锂电池贯穿无烟煤让负极材料更“锂”想|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

无烟煤让负极材料更“锂”想

科研人员正在进行负极材料二次造粒。课题组供图

新能源汽车如何才能拥有快速充电、续航给力两大超能力？负极材料被认为是“赋能”的关键。

如果把动力电池比作蓄水池，那么，“锂”想的负极材料就能容纳更多的锂离子，让水池更深。正因如此，2021年我国仅负极材料的市场规模就达到159.1亿元。

中国科学院山西煤炭化学研究所709课题组早已将目光锁定在负极材料上。不同于国内外使用针状焦系、石油焦系制造负极材料的传统方法，该课题组独辟蹊径，使用无烟煤制造锂电池人造石墨负极材料，并完成煤基快充负极材料的成套技术研发，不久前建成了国内首条吨级试验示范线。

“这是一条没有人走的路，第一步就花了我们5年时间。”709课题组组长陈成猛说。

快充快放看负极

锂电池是动力电池界的绝对主角。它拥有正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个组成部分。国内外科学家都在围绕这四大组成部分开展科学研究。

目前，正极材料体系主要分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等多种技术路线，负极材料则相对单一，虽然技术路线众多，但人造石墨技术仍是主流技术。

实际上，锂电池最为人诟病的充电慢、续航差等问题，与正极材料、隔膜、电解液都有关系，而负极材料是其主要因素，更需要突破，潜力也更大。

传统的人造石墨算是第二代商业化负极材料，它是石油焦或针状焦经过包覆造粒、碳化及石墨化加工等一系列工艺制造而成。相较于第一代天然石墨等材料，人造石墨循环性能好、高低温性能优、安全性高且工艺成熟，是非常理想的选择。

不过，技术路线越成熟，前路就越狭窄。目前，行业头部公司的负极材料各项指标已逼近理论极限，未来的提升空间十分有限。由于针状焦、石油焦制成的人造石墨自身的局限，锂电池厂商正在研发第三代技术。

2016年，709课题组在省内资金的支持下，尝试探索无烟煤制造人造球形石墨的技术路线，历经5年时间，掌握了煤基人造石墨的基础理论知识、工程化经验，为煤基负极材料快速开发和应用于锂电池打下了基础。

如今，这项科技成果已具备了从实验室走进工业示范线的必要条件。传统的针状焦、石油焦系负极材料理论容量为372毫安小时每克（mAh/g），而709课题组研发的煤基快充负极材料可以超出这一理论值，独特的结构让锂电池快充快放变成现实。

层间距“广纳宾客”

充电过程就如汽车驶入高速公路的“隧道”。如果锂离子在传统人造石墨这条旧高速上行驶，由于其层间距小，很容易在“隧道”口形成拥堵。而锂离子堆积过多，就会在负极表面形成“锂枝晶”，严重影响离子的行驶速度，甚至引发“安全事故”。

而要想实现快充，锂电池就要抗得住大电流。充电时，离子要通过隔膜快速到达负极材料表面，并进一步嵌入内部。

“传统人造石墨原料在高温热处理过程中，分子会重新排列组合，微晶层间距会缩小；煤基人造石墨质地偏硬，具有微孔、微晶层间距适宜等特点，这是无烟煤天然的优势。这样有利于锂离子的嵌入，而不会引起结构显著膨胀，具有很好的快速充放电性能。材料表面的中孔和贯穿孔就像扩张的‘隧道’，不会让锂离子拥堵，因此加快了充放电的过程。”709课题组研究员孙国华介绍。

不仅是嵌入速度有所提升，负极材料的容量也有了扩充。“传统的针状焦、石油焦系人造石墨就像一本书，规则的石墨就像纸张，中间可以嵌入一层锂离子；而煤基人造石墨就像零散的纸张，每一片纸张可以双面嵌入锂离子，不同纸张之间的孔隙也可以存储锂离子，因而容量更大。”孙国华形象地描述了煤基人造石墨的结构。

经过评测，709课题组研制的煤基快充负极材料初始存储容量突破了372 mAh/g的理论比容量，还可满足在5C（C 表示电池充放电时电流大小的比率）条件下快速充电。首次比容量可达365~375mAh/g，比市面快充产品提升5%~10%；在同等的大倍率下容量保留率比市售产品提升10%~20%；可使充电时间缩短至20分钟以内，不足3000元/吨的无烟煤摇身一变，身价涨了20余倍。

