東華大學楊建平及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展

東華大學楊建平及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展

近日，東華大學材料學院楊建平研究員課題組及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果以《原子尺度調(diào)控碳的分布提高硅基負極材料的穩(wěn)定性》為題，發(fā)表于國際著名期刊《德國應(yīng)用化學》，該論文第一作者是材料學院博士生朱冠家，通訊作者是楊建平研究員和張輝博士，東華大學為唯一通訊單位。

《德國應(yīng)用化學》為化學領(lǐng)域的世界級頂級期刊，在國際上擁有廣泛影響力，收錄的文章主要分布在有機化學、生命有機化學、材料學、高分子化學等領(lǐng)域。



硅碳復(fù)合負極材料是最有希望取代石墨負極的下一代鋰離子電池負極材料。目前的研究，碳的復(fù)合通常是采用化學包覆或者物理混合來實現(xiàn)，碳在復(fù)合材料中不能實現(xiàn)完全均勻的分布，導(dǎo)致在深度循環(huán)過程中庫倫效率快速衰減，循環(huán)穩(wěn)定性下降。如果能夠?qū)崿F(xiàn)碳在原子尺度下均勻分布于硅基框架中，在后續(xù)的長循環(huán)過程中，庫倫效率是否可以得到改善？



針對這一問題，研究團隊選取苯基橋聯(lián)的有機硅前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法和高溫煅燒兩步反應(yīng)，制備出一種新的多孔硅基復(fù)合負極(ASD-SiOC)。由于前驅(qū)體中碳源與Si-O-Si骨架為分子尺度下的復(fù)合，所制備的ASD-SiOC負極可以實現(xiàn)碳元素的亞納米尺度分布。電化學性能測試表明，這種負極材料表現(xiàn)出優(yōu)異地循環(huán)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在0.2A g-1的電流密度下，第2圈庫倫效率為95.4%，從第2圈到第200圈的平均庫倫效率為99.3%。在5A g-1的大電流密度下，從第11圈到第500圈的平均庫倫效率為99.8%。



第一作者材料學院博士生朱冠家表示，這種新的設(shè)計具有眾多優(yōu)點：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實現(xiàn)原子尺度下的復(fù)合；碳三維網(wǎng)絡(luò)有效提高了材料的導(dǎo)電性；多孔結(jié)構(gòu)既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續(xù)的循環(huán)過程中，ASD-SiOC負極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高的庫倫效率。該研究表明碳分布對于保持復(fù)合負極材料的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性具有非常重要的作用，也為硅碳復(fù)合負極材料的設(shè)計提供了一個新的思路，為實現(xiàn)硅碳復(fù)合負極材料的商業(yè)化應(yīng)用注入了新動力。



該研究工作得到東華大學高層次人才項目專項資金，纖維材料改性國家重點實驗室人才引進和培養(yǎng)基金等基金支持和先進纖維與低維材料國際聯(lián)合實驗室、澳大利亞伍倫貢大學超導(dǎo)與電子材料研究所等支持。



復(fù)合負極材料相關(guān)資訊介紹：



2018年10月18日，由EVTank、電池網(wǎng)、伊維智庫等聯(lián)合調(diào)研并發(fā)布的2018年度中國鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈年度競爭力品牌榜單出爐，來自正極材料、負極材料、電解液、隔膜、動力電池等領(lǐng)域的50家公司上榜。深圳市翔豐華科技股份有限公司(以下簡稱“翔豐華”)獲2018年中國鋰電池行業(yè)負極材料年度競爭力品牌榜單十強，這是翔豐華連續(xù)兩年入選該榜單。

翔豐華成立于2009年，公司的發(fā)展歷程遠遠晚于第一梯隊的貝特瑞、上海杉杉等企業(yè)，然而能夠后發(fā)先至，成為產(chǎn)銷量居國內(nèi)前十的企業(yè)，“創(chuàng)新”二字無疑是翔豐華快速成長過程最好的注腳。



清華學霸級團隊領(lǐng)航



厚植人才沃土是翔豐華創(chuàng)新的起點。



翔豐華創(chuàng)始人周鵬偉董事長、陳壘董事、李新祿董事及研究院的院長均來自于清華大學，恐怕國內(nèi)沒有哪一家負極材料公司能聚集如此陣容的學霸團隊。



從簡歷看，上述高管均畢業(yè)于清華大學材料科學與工程專業(yè)。清華大學該專業(yè)在國家重點學科名單中被列為一級學科，在教育部2012年、2017年組織的第三、四輪學科評估中，均居材料科學與工程專業(yè)第一位。



2017年3月，翔豐華團隊被選入第五批福建省引才“百人計劃”(創(chuàng)業(yè)團隊)。董事長周鵬偉個人先后被評為深圳市高層次專業(yè)人才、“廣東特支計劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、深圳市龍華區(qū)龍舞華章計劃A類人才、2017年福建省引進高層次人才(A類)。



學霸管理層領(lǐng)航，其背后也反映了鋰電負極材料行業(yè)發(fā)展的行業(yè)壁壘。



鋰電負極材料行業(yè)涉及粉體精細加工與控制工程、熱處理工藝、碳素材料與化學等多個技術(shù)領(lǐng)域和學科。且產(chǎn)品生產(chǎn)工藝技術(shù)復(fù)雜，過程控制嚴格，研發(fā)難度大。而“里程焦慮”成為阻滯新能源企業(yè)發(fā)展的“魔咒”，下游產(chǎn)業(yè)對鋰電性能要求越來越高，這對鋰電負極材料企業(yè)創(chuàng)新和研發(fā)能力也提出更高要求。



