東華大學(xué)楊建平及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

東華大學(xué)楊建平及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，東華大學(xué)材料學(xué)院楊建平研究員課題組及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《原子尺度調(diào)控碳的分布提高硅基負(fù)極材料的穩(wěn)定性》為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》，該論文第一作者是材料學(xué)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(xué)為唯一通訊單位。

《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》為化學(xué)領(lǐng)域的世界級(jí)頂級(jí)期刊，在國(guó)際上擁有廣泛影響力，收錄的文章主要分布在有機(jī)化學(xué)、生命有機(jī)化學(xué)、材料學(xué)、高分子化學(xué)等領(lǐng)域。



硅碳復(fù)合負(fù)極材料是最有希望取代石墨負(fù)極的下一代鋰離子電池負(fù)極材料。目前的研究，碳的復(fù)合通常是采用化學(xué)包覆或者物理混合來(lái)實(shí)現(xiàn)，碳在復(fù)合材料中不能實(shí)現(xiàn)完全均勻的分布，導(dǎo)致在深度循環(huán)過(guò)程中庫(kù)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(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中，庫(kù)倫效率是否可以得到改善？



針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)選取苯基橋聯(lián)的有機(jī)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(fù)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(fù)極可以實(shí)現(xiàn)碳元素的亞納米尺度分布。電化學(xué)性能測(cè)試表明，這種負(fù)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(kù)倫效率為95.4%，從第2圈到第200圈的平均庫(kù)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(kù)倫效率為99.8%。



第一作者材料學(xué)院博士生朱冠家表示，這種新的設(shè)計(jì)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實(shí)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(guò)程中，ASD-SiOC負(fù)極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高的庫(kù)倫效率。該研究表明碳分布對(duì)于保持復(fù)合負(fù)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(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，為實(shí)現(xiàn)硅碳復(fù)合負(fù)極材料的商業(yè)化應(yīng)用注入了新動(dòng)力。



該研究工作得到東華大學(xué)高層次人才項(xiàng)目專項(xiàng)資金，纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人才引進(jìn)和培養(yǎng)基金等基金支持和先進(jìn)纖維與低維材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞伍倫貢大學(xué)超導(dǎo)與電子材料研究所等支持。



復(fù)合負(fù)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(kù)等聯(lián)合調(diào)研并發(fā)布的2018年度中國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈年度競(jìng)爭(zhēng)力品牌榜單出爐，來(lái)自正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、動(dòng)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(jiǎn)稱“翔豐華”)獲2018年中國(guó)鋰電池行業(yè)負(fù)極材料年度競(jìng)爭(zhēng)力品牌榜單十強(qiáng)，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(yuǎn)遠(yuǎn)晚于第一梯隊(duì)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(guó)內(nèi)前十的企業(yè)，“創(chuàng)新”二字無(wú)疑是翔豐華快速成長(zhǎng)過(guò)程最好的注腳。



清華學(xué)霸級(jí)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)航



厚植人才沃土是翔豐華創(chuàng)新的起點(diǎn)。



翔豐華創(chuàng)始人周鵬偉董事長(zhǎng)、陳壘董事、李新祿董事及研究院的院長(zhǎng)均來(lái)自于清華大學(xué)，恐怕國(guó)內(nèi)沒(méi)有哪一家負(fù)極材料公司能聚集如此陣容的學(xué)霸團(tuán)隊(duì)。



從簡(jiǎn)歷看，上述高管均畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。清華大學(xué)該專業(yè)在國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科名單中被列為一級(jí)學(xué)科，在教育部2012年、2017年組織的第三、四輪學(xué)科評(píng)估中，均居材料科學(xué)與工程專業(yè)第一位。



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



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



鋰電負(fù)極材料行業(yè)涉及粉體精細(xì)加工與控制工程、熱處理工藝、碳素材料與化學(xué)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域和學(xué)科。且產(chǎn)品生產(chǎn)工藝技術(shù)復(fù)雜，過(guò)程控制嚴(yán)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(duì)鋰電性能要求越來(lái)越高，這對(duì)鋰電負(fù)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(tuán)隊(duì)“嫡出”清華大學(xué)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(guó)材料科學(xué)專業(yè)的最高學(xué)府清華大學(xué)。翔豐華不僅在2010年就開始和清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系開始專利合作，還與清華大學(xué)形成了穩(wěn)固的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，并成為清華大學(xué)的研究生培養(yǎng)基地。



