進一步去做優化。對于首次庫侖效率,也與材料本征問題相關,我們修復了一些表面的缺陷,減少碳層缺陷的同時提高石墨化程度,提供更多的儲鈉位點,綜合提升硬碳的電化學儲鈉性能。提升儲鈉容量,設計、構建、調控前驅體交聯度和交聯方式;微孔結構調控技術提升平臺容量與倍率;碳化階段使用多步熱控制方法實現最優碳化工藝。對于產品一致性,通過對碳鏈結構進行調控,采用價格低廉的化工原料聚合工藝,形成高分子聚合物前驅體,保證產品一致性;結合PDF分析方法解析硬碳產物結構確保產品一致性。

    接下來介紹一下公司鈉離子電池關鍵正極材料。

    普魯士藍這一類材料的克容、平臺非??捎^,但是這類材料,無論是前端的合成,還是電芯制造端仍然存在一些問題需要進一步研發,因此公司對于普魯士藍的材料處于小試階段,沒有量產計劃。層狀氧化物,前面大家也提到,它和電解液的負反應比較嚴重,這類材料改性的方法是參雜、包覆或者是進行造粒,參雜包覆的話我不詳細說,我們直接選擇了鋰電三元的解決方案,直接做大單晶,因為大單晶的比表面積比較小,它和電解液和其他材料的負反應就比較少,就減少了表層界面的負反映。大單晶的表面能相對比較低,它跟電解液之間的負反應可能性更小。

    天鈉科技在層狀氧化物正極的鈉離子電池有相應的技術儲備,具備層狀氧化物鈉電正極的研發生產能力,產品定位在長循環,高功率需求的二輪電動車以及小型EV電源。

    最后介紹一下天鈉科技。

    天鈉科技成立于2017年,是一家依托“產學研”體系發展起來的高新技術技企業,主營高安全、低成本、長壽命鈉離子電池關鍵材料的設計、研發、生產及銷售,同時為鈉離子電池全產業鏈提供系統性解決方案與技術服務。武漢天鈉擁有多項國家發明和實用新型專利,其中,自有專利20余項,授權商標16項。我們是一家高科技研發型企業,員工中研究生學歷人數約占80%,核心研發團隊來自于華中科技大學等一流院校。早期依托華中科技大學材料學院組建鈉離子電池材料實驗室,致力于鈉離子電池、鈉離子電池材料、電解液等新型儲能器件關鍵材料設計、合成及電化學儲能機理基礎研究。通過多年的技術研發和實踐積累,將產、學、研各環節逐一打通,實現了從實驗室研發到產業化進程的快速升級和迭代,已具備鈉離子電池正負極材料規?;a能力。

    非常感謝大家!

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