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高镍化趋势明确、硅基负极材料发展等趋势下,碳纳米管迎来契机

发布时间:2021-06-21  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1530 

——高镍化趋势明确,碳纳米管迎来契机

目前电动汽车用正极材料主要是三元和磷酸铁锂。三元正极材料对应的锂电池在同等条件下具有能量密度高,续航能力强的特点;而磷酸铁锂电池具有安全性好,成本低的特点,两者被广泛应用在电动汽车领域。其中,三元材料又可以分为 NCM(镍钴锰)和 NCA(镍钴铝)两种

正极材料的分类和应用


资料来源:CNKI

三元正极材料将朝高镍化和少钴化两个趋势发展。在三元材料中,镍和钴是主要的电化学活性元素,其中镍拥有较高的能量密度,而钴则在一定程度上能够帮助维持材料层状结构稳定、改善材料循环和倍率性能。锂离子在低镍三元材料中迁移活性较低,此外,与钴相比镍的电压更高,容量更大,因此为了不断提高三元正极材料的比容量,镍含量的提高是必然趋势,与此同时,由于钴资源的稀缺性,决定了钴价格相对昂贵,若要体现三元正极材料的性价比,就要实现少钴化甚至无钴化。

高镍路线主要有高镍路线和高压路线两种方式。目前,从理论上来说,高镍路线,或者说提升电池能力密度路线主要有两种,其中,高镍方案,是通过提升比容量较高的镍材料在三元材料中的占比,形成能量密度的提升;而高压方案则是通过在保证正常运行的前提下,提升充电电压,形成能量密度的提升。

高镍和高压方案对比


资料来源:CATL

提升能量密度和循环寿命仍为三元重要课题,碳纳米管迎来发展契机。从目前来看,提升能量密度和循环寿命仍为三元重要课题,除了提升正极本身的材料性能,其他材料的性能也受到关注,碳纳米管由于其导电性等性能优势对于提升能量密度和循环寿命有较大助益,有望迎来显著发展契机。

——新一代负极材料助力碳纳米管发展

硅基负极是新一代的负极材料。目前大多数锂电池是以碳基为负电极,但是电池的容量是由正负极之间可循环的锂决定的。如果正极放出的锂每次都被负极所消耗,那么回正极的锂就会减少。由于硅常温下可以和锂合金化,并且具有 10 倍于石墨的理论单位放电量,也可以有效提高锂电池单位体积内存储的电量。同时,兼具有储量大、成本低、环境友好的优点,因此硅基负极材料已成为下一代的负极材料。

硅材料显著提升负极比容量和能量密度


资料来源:CNKI

然而,硅负极材料储锂过程中的高膨胀率将导致部分应用问题的出现。硅负极在充放电过程中,即和锂发生反应的过程中存在严重的体积膨胀,体积膨胀率可达到约 360%,这将有可能导致电池的材料颗粒粉化和电极脱粉,进而产生循环性能不佳的问题;与此同时,体积膨胀率过高将导致表面 SEI 膜的重复生长,造成低循环库伦效率等问题。

材料颗粒粉化和电极脱粉影响循环性能。在充放电过程中,硅负极材料的体积膨胀会产生裂纹,之后使得材料颗粒粉化,破坏电极材料与集流体的接触性,其次膨胀产生的力对极片形成挤压效应,使得极片存在断裂的风险,进而影响电池整体的循环性能。

碳纳米管有望帮助硅基负极完善性能。硅基负极的导电性能比天然石墨和人造石墨等石墨类负极材料要差,因此需要添加高性能导电剂来提升其导电性能。目前碳纳米管导电浆料在硅基负极中表现出良好的性能:1)碳纳米管高的机械强度能够提高硅基负极材料结构的稳定性,在外力的作用下结构不易破坏;2 优异的导电性能,可弥补硅基负极导电性差的不足;3)极大的比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。

—— 基础材料要求提升,碳纳米管有望持续发展

导电塑料应用广泛。导电塑料是将树脂和导电物质混合,用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料。导电塑料综合了金属的导电性(即在材料两端加上一定电压,在材料中有电流通过)和塑料的特性。作为导电高分子材料的重要组成部分,导电塑料已经广泛应用于半导体、防静电材料、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。

碳纳米管有效解决发展瓶颈。在导电塑料领域,碳纳米管凭借其优越的导电性能和力学性能,用来提升导电塑料的导电性和结构强度,已经显示出巨大的应用价值。在填充型导电塑料中,塑料本身并不具备导电性,只充当了结构材料的作用。导电性主要是通过混合在其中的导电的物质如碳材料、金属粉末、抗静电剂等获得。随着我国国民经济及各行业的不断发展,对基础材料性能的要求也不断提高,传统炭黑作为导电填料的性能瓶颈已经显现。为了达到所需要的导电效果,碳纳米管作为新一代碳系导电填料,可以解决目前传统炭黑遇到的性能瓶颈难题。


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