編者按:錫在鋰電池領(lǐng)域確實(shí)存在較大的應(yīng)用機(jī)會(huì),這涉及到負(fù)極、固態(tài)電池電解質(zhì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。通過最新研究中,研發(fā)者保持了LGPS的相同結(jié)構(gòu),細(xì)微地調(diào)整了錫、硅和其他組成原子的比例和位置。
國(guó)際錫業(yè)協(xié)會(huì)(ITA)表示,如果相關(guān)技術(shù)贏得市場(chǎng)份額,那么到2030年,三種不同類型鋰離子電池負(fù)極的錫消耗量將分別達(dá)到每年10000-20000噸。
該協(xié)會(huì)表示,到2050年這些數(shù)據(jù)將至少翻一番,特別是如果錫與硅一起用于鋰離子電池負(fù)極技術(shù)的話。
高工鋰電獲悉,錫在鋰電池領(lǐng)域確實(shí)存在較大的應(yīng)用機(jī)會(huì),這涉及到負(fù)極、固態(tài)電池電解質(zhì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。
以負(fù)極為例,錫基負(fù)極材料具有較高的容量,價(jià)格便宜,易加工且無(wú)毒副作用。錫的儲(chǔ)能是石墨的三倍,目前科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用納米技術(shù)有效解決了錫充電膨脹的問題,特別是與新一代硅負(fù)極的協(xié)同作用,未來(lái)將可能大幅用于鋰電池領(lǐng)域。
ITA跟蹤錫的全球研發(fā),專利和市場(chǎng),并已發(fā)現(xiàn)錫在能源材料和技術(shù)(包括鋰離子電池)中的興趣日益濃厚。ITA確定了鋰離子電池中錫的九個(gè)技術(shù)機(jī)會(huì),主要是高容量負(fù)極材料,還有固態(tài)電解質(zhì)和正極材料。
在實(shí)際的技術(shù)研發(fā)上,國(guó)際和國(guó)內(nèi)多年來(lái)的確也不斷有相關(guān)的進(jìn)展對(duì)外公開。
在負(fù)極領(lǐng)域,早于2016年,加州大學(xué)河濱分校的研究者們研發(fā)出了一種新的硅-錫復(fù)合負(fù)極材料,該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),硅和錫都是可替代石墨的新型高性能負(fù)極材料。其率先提出將兩種材料結(jié)合為一種復(fù)合材料,此舉導(dǎo)致電池性能劇烈提高。除了可以將電容量增至石墨電池的三倍以外,硅-錫納米復(fù)合電池在多次充放電循環(huán)中也是極其穩(wěn)定,本質(zhì)上說(shuō)這一性能可以推廣至它的整個(gè)使用壽命。
“這兩種材料之間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致電池的性能超過了每種材料單獨(dú)存在時(shí)的性能,這種性能的提升是因?yàn)殄a具有高的導(dǎo)電率和能量存儲(chǔ)容量,添加2%重量的錫就可以實(shí)現(xiàn)這一效果”,該研究負(fù)責(zé)人Mangolini說(shuō)。
此外,錫可以與鋰形成合金,有可能取代石墨成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料。但是單純的金屬錫在電池循環(huán)過程中發(fā)生巨大的體積變化,容易導(dǎo)致電極材料的粉化。而碳材料具有較高的導(dǎo)電性,良好的機(jī)械性能和儲(chǔ)鋰性能。金屬錫與碳不會(huì)形成碳化物,碳材料的加入不僅可以提高復(fù)合物的均勻程度,也為設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的Sn-C復(fù)合物提供了可能。
基于此,有研究者為了充分發(fā)揮金屬錫和碳材料的優(yōu)勢(shì),錫?碳(Sn-C)復(fù)合材料得到了廣泛研究。無(wú)定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)等碳材料可以作為惰性的導(dǎo)電基體與錫形成的二元復(fù)合物,錫與其它金屬(M)可以形成的碳基三元、多元復(fù)合物。通過總結(jié)近些年對(duì)錫碳復(fù)合物結(jié)構(gòu)與性能的研究,相信多元復(fù)合和多種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是提高錫?碳復(fù)合負(fù)極材料的關(guān)鍵。其中,以Sn-Co-C為基礎(chǔ)的多元復(fù)合負(fù)極材料最有可能走向市場(chǎng)應(yīng)用。
在固態(tài)電池領(lǐng)域,東京技術(shù)研究所的研發(fā)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種低成本、可推廣的方式來(lái)發(fā)展全固態(tài)的電池,這種全固態(tài)電池電解質(zhì)的一個(gè)重要元素組成就是錫。
在此之前的2011年,東京技術(shù)研究所的Ryoji Kanno和他的團(tuán)隊(duì),與豐田汽車公司和日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)一起合作,在《Nature Materials》出版了一篇具有里程碑意義的論文,介紹了結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i10GeP2S12(LGPS)的一種固態(tài)電解質(zhì)。這種材料在開發(fā)全固態(tài)電池的競(jìng)賽中是領(lǐng)跑者。而新研究在固態(tài)電解質(zhì)中用兩種更容易獲取的元素錫和硅來(lái)代替鍺。
固體電解質(zhì)的全固態(tài)系統(tǒng)是下一代電池的潛在候選,預(yù)計(jì)將提供高功率和高能量密度,也能保證可靠和安全性能?;诹蚧锏匿囯x子導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性能和合適的電化學(xué)窗口和機(jī)械性能;因此,它們被作為潛在的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行了深入研究。LGPS是硫化物晶體電解質(zhì)家族中的新成員,呈現(xiàn)了1.2×10^(-2)Scm^(-1)的離子導(dǎo)電性能,與有機(jī)流體電解質(zhì)相當(dāng)。使用LGPS電解質(zhì)的全固態(tài)電池展現(xiàn)了極好的充放電性能。但是,鍺是相對(duì)昂貴的金屬,這可能限制了LGPS材料的廣泛應(yīng)用。
通過最新研究中,研發(fā)者保持了LGPS的相同結(jié)構(gòu),細(xì)微地調(diào)整了錫、硅和其他組成原子的比例和位置。新材料LSSPS(組成:
Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12(Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4))在室溫下取得了1.1×10^(-2)Scm^(-1)的導(dǎo)電性能,幾乎達(dá)到了原始的LGPS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能。然而,需要進(jìn)一步的工作來(lái)優(yōu)化不同用途下的性能,新材料使不犧牲性能的低成本生產(chǎn)有了希望。
據(jù)悉,NEI公司正在進(jìn)行專利申請(qǐng)的一種固態(tài)電解質(zhì)材料鋰錫磷硫(Li10SnP2S12)。有分析認(rèn)為,隨著電動(dòng)汽車的持續(xù)流行,對(duì)新型更佳性能的電池需求也會(huì)增長(zhǎng),這將促進(jìn)固態(tài)含錫電解質(zhì)電池的推廣應(yīng)用,最終也會(huì)帶動(dòng)此領(lǐng)域錫消費(fèi)的需求。
原標(biāo)題:年需求超10000噸 錫在鋰電池領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)會(huì)