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人造石|无烟煤让负极材料更“锂”想

新能源汽车如何才能拥有快速充电、续航给力两大超能力？负极材料被认为是“赋能”的关键 。
如果把动力电池比作蓄水池 ， 那么 ， “锂”想的负极材料就能容纳更多的锂离子 ， 让水池更深 。 正因如此 ， 2021年我国仅负极材料的市场规模就达到159.1亿元 。
中国科学院山西煤炭化学研究所709课题组早已将目光锁定在负极材料上 。 不同于国内外使用针状焦系、石油焦系制造负极材料的传统方法 ， 该课题组独辟蹊径 ， 使用无烟煤制造锂电池人造石墨负极材料 ， 并完成煤基快充负极材料的成套技术研发 ， 不久前建成了国内首条吨级试验示范线 。
“这是一条没有人走的路 ， 第一步就花了我们5年时间 。 ”709课题组组长陈成猛说 。
快充快放看负极
锂电池是动力电池界的绝对主角 。 它拥有正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个组成部分 。 国内外科学家都在围绕这四大组成部分开展科学研究 。
目前 ， 正极材料体系主要分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等多种技术路线 ， 负极材料则相对单一 ， 虽然技术路线众多 ， 但人造石墨技术仍是主流技术 。
实际上 ， 锂电池最为人诟病的充电慢、续航差等问题 ， 与正极材料、隔膜、电解液都有关系 ， 而负极材料是其主要因素 ， 更需要突破 ， 潜力也更大 。
传统的人造石墨算是第二代商业化负极材料 ， 它是石油焦或针状焦经过包覆造粒、碳化及石墨化加工等一系列工艺制造而成 。 相较于第一代天然石墨等材料 ， 人造石墨循环性能好、高低温性能优、安全性高且工艺成熟 ， 是非常理想的选择 。
不过 ， 技术路线越成熟 ， 前路就越狭窄 。 目前 ， 行业头部公司的负极材料各项指标已逼近理论极限 ， 未来的提升空间十分有限 。 由于针状焦、石油焦制成的人造石墨自身的局限 ， 锂电池厂商正在研发第三代技术 。
2016年 ， 709课题组在省内资金的支持下 ， 尝试探索无烟煤制造人造球形石墨的技术路线 ， 历经5年时间 ， 掌握了煤基人造石墨的基础理论知识、工程化经验 ， 为煤基负极材料快速开发和应用于锂电池打下了基础 。
如今 ， 这项科技成果已具备了从实验室走进工业示范线的必要条件 。 传统的针状焦、石油焦系负极材料理论容量为372毫安小时每克（mAh/g） ， 而709课题组研发的煤基快充负极材料可以超出这一理论值 ， 独特的结构让锂电池快充快放变成现实 。
层间距“广纳宾客”
充电过程就如汽车驶入高速公路的“隧道” 。 如果锂离子在传统人造石墨这条旧高速上行驶 ， 由于其层间距小 ， 很容易在“隧道”口形成拥堵 。 而锂离子堆积过多 ， 就会在负极表面形成“锂枝晶” ， 严重影响离子的行驶速度 ， 甚至引发“安全事故” 。
而要想实现快充 ， 锂电池就要抗得住大电流 。 充电时 ， 离子要通过隔膜快速到达负极材料表面 ， 并进一步嵌入内部 。
“传统人造石墨原料在高温热处理过程中 ， 分子会重新排列组合 ， 微晶层间距会缩小；煤基人造石墨质地偏硬 ， 具有微孔、微晶层间距适宜等特点 ， 这是无烟煤天然的优势 。 这样有利于锂离子的嵌入 ， 而不会引起结构显著膨胀 ， 具有很好的快速充放电性能 。 材料表面的中孔和贯穿孔就像扩张的‘隧道’ ， 不会让锂离子拥堵 ， 因此加快了充放电的过程 。 ”709课题组研究员孙国华介绍 。
【人造石|无烟煤让负极材料更“锂”想】不仅是嵌入速度有所提升 ， 负极材料的容量也有了扩充 。 “传统的针状焦、石油焦系人造石墨就像一本书 ， 规则的石墨就像纸张 ， 中间可以嵌入一层锂离子；而煤基人造石墨就像零散的纸张 ， 每一片纸张可以双面嵌入锂离子 ， 不同纸张之间的孔隙也可以存储锂离子 ， 因而容量更大 。 ”孙国华形象地描述了煤基人造石墨的结构 。
