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11月13-14日，由起點鋰電、起點鈉電、起點儲能、起點充換電、起點研究院（SPIR）PECA光儲充聯(lián)盟、中國新能源企業(yè)家俱樂部主辦的2023起點鋰電&起點鈉電&光儲充行業(yè)年會LNEC9-2023中國新能源電池千人大會暨第9屆起點金鼎獎頒獎典禮在深圳坪山格蘭云天國際酒店盛大召開。超過1000+上下游企業(yè)嘉賓和行業(yè)大咖蒞臨現(xiàn)場，50+行業(yè)領先企業(yè)嘉賓和專家發(fā)表精彩演講。
在14日上午舉辦的論壇5：2023起點鈉電行業(yè)年會上，武漢天鈉 技術總監(jiān) 徐月發(fā)表了《鈉離子電池關鍵正負極材料的研究及產(chǎn)業(yè)化》的演講。
圖：武漢天鈉 技術總監(jiān) 徐月
以下為演講實錄：
各位同行，大家好！
今天非常高興能有這個機會向大家介紹《鈉離子電池關鍵正負極材料的研究及產(chǎn)業(yè)化》。
雙碳政策實施為儲能領域帶來百萬億級的市場預期，推動鈉電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。雖然現(xiàn)階段鈉離子電池的成本跟鋰電相比沒有很大的優(yōu)勢，主要的原因是因為鈉電仍然還處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期階段，和已經(jīng)成熟的產(chǎn)業(yè)化鋰電比較成本，鈉電還有一段路要走。另外，鈉離子電池也有它自己相對的高低溫適應性強、倍率性能優(yōu)異等等優(yōu)勢，能夠補足相對于鋰電的成本弱勢，鋰電在低溫，或者是高功率的應用場景下成本也有所提升，所以在一些特殊的應用場景下，鈉電的成本還是非常有競爭優(yōu)勢的。
鈉離子電池未來應用的目標場景是儲能場景，因為鈉離子具有資源優(yōu)勢，是儲能市場的必然之選。
鈉離子電池和鋰離子電池相關指標的差異，也帶來了正負極材料的差異化。
接下來，我要講一下正負極材料。
首先是天鈉科技的硬碳負極材料及產(chǎn)品。硬碳是由任意相互交錯的碳層堆積而成，硬碳結(jié)構(gòu)是高度無定型的，碳層間存在較多的缺陷和微孔。碳層形態(tài)、孔徑大小與前驅(qū)體種類、交聯(lián)程度以及碳化溫度密切相關。各研究組使用的原料及前處理手段的差異化會引起碳層結(jié)構(gòu)以及堆積方式的差異，碳層復雜的堆積方式使得結(jié)構(gòu)表征較為困難。硬碳儲鈉機理還未達成統(tǒng)一，但是目前我們已經(jīng)知道的是，平臺的儲鈉容量是提高鈉電能量密度的關鍵，因此我們在評判硬碳負極這一類材料的時候，不能單獨的以克容量去評判，我們需要使它的斜坡容量盡量減少，從而拉長平臺容量，盡量提高整個鈉離子電池的可用能量密度。
因為硬碳材料是無定型的，這一類材料的表征相對來說比較困難，競品的研發(fā)路線，他們在硬碳的結(jié)構(gòu)、儲鈉性能之間沒有達到微納結(jié)構(gòu)的連接，因此在研發(fā)高性能硬碳的時候，沒有辦法點對點地進行驗證，通常大家在研究硬碳材料時用X射線衍射，或者是碳化程度來比較，但對于它的碳鏈、雜質(zhì)、孔隙、碳層發(fā)育程度，怎么表征呢？我們開發(fā)了獨有的原子對分布函數(shù)(PDF)表征技術可精確解析硬碳微納結(jié)構(gòu)，構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)與儲鈉性能間的構(gòu)效關系，指導前驅(qū)體結(jié)構(gòu)設計并修正熱解碳化工藝，實現(xiàn)高儲鈉性能硬碳的研發(fā)。
我們通過PDF技術在原子尺度表征硬碳材料的微納結(jié)構(gòu)的變化，監(jiān)控量產(chǎn)硬碳結(jié)構(gòu)衍變，實現(xiàn)材料一致化生產(chǎn)。PDF技術不僅可以解析工程化階段由于設備環(huán)境變化引起的硬碳微納結(jié)構(gòu)變化所導致的儲鈉性能的變化，還可以指導工藝參數(shù)的微調(diào)，從而對產(chǎn)品的微納結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，修正量產(chǎn)硬碳與小中試產(chǎn)品的性能差異、保持量產(chǎn)硬碳的批次一致性。
