聚焦“雙碳” | 以“碳”減碳 助推能源結構升級

鋰離子電池的發(fā)展歷程中，一個里程碑式的節(jié)點就是石墨負極的應用。石墨以比容量較高、充放電平臺低、循環(huán)穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點，成為了最主流的負極材料。

 

1976年，英國科學家斯坦利·威廷漢等采用硫化鈦作為正極，鋰作為負極，制成了世界上第一塊可充電鋰電池，但受制于金屬鋰負極的安全性差、高成本等問題，應用領域有限。固態(tài)電解質薄膜的概念最早于1979年提出。1990年，加拿大達爾豪斯大學杰夫·達恩等研究發(fā)現(xiàn)碳酸乙烯酯電解質分解時可以在石墨表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質界面，實現(xiàn)了鋰離子在石墨中可逆的嵌入/脫嵌。1991年，日本科學家吉野彰采用石墨類材料作為負極、鈷酸鋰作為正極，構建的現(xiàn)代鋰離子電池雛形，開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，但石墨類負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)采用石油焦作為負極材料。由于未經石墨化處理，無序程度較高、比容量有限，逐步被中間相炭微球取代。隨著手機和筆記本電腦等電子產品快速發(fā)展，對能量密度的要求日益提升，中間相碳微球成本高、比容量低等缺點日益凸顯，低成本、高容量的人造石墨負極和天然石墨負極應運而生。2013年開始，動力電池需求迅猛增長，2016年首次超過消費鋰電池，人造石墨和天然石墨負極材料也發(fā)展為市場絕對主流，長期占據(jù) 90%以上的市場份額。

 

人造石墨負極材料是將易石墨化碳在高溫下煅燒，再經粉碎、分級制得。因其低膨脹、高能耗等特性，成為了近年我國動力電池市場主流。天然石墨負極材料是鱗片石墨經球化、提純、包覆碳化等一系列改性處理后制得，其膨脹、循環(huán)、倍率等性能略低于人造石墨負極材料。我國現(xiàn)主要應用于3C及小動力電子產品。日韓等國的負極材料企業(yè)及電池制造商對天然石墨負極材料研發(fā)投入較多，動力電池市場天然石墨負極材料占比50%以上。

 

在“碳達峰、碳中和”及“能耗”雙控戰(zhàn)略背景下，人造石墨源自化石能源、高能耗等問題突顯，我國的負極材料市場將迎來新的發(fā)展生命周期。天然石墨由于無需石墨化、產業(yè)鏈供應鏈安全穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種應用領域滲透率將逐步提升。動力電池領域：由于苛刻的使用環(huán)境，對負極材料比容量、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/天然石墨復合材料，由于成本和性能的良好平衡，市場占有率將逐步提升。消費電池領域：由于不需配組、循環(huán)要求相對較低，天然石墨仍將繼續(xù)占據(jù)主流。隨著可穿戴設備等新一代消費電子產品迅猛發(fā)展，對于安全性、體積能量密度的要求日益提高，高端產品占比也將隨之逐步提高。儲能電池領域：對成本要求較高，且針對特定的應用場景，對安全性、循環(huán)性、一致性等某一個或多個特定方面提出了更高要求。預計人造/天然石墨復合材料將成為最佳選擇。

 

天然負極材料產業(yè)系統(tǒng)性變革以適應新生命周期的過程，本質是“再技術化過程”。如何針對性地開發(fā)比容量、倍率、壽命、成本等優(yōu)勢突出，其他性能并不弱化的天然石墨負極材料，成為需要攻克的“卡脖子”關鍵技術問題。

 

中國五礦立足國家戰(zhàn)略新興產業(yè)安全，加強新技術礦產全產業(yè)鏈布局，堅持科技創(chuàng)新。2020年、2021年中國五礦天然石墨產業(yè)鏈投資運營平臺——五礦石墨聯(lián)合我國天然石墨負極領域最強科研力量，連續(xù)承擔國家重點研發(fā)計劃，依托全球單體最大、最適合制造負極材料的晶質石墨資源，通過產業(yè)鏈上下游協(xié)同攻關、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同優(yōu)化，攻克石墨采選、球化、提純及深加工關鍵技術，推動天然石墨材料的性能極限化，致力于擺脫新能源電池對化石能源的依賴，充分利用五礦石墨優(yōu)勢資源，支撐我國能源結構升級轉型，用“以碳減碳”路徑設計實現(xiàn)我國低碳可持續(xù)發(fā)展新模式。

 

（作者系中國五礦集團石墨產業(yè)有限公司董事長）