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編號：

名稱： 高性能煤/煤瀝青基炭一體化電極的構(gòu)筑及儲能應用

領域：

成果形式：

投資額： 萬

案例數(shù)： 0家

技術階段： 概念階段

合作方式： 技術轉(zhuǎn)讓

當前，國家有關部門積極推動鈉/鉀離子電池等新型電池發(fā)展，支持技術創(chuàng)新，加快標準建設，促進新型電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。如科技部在“十四五”期間實施“儲能與智能電網(wǎng)技術”重點專項，進一步推動鈉離子電池等新型儲能電池體系的規(guī)?；⒌统杀净?，提升綜合性能。技術層面而言，鈉/鉀離子電池在資源豐富度與成本方面具有優(yōu)勢，并且與鋰離子電池多個環(huán)節(jié)技術相似，生產(chǎn)線可以相互轉(zhuǎn)換，部分設備可以通用，研產(chǎn)投入小，以鈉離子電池為例，初步預期2025年鈉離子電池需求將催生 200 多億元大市場，并且其成本相比磷酸鐵鋰電池可降低約 30%-40%，極具競爭力。

炭負極材料作為電池體系的關鍵組成部分，是決定電池性能的關鍵因素。我國煤炭資源豐富、價格低廉，煤瀝青同屬大宗產(chǎn)品，利用煤炭及煤瀝青資源開發(fā)炭負極材料有助于提高其附加價值和技術含量，促進儲能電池體系規(guī)?；?、低成本化。因此，由煤或煤瀝青等出發(fā)，開發(fā)先進炭負極材料對促進鈉/鉀離子電池發(fā)展具有重要科學意義與實用價值。

高性能炭負極材料應全面、綜合考慮其容量、倍率、首效、電位、振實密度等結(jié)構(gòu)、性能指標。因此，目前的研究熱點集中在：材料納米化與低維化，創(chuàng)制活性位點，提高容量與倍率性能；提高炭材料晶化程度，降低離子儲/脫電位；炭材料表面氧化鋁修飾，提高庫倫首效；機械壓實、毛細凝聚收縮、真空抽濾、層層組裝等，施加致密化作用力，提高壓實密度。但是，現(xiàn)有的炭負極材料存在以上性能指標往往難以同時滿足的問題，嚴重制約其能量-功率密度的提升以及實用化電極的發(fā)展。

所開發(fā)鉀離子電池用煤/煤瀝青基致密炭負極針對目前鉀離子電池炭負極材料存在的容量、首效、電位、堆積密度等難以兼得的問題，基于粒徑設計以及氧化、交聯(lián)、炭化的工藝，實現(xiàn)炭負極材料的低電位快速可逆電化學儲鉀。

所開發(fā)鈉離子電池用煤/煤瀝青基塊體硬炭負極基于破碎、篩分、脫灰、低溫熱解和高溫炭化工藝。通過優(yōu)選煤炭前驅(qū)體、炭化溫度、升溫速率、氣體流速等條件，可調(diào)控煤基硬炭材料的顆粒度、無序結(jié)構(gòu)，提高低溫倍率性能和電解液兼容性。利用煤炭天然的微晶堆疊結(jié)構(gòu)制備硬炭材料，制備方法簡單、原料易得、炭收率高且成本低廉。

此外，針對高性能離子電池炭負極材料普遍存在的首效較低的問題，開發(fā)了一套特色一體化電極直涂工藝，實現(xiàn)漿料涂敷與一體化成型。該工藝可省去常規(guī)導電劑與粘結(jié)劑的使用，并極大提高首周庫倫效率。該工藝具有極強的普適性，適用于石墨、硅炭、硬炭等電極構(gòu)筑，并可在鋰/鈉/鉀離子電池生產(chǎn)線相互轉(zhuǎn)換，適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

產(chǎn)品粒度可控：粒度可以控制生產(chǎn)從納米到微米級不同尺寸。

鉀離子電池用煤/煤瀝青基致密炭負極在0.1 A g^-1 條件下1 V 以下可逆容量達0.01-3V 總?cè)萘?0 %以上；1A g^-1 電流密度下可逆比容量高于220 mAh g^-1；電極庫倫首效高于70%，長循環(huán)過程中庫倫效率高于99.5 %；所組裝鉀離子全電池器件循環(huán)壽命大于1000 次循環(huán)。

一體化石墨電極在鉀離子電池半電池測試中首周庫倫效率高達93%，遠高于普通石墨電極（約65%）。

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