工程化之路并非易事

由于煤炭成分复杂多变，由复杂的有机质和120多种矿物质组成，因此所有的煤基新材料面临的首要工程问题就是原材料的提纯——掌握高效低成本除灰除杂技术。

传统的煤炭洗选技术只需要把灰分控制在8~11重量百分比（wt%）。煤基快充负极材料需要将灰分指标控制在极低的水平，这其中的固液分离、高效脱灰技术等没有先例可循。

原料不纯就没有研究的基础，原料不过关还会导致材料品质难控制、设备寿命缩短，甚至“蹿火炸炉”等安全事故。陈成猛带领团队常驻母校中国矿业大学开展实验研究，经过长达半年的技术攻关取得了突破，经过极限粉碎至微米级甚至能够得到灰分小于2wt%的煤。

另一项关键技术就是煤炭石墨化，需要在3000℃的高温下对煤炭进行热处理，并且50~100小时不间断运行。在此期间，团队成员收集了山西、云南、河南、北京等地20种无烟煤，反复试验上百次，最终掌握了这项核心技术。

相比其他领域10~20年才能形成一条扎实的技术路线，709课题组能够在短时间内完成突破，主要依托于三大优势——扎实的基础理论、工程化经验、完整的创新链。

据介绍，709课题组多年来将研究方向集中布局在生物质基、煤基、高分子基先进炭材料上，对电容炭、石墨烯和人造石墨三个方向均有深入研究。前两个方向起步早、经验多，在炭材料热处理方面积累了很多经验，而且课题组从针状焦系、石油焦系的人造石墨生产工艺中得到了不少借鉴，因此，少走了许多弯路。

依托于以往的中试项目，709课题组组建了一支工程化水平较高的工程师队伍，学科种类齐全、执行力强。科学家一边在基础研究方向探索，一边带领工程师协调解决工艺技术难题，最后把整套技术成功在生产线上放大。

“这种组织能力是我们课题组的强项，也是很多科技成果难以转化的痛点。”709课题组成员、碳基新材料技术负责人李晓明表示。

跑上游、跑下游，进企业、进展会……即便煤基人造石墨在性能上有着不俗的优势，但作为切入新市场的外来“物种”，获得市场青睐并非易事。

按照709课题组以往的经验，一个自己眼中成熟的材料拿到客户眼前，无论介绍得如何天花乱坠，也很难打动人。对此，709课题组开发了一套独特的应对策略。

“负极材料还是要放在锂电池身上才能展现优势，我们购买了正极材料、隔膜自制了锂电池，无论是调试还是试验，第一手数据总能迅速掌握，客户的认可度也很高，而且我们还在自制隔膜方面进行了理论探索。”李晓明介绍，“课题组的科学家们花费大量精力，频繁与锂电池及负极材料龙头企业保持密切接触，了解最前沿的下游需求，针对性地改进指标。”

随着锂电池市场规模的急剧扩张，行业技术日新月异，更新极快，行业龙头企业都在紧锣密鼓布局下一代负极材料，709课题组也把产业化提上了日程。

“探索研究煤炭原料化、材料化低碳发展路径符合国家的布局，希望通过新一代的负极材料技术，给电动汽车产业更大的信心。”陈成猛表示。（见习记者李清波）

来源：中国科学报

通过针刺实验来聊一聊采用不同技术路线的动力电池技师长

记者 | 侯卓铠

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根据比亚迪官方信息显示，其旗下最新动力电池——刀片电池将于3月29日正式发布。不过就在临近发布的前夕，界面新闻记者从网络上流传的一条动力电池针刺实验的视频中发现了刀片电池的身影。

据该视频显示，针刺实验对象除了刀片电池之外，还有常规的三元锂电池以及磷酸铁锂电池。

所谓的动力电池针刺实验事实上就是人为模拟电池内部短路的一种实验。通过一根金属针刺穿电池导致内部发生短路后观察电池的表现。目前，该实验被业界公认为所有电池安全测试中最严酷的一种。被称为电池实验界的“珠穆朗玛峰”。

针刺实验要求测试电池为满电状态，用直径为5-8mm的耐高温钢针，从垂直于电池极板正上方的进行贯穿，贯穿点位于贯穿面的几何中心，当钢针穿透电池后，工程师通过各项指标观察电池1小时。如果所测电池没有发生起火或爆炸则符合实验的要求。

