【中国科学报】万里之行 始于“硅”步

  不久前,特斯拉申请了一项名为“镍钴铝(NCA)电极合成方法”的专利,据称采用该电极的电池在生命周期内可以充放电4000次,电池的寿命也有望超过160万公里。

  当记者将这条消息转发给中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员李泓时,他的回答是:“这是个概念,国内实验室和国内产品应该也能实现,只是商业应用还需时日。”在物理所,李泓的主要研究方向是锂离子电池电极与电解质材料以及固体离子学相关基础科学问题。

  如今李泓有了第二个身份:溧阳天目先导电池材料科技有限公司技术带头人。在这个角色中,他致力于纳米硅碳负极材料的规模化生产和应用。

  用硅碳做负极行不行?

  当前,锂离子电池因其优异的性能,已经在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域广泛应用。李泓向《中国科学报》介绍说,目前商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料,他的目标则是“硅碳”。

  为什么选择硅碳作为负极材料?李泓解释道,硅材料的质量比容量最高可达4200mAh/g,远大于石墨的372mAh/g,是目前已知能用于负极材料理论比容最高的材料。

  近年来,各个领域对电池能量密度的需求递增,迫切需要开发出更高能量密度的锂离子电池,所以硅碳负极材料是未来负极材料的发展方向。

  然而,硅碳负极材料也存在一些使用问题,比如,体积膨胀导致的循环寿命、安全问题,以及随之而来的制备、成本的问题。

  李泓介绍,在充放电过程中,硅的体积膨胀会达到300%,不断的收缩膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化,严重影响电池寿命。硅的膨胀会在电池内部产生巨大的应力,这种应力会对极片造成挤压,从而出现极片断裂;还会造成电池内部孔隙率降低,促使金属锂析出,影响电池的安全性。

  实验数据显示,要想取得硅碳负极材料比较理想的电化学性能,材料中的硅颗粒粒径不能超过200~300纳米。但是在比表面、粒径分布、杂质以及表面钝化层厚度等关键指标上技术壁垒都很高,国内厂家目前还达不到,而外购纳米硅粉成本极高。

  要实现目标,李泓必须带领团队解决这些问题。

  具备先天技术优势

  李泓团队是从1996年开始研发高能量密度锂离子电池硅碳负极材料的。在技术研发过程中,团队遇到的最大困难是,硅负极在嵌锂过程中存在巨大的体积膨胀,这一定程度上限制了其在生产实际中的规模化应用。

  李泓介绍说:“后来我们通过硅材料的纳米化技术以及硅碳复合结构的优化设计解决了这一问题。”

  物理所是国内锂离子电池技术的发源地。中国工程院院士陈立泉对锂离子电池的研究和产业化做出了重要贡献。20世纪70年代末,陈立泉留学德国马普学会固体所时发现,有很多同事在研究将氮化锂作为电解质使用在电池中,随后他也加入其中,并被锂离子电池深深吸引。

  在陈立泉的带领下,物理所作为全球最早开展锂离子电池纳米材料研究的研究单位,在世界上首次提出锂离子电池纳米硅负极材料,并获得系列材料发明专利的授权。

  “开展长续航锂电池的研究,我们有先天的技术优势。”李泓自豪地说,“另外,物理所的科研资源、经费支持,是我们的项目能逐渐成熟的重要保证。”

  “在实验室里,我更多的时候是在思考如何解决科学技术的前沿问题,或者指导我的研究生们如何将某个实验的细节优化,发表一些有影响力的文章。”李泓发现,自己不知不觉就走到了产业化的大门前,“尽管我们还没有准备好,但从中科院到物理所再到地方企业和政府,都在为我们的成果转化搭建落地的通道”。

  先导专项成果落地

  李泓是中科院A类先导专项“变革性纳米产业制造技术聚焦”中长续航动力锂电池项目的首席科学家,负责研制第三代锂电池——高能量密度的负极材料以硅取代石墨的电池。

  2017年5月,溧阳天目先导电池材料科技有限公司成立。李泓回忆道,溧阳市政府在2016年就开始四处寻找新能源电动汽车项目,当年我们的先导项目正在江西紫宸做中试放大。

  “早在2013年我们就有了产业化的想法,当年我们在实验室已经完成了10公斤的小试,正在四处寻找中试的合作企业。”李泓告诉《中国科学报》,“江西紫宸拿出了独立的300平方米车间供我们使用,并且不干涉具体研发工作,就这样我们的中试做到了100公斤。”

  然而后来由于发展的需要,双方不得不分道扬镳,于是就有了溧阳天目先导电池材料科技有限公司。这时候,李泓又多了一个身份——企业的管理者,“这需要我去思考公司的运营、市场的推广、人才的引入培养等”。

  李泓还记得,公司成立初期产品类型较少,产能大概是2000吨/年,批量出货的客户当时还不多。经过近3年的发展壮大,产品类型逐渐多元化,产能也进一步扩大到8000吨/年,并且建立了自己的销售网络,有了稳定的客户源和出货量。

  从实验室到市场的推广过程中,李泓团队也遇到过一些困难,其中让他印象深刻的是批量制备纳米硅前驱体,其最大的难点在于保证硅颗粒粒度足够小,同时又要做好纳米材料的分散。

  “这一点在实验室是容易实现的,但在产业化的大型设备上则存在困难。”李泓说,后来他们通过在产业化设备上的大量DOE(正交)实验,从研磨工艺、分散环境等多个角度持续优化,才最终让这款材料优先在圆柱电芯中批量使用起来。

  李泓最后表示:“成果转化中的艰辛一言难尽,这里还需要感谢弘光专项对我们的支持,让我们顺利实现技术成果落地和发展。”

  (原载于《中国科学报》 2020-06-05 第3版 转移转化)

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