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石墨材料：主流负极的“危机感”——专访北京化工大学宋怀河教授

来源：本站 | 发布日期： 2023-11-17 09:09:12 | 浏览量：357093

作为锂离子电池关键材料之一，负极材料对锂离子电池的最终性能起着至关重要的作用。随着新能源汽车的发展，在动力锂离子电池追求高能量密度和低成本的趋势下，市场对负极材料性能提出了更高的要求。以硅基负极、金属锂负极、金属氧化物负极等为代表的新型负极材料的研发正在如火如荼地进行，同时这也反映了未来负极材料产业化的新趋势。2023年10月25日到26日，第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛在广东东莞隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家学者做客对话栏目，进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对北京化工大学宋怀河教授的专访。

中国粉体网：目前整个负极材料市场存在产能结构性过剩问题，您对什么负极未来市场有什么看法吗？

宋教授：现在锂电池发展非常迅速，其应用领域在不断地拓展。从长远来看，锂电池的应用领域是在不断扩大的，锂电池的市场也是不断扩大的，所以从这方面看，市场对负极材料的需求量是逐年提升的，尤其是这几年提升的速度非常迅速。当然，现在负极材料市场面临着一个产能过剩的问题，我觉得从以下几个方面来分析：

一是，一个新的材料或者新产品出来以后，就会产生竞争等问题，这也是事物发展的必由之路，我觉得有竞争才可能使性能更好的产品脱颖而出。

二是，在我们面对产能过剩这个问题的时候，把质量比较高的、性能非常稳定的这种有特色的产品能够推出来，那么它具有的竞争力就会提高。看哪个产品、谁家的产品更有竞争力。利用这个时期，我们其实可以进一步地对负极材料的生产技术和装备进行更新换代，进一步提高我们的生产技术，也可以对负极材料的性能进行改进，提高产品的稳定性。

三是，就产品类型来讲，国内尽管负极材料生产量非常大，但相对来讲同质化的现象是比较严重的，而锂电应用的细分市场是非常广阔的，所以，希望大家能够针对细分市场，做出一种差异化的产品来避免恶性的价格战和恶性的竞争。我觉得在这个时期，需要厂家更好地来考虑怎么进行产品的更新换代、怎么进行迭代、怎么做出一些有特色的针对不同市场的需求的产品来。

中国粉体网：对于石墨负极的改性，您觉得需要从哪些方面入手呢？

宋教授：石墨负极改性相对来说是一个比较大的概念，对石墨来讲，现在市场用的，一个是天然石墨，市场份额不到20%，另一个是人造石墨，占据市场80%以上的份额，但是它们都存在改性的问题。

天然石墨在整个石墨负极中，其克容量是非常高的，目前基本上能做到它的理论值，但是它在结构上存在一些问题，导致循环稳定性和充放电倍率等需要进一步提高。

对长周期循环的性能要求需要对天然石墨进行改性处理，目前常用的改性技术是表面包覆。对于表面包覆，我们常用沥青来进行包裹，取得很好的效果。可能还存在一些更好的包覆材料，对包覆膜的炭的前驱体、类型、结构进行调控，可以更好地改进天然石墨。

天然石墨对我们国家来讲，是一个储量非常大、性能非常好的一种优势资源。天然石墨成本相对来说比较低，我们需要考虑的是，如何提高它的综合的性能，然后应用到锂电池方面，这需要我们再下点功夫。

对于人造石墨，需要经过一个高温的石墨化处理，目前，石墨化技术在国内发展是非常快的。

第一个问题是，怎么对高温石墨化处理制备人造石墨的技术本身的能耗、电耗及污染情况进行进一步的技术改进升级，降低能量的消耗、降低它的吨成本。

另一个问题是，针对不同类型的应用场景，我们怎么对人造石墨进行进一步的处理。比如针对快充、低温性能或者储能电站用的长周期锂电池等场合，对人造石墨改性的效果或者对它的结构要求是不一样的，所以就需要针对不同的应用场景来进行改性。

中国粉体网：您可以介绍一下石墨与其储锂性能的关系吗？

宋教授：石墨储锂是锂离子嵌入到石墨层间，形成Li-C层间化合物的过程。它是一种稳定的结构——六个碳共价一个锂。经过计算，其理论的储锂容量为372mA·h/g，这也是石墨材料容量的天花板。

中国粉体网：您觉得面对硅基负极等新型负极材料的挑战，石墨负极的竞争力体现在哪些方面？

宋教授：这几年，硅基负极材料发展非常快，从第一代的硅氧碳负极材料，到现在的硅碳负极材料，到后续的第三代的气相沉积硅包碳/碳包硅结构的负极材料。硅基负极中尽管硅的理论值非常高，但是他的劣势也比较明显，例如体积膨胀、循环稳定都是非常差的。目前真正用的硅氧、硅碳，添加量都是非常低的，改性以后还要跟石墨材料进行复配，其添加量现在也不会超过10%。所以说，以后比较长的一个时期，石墨材料还是非常有竞争力的，应该还是作为锂电池负极材料的主流。

当然，现在第三代硅材料性能提升得非常快，大家也正在广泛地关注和试验，它不仅具有高的容量，循环稳定性设计得也非常高，在某种程度上，它的循环稳定性甚至可以做到堪比人造石墨材料，现在可以达到1000次以上，是一个非常好的进展。

在产业化上，如果硅碳材料性能的提升在某种程度上可以比肩石墨材料，那么石墨材料的使用就会减少，石墨负极就会产生很深的危机感，需要大家进一步提高关注这个问题，继续提高石墨材料的综合性能。

中国粉体网：请问天然石墨和人造石墨在实际应用中有什么区别吗？

宋教授：在实际应用中，天然石墨的克容量比较高，但是它的循环和倍率性能相对来说要差一些，经过改性处理后它的循环性能比人造石墨的还是要低。所以，天然石墨一般应用在消费电子领域，例如手机、笔记本电脑等消费型电子器件。

人造石墨来源于沥青、石油焦、针状焦、沥青焦等原料，经过前处理和石墨化处理，其结构比较容易调控，结构多样。所以人造石墨可设计性更强，应用领域比天然石墨更广泛，不仅用在传统的3C市场，还有动力电池、储能电站等领域。

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