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域取得重要進展，相關成果以《原子尺度調控碳的分布提高硅基負極材料的穩定性》為題，發表于國際著名期刊《德國應用化學》，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。

《德國應用化學》為化學領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、高分子化學等領域。



硅碳復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，碳的復合通常是采用化學包覆或者物理混合來實現，碳在復合材料中不能實現完全均勻的分布，導致在深度循環過程中庫倫效率快速衰減，循環穩定性下降。如果能夠實現碳在原子尺度下均勻分布于硅基框架中，在后續的長循環過程中，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的有機硅前驅體，采用溶膠-凝膠法和高溫煅燒兩步反應，制備出一種新的多孔硅基復合負極(ASD-SiOC)。由于前驅體中碳源與Si-O-Si骨架為分子尺度下的復合，所制備的ASD-SiOC負極可以實現碳元素的亞納米尺度分布。電化學性能測試表明，這種負極材料表現出優異地循環穩定性和結構穩定性。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，這種新的設計具有眾多優點：活性基質SiOx單元與碳可以實現原子尺度下的復合；碳三維網絡有效提高了材料的導電性；多孔結構既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續的循環過程中，ASD-SiOC負極可以轉化為更加穩定的復合結構，可以實現高的庫倫效率。該研究表明碳分布對于保持復合負極材料的結構和性能穩定性具有非常重要的作用，也為硅碳復合負極材料的設計提供了一個新的思路，為實現硅碳復合負極材料的商業化應用注入了新動力。



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基金等基金支持和先進纖維與低維材料國際聯合實驗室、澳大利亞伍倫貢大學超導與電子材料研究所等支持。



復合負極材料相關資訊介紹：



2018年10月18日，由EVTank、電池網、伊維智庫等聯合調研并發布的2018年度中國鋰電池產業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年中國鋰電池行業負極材料年度競爭力品牌榜單十強，這是翔豐華連續兩年入選該榜單。

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



清華學霸級團隊領航



厚植人才沃土是翔豐華創新的起點。



翔豐華創始人周鵬偉董事長、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，上述高管均畢業于清華大學材料科學與工程專業。清華大學該專業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”(創業團隊)。董事長周鵬偉個人先后被評為深圳市高層次專業人才、“廣東特支計劃”科技創業領軍人才、深圳市龍華區龍舞華章計劃A類人才、2017年福建省引進高層次人才(A類)。



學霸管理層領航，其背后也反映了鋰電負極材料行業發展的行業壁壘。



鋰電負極材料行業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領域和學科。且產品生產工藝技術復雜，過程控制嚴格，研發難度大。而“里程焦慮”成為阻滯新能源企業發展的“魔咒”，下游產業對鋰電性能要求越來越高，這對鋰電負極材料企業創新和研發能力也提出更高要求。



或許緣于公司創業團隊“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固的產學研合作關系，并成為清華大學的研究生培養基地。



打破高端產品被國外壟斷的格局



依托人才優勢與校企合作，翔豐華逐漸積累起雄厚的技術資本。



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



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項目，獲得“深圳市科學技術獎——技術發明二等獎”。



2017年，清華大學康飛宇教授團隊的研究發明專利獲得國家科技發明二等獎，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電劑材料應用等多項技術上達到國際領先水平，也使公司成為國內首家可以提供各向同性微晶石墨的生產廠家，打破了我國石墨高附加值加工技術長期被國外壟斷的局面。



今年5月，翔豐華參與的“200Wh/kg動力電池系統研發與產業化項目”入選深圳市戰略性新興產業和未來產業發展專項扶持計劃“創新鏈+產業鏈”融合專項項目。據深圳市發改委介紹，“創新鏈+產業鏈”融合專項每個產業鏈條僅支持一個實施方案。



高品質的產品，先進的技術，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商體系。此后，逐漸成為比亞迪最大的負極材料供應商。2017年，公司產品通過另一動力電池巨頭寧德新時代的合格供應商認證。公司還順利通過了全球最大的聚合物電池供應商——LG化學的測試，正式進入LG化學合格供應商名單。



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



創新，永無止境



市場永遠尋求更加優質的產品和更加低廉的價格。



發展至今，市面上性能較好的石墨負極材料的克容量已經達到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，正在研發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動力電池系統研發與產業化”專項研究，負責“動力電池長循環硅/碳復合負極材料的研發與產業化”子項目，擬開發出具有優異長循環穩定性的硅/碳復合負極材料產業化制備技術，優化材料制備工藝，并實現硅/碳負極材料的中試和產業化。



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業聚集區的永安市政府共建了石墨烯工程研究中心，聯合永安市石墨和石墨烯產業園多家企業、科研機構開展技術攻關。翔豐華的目標，是成為國內首批大規模推廣石墨烯的供應商，邁入石墨烯研發前沿，并著手實施當前在國內尚屬技術空白的核石墨實驗。



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中，為未來向新技術領域進發積攢技術儲備。



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



面對負極材料行業技術和市場爆發式增長的趨勢，翔豐華總經理趙東輝說道：“公司在成立初期就有了明確的目標，要在鋰電領域做好負極材料產品的更新換代和產能的擴張儲備。”



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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