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“鋰”想的負極材料
日期:2022-03-11   [復制鏈接]
責任編輯:sy-zhanganjie 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
充電太慢,續(xù)航不夠,虛電焦慮,是每一個想擁有純電動汽車的人都繞不過的坎。如果有一天新能源汽車擁有快速充電、續(xù)航給力兩大超能力,新能源汽車乃至龐大的儲能市場將會迎來另一個春天。近日,中科院山西煤化所傳來喜訊,該所709課題組經(jīng)過6年攻關,成功實現(xiàn)了鋰電池負極材料的全新突破。

攻克鋰電池負極材料的第三代技術

車水馬龍中,純電動汽車的比例越來越高,全球鋰電池行業(yè)受益汽車電動化的迅猛發(fā)展,帶動鋰電負極材料需求高速增長。2011年,我國鋰電池負極材料行業(yè)進入了快速發(fā)展期,國產(chǎn)企業(yè)在鋰電池負極材料領域大部分已經(jīng)實現(xiàn)了進口替代,上半年負極材料出貨量達到33.2萬噸,其中人造石墨出貨量占比達到85%。

2016年,中科院山西煤化所709課題組陳成猛團隊在省內(nèi)資金的支持下,嘗試探索無煙煤制造人造球形石墨的技術路線,歷經(jīng)5年時間里,掌握了煤基人造石墨的基礎理論知識、工程化經(jīng)驗,為煤基負極材料快速開發(fā)和應用于鋰電池打下了基礎。鋰電池最為人詬病的問題就是充電慢、續(xù)航差,而這與正極材料、隔膜、電解液都有關系,但是相比較而言,負極材料是主要因素,更需要突破。傳統(tǒng)的人造石墨算是第二代商業(yè)化負極材料,它是石油焦或者針狀焦經(jīng)過包覆造粒、碳化、及石墨化加工等一系列的工藝制造而成。較于第一代天然石墨等材料,其循環(huán)性能好、高低溫性能優(yōu)、安全性高且工藝成熟,是非常理想的選擇,但其各項指標逼近理論極限,未來的提升空間極為有限。技術路線越成熟,前路就越狹窄,針狀焦、石油焦制成的人造石墨自身特點決定了它的上限,為此,鋰電池廠商一直在尋找第三代技術。709組研發(fā)的煤基快充負極材料可以超出這一理論值,獨特的結構讓鋰電池快充快放變成了現(xiàn)實,這項科技成果已具備了從實驗室走進工業(yè)示范線的必要條件。

709課題組組長陳成猛介紹:“當初,我們十分看好鋰電池負極材料這個廣闊市場,布局了無煙煤到人造石墨,再從人造石墨到負極材料這條路線,這是一條沒有人走的路,第一步就花了我們5年時間。”

2021年,陳成猛課題組發(fā)揮煤基新材料研發(fā)的優(yōu)勢,獨辟蹊徑使用無煙煤制造鋰電池人造石墨負極材料,摒棄國內(nèi)外使用針狀焦系、石油焦系制造負極材料的傳統(tǒng)方法,完成了煤基快充負極材料的成套技術研發(fā),建成了國內(nèi)首條噸級試驗示范線。

打通“隧道”口上的擁堵

要實現(xiàn)快充,鋰電池就要扛得住大電流,如果將充電過程看作汽車駛入高速公路的“隧道”,鋰離子是在傳統(tǒng)人造石墨這條舊高速上行駛,由于它的層間距小,易在“隧道”口形成擁堵,堆積過多的鋰離子就會在負極表面形成“鋰枝晶”,嚴重影響離子的行駛速度,甚至容易引發(fā)“安全事故”。課題組成員孫國華研究員告訴記者:“傳統(tǒng)人造石墨原料在高溫熱處理過程中,分子會重新排列組合,微晶層間距會縮??;煤基人造石墨相對質(zhì)地偏硬、具有微孔、微晶層間距適宜,這是無煙煤天然的優(yōu)勢。這樣有利于鋰離子的嵌入,而不會引起結構顯著膨脹,具有很好的快速充放電性能,材料表面的中孔和貫穿孔就像擴張的‘隧道’,不會讓鋰離子擁堵,因此加快了充放電的過程。”

