目前,隨著新能源汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)于
電池性能的要求越來(lái)越高。鋰離子
電池因其在能量密度、壽命和重量等方面的優(yōu)勢(shì),主導(dǎo)了今天的電池市場(chǎng)。過(guò)去十年中,鋰電池能量密度從2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg,增長(zhǎng)近3倍。但其已達(dá)到商業(yè)可實(shí)現(xiàn)能量密度極限的87%,提升剩余的13%將非常緩慢且昂貴。
法國(guó)電池初創(chuàng)項(xiàng)目HIPERSSYS成立于2020年,專注于研發(fā)以硫?yàn)檎龢O、硅為負(fù)極的鋰離子電池。HIPERSSYS表示其鋰離子電池理論能量密度可達(dá)到1950Wh/kg,約為商業(yè)鋰離子電池(100-450Wh/kg)的五倍,現(xiàn)已完成紐扣電池原型。
(HIPERSSYS鋰電池結(jié)構(gòu) 圖片來(lái)源:采訪供圖)
鋰離子電池常用的正極材料有錳酸鋰,鈷酸鋰,磷酸鐵鋰以及三元材料等,HIPERSSYS研發(fā)的鋰電池采用硫磺為正極的活性材料。單質(zhì)硫在地球上儲(chǔ)量豐富,石油冶煉的副產(chǎn)物便可提供充足的硫磺,因此硫磺價(jià)格僅1000元/噸,與碳酸鋰(16萬(wàn)元/噸)相差160倍。硫極易升華,簡(jiǎn)單加熱便可從正極中將其回收,成本低且環(huán)保;而以其他以貴重金屬為正極的鋰離子電池回收工藝復(fù)雜,無(wú)論是高溫煅燒還是濕法酸洗,都存在能耗高、難度大和二次污染問(wèn)題。鋰電池成本已從2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh(該價(jià)格為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格。受訪人表示,如今鋰電池在歐洲市場(chǎng)的成本約200歐/KWh),占新能源汽車整車成本的30%。使用硫磺代替貴重金屬作為正極可進(jìn)一步降低電池成本。
常用的負(fù)極材料為石墨等碳材料,但因其理論容量偏低(約372mAh/g),現(xiàn)已進(jìn)入瓶頸期。HIPERSSYS采用硅作為負(fù)極中的活性材料。硅擁有非常高的理論容量(4200mAh/g,是傳統(tǒng)石墨材料的10倍多)。硅基負(fù)極的工作電位比鋰的還原電位高一些,減少了快速充電時(shí)鋰在電極表面沉積的風(fēng)險(xiǎn),從而有助于提高電池的安全性。
硅活性材料的應(yīng)用始于2000年,2014年開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。國(guó)際上,松下2017年開始為特斯拉Model 3供應(yīng)硅碳負(fù)極電池,能量密度達(dá)300Wh/kg;日本GS湯淺將硅基負(fù)極電池供給三菱汽車;三星、LG化學(xué)將硅基負(fù)極應(yīng)用于消費(fèi)電池領(lǐng)域。國(guó)內(nèi),寧德時(shí)代于2016年開始以高鎳材料為正極、硅碳復(fù)合物為負(fù)極的動(dòng)力電池研發(fā)項(xiàng)目;力神電池于2018年開發(fā)出高鎳系正極和硅碳負(fù)極材料,電芯單體比能量密度達(dá)303Wh/Kg;國(guó)軒高科研發(fā)的高鎳三元電芯,硅碳材料負(fù)極,能量密度達(dá)300Wh/kg;此外,比亞迪、比克動(dòng)力、微宏動(dòng)力、蔚來(lái)、智己汽車、廣汽集團(tuán)等電池、
電動(dòng)車企業(yè),以及杉杉股份、中科電氣、貝特瑞、江西紫宸、深圳斯諾、江西正拓、創(chuàng)亞動(dòng)力、大連麗昌、硅寶科技等材料企業(yè),都在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域投入和投產(chǎn)。2021-2026年我國(guó)硅碳負(fù)極材料滲透率年均增長(zhǎng)率約3%-5%,預(yù)計(jì)2026年達(dá)到23%。 2026年我國(guó)硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)需求將達(dá)到50萬(wàn)噸。
(鋰電池導(dǎo)電劑優(yōu)劣對(duì)比 圖片來(lái)源:知乎@行業(yè)研究)
