在鋰離子電池的發(fā)展歷程中,有一個(gè)里程碑式的節(jié)點(diǎn),那就是石墨負(fù)極的應(yīng)用。石墨以比容量較高、充放電平臺(tái)低、循環(huán)穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn),成為了最主流的負(fù)極材料。
1976年,英國(guó)科學(xué)家斯坦利·威廷漢等采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O,鋰作為負(fù)極,制成了世界上第一塊可充電鋰電池,但受制于金屬鋰負(fù)極的安全性差、高成本等問(wèn)題,應(yīng)用領(lǐng)域有限。1979年,科學(xué)家Peled首次提出固態(tài)電解質(zhì)膜的概念,它是由堿金屬和電解質(zhì)反應(yīng)生成的不溶性產(chǎn)物組成。1990年,加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)杰夫·達(dá)恩等研究發(fā)現(xiàn)碳酸乙烯酯電解質(zhì)分解時(shí)可以在石墨表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面,實(shí)現(xiàn)了鋰離子在石墨中可逆的嵌入/脫嵌。1991年,日本科學(xué)家吉野彰采用石墨類(lèi)材料作為負(fù)極、鈷酸鋰作為正極,構(gòu)建了現(xiàn)代鋰離子電池雛形,開(kāi)啟了鋰離子電池商業(yè)化之路。鋰離子電池發(fā)展至今,衍生出磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等多種正極材料體系,但石墨類(lèi)負(fù)極材料體系一直沿用至今。
在鋰離子電池發(fā)展初期,索尼等鋰電池企業(yè)采用石油焦作為負(fù)極材料。由于未經(jīng)石墨化處理,無(wú)序程度較高、比容量有限,逐步被中間相炭微球取代。隨著手機(jī)和筆記本電腦等電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,對(duì)能量密度的要求日益提升,中間相碳微球成本高、比容量低等缺點(diǎn)日益凸顯,低成本、高容量的人造石墨負(fù)極和天然石墨負(fù)極應(yīng)運(yùn)而生。2013年開(kāi)始,動(dòng)力電池需求迅猛增長(zhǎng),2016年首次超過(guò)消費(fèi)鋰電池,人造石墨和天然石墨負(fù)極材料也發(fā)展為市場(chǎng)絕對(duì)主流,長(zhǎng)期占據(jù)90%以上的市場(chǎng)份額。
人造石墨負(fù)極材料是將易石墨化碳在高溫下煅燒,再經(jīng)粉碎、分級(jí)制得。因其低膨脹、高能耗等特性,成為了近年我國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)主流。天然石墨負(fù)極材料是鱗片石墨經(jīng)球化、提純、包覆碳化等一系列改性處理后制備的,其膨脹、循環(huán)、倍率等性能略低于人造石墨負(fù)極材料?,F(xiàn)階段,在我國(guó)該材料主要應(yīng)用于3C及小動(dòng)力電子產(chǎn)品,而日本、韓國(guó)等國(guó)的負(fù)極材料企業(yè)及電池制造商對(duì)天然石墨負(fù)極材料研發(fā)投入較多,動(dòng)力電池市場(chǎng)中,天然石墨負(fù)極材料占比達(dá)到50%以上。
在“雙碳”目標(biāo)及“能耗雙控”戰(zhàn)略背景下,人造石墨源自化石能源、高能耗等問(wèn)題凸顯,我國(guó)的負(fù)極材料市場(chǎng)將迎來(lái)新的發(fā)展周期。天然石墨由于無(wú)需石墨化、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在各種應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率將逐步提升。在動(dòng)力電池領(lǐng)域,由于苛刻的使用環(huán)境,對(duì)負(fù)極材料比容量、一致性、倍率、低溫性能等要求很高,人造石墨仍將繼續(xù)占據(jù)主流位置。但人造/天然石墨復(fù)合材料,由于成本和性能的良好平衡,市場(chǎng)占有率將逐步提升。在消費(fèi)電池領(lǐng)域,由于不需配組、循環(huán)要求相對(duì)較低,天然石墨仍將繼續(xù)占據(jù)主流。隨著可穿戴設(shè)備等新一代消費(fèi)電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展,對(duì)于安全性、體積能量密度的要求日益提高,高端產(chǎn)品占比也將隨之逐步提高。在儲(chǔ)能電池領(lǐng)域,對(duì)成本要求較高,且針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)安全性、循環(huán)性、一致性等某一個(gè)或多個(gè)特定方面提出了更高要求。預(yù)計(jì)天然石墨復(fù)合材料將成為最佳選擇。
天然負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)性變革以適應(yīng)新生命周期的過(guò)程,本質(zhì)是“再技術(shù)化過(guò)程”。如何針對(duì)性地開(kāi)發(fā)比容量、倍率、壽命、成本等優(yōu)勢(shì)突出,其他性能并不弱化的天然石墨負(fù)極材料,成為需要攻克的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
中國(guó)五礦集團(tuán)立足國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)安全,加強(qiáng)新技術(shù)礦產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局,堅(jiān)持科技創(chuàng)新。2020年、2021年,中國(guó)五礦天然石墨產(chǎn)業(yè)鏈投資運(yùn)營(yíng)平臺(tái)——中國(guó)五礦集團(tuán)石墨產(chǎn)業(yè)有限公司聯(lián)合我國(guó)天然石墨負(fù)極領(lǐng)域最強(qiáng)科研力量,連續(xù)承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,依托全球單體最大、最適合制造負(fù)極材料的晶質(zhì)石墨資源,通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同攻關(guān)、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同優(yōu)化,攻克石墨采選、球化、提純及深加工關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)天然石墨材料的性能極限化,致力于擺脫新能源電池對(duì)化石能源的依賴(lài),充分利用五礦石墨優(yōu)勢(shì)資源,支撐我國(guó)能源結(jié)構(gòu)升級(jí)轉(zhuǎn)型,用“以碳減碳”路徑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)低碳可持續(xù)發(fā)展新模式。