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【原創(chuàng)】暢談硅碳負極產(chǎn)業(yè)化開發(fā)現(xiàn)狀及未來前景——專訪天津師范大學張波研究員


來源:中國粉體網(wǎng)   蘇簡

[導讀]  本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對天津師范大學張波研究員的專訪。

中國粉體網(wǎng)訊  作為鋰離子電池關鍵材料之一,負極材料對鋰離子電池的最終性能起著至關重要的作用。隨著新能源汽車的發(fā)展,在動力鋰離子電池追求高能量密度和低成本的趨勢下,市場對負極材料性能提出了更高的要求。以硅基負極、金屬鋰負極、金屬氧化物負極等為代表的新型負極材料的研發(fā)正在如火如荼地進行,同時這也反映了未來負極材料產(chǎn)業(yè)化的新趨勢。2023年10月25日到26日,第二屆先進負極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇在廣東東莞隆重召開,會議期間,我們邀請到了業(yè)內專家學者做客對話欄目,進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對天津師范大學張波研究員的專訪。



中國粉體網(wǎng):張老師,據(jù)了解您是很早就開始從事硅碳負極材料的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作的,那么對于目前的國內硅碳負極產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的現(xiàn)狀您是如何評價?它未來的前景您是如何看待?


張研究員:硅碳負極是一種高容量的材料,開發(fā)得很早,那么為什么開發(fā)它呢?是因為無論對于3C類電池,還是動力電池來說,高容量是未來發(fā)展的趨勢,而電池的高容量取決于高容量電極材料的開發(fā)。


硅碳負極包括硅氧碳和硅碳兩種,硅氧碳在十年前就已經(jīng)開始進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)了,最近兩年硅碳的開發(fā)才逐漸受到大家的重視。那么為什么要進行硅碳的開發(fā)呢?是因為硅氧碳本身的循環(huán)很好但是首效很低,需要進行預鋰化處理、氣相碳包覆等,所以它整體的成本比較高。如果我們采用純的硅和碳進復合,就不需要進行預鋰化處理,那么它的成本就會下降。并且硅氧碳在一些性能上,存在不能滿足要求的地方,所以這也是進行硅碳開發(fā)的一個原因。


硅碳開發(fā)面臨的問題主要是納米化,無論是砂磨法還是硅烷沉積都有很多的技術難題去解決。


對于未來的前景,硅碳負極的前景非常不錯,目前隨著中國動力電池的發(fā)展,這種高容量材料的市場份額肯定會越來越大,隨著硅碳技術的進步,它的市場需求也逐步地呈現(xiàn)一個爆發(fā)性的增長。


中國粉體網(wǎng):硅碳負極材料的主要原料是硅粉和碳粉這兩種材料嗎?


張研究員:在這里不談硅氧,只談硅碳,硅碳負極的制備基本上是有兩種主流的路線。一種路線是用硅粉做成納米硅粉,和碳做復合,然后再摻混石墨。另外一種路線是硅烷沉積,也是現(xiàn)在比較火熱的一種技術,它與硅的納米化和碳包覆工藝路線不同,而是直接將硅烷沉積到多孔碳的孔隙中,通過氣相沉積法直接生成納米硅,然后再進行碳包覆。


這兩種路線,它們的原料是不一樣的。硅粉的納米化,成本相對來說是比較低的,目前面臨的技術挑戰(zhàn),一是納米尺度要做得非常小,二是納米化以后要解決它的分散問題,并且碳包覆也是一個很大的技術難題。


硅烷沉積的技術難題相對來說更大,一個是硅烷本身是一種特種氣體,是一種高毒性、高爆炸性的氣體,所以在產(chǎn)業(yè)化尤其是規(guī)模化生產(chǎn)的時候,需要面臨一些特種設備選型的問題,包括安全性等問題。另一個難題是硅烷要沉積到多孔碳中,首先多孔碳的制備本身就具有很大的技術挑戰(zhàn)性,其次硅烷是一種價格比較高的材料,并且多孔碳的價格一般也比較高,兩種材料復合后降本空間就非常小,所以成本控制也是比較大的問題,這也是它面臨的一個主要問題。


中國粉體網(wǎng):您剛才提到硅碳材料的原料之一是納米硅粉,它的制備方法常用的有哪些?


張研究員:現(xiàn)在用砂磨法比較多,但是純的砂磨法有一定的限制,能夠做到100nm以下,甚至50nm左右,再往下就很難降低了,所以納米硅粉的制備,在純的砂磨法基礎上還要結合其他的方法再進一步進行改進。


中國粉體網(wǎng):您剛才提到砂磨法的限制,是否和砂磨機設備相關?


