文字|随着新能源行业快速发展的钛资本研究所，作为中心成员，锂离子电池不仅促进了工业发展，而且还显着改变了生产和生活方式。他们在三个主要领域实现了广泛的应用：电子消耗，电力和能源存储。近年来，随着促进发展的促进，市场规模的年平均增加超过20％。锂离子电池主要由四个部分组成：正电极，负电极，分离器和电解质。从2024年的运输数据来看，寄出正极材料的发送达到320万吨，负电极材料的发送超过210万吨，并且增长趋势仍然存在。在电极材料领域，负电极的负电极代表95％以上，而基于硅的硅和其他复合负E胶极材料少于5％。负电极材料如何在锂离子电池中发展和发展？未来的趋势是什么？最近，钛资本邀请鲍伊新能源材料总裁杨·鲁伊夫（Yang Ruifu）。他在北京技术大学的机械和电气工程学院拥有博士学位，并且是受欢迎的解放军一般团队科学研究和实验的高级研究员。他参加了将近30项科学研究和实验。他多次获得国防科学技术进步奖。他是主要国家和州产品和火炬计划项目的负责人。拥有60份专利，Tamit也是福建的高水平人才（B级）。它是教育部的长江河的学者，也是评估年轻杰出科学家的专家。目前负责研究和发展新的能源材料，例如氟，广东Jingingang Hi-Tech Co.，Ltd。，并已成功建立了Fujian Longde New Energy Co.，Ltd。共享内容如下所示。石墨负电极的结构和特性与所用的负石墨电极及其出色的结构特性密切相关。它具有Hexahédica层的结构，在锂和碳操作过程中，同一层的碳原子是共价绑定的，锂离子和外部元素的嵌入是可逆的。完整的集成发布过程构成电池充电和下载期。石墨负电极具有五个重要的优势：首先，特定能力是平均值，独特的理论能力为372 mAh/g，相对较大的商业产品的容量为330-360 mAh/g，可以满足大多数情况的能量密度要求。其次，循环表演NCE非常出色，层中的层使其结构变化小而稳定，当锂离子被嵌入并消除时。消费者可以达到电子电池周期的使用寿命的1,000倍，电池的3,000倍和能量储能电池可达到10,000倍以上。在Tercer Place中，不需要高电导率，高电子电导率，并且不需要额外的驾驶员。嵌入时锂离子的潜力接近锂金属，这保证了高电压和高电池容量。第四，良好的安全性很好，锂和释放离子破烂的过程在正常使用过程中是温和的，并且产生金属锂树突，高热稳定性和低安全事故率并不容易（除了极端情况，例如外部负载和过载等极端情况）。第五，准备过程是成熟且成本低的。自1990年索尼日本（Sony Japan）推出了商业锂离子电池以来，技术的最后40年迭代和规模的扩展促进了该过程的持续成熟度和成本的持续降低。但是，负石墨电极存在明显的局限性。首先，一定能力的天花板是突出的和商业产品的理论价值372 mAh/g，这使得很难满足新的能量汽车的高能密度需求和豪华的储能场景。其次，快速充电产率受到限制，锂离子在受动力学限制的石墨层之间传播，并且大电流负载可能导致在电极负面的锂树突形成。第三，低温适应性，电解质的离子电导率降低到低温，从而增加了锂离子在石墨层之间的传播。例如，在-30°CEN环境中，容量损失可能大于30％，这大大限制了美国感冒。金属锂合金化合物打破了负石墨电极的局限性，行业专注于合金材料材料的合金材料。硅，磷，罐，铝等都是研究的地址。当这种类型的材料形成锂合金时，特定能力显着高于石墨。以硅为例，其理论特异性为4200 mAh/g，是石墨的10倍以上。但是，这种类型的材料具有很高的膨胀速率，并且硅的电导率很差。解决扩展和量电导率问题已成为其商业应用中的中央技术瓶颈。目前，基于磷的基于硅的合金是对负电极的热门研究。基于硅的负电极遭受4代技术迭代。每一代逐渐改善了关键问题，例如体积扩展，循环寿命和效率ncy首次通过材料设计和过程优化。同时，硅在室温下稳定，易于操作并减少工程困难。