或許緣于公司創(chuàng)業(yè)團隊“嫡出”清華大學的深厚淵源，翔豐華將校企合作的第一支橄欖枝，遞給了我國材料科學專業(yè)的最高學府清華大學。翔豐華不僅在2010年就開始和清華大學材料科學與工程系開始專利合作，還與清華大學形成了穩(wěn)固的產(chǎn)學研合作關(guān)系，并成為清華大學的研究生培養(yǎng)基地。



打破高端產(chǎn)品被國外壟斷的格局



依托人才優(yōu)勢與校企合作，翔豐華逐漸積累起雄厚的技術(shù)資本。



通過引進、消化、吸收清華大學專利技術(shù)，翔豐華自主開發(fā)出了石墨的微膨技術(shù)、表面納米包覆技術(shù)、高溫碳化表面改性技術(shù)、粒度控制技術(shù)等一系列新的天然石墨產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，借助這些新的研發(fā)成果，翔豐華形成了以改性天然石墨、人造石墨和復(fù)合石墨三大產(chǎn)品系列為主的產(chǎn)品格局，僅用四年時間就進入了國內(nèi)負極材料企業(yè)產(chǎn)值前十名。



東華大學楊建平及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展



2015年，公司動力電池用新型高性能微膨石墨負極材料的研發(fā)項目，獲得“深圳市科學技術(shù)獎——技術(shù)發(fā)明二等獎”。



2017年，清華大學康飛宇教授團隊的研究發(fā)明專利獲得國家科技發(fā)明二等獎，而翔豐華即為該獲獎成果的專利實施單位。該專利在微膨改性鱗片石墨負極材料、微晶石墨負極材料、低溫負壓解理石墨烯及石墨烯基導(dǎo)電劑材料應(yīng)用等多項技術(shù)上達到國際領(lǐng)先水平，也使公司成為國內(nèi)首家可以提供各向同性微晶石墨的生產(chǎn)廠家，打破了我國石墨高附加值加工技術(shù)長期被國外壟斷的局面。



今年5月，翔豐華參與的“200Wh/kg動力電池系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目”入選深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項扶持計劃“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”融合專項項目。據(jù)深圳市發(fā)改委介紹，“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”融合專項每個產(chǎn)業(yè)鏈條僅支持一個實施方案。



高品質(zhì)的產(chǎn)品，先進的技術(shù)，為翔豐華贏得了動力電池下游客戶的廣泛認可。



2012年，翔豐華正式進入比亞迪電池負極材料供應(yīng)商體系。此后，逐漸成為比亞迪最大的負極材料供應(yīng)商。2017年，公司產(chǎn)品通過另一動力電池巨頭寧德新時代的合格供應(yīng)商認證。公司還順利通過了全球最大的聚合物電池供應(yīng)商——LG化學的測試，正式進入LG化學合格供應(yīng)商名單。



目前，翔豐華的電池客戶已囊括比亞迪、多氟多、鵬輝能源、贛鋒鋰業(yè)等四十余家國內(nèi)知名企業(yè)，并積極接觸三星SDI、松下等國際知名鋰電企業(yè)，進一步進軍海外市場。



創(chuàng)新，永無止境



市場永遠尋求更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和更加低廉的價格。



發(fā)展至今，市面上性能較好的石墨負極材料的克容量已經(jīng)達到360mAh/g，逐漸接近石墨負極372mAh/g的理論克容量極限值。尋找新的負極材料，成為擺在公司乃至整個行業(yè)面前的一大問題。



此時的翔豐華，將目光投向了硅碳負極和石墨烯材料。



公開資料顯示，翔豐華已掌握高容量硅碳負極的制備技術(shù)，正在研發(fā)的新型高容量硅碳負極材料容量將達500mAh/g以上。同時，公司還與清華大學深圳研究生院等7家單位合作開展“200Wh/kg動力電池系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”專項研究，負責“動力電池長循環(huán)硅/碳復(fù)合負極材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”子項目，擬開發(fā)出具有優(yōu)異長循環(huán)穩(wěn)定性的硅/碳復(fù)合負極材料產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，優(yōu)化材料制備工藝，并實現(xiàn)硅/碳負極材料的中試和產(chǎn)業(yè)化。



在石墨烯材料方面，2017年6月，翔豐華與福建省高端石墨及石墨烯產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的永安市政府共建了石墨烯工程研究中心，聯(lián)合永安市石墨和石墨烯產(chǎn)業(yè)園多家企業(yè)、科研機構(gòu)開展技術(shù)攻關(guān)。翔豐華的目標，是成為國內(nèi)首批大規(guī)模推廣石墨烯的供應(yīng)商，邁入石墨烯研發(fā)前沿，并著手實施當前在國內(nèi)尚屬技術(shù)空白的核石墨實驗。



此外，翔豐華還與清華大學深圳研究生院合作，投入到氧化鈦負極材料的研發(fā)中，為未來向新技術(shù)領(lǐng)域進發(fā)積攢技術(shù)儲備。



受益于新能源汽車產(chǎn)銷量的持續(xù)快速增長，今年前9個月，我國動力電池裝機量達到28.78GWh，同比增長95%，體現(xiàn)出負極材料廣闊的市場空間。



面對負極材料行業(yè)技術(shù)和市場爆發(fā)式增長的趨勢，翔豐華總經(jīng)理趙東輝說道：“公司在成立初期就有了明確的目標，要在鋰電領(lǐng)域做好負極材料產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)能的擴張儲備?！?br>


負極材料簡介：



東華大學楊建平及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展



負極指電源中電位(電勢)較低的一端。在原電池中，是指起氧化作用的電極，電池反應(yīng)中寫在左邊。從物理角度來看，是電路中電子流出的一極。而負極材料，則是指電池中構(gòu)成負極的原料，目前常見的負極材料有碳負極材料、錫基負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料、合金類負極材料和納米級負極材料。

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