经过评测 ， 709课题组研制的煤基快充负极材料初始存储容量突破了372mAh/g的理论比容量 ， 还可满足在5C（C表示电池充放电时电流大小的比率）条件下快速充电 。 首次比容量可达365~375mAh/g ， 比市面快充产品提升5%~10%；在同等的大倍率下容量保留率比市售产品提升10%~20%；可使充电时间缩短至20分钟以内 ， 不足3000元/吨的无烟煤摇身一变 ， 身价涨了20余倍 。
工程化之路并非易事
由于煤炭成分复杂多变 ， 由复杂的有机质和120多种矿物质组成 ， 因此所有的煤基新材料面临的首要工程问题就是原材料的提纯——掌握高效低成本除灰除杂技术 。
传统的煤炭洗选技术只需要把灰分控制在8~11重量百分比（wt%） 。 煤基快充负极材料需要将灰分指标控制在极低的水平 ， 这其中的固液分离、高效脱灰技术等没有先例可循 。
原料不纯就没有研究的基础 ， 原料不过关还会导致材料品质难控制、设备寿命缩短 ， 甚至“蹿火炸炉”等安全事故 。 陈成猛带领团队常驻母校中国矿业大学开展实验研究 ， 经过长达半年的技术攻关取得了突破 ， 经过极限粉碎至微米级甚至能够得到灰分小于2wt%的煤 。
另一项关键技术就是煤炭石墨化 ， 需要在3000℃的高温下对煤炭进行热处理 ， 并且50~100小时不间断运行 。 在此期间 ， 团队成员收集了山西、云南、河南、北京等地20种无烟煤 ， 反复试验上百次 ， 最终掌握了这项核心技术 。
相比其他领域10~20年才能形成一条扎实的技术路线 ， 709课题组能够在短时间内完成突破 ， 主要依托于三大优势——扎实的基础理论、工程化经验、完整的创新链 。
据介绍 ， 709课题组多年来将研究方向集中布局在生物质基、煤基、高分子基先进炭材料上 ， 对电容炭、石墨烯和人造石墨三个方向均有深入研究 。 前两个方向起步早、经验多 ， 在炭材料热处理方面积累了很多经验 ， 而且课题组从针状焦系、石油焦系的人造石墨生产工艺中得到了不少借鉴 ， 因此 ， 少走了许多弯路 。
依托于以往的中试项目 ， 709课题组组建了一支工程化水平较高的工程师队伍 ， 学科种类齐全、执行力强 。 科学家一边在基础研究方向探索 ， 一边带领工程师协调解决工艺技术难题 ， 最后把整套技术成功在生产线上放大 。
“这种组织能力是我们课题组的强项 ， 也是很多科技成果难以转化的痛点 。 ”709课题组成员、碳基新材料技术负责人李晓明表示 。
跑上游、跑下游 ， 进企业、进展会……即便煤基人造石墨在性能上有着不俗的优势 ， 但作为切入新市场的外来“物种” ， 获得市场青睐并非易事 。
按照709课题组以往的经验 ， 一个自己眼中成熟的材料拿到客户眼前 ， 无论介绍得如何天花乱坠 ， 也很难打动人 。 对此 ， 709课题组开发了一套独特的应对策略 。
“负极材料还是要放在锂电池身上才能展现优势 ， 我们购买了正极材料、隔膜自制了锂电池 ， 无论是调试还是试验 ， 第一手数据总能迅速掌握 ， 客户的认可度也很高 ， 而且我们还在自制隔膜方面进行了理论探索 。 ”李晓明介绍 ， “课题组的科学家们花费大量精力 ， 频繁与锂电池及负极材料龙头企业保持密切接触 ， 了解最前沿的下游需求 ， 针对性地改进指标 。 ”
随着锂电池市场规模的急剧扩张 ， 行业技术日新月异 ， 更新极快 ， 行业龙头企业都在紧锣密鼓布局下一代负极材料 ， 709课题组也把产业化提上了日程 。
“探索研究煤炭原料化、材料化低碳发展路径符合国家的布局 ， 希望通过新一代的负极材料技术 ， 给电动汽车产业更大的信心 。 ”陈成猛表示 。 （见习采访人员李清波）
编辑:果君
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