在2030年左右，基于硅的负电极的渗透性将达到30％，并且基于磷的材料在高端田地中的应用将逐渐增加，从而促进未来锂离子电池的性能的新进展。基于硅基于硅的阳极材料的第四代技术开发的一般描述是提高锂离子电池场能量密度的重要方向。它的技术迭代继续重申三个中心矛盾：能力，骑自行车的生活和成本。四代技术形成了一个具有很大差异的技术系统。每一代技术都有自己的重点，他们对设计结构实施，性能性能和应用程序方案。以下是对技术原理，中心优势，主要缺陷和应用程序的适应性的详细说明。 1。基于硅的负电极：第一代电极的负电极属于物理修饰类别，而技术的核心是磨球 +碳碳的机械过程，以制备Chron核壳的结构材料。特定过程如下：首先，硅的原材料通过传统的机械球磨削过程在微生物基颗粒中纯化，然后最终用碳覆盖微微的颗粒，形成类似于“核桃盖”或“蛋壳”或“蛋壳”的核结构。Sillicicon颗粒。壳颗粒。从性能的角度来看，这一代技术的核心优势集中在过程的适应性和最初扩展的抑制。在一个公顷nd，该过程的阈值非常低，并且只能根据成熟的机械球铣削技术完成生产。不必引入复杂的设备或新工艺。它可以直接适应现有的锂离子电池负电极生产线，并可以与具有极强兼容性的石墨材料直接混合。同时，碳涂料形成的核覆盖结构最初可以放松锂的硅。由于离子RAM/脱离过程中的体积膨胀问题，原始体积的膨胀率为300％的物质硅被降低至约150％，这为初始应用基于硅的材料建立了基础。但是，基于硅的第一代缺陷也很突出，这严重限制了其巨大的促销活动。首先，周期的寿命很短。由于机械BA制备的硅颗粒的粒径很大LL工厂（微米），碳涂料层在装载和卸载周期期间往往会爆炸，这导致硅颗粒倾向于凝聚和破裂。通常，在200个周期后会大大减弱容量。其次，库仑的初始效率（第一效率）很低，机械涂料过程很难实现碳层的均匀和完整的涂层，并且涂层的电阻不足。在加载和下载过程中，膜是由负电极材料形成的，电解质被打破并反复再生，消耗大量的活性锂离子，并且初始效果只能保持70％-80％。第三，电导率很低，硅本身是一种半导体材料，电子电导率的效率很低。需要更高的导电剂百分比来满足基本的导电需求，甚至更大程度地压缩了活性物质能力的百分比。 2。基于硅的第二代负面因素：基于由硅氧化合物组成的系统的第二代硅的负电极旋转氧化硅（SIO）和碳化合物在化学修改技术核的路径上，通过形成硅氧键的形成，优化了材料的性能。技术原理使用氧化硅和碳进行重组，其中氧原子与硅原子形成稳定的硅氧链接，同时产生氧化锂，氧化锂和其他材料。这些产品不仅充当体积膨胀的手段，还可以抑制纳米硅颗粒的组装，并且可以建立快速的锂离子转移通道，同时改善化学水平的基于硅的固有缺陷。与第一代相比，第二代技术的性能提高集中在周期和容量性能的稳定性上。来自体积膨胀控制，硅氧键的存在和缓冲材料的形成的透视图进一步降低了材料的膨胀速率至100％-120％。 ISIT循环的寿命显着延伸，这使循环稳定远远超过200倍和超过500倍的上限。某些能力也已显着提高，达到1500 mAh/g，明显好于传统的负石墨电极（约372 mAh/g）。此外，硅氧连接可以减少硅和电解质之间的直接接触，提高负电极材料和电解质之间界面的稳定性，并降低SEI膜破裂的频率。但是，在第二代硅阳极中没有解决重要的问题。首先，初始效果仍然很低。由于存在氧元件，该材料产生氧化锂，lithiu在初始载荷和放电过程中，含有氧化锂和其他材料。这些物质会消耗数量活跃的数量，并且初始效果保持在70％-80％的水平，这是商业需求的差距。其次，应提高电导率，并且尚未从根本上提高硅氧化合物电子电子的效率。电子传输效率应通过添加驾驶员来优化。这增加了材料制备的成本和过程的复杂性。第三，体积的不可逆转损失，反应产生的氧化液不排列。它是一种活性物质，不能参与锂离子不干预的后续周期。这种类型的材料消耗了大约30％的锂离子，这直接导致材料的有效能力下降。 3。