根据对生活中多起新能源汽车自燃案例调查发现，多数的自燃事故原因都出在了电池身上。主要原因在于电池内部化学反应的产热速率远高于散热速率，大量热量在电池内部积累导致电池温度急速上升，最终引起电池起火或爆炸。

在上述视频中进行针刺实验的主要是市面上运用最广泛的三元锂电池和磷酸铁锂电池。这两种电池相比，三元锂电池能量密度更高，可以提供更长的续航里程，所以市场占比较大。而磷酸铁锂电池安全性更高、循环使用寿命更长，但能量密度的提升空间较小，所以说两种电池在性能上各有千秋。

据视频显示，首先进行的是对三元锂电池进行针刺实验。电池经过针刺机贯穿后位于侧面的泄气阀迅速冒烟并发生燃烧爆炸，电脑中也显示电压出现抖降，电池表面温度一度高达500℃。为了能够让实验更为直观，视频中工作人员还特意在电池上放置了一盘鸡蛋清，在电池发生燃烧后盘中鸡蛋很快就煮熟了。

第二个进行的是磷酸铁锂电池，实验电池在经过针刺机贯穿后，虽然没与发生燃烧爆燃，但是很快也出现了电池鼓胀、冒烟等变化。监测数据显示，电池表面温度达到200-400℃，鸡蛋也被煮熟。相较于三元锂电，磷酸铁锂电池有浓烟冒出，但没有明火出现。

最后进行的是尚还未上市发布的“刀片电池”。当该电池被穿刺后，并没有发生冒烟或自燃情况。通过视频显示，电池电压在一度出现抖降后趋于稳定，电池在一段时间内温度维持在26.6℃。实验视频显示，刀片电池表现好于上述两种实验电池。

不过，界面新闻记者注意到视频播放至刀片电池实验环节时画面出现了一些人为编辑的痕迹。例如，视频左上方显示的时间有明显的跳跃，前一秒还显示的是13′46″，下一帧变为了15′02″。此外，前一个画面显示电池上并没有鸡蛋，但下一帧画面则出现了鸡蛋。

虽然实验画面显示刀片电池表现优于另外两个实验电池。但基于视频存在人为编辑痕迹，所以从某个角度来说，这个针刺实验结果还是存疑的。刀片电池是否真的像实验视频中显示的那样表现出色，还有待独立第三方进一步测试验证。

自比亚迪董事长王传福在年初电动百人会论坛上发言证实“刀片电池”将于今年内发布的消息后，外界关于这款全新磷酸铁锂电池的关注度就一直居高不下。

尤其是当特斯拉传出将采购宁德时代磷酸铁锂电池后，更是让磷酸铁锂电池成为了时下被业界关注的最大热点。

事实上，关于三元锂电池与磷酸铁锂电池的路线之争由来已久。对于这两种动力电池的优劣势也是非常明确。至于如何选择，当前车企更多的是基于自身车辆设计性能来最终确定，并没有一个绝对的答案。

只不过，刀片电池在性能上弥补了过往磷酸铁锂电池的诸多劣势。所以受到了不同以往的关注度。

据资料显示，“刀片电池”的电芯长度大于0.6m，只不过在形状上对电芯排列进行了创新设计，使得可以像刀片一样插入到电池包里面，这也是“刀片电池”名称的由来。

这样排列的好处是可提高动力电池包的空间利用率、增加能量密度，并能够保证电芯具有足够大的散热面积，可将内部的热量传导至外部，从而匹配较高的能量密度。

据比亚迪官方资料显示，在安全性方面，刀片电池内部采用了独创的维层式安全防护结构设计，据称每一个维度层次都有相应的防护措施，此外，重量比能量密度可达到180Wh/kg，相比传统电池提升大约9%，电池在体积比能量密度上比传统铁电池提升了约50%。据工信部发布搭载了刀片电池的新车汉性能参数显示，其续航里程达到了600公里。

从目前公开资料显示，刀片电池的更多信息集中在了对电池结构设计创新层面，是否在材料等其他方面也有创新举措，还需要进一步关注。

锂电池贯穿无烟煤让负极材料更“锂”想

无烟煤让负极材料更“锂”想

通过针刺实验来聊一聊采用不同技术路线的动力电池技师长