張研究員:設備是一方面,砂磨機廠家是很多的,我以前是在企業(yè)做一些產(chǎn)業(yè)化的工作,后來在學校實驗室做一些研究,在實驗室有一些設備是好實現(xiàn)目標的。但是,在實際工業(yè)化生產(chǎn)和實驗室中要解決的問題完全不一樣,工業(yè)化生產(chǎn)中要解決一些工程化的問題,比如說它的一些傳質問題、傳熱問題和放大問題,所以設備的確非常重要。首先要確定工藝,在工藝方向確定以后再去解決設備的問題,單純的靠設備去解決砂磨法的限制也是有一定局限性的。


中國粉體網(wǎng):目前您團隊在硅碳負極產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的最大的難題,需要攻克的難題是什么?


張研究員:我們做純的硅碳材料比較早,2014年就開始做,當時我判斷未來高容量化是一個發(fā)展趨勢,應該說我們是在國內做的比較早的硅碳產(chǎn)業(yè)化的開發(fā),不是指的做基礎研究,而是產(chǎn)業(yè)化開發(fā)比較早。


我們當時對設備、工藝做了非常多的探索工作,做到現(xiàn)在,我們進行了很多的技術積累,解決了很多的技術難題:解決了一些工程化的放大問題;解決了目前納米硅的一個尺度問題,可以做到50nm米以下;解決了納米硅的分散性問題;也解決了行業(yè)內大家面臨的碳包覆問題。


在做到納米化以后碳包覆技術的挑戰(zhàn)性就會非常大,目前這個工作我們也在一直進行優(yōu)化。


下一步,首先做研發(fā)及產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化過程是沒有終點的,我們要把產(chǎn)品的性能持續(xù)提升。其次,產(chǎn)品的成本要繼續(xù)降低,做產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和學術研究不一樣,一定要考慮性能和成本,不考慮成本,產(chǎn)品做得再好卻沒有市場客戶,是沒有意義的。


我們現(xiàn)在做的,一個是利用現(xiàn)有的研磨工藝結合一些改性方法把尺度進一步降低,在保持低成本的前提下,看看未來能不能達到和硅烷沉積同樣的水平,這是我們一直在努力的目標。


當然,單純依靠目前的技術進行硅納米化,再去做碳復合,很難做到10nm以下或5nm以下。對于硅烷沉積工藝,我們有多孔碳的技術,在前些年為了取代日本的超級活性炭,我們做了一些產(chǎn)業(yè)化開發(fā),所以我們可以調控碳的孔結構,也可以控制它的成本。當然我們也有多年石墨負極的研發(fā)經(jīng)驗,依托這些優(yōu)勢,我們現(xiàn)在也在尋求硅烷廠家進行硅烷沉積工藝的開發(fā)。硅碳材料的這兩條工藝路線和目前的一些產(chǎn)品有些類似,比如天然石墨和人造石墨,在中國動力電池市場,天然石墨市場范圍一直在降級,劉洪波老師在報告中講到目前已經(jīng)降到20%以下,甚至到了15%,人造石墨市場范圍越來越大。但是天然石墨不需要石墨化,所以它具有天然的低成本優(yōu)勢,日韓在10年前也把天然石墨用在動力電池領域,天然石墨這種低成本的材料,其性能劣勢是可以通過技術手段解決的,所以,這種低成本的材料是有未來潛力的。


我覺得納米硅的技術路線和硅烷沉積的技術路線是兩個平行的路線,主要看未來誰的成本更低,誰的性能更好,所以它們是一個相互競爭的關系。


中國粉體網(wǎng):張老師您在產(chǎn)學研合作以及成果轉化方面進展情況能給我們介紹一下嗎?


張研究員:因為我是從企業(yè)回到高校,所以我的目標是想把科研項目從實驗室最終做到產(chǎn)業(yè)化,從實驗室能夠走向市場,我們在將近十年里也是一直在做這個事情。


當然中間經(jīng)歷了很多困難,尤其是前幾年經(jīng)歷了疫情,所以非常困難。疫情之后,我們進展很快,納米硅項目、硅碳項目現(xiàn)已獲得了海外的投資,大約1600萬的投資;專利技術也實現(xiàn)了將近1000萬的技術轉讓;我們的廠房也已經(jīng)確定,目前正在進行產(chǎn)業(yè)化建設,一切都已步入正軌。


一個項目進行產(chǎn)業(yè)化,面臨的困難會非常多,但是我們已經(jīng)成功的邁出了第一步,而且基于我們近十年的技術積累,以及與資本方、公司運營團隊的強強聯(lián)合,我們有十足的信心將納米硅和硅碳材料的產(chǎn)業(yè)做大做強。


(中國粉體網(wǎng)采訪/平安、編輯/蘇簡;經(jīng)張研究員審閱)

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