基于硅的负电极：第三代阳极B在化学补偿系统的硅上ASED基于第二代硅化合物技术引入了物理序列技术，而细胞核是通过尊重主动锂来解决第一能力丧失的问题。技术逻辑是：在由硅氧组成的复合系统中，在往复式前的试剂，例如氮化锂，锂金属粉，磷酸锂，磷酸锂或用锂增强的界面层。第二代技术。这一代技术的核心优势反映在第一个效果，即周期和能量密度同步的最佳使用寿命中。初始效应从第二代的70％显着提高到80％，至90％以上，从而大大减少了第一个周期的容量损失。周期的寿命延伸得更大，正常系统达到近1000个周期。当他们适应Toautomotive Batteri时ES（例如与特斯拉有关的电池），周期的寿命可以达到1,000-1,500个周期，这使您可以满足电池的长期需求。能量密度的性能非常出色。当与高镍三元电极结合使用并适应高电解质系统时，电池质量的特定能量可以达到250-300WH/kg，这可以有效地提高末端产品的耐用性（例如电动汽车）。但是，第三代技术的不便主要集中在过程的复杂性，成本和安全风险上。首先，该过程很困难，之前的过程需要精确控制锂元素的分布，并且必须引入特殊设备，从而使设备投资量表显着增加。第二位，安全风险更高，一些系统使用金属锂粉作为锂补充剂，但金属锂粉末更像ly与空气和湿度反应，从而导致氧化和燃烧风险。在整个生产过程中应使用惰性气体保护。这增加了过程控制的困难。第三，成本是预言和增强添加的试剂（硝基锂，磷酸锂等），而惰性气体保护过程使制备材料的成本增加了15％-20％的成本，而最新两代则限制了其在中端和低端产品中的应用。 4。基于硅的负电极：由第四硅的多孔碳骨架组成的纳米系统是基于第四硅的负面生成生成，是一种创新的结构技术。核是建立一个3D导电网络通过化学蒸气沉积（CVD）过程。技术原理如下：硅氧气是热分解以产生纳米硅颗粒，同时在多孔碳脊柱中空着。 POR的结构稳定性OUS碳骨架用于限制纳米硅颗粒体积的膨胀，同时构建电子的连续通道，并根据碳脊柱的电导率而渗透性，并渗透性。从技术迭代逻辑的角度来看，这一代技术已从第一代“物理覆盖”，第二代的“化学修饰”和第三代“活性锂补充”到“结构创新”。作为基于硅的高电极的先进技术局，第四代系统具有四方的基本优势。首先，结构非常稳定。多孔碳骨架可以承受15 MPa或更多的压力，并且骨骼具有丰富的显微镜，介孔和连接的腔结构。用硅烷热解产生的纳米硅颗粒仅限于5-10纳米的范围，并均匀地分散在多孔碳孔中。 Struc当将硅嵌入锂中并控制一般体积的膨胀速率时，多孔碳腔的变化可以有效地吸收体积膨胀的应力。碳骨架从50％到100％构成，可以牢固确保纳米硅颗粒的颗粒，从而阻止它们在循环过程中从电极掉落，从而在很大程度上提高了循环的稳定性。其次，电子和离子是高运输的，多孔碳骨架具有孤立的电子，并且是一种高导电性SP²的杂交结构。这种3D通信结构允许构建连续电子传输途径和硅电导率缺陷的基本解决方案。同时，多孔结构增加了电极和电解质之间的接触面积，缩短了锂离子的扩散距离，并允许材料在高水平的负载和排放下提供较大的容量。它可以使可能成为可能不努力。第四，接口非常稳定。多孔碳可通过原代碳涂料和二级碳涂料工艺分离硅和电解质之间的直接接触。此外，碳框架的表面由氮和磷等掺杂元素控制，从而诱导富含无机成分的稳定膜的形成，例如氟化锂，从而降低了循环期间的阻抗生长速率，甚至可以进一步改善周期的生命。第五，应用方案是适应性的，可以通过优化硅负荷（通常为30％至60％）和碳骨架的孔径来满足不同的需求。 30％-40％硅负荷的材料集中在循环的稳定性上，适用于需要更高有用寿命的储能电池等场景。与前三代技术相比，基于第四代硅的阳极达到了不可或缺的关键指标作为特定的ORY功能，数量增加，第一效果，电导率，速率性能和周期性性能。它不仅可以解决基于硅的材料中固有的缺陷，而且还通过结构设计来平衡性能和成本，这使其成为基于未来硅阳极的大规模应用的CEN OrientationsBroads之一。