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在氧化亚硅碳复合材料方面,已经有较为成熟的软碳包覆工艺,在固相条件下对原材料表面进行高温热处理,可以有效提高材料首效、增加导电性、缓解膨胀。目前,项目组已经可以制备批次稳定性较高的碳包覆氧化亚硅材料,并且在合作单位取得了较好的测试结果反馈。如420mA˙h/g的碳包覆氧化亚硅材料,匹配正极锂镍锰酸铝(NCA),制备成3A˙h规格为20650的钢壳电池,在1C充电、10C放电的测试条件下,循环500周容量保持80%(图3)。
另外,为了解决氧化亚硅碳复合材料存在的首效较低的问题,项目组开发了一种对原材料的新型处理工艺,可以降低氧化亚硅材料中氧元素的含量,从而大幅提高材料首效,使得材料在全电池中首周不可逆消耗的正极锂源大幅减少,可以有效提升全电池的能量密度。如500mA˙h/g的碳包覆氧化亚硅材料,在经特殊处理前,首效一般为85%~86%,而特殊处理后可以达到89.5%,如图4所示。
在中试放大方面,项目组于2014年6月与江西紫宸科技有限公司正式开展合作,并搭建了硅碳负极材料的中试生产线,开始进行公斤级的小批量生产。到2015底,已经可以生产批次稳定性较高的吨级碳包覆纳米硅材料。到2016年底,已经可以提供百公斤级的碳包覆氧化亚硅材料(图5)。
目前,该中试线已经可以提供不同类型与规格的纳米硅碳负极材料,并且有很多新型工艺以及当前工艺的改进路线正在积极研发和试验中。同时,该中试线的规模也在不断扩大,预计到2017年底将实现不同种类的纳米硅碳负极材料吨级至百吨级生产。另外,项目组拥有多项纳米硅碳负极材料在国内的早期核心专利,具有一定的竞争优势(表1)。
同时,为了更好地发挥和表征纳米硅碳负极材料在全电池中的性能,项目组还与多家电解液公司、隔膜公司、电芯公司积极开展合作,共同推进硅碳负极材料的产业化进程。物理所、化学所与天津捷威动力合作搭建“长续航动力锂电池-高能量密度锂离子电池天津合作基地”。双方针对硅基负极材料产业化及其在高性能锂离子电池中的应用开展深度、紧密的科技项目合作(图6)。
4 化学所研发进展及中试放大
纳米硅在硅基负极材料中得到了广泛的认可,但仍存在比表面积较大、库仑效率较低等问题。针对这些问题,化学所项目组研发出一种低成本、绿色无污染、灵活可控的大规模硅基负极材料制备工艺,通过纳微复合结构降低了材料的比表面积,提高了材料的首次库仑效率;且将纳米硅均匀分散在三维导电碳网络中,提升了材料的导电性,使其具有较好的倍率性能。图7显示了该材料的形貌及其电化学性能。
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