不僅是嵌入速度有所提升,負極材料的容量也有了擴充。“傳統(tǒng)的針狀焦、石油焦系人造石墨就像一本書,規(guī)則的石墨就像紙張,中間可以嵌入一層鋰離子;而煤基人造石墨就像零散的紙張,每一片紙張可以雙面嵌入鋰離子,不同片之間的孔隙中也可以存儲鋰離子,因而容量更大。”孫國華形象地描述了煤基人造石墨的結構。

經(jīng)過評測,課題組研制的煤基快充負極材料初始存儲容量突破了372毫安小時每克(mAh/g)的理論比容量,還可滿足在5C下快速充電。首次比容量可達365-375mAh/g,比目前市面快充產(chǎn)品提升5%-10%,在同等的大倍率下容量保留率比市售產(chǎn)品提升10%-20%,可使充電時間縮短至20分鐘以內(nèi),不足3000元/噸的無煙煤搖身一變身價翻了20余倍。

尋求創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化路徑

相比其他領域10-20年才能形成一條扎實的技術路線,709課題組不到6年時間就完成了突破,這源于他們長期以來形成的三大優(yōu)勢——扎實的基礎理論、工程化經(jīng)驗、完整的創(chuàng)新鏈。

“這種組織能力是很多科技成果難以轉化的痛點,但也是我們課題組的強項。”課題組成員、碳基新材料技術負責人李曉明表示。煤炭是由復雜的有機質(zhì)和120多種礦物質(zhì)組成,成分復雜多變,所有的煤基新材料都面臨的首要工程問題就是原材料的提純——掌握高效低成本除灰除雜技術。傳統(tǒng)的煤炭洗選技術只需要把灰分控制在8-11wt%。煤基快充負極材料需要將灰分指標控制在極低的水平,這其中的固液分離、高效脫灰技術等沒有先例可循。

原料不純就沒有研究的基礎,原料不過關會造成材料品質(zhì)難控制、縮短設備壽命,還會造成“躥火炸爐”等安全事故。陳成猛團隊經(jīng)過長達半年的技術攻關突破了該技術,經(jīng)過極限粉碎至微米級甚至能夠得到灰分小于2wt%的煤。

另一項關鍵技術就是煤炭石墨化,需要在3000℃的高溫下對煤炭進行熱處理,并且50-100小時不間斷運行。在此期間,團隊成員收集了山西、云南、河南、北京等地20種無煙煤,反復試驗上百次。跑上游、跑下游,進企業(yè)、進展會……即便煤基人造石墨在性能上有著不俗的優(yōu)勢,但是作為切入新市場的外來“物種”,如何獲得市場的青睞?

709課題組擁有自己一套獨特的方法。按照他們以往的經(jīng)驗看,一個自己眼中成熟的材料拿到客戶眼前,無論介紹得如何天花亂墜,也很難打動人。“負極材料還是要放在鋰電池身上才能展現(xiàn)優(yōu)勢,我們購買了正極材料、隔膜自制了鋰電池,不論是調(diào)試還是試驗,第一手數(shù)據(jù)總能迅速掌握,客戶的認可度也很高,而且我們還在自制隔膜方面進行了理論探索。”李曉明介紹,“課題組的科學家們花費大量精力,頻繁與鋰電池龍頭企業(yè)和負極材料龍頭企業(yè)保持著密切接觸,了解最前沿的下游需求,針對性的改進指標。”

“探索研究煤炭原料化、材料化低碳發(fā)展路徑符合國家的布局,希望通過新一代的負極材料技術,給電動汽車更大的信心。”陳成猛表示。

目前,鋰電池市場規(guī)模的急劇擴張,行業(yè)技術日新月異,行業(yè)龍頭企業(yè)都在緊羅密布布局下一代負極材料,709課題組也把這項創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化提上了日程。 

原標題:“鋰”想的負極材料
 
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來源:中國網(wǎng)汽車
 
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