導(dǎo)電劑作為鋰離子電池的重要組成部分,直接影響電池的內(nèi)阻、倍率性能、熱穩(wěn)定性、能量密度、循環(huán)使用壽命等性能。按照接觸的導(dǎo)電形式,導(dǎo)電劑可以分為點(diǎn)接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、線接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和面接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),包括了SP炭黑、導(dǎo)電石墨、 VGCF、碳納米管和石墨烯。傳統(tǒng)導(dǎo)電劑包括點(diǎn)接觸的炭黑和導(dǎo)電石墨,相關(guān)技術(shù)較為完善,價(jià)格低廉,已被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)。新型導(dǎo)電劑包括線接觸的VGCF和碳納米管,以及面接觸的石墨烯,導(dǎo)電性能更好,添加量更低(傳統(tǒng)導(dǎo)電劑在正極材料中添加量約為3%,而新型導(dǎo)電劑約為0.5%-1.0%),活性物質(zhì)含量更高。
HIPERSSYS使用垂直排列的碳納米管為架構(gòu)來(lái)沉積電極中的活性物質(zhì)。垂直排列的碳納米管確保了與基片更好的接觸和粘附,從而增加了離子擴(kuò)散率,并改善了電子傳輸特性,從而使充放電速率得到改善。此外,垂直排列的碳納米管和基片之間的緊密接觸提供了一個(gè)低電阻通道,使整個(gè)電極有效連接。垂直排列的碳納米管表具有大表面積的多孔結(jié)構(gòu),會(huì)大大促進(jìn)化學(xué)傳輸和界面反應(yīng)。垂直排列的碳納米管的這些特性(規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)、高表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性)使它們成為電極或電流收集器的候選材料,提高鋰離子電池的性能。
在未來(lái)五年,全球碳納米管導(dǎo)電劑需求量年復(fù)合增長(zhǎng)率將保持在40.8%,2022年需求量將達(dá)12.5萬(wàn)噸,2023年需求量將達(dá)19.3萬(wàn)噸。2014年以來(lái),隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)需求的增長(zhǎng),導(dǎo)電劑行業(yè)迅速發(fā)展。傳統(tǒng)導(dǎo)電劑2014年的市場(chǎng)占有率為85.5%,且主要依賴進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)化率只有12.9%。新型導(dǎo)電劑國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先,隨著新型導(dǎo)電劑的滲透,導(dǎo)電劑的國(guó)產(chǎn)化率也迅速提升。2014年碳納米管的滲透率由2014年的13.6%增至2020年的46.1%。2022年國(guó)內(nèi)碳納米管導(dǎo)電劑市場(chǎng)將達(dá)到45億元。
(HIPERSSYS電池原型 圖片來(lái)源:采訪供圖)
現(xiàn)階段,HIPERSSYS已完成紐扣電池原型(CR2032),目前正在制造和測(cè)試其他電池類型,如容量更大的軟包電池,并將在幾年內(nèi)進(jìn)入無(wú)人機(jī)市場(chǎng)。目前歐洲無(wú)人機(jī)電池市場(chǎng)規(guī)模約8億歐元,2040年將達(dá)到70億歐元。
(HIPERSSYS聯(lián)合創(chuàng)始人Mariam Ezzedine(右)和Fatme Jardali(左) 圖片來(lái)源:采訪供圖)
聯(lián)合創(chuàng)始人Mariam Ezzedine和Fatme Jardali均為巴黎綜合理工學(xué)院(Ecole Polytechnique)博士后研究員,2017年獲物理學(xué)博士學(xué)位。HIPERSSYS成立于2019年,獲巴黎薩克雷SATT項(xiàng)目(SATT Paris-Saclay)和巴黎綜合理工學(xué)院支持,并于2021年進(jìn)入巴黎綜合理工學(xué)院孵化器。
(責(zé)任編輯:子蕊)