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知识 | 天然石墨负极材料发展史简析

2022-04-19 09:55:17 来源：中国有色金属工业网

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简介：石墨负极的应用在锂离子电池的发展历程中是一个里程碑式的节点。石墨具有比容量较高、充放电平台低、循环稳定、成本低等优点，成为了最主流的负极材料（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）。

石墨负极的应用在锂离子电池的发展历程中是一个里程碑式的节点。石墨具有比容量较高、充放电平台低、循环稳定、成本低等优点，成为了最主流的负极材料（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）。

1976年，英国科学家斯坦利·威廷汉等采用硫化钛作为正极，锂作为负极，制成了世界上第一块可充电锂电池，但受制于金属锂负极的安全性差、高成本等问题，应用领域有限。1979年，科学家Peled首次提出固态电解质膜的概念，它是由碱金属和电解质反应生成的不溶性产物组成。1990年，加拿大达尔豪斯大学杰夫·达恩等研究发现碳酸乙烯酯电解质分解时可以在石墨表面形成稳定的固态电解质界面，实现了锂离子在石墨中可逆的嵌入/脱嵌。1991年，日本科学家吉野彰采用石墨类材料作为负极、钴酸锂作为正极，构建了现代锂离子电池雏形，开启了锂离子电池商业化之路。锂离子电池发展至今，衍生出磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等多种正极材料体系，但石墨类负极材料体系一直沿用至今。

在锂离子电池发展初期，索尼等锂电池企业采用石油焦作为负极材料。由于未经石墨化处理，无序程度较高、比容量有限，逐步被中间相炭微球取代。随着手机和笔记本电脑等电子产品产业快速发展，对能量密度的要求日益提升，中间相碳微球成本高、比容量低等缺点日益凸显，低成本、高容量的人造石墨负极和天然石墨负极应运而生。2013年开始，动力电池需求迅猛增长，2016年首次超过消费锂电池，人造石墨和天然石墨负极材料也发展为市场绝对主流，长期占据90%以上的市场份额。

人造石墨负极材料（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）是将易石墨化碳在高温下煅烧，再经粉碎、分级制得。因其低膨胀、高能耗等特性，成为了近年我国动力电池市场主流。天然石墨负极材料是鳞片石墨经球化、提纯、包覆碳化等一系列改性处理后制备的，其膨胀、循环、倍率等性能略低于人造石墨负极材料。现阶段，在我国该材料主要应用于3C及小动力电子产品，而日本、韩国等国的负极材料企业及电池制造商对天然石墨负极材料研发投入较多，动力电池市场中，天然石墨负极材料占比达到50%以上。

在“双碳”目标及“能耗双控”战略背景下，人造石墨源自化石能源、高能耗等问题凸显，我国的负极材料市场将迎来新的发展周期。天然石墨由于无需石墨化、产业链供应链安全稳定等优点，在各种应用领域的渗透率将逐步提升。在动力电池领域，由于苛刻的使用环境，对负极材料比容量、一致性、倍率、低温性能等要求很高，人造石墨仍将继续占据主流位置。但人造/天然石墨复合材料，由于成本和性能的良好平衡，市场占有率将逐步提升。在消费电池领域，由于不需配组、循环要求相对较低，天然石墨仍将继续占据主流。随着可穿戴设备等新一代消费电子产品的迅猛发展，对于安全性、体积能量密度的要求日益提高，高端产品占比也将随之逐步提高。在储能电池领域，对成本要求较高，且针对特定的应用场景，对安全性、循环性、一致性等某一个或多个特定方面提出了更高要求。预计天然石墨复合材料将成为最佳选择。

天然负极材料产业系统性变革以适应新生命周期的过程，本质是“再技术化过程”。如何针对性地开发比容量、倍率、寿命、成本等优势突出，其他性能并不弱化的天然石墨负极材料（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会），成为需要攻克的“卡脖子”关键技术问题。

中国五矿集团立足国家战略新兴产业安全，加强新技术矿产全产业链布局，坚持科技创新。2020年、2021年，五矿勘查联合我国石墨领域科研力量，连续承担国家重点研发计划，依托全球单体最大、最适合制造负极材料的晶质石墨资源，通过产业链上下游协同攻关、统筹规划、协同优化，攻克石墨采选、球化、提纯及深加工关键技术，推动天然石墨材料的性能极限化，致力于摆脱新能源电池对化石能源的依赖，充分利用五矿石墨优势资源，支撑我国能源结构升级转型，用“以碳减碳”路径设计实现我国低碳可持续发展新模式。（作者系中国五矿集团石墨产业有限公司董事长）