我們還對硬碳的產(chǎn)品進行了造粒處理，做了非常好的球形化的產(chǎn)品，球形化的負極有高的材料以及極片壓實密度，可以生成均勻結(jié)實的SEI膜，抑制極片膨脹增加循環(huán)壽命，我們的硬碳最終是形成球形化或者類球形化的產(chǎn)品。基于前期高效的研發(fā)，實現(xiàn)了對于硬碳材料的精準控制，使得斜坡處的容量不變，平臺容量翻倍增長。
公司的第一款硬碳產(chǎn)品是TianNa-320，克容量超過320mAh/g。第二款產(chǎn)品是TianNa-350，克容量超過350mAh/g，斜坡并沒有非常大的拉長，我們拉長的是平臺的容量，并且這款材料的首效也能得到非常大的提升，大于90%。另外我們還有一款球形化的材料TianNa-385，實際克容超過400mAh/g，公斤級生產(chǎn)也可以超過390mAh/g，首效也非常高。前面的兩款材料，現(xiàn)在已經(jīng)可以進行批量發(fā)貨，最后一款產(chǎn)品現(xiàn)在是在中試過程中，也可以送樣。
硬碳的負極的產(chǎn)業(yè)化還是有一些痛點，包括現(xiàn)階段的生產(chǎn)、原料成本的問題。對于前端的原料篩選、設備供應商的選擇還需要進一步去做優(yōu)化。對于首次庫侖效率，也與材料本征問題相關，我們修復了一些表面的缺陷，減少碳層缺陷的同時提高石墨化程度，提供更多的儲鈉位點，綜合提升硬碳的電化學儲鈉性能。提升儲鈉容量，設計、構(gòu)建、調(diào)控前驅(qū)體交聯(lián)度和交聯(lián)方式；微孔結(jié)構(gòu)調(diào)控技術提升平臺容量與倍率；碳化階段使用多步熱控制方法實現(xiàn)最優(yōu)碳化工藝。對于產(chǎn)品一致性，通過對碳鏈結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，采用價格低廉的化工原料聚合工藝，形成高分子聚合物前驅(qū)體，保證產(chǎn)品一致性；結(jié)合PDF分析方法解析硬碳產(chǎn)物結(jié)構(gòu)確保產(chǎn)品一致性。
接下來介紹一下公司鈉離子電池關鍵正極材料。
普魯士藍這一類材料的克容、平臺非常可觀，但是這類材料，無論是前端的合成，還是電芯制造端仍然存在一些問題需要進一步研發(fā)，因此公司對于普魯士藍的材料處于小試階段，沒有量產(chǎn)計劃。層狀氧化物，前面大家也提到，它和電解液的負反應比較嚴重，這類材料改性的方法是參雜、包覆或者是進行造粒，參雜包覆的話我不詳細說，我們直接選擇了鋰電三元的解決方案，直接做大單晶，因為大單晶的比表面積比較小，它和電解液和其他材料的負反應就比較少，就減少了表層界面的負反映。大單晶的表面能相對比較低，它跟電解液之間的負反應可能性更小。
天鈉科技在層狀氧化物正極的鈉離子電池有相應的技術儲備，具備層狀氧化物鈉電正極的研發(fā)生產(chǎn)能力，產(chǎn)品定位在長循環(huán)，高功率需求的二輪電動車以及小型EV電源。
最后介紹一下天鈉科技。
天鈉科技成立于2017年，是一家依托“產(chǎn)學研”體系發(fā)展起來的高新技術技企業(yè)，主營高安全、低成本、長壽命鈉離子電池關鍵材料的設計、研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，同時為鈉離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈提供系統(tǒng)性解決方案與技術服務。武漢天鈉擁有多項國家發(fā)明和實用新型專利，其中，自有專利20余項，授權商標16項。我們是一家高科技研發(fā)型企業(yè)，員工中研究生學歷人數(shù)約占80%,核心研發(fā)團隊來自于華中科技大學等一流院校。早期依托華中科技大學材料學院組建鈉離子電池材料實驗室，致力于鈉離子電池、鈉離子電池材料、電解液等新型儲能器件關鍵材料設計、合成及電化學儲能機理基礎研究。通過多年的技術研發(fā)和實踐積累，將產(chǎn)、學、研各環(huán)節(jié)逐一打通，實現(xiàn)了從實驗室研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化進程的快速升級和迭代，已具備鈉離子電池正負極材料規(guī)?；a(chǎn)能力。
非常感謝大家！