多孔碳骨架纳米硅的第四代复合阳极在能量密度，第一效果和周期的使用寿命方面取得了进展，但仍有四个主要问题要解决。它目前正处于工业化的前夕，预计将是2030年左右的锂电池阳极的常规选择，其迭代集中在绩效，成本和未来情况的三个中心方向上。就技术瓶颈而言，工业连锁店长而昂贵。材料的材料链涵盖了筒仓中气体的制备，化学物质的沉积蒸汽（CVD），硫化材料的加工，多孔碳和其他键的生产。与传统的磨削和涂料过程相比，该过程显着更长，并且该过程更加复杂，并直接增加了准备成本。其次，体积能密度有限。多孔碳框架的高真空比降低了材料的真实密度。特定的质量甚至容量在较高的体积时，体积的比能量仅比大容量的负石墨电极高20％-30％，这使得在严格的体积要求下很难满足情况。第三，长期循环结构是稳定性不足。在加载和卸载过程中，重复的膨胀和硅颗粒的收缩逐渐分解了多孔碳脊的完整性，这可能导致导电网络的破裂，并且高比表面积增加接口膜的区域（SEI膜）。 SEI电影在循环期，消耗电解质和活性锂下继续增长，这会导致容量的分解。第四，电解质兼容性很低。多孔碳结构扩展了电解质的湿区，并很容易对硅和碳之间的界面产生过度的横向反应，这需要特殊的电解质来抑制它，从而进一步增加了电池系统的成本。从应用程序的当前状态来看，该行业达成共识，在高性能锂电池中使用硅碳化合物，但尚未到达大型工业化和工业化前夕。一般阶段是工程验证，工业链适应和设备改进阶段。尽管诸如Silano Gas之类的团队在当前的工业链中进行了工业化，但主要的多孔碳材料仍在舞台上在工程验证中，小地块尚未实现大规模生产，这使其成为限制促进一般工业化的核心联系之一。未来的发展将集中于三个中心方向：绩效改进，成本优化和方案扩展。关于绩效的改进，在材料结构的设计级别上，可以通过精确地构建层次的多孔结构来优化材料的物理和化学性质，从而使用多种元素策略创建动态的自我护理接口，并采用碳材料的系统效应。在界面的工程水平上，物理和电化学连通性和导电剂的调整以及聚合物材料的原位涂层减少，从而提高了界面的稳定性。从成本优化的角度来看，从生产过程的角度来看Rrent CVD工艺已被更新为水平炉的连续生产，降低消耗和能源成本可以提高效率。在原材料的侧面，可以使用低成本生物质多孔碳来替换多孔的树脂碳。或者，可以使用太阳能废物产生Sillae气体。关于舞台的扩展，高端电池和新的经济部门的快速可充电电池的爆炸需求，例如人类的低海拔和形式，为硅碳材料创造了多样化的应用空间。一般而言，硅碳化合物显示了未来的技术迭代，降低连续成本以及多样化的应用程序场景的加速趋势。在短期内，对电器和电池的需求将主导其增长。在中型和长期中，固体电池的销售以及潜在经济低的爆炸式开放数十亿美元的市场水平正在曝光c预计它将成为2030年左右负锂电池电极的常规选择，这将使全球能源行业成为高能量和长期使用寿命的新时代。负面的无电池技术负面的无电池技术是近年来锂离子电池领域中出现的创新方向。其核的技术特性与传统电池有很大的不同：负电极电流表面上没有预制的活性材料，但是在从电极阳性中移除后，将锂离子直接放在负电极收集器的表面上。这种独特的设计将其与传统的石墨负电池和锂金属电池区分开。有两个基本优势。一种是节省高能密度的空间和重量，主动预制的负电极材料并增加设计空间以改善电池的一般能量密度。另一个是它具有较低的成本，减少了负电极的活跃材料的准备和组装，简化了生产过程，降低原材料和过程成本，并且具有潜在的成本敏感领域的应用值，例如能量电池和储能。但是，目前不包含负电极的电池面临严重的技术瓶颈，这限制了大型应用。核的最大问题是未识别的沉积行为，具有金属稳定性和界面。在点火过程中，锂金属在电流收集器的表面上不均匀地沉积。锂树突不仅刺穿电池分离器，不仅会导致正电极和负电极的短电路，而且幅度很大，会增加安全风险。它也可能导致固体电解质界面的反复破裂和重组（sEI膜）在电极表面上。 