石墨材料：主流負極的“危機感”——專訪北京化工大學宋懷河教授

作為鋰離子電池關(guān)鍵材料之一，負極材料對鋰離子電池的最終性能起著至關(guān)重要的作用。隨著新能源汽車的發(fā)展，在動力鋰離子電池追求高能量密度和低成本的趨勢下，市場對負極材料性能提出了更高的要求。以硅基負極、金屬鋰負極、金屬氧化物負極等為代表的新型負極材料的研發(fā)正在如火如荼地進行，同時這也反映了未來負極材料產(chǎn)業(yè)化的新趨勢。2023年10月25日到26日，第二屆先進負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇在廣東東莞隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家學者做客對話欄目，進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對北京化工大學宋懷河教授的專訪。

中國粉體網(wǎng)：目前整個負極材料市場存在產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩狀態(tài)，您對什么負極未來市場有什么看法嗎？

宋教授：現(xiàn)在鋰電池發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地拓展。從長遠來看，鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷擴大的，鋰電池的市場也是不斷擴大的，所以從這方面看，市場對負極材料的需求量是逐年提升的，尤其是這幾年提升的速度非常迅速。當然，現(xiàn)在負極材料市場面臨著一個產(chǎn)能過剩的問題，我覺得從以下幾個方面來分析：

一是，一個新的材料或者新產(chǎn)品出來以后，就會產(chǎn)生競爭等問題，這也是事物發(fā)展的必由之路，我覺得有競爭才可能使性能更好的產(chǎn)品脫穎而出。

二是，在我們面對產(chǎn)能過剩這個問題的時候，把質(zhì)量比較高的、性能非常穩(wěn)定的這種有特色的產(chǎn)品能夠推出來，那么它具有的競爭力就會提高。看哪個產(chǎn)品、誰家的產(chǎn)品更有競爭力。利用這個時期，我們其實可以進一步地對負極材料的生產(chǎn)技術(shù)和裝備進行更新?lián)Q代，進一步提高我們的生產(chǎn)技術(shù)，也可以對負極材料的性能進行改進，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

三是，就產(chǎn)品類型來講，國內(nèi)盡管負極材料生產(chǎn)量非常大，但相對來講同質(zhì)化的現(xiàn)象是比較嚴重的，而鋰電應(yīng)用的細分市場是非常廣闊的，所以，希望大家能夠針對細分市場，做出一種差異化的產(chǎn)品來避免惡性的價格戰(zhàn)和惡性的競爭。我覺得在這個時期，需要廠家更好地來考慮怎么進行產(chǎn)品的更新?lián)Q代、怎么進行迭代、怎么做出一些有特色的針對不同市場的需求的產(chǎn)品來。

中國粉體網(wǎng)：對于石墨負極的改性，您覺得需要從哪些方面入手呢？

宋教授：石墨負極改性相對來說是一個比較大的概念，對石墨來講，現(xiàn)在市場用的，一個是天然石墨，市場份額不到20%，另一個是人造石墨，占據(jù)市場80%以上的份額，但是它們都存在改性的問題。

天然石墨在整個石墨負極中，其克容量是非常高的，目前基本上能做到它的理論值，但是它在結(jié)構(gòu)上存在一些問題，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性和充放電倍率等需要進一步提高。

對長周期循環(huán)的性能要求需要對天然石墨進行改性處理，目前常用的改性技術(shù)是表面包覆。對于表面包覆，我們常用瀝青來進行包裹，取得很好的效果。可能還存在一些更好的包覆材料，對包覆膜的炭的前驅(qū)體、類型、結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，可以更好地改進天然石墨。

天然石墨對我們國家來講，是一個儲量非常大、性能非常好的一種優(yōu)勢資源。天然石墨成本相對來說比較低，我們需要考慮的是，如何提高它的綜合的性能，然后應(yīng)用到鋰電池方面，這需要我們再下點功夫。

對于人造石墨，需要經(jīng)過一個高溫的石墨化處理，目前，石墨化技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展是非常快的。

第一個問題是，怎么對高溫石墨化處理制備人造石墨的技術(shù)本身的能耗、電耗及污染情況進行進一步的技術(shù)改進升級，降低能量的消耗、降低它的噸成本。

另一個問題是，針對不同類型的應(yīng)用場景，我們怎么對人造石墨進行進一步的處理。比如針對快充、低溫性能或者儲能電站用的長周期鋰電池等場合，對人造石墨改性的效果或者對它的結(jié)構(gòu)要求是不一樣的，所以就需要針對不同的應(yīng)用場景來進行改性。

中國粉體網(wǎng)：您可以介紹一下石墨與其儲鋰性能的關(guān)系嗎？

宋教授：石墨儲鋰是鋰離子嵌入到石墨層間，形成Li-C層間化合物的過程。它是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)——六個碳共價一個鋰。經(jīng)過計算，其理論的儲鋰容量為372mA·h/g，這也是石墨材料容量的天花板。

中國粉體網(wǎng)：您覺得面對硅基負極等新型負極材料的挑戰(zhàn)，石墨負極的競爭力體現(xiàn)在哪些方面？

宋教授：這幾年，硅基負極材料發(fā)展非常快，從第一代的硅氧碳負極材料，到現(xiàn)在的硅碳負極材料，到后續(xù)的第三代的氣相沉積硅包碳/碳包硅結(jié)構(gòu)的負極材料。硅基負極中盡管硅的理論值非常高，但是他的劣勢也比較明顯，例如體積膨脹、循環(huán)穩(wěn)定都是非常差的。目前真正用的硅氧、硅碳，添加量都是非常低的，改性以后還要跟石墨材料進行復(fù)配，其添加量現(xiàn)在也不會超過10%。所以說，以后比較長的一個時期，石墨材料還是非常有競爭力的，應(yīng)該還是作為鋰電池負極材料的主流。

當然，現(xiàn)在第三代硅材料性能提升得非常快，大家也正在廣泛地關(guān)注和試驗，它不僅具有高的容量，循環(huán)穩(wěn)定性設(shè)計得也非常高，在某種程度上，它的循環(huán)穩(wěn)定性甚至可以做到堪比人造石墨材料，現(xiàn)在可以達到1000次以上，是一個非常好的進展。

在產(chǎn)業(yè)化上，如果硅碳材料性能的提升在某種程度上可以比肩石墨材料，那么石墨材料的使用就會減少，石墨負極就會產(chǎn)生很深的危機感，需要大家進一步提高關(guān)注這個問題，繼續(xù)提高石墨材料的綜合性能。

中國粉體網(wǎng)：請問天然石墨和人造石墨在實際應(yīng)用中有什么區(qū)別嗎？

宋教授：在實際應(yīng)用中，天然石墨的克容量比較高，但是它的循環(huán)和倍率性能相對來說要差一些，經(jīng)過改性處理后它的循環(huán)性能比人造石墨的還是要低。所以，天然石墨一般應(yīng)用在消費電子領(lǐng)域，例如手機、筆記本電腦等消費型電子器件。

人造石墨來源于瀝青、石油焦、針狀焦、瀝青焦等原料，經(jīng)過前處理和石墨化處理，其結(jié)構(gòu)比較容易調(diào)控，結(jié)構(gòu)多樣。所以人造石墨可設(shè)計性更強，應(yīng)用領(lǐng)域比天然石墨更廣泛，不僅用在傳統(tǒng)的3C市場，還有動力電池、儲能電站等領(lǐng)域。

（中國粉體網(wǎng)采訪/喬木、編輯/蘇簡，經(jīng)宋教授審閱）

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