打破高端產(chǎn)品被國(guó)外壟斷的格局



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



通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收清華大學(xué)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(shí)間就進(jìn)入了國(guó)內(nèi)負(fù)極材料企業(yè)產(chǎn)值前十名。



東華大學(xué)楊建平及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展



2015年，公司動(dòng)力電池用新型高性能微膨石墨負(fù)極材料的研發(fā)項(xiàng)目，獲得“深圳市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)——技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”。



2017年，清華大學(xué)康飛宇教授團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)明專利獲得國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)，而翔豐華即為該獲獎(jiǎng)成果的專利實(shí)施單位。該專利在微膨改性鱗片石墨負(fù)極材料、微晶石墨負(fù)極材料、低溫負(fù)壓解理石墨烯及石墨烯基導(dǎo)電劑材料應(yīng)用等多項(xiàng)技術(shù)上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，也使公司成為國(guó)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(guó)石墨高附加值加工技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的局面。



今年5月，翔豐華參與的“200Wh/kg動(dòng)力電池系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”入選深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)扶持計(jì)劃“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”融合專項(xiàng)項(xiàng)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(xiàng)每個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條僅支持一個(gè)實(shí)施方案。



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



2012年，翔豐華正式進(jìn)入比亞迪電池負(fù)極材料供應(yīng)商體系。此后，逐漸成為比亞迪最大的負(fù)極材料供應(yīng)商。2017年，公司產(chǎn)品通過(guò)另一動(dòng)力電池巨頭寧德新時(shí)代的合格供應(yīng)商認(rèn)證。公司還順利通過(guò)了全球最大的聚合物電池供應(yīng)商——LG化學(xué)的測(cè)試，正式進(jìn)入LG化學(xué)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(guó)內(nèi)知名企業(yè)，并積極接觸三星SDI、松下等國(guó)際知名鋰電企業(yè)，進(jìn)一步進(jìn)軍海外市場(chǎng)。



創(chuàng)新，永無(wú)止境



市場(chǎng)永遠(yuǎn)尋求更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和更加低廉的價(jià)格。



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



此時(shí)的翔豐華，將目光投向了硅碳負(fù)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(fù)極的制備技術(shù)，正在研發(fā)的新型高容量硅碳負(fù)極材料容量將達(dá)500mAh/g以上。同時(shí)，公司還與清華大學(xué)深圳研究生院等7家單位合作開展“200Wh/kg動(dòng)力電池系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”專項(xiàng)研究，負(fù)責(zé)“動(dòng)力電池長(zhǎng)循環(huán)硅/碳復(fù)合負(fù)極材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”子項(xiàng)目，擬開發(fā)出具有優(yōu)異長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的硅/碳復(fù)合負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，優(yōu)化材料制備工藝，并實(shí)現(xiàn)硅/碳負(fù)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(jī)構(gòu)開展技術(shù)攻關(guān)。翔豐華的目標(biāo)，是成為國(guó)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(shí)施當(dāng)前在國(guó)內(nèi)尚屬技術(shù)空白的核石墨實(shí)驗(yàn)。



此外，翔豐華還與清華大學(xué)深圳研究生院合作，投入到氧化鈦負(fù)極材料的研發(fā)中，為未來(lái)向新技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)發(fā)積攢技術(shù)儲(chǔ)備。



受益于新能源汽車產(chǎn)銷量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，今年前9個(gè)月，我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到28.78GWh，同比增長(zhǎng)95%，體現(xiàn)出負(fù)極材料廣闊的市場(chǎng)空間。



面對(duì)負(fù)極材料行業(yè)技術(shù)和市場(chǎng)爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，翔豐華總經(jīng)理趙東輝說(shuō)道：“公司在成立初期就有了明確的目標(biāo)，要在鋰電領(lǐng)域做好負(fù)極材料產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)能的擴(kuò)張儲(chǔ)備。”



負(fù)極材料簡(jiǎn)介：



東華大學(xué)楊建平及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展



負(fù)極指電源中電位(電勢(shì))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(lái)看，是電路中電子流出的一極。而負(fù)極材料，則是指電池中構(gòu)成負(fù)極的原料，目前常見(jiàn)的負(fù)極材料有碳負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、含鋰過(guò)渡金屬氮化物負(fù)極材料、合金類負(fù)極材料和納米級(jí)負(fù)極材料。

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