SEI膜的不稳定性继续消耗活性电解质和锂离子，首先，这显着降低了电池的效率和循环效率，并最终成为耗尽电气故障的实用障碍，例如衰减能力，较短周期的有用寿命和最低降低率。为了应对上述问题，该行业目前却涉及四个主要方向，主要是技术研究。首先，当前收集器的修饰会导致锂金属沉积在调节当前集电极表面的形态，组成或结构时抑制锂树突的生长。其次，它将发展电解质优化，特殊的电解质配方（添加新锂盐，溶剂，添加剂等），以提高锂离子的渗透率效率并促进稳定的SEI电影的形成。第三，以前通过物理或化学方法在当前收集器的表面上制备了SEI人造膜结构以及密集和均匀的人造界面膜，并交换自然形成的不稳定的SEI膜，以提高界面的稳定性。第四，已经引入了锂补充技术，以在电池系统中添加锂补充剂，从而补偿了周期中的主动锂消耗并减少了体积的衰减。在许多研发地址中，3D多孔技术被认为是一个可能在未来取得巨大进步的领域，例如3D多孔金属阳极和复合金属阳极。这种技术的核心优势是在其“一个和第二目的”中找到的。具有多孔结构的材料不仅假设收集电流的能力，而且为锂金属沉积提供了足够的空间，从而抑制了李的生长通过物理局限性的thium树突，同时减轻周期的锂沉积/诱导和稳定性位置。这被认为是电池技术最有前途的开发路线之一，它不包含Zhangjiangr Bowei Companyel优质碳设计Zhangjiang Bowei Company的Neg ElectodeSativos技术背景和孔隙率，已完成了中央产品研究和开发的两代技术迭代。第一代产品是无定形块的多孔碳，其技术路线与大多数国家合作伙伴一致，这些国家合作伙伴主要满足基本应用程序的需求。第二代产品是该公司当前的CO -INNOVATION：高球形多孔碳微球。可以通过技术进步来控制两个关键指标。一个是可控的粒径，可让您根据客户需求调整微球的尺寸。另一个能够共同NTROL的孔径大小，适应锂离子传输通道中不同电池系统的需求和Espvolume扩展阻尼ACIO，为各种应用程序场景（例如食品供应电池，储能电池）和几个客户提供了个性化解决方案。它目前具有验证小型工程的能力，为随后促进大型生产和营销的促进建立了基础。 P1：将来将来将对这些市场的负电极的需求结构发生什么变化？这些变化会给电极材料的负面公司带来什么机会？答：负硅碳电极的材料在行业爆发前夕，取代石墨作为下一个常规的负电极，产生了许多线索100亿个线索。到2030年，根据现有的石墨负电极市场，只有负电极汽车Bon Os可以形成1000亿个空间，远远超出了2-30亿锂电池材料的规模，例如六磷酸锂。鲍伊（Bowei）的多孔碳技术除了能量池外，还使用了固态电池，超级雕像和快速巨型级充电等场景。每个细分市场的需求在数千亿美元中。该行业仍处于工业化的早期阶段。当技术领导者处于资本加速度的层次上时，他们将采取主动权并享受巨大的红利。 P2：CATL还进行了负电极的研发和生产。将来您将与他们建立什么关系？是竞争还是会成为您的供应商？答：Bowei已将自己定位为“共同灌输者”，并通过技术交换进入了硅碳负电极轨道。很长一段时间以来，传统的负电极（例如Bettery）已深入参与石墨系统碳材料的掺入与从头开始的开始。 Bowei基于研究和碳开发的十多年经验，但已经形成了两代产品，粒度的主要领导者和孔径控制的主要领导者已有1 – 2年了。该公司与许多重要的负电极和其他重要公司进行谈判和验证样品，并计划与“ Supply + Technology Technology Coner-Creation模型”合作。 “第一开始技术 +频道领导渠道”之间的这种协同关系使Bowei不仅可以快速阻止下游的Recks，而且还允许传统巨头在LTO窗户时期内完成技术更新，形成一个稳定的供应和需求社区，并共同占领了负硅碳电极的下一个市场。
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Yang Ruifu：锂离子鼓负电极以及未来趋势和进化的发展