里程焦慮，一直是電動汽車市場沒有拔掉的“刺”。傳統電池材料已不能滿足鋰離子電池高容量化的發展，電池新材料的攻關及產業化進程亟待加快。
天津師范大學物理與材料科學學院研究員張波帶領團隊，依托該校儲能材料表面技術國際聯合研究中心，在高容量硅碳負極材料產業化方面進行了10年研發。近日，天津師范大學與江蘇貝嘉寧硅業有限公司成功簽約，共轉讓9項發明專利，使科技創新成果從實驗室走向企業生產線。
目前，在大規模商業化應用方面，鋰離子電池負極材料以人造石墨為主。石墨負極材料的容量已經接近其理論容量，提升空間非常有限。
硅材料的理論容量是石墨的10倍，且硅基負極材料還具有低脫嵌鋰電位、環境友好、儲量豐富等優點，被視為最具潛力的下一代負極材料。
張波團隊早在10年前便把硅碳負極材料的產業應用作為研究方向和開發目標。
“我們在研發的過程中，攻克了硅碳負極材料產業化中的諸多關鍵問題。”張波說。
在研發初期，科研團隊最先遇到的難題就是硅的納米化。“我們把納米硅和碳進行復合，但數據結果不理想。國產納米硅不能滿足生產需求，而進口納米硅價格又十分高昂。”張波說，為此團隊進行了大量的實驗，從原料的預處理到設備的改造、工藝條件的優化，終于將硅的尺度降低到50納米以下，解決了硅的納米化問題。
“我們還實現了納米硅的有效分散和包覆，并將其與石墨負極材料進行了匹配。這樣既可以提升復合材料的比容量，又可以保證硅碳負極較高的庫倫效率。”張波介紹，團隊制備的硅碳負極材料，相較傳統材料，可有效提升鋰離子電池容量，使電子產品和電動汽車的續航時間增加20%至30%，同時提升材料穩定性，降低成本，整體工藝利于規模化生產。
除了汽車動力電池外，目前鋰離子電池還應用于3C類電子產品和儲能電池。這些領域對鋰離子電池都有高容量化的需求，但具體要求又不盡相同。
“3C類電子產品已開始采用硅碳負極材料，增加電池的容量提高了電子產品的待機時間。”張波介紹。
中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會發布的《2024年中國新型儲能產業發展白皮書》顯示，預計2025年全球鋰離子電池儲能累計裝機量將超過300GW，其中，中國鋰離子電池儲能累計裝機量將達65—70GW。在動力電池領域，以特斯拉為首的電動汽車企業正在積極導入硅碳負極材料，提升電動汽車的續航里程。
據介紹，按照預測，2025年，硅碳負極材料的市場需求將達到30萬噸，產值將達到200億元—300億元。納米硅、硅碳負極材料的市場前景非常廣闊。目前，國內外的機構都在積極布局。
“我們研發工作開展得非常早，解決了很多核心問題，尤其是在工程化方面進行了10年的積累，成果優勢非常明顯。”張波說。
江蘇貝嘉寧硅業有限公司對該創新成果的市場前景十分看好。公司相關負責人介紹，面向新材料，他們將持續投資。一期產線建成后，年產值將達到1000萬元。在此基礎上，二期計劃投資1.6億元，年產值將達到2.5億元。
張波表示，下一步，他們將繼續依托學校和企業研發平臺，研發新一代硅碳負極材料，繼續優化硅碳材料結構，提升材料的性能，降低材料的成本，提高工藝穩定性和成熟度。
里程焦慮，一直是電動汽車市場沒有拔掉的“刺”。傳統電池材料已不能滿足鋰離子電池高容量化的發展，電池新材料的攻關及產業化進程亟待加快。
天津師范大學物理與材料科學學院研究員張波帶領團隊，依托該校儲能材料表面技術國際聯合研究中心，在高容量硅碳負極材料產業化方面進行了10年研發。近日，天津師范大學與江蘇貝嘉寧硅業有限公司成功簽約，共轉讓9項發明專利，使科技創新成果從實驗室走向企業生產線。
目前，在大規模商業化應用方面，鋰離子電池負極材料以人造石墨為主。石墨負極材料的容量已經接近其理論容量，提升空間非常有限。
硅材料的理論容量是石墨的10倍，且硅基負極材料還具有低脫嵌鋰電位、環境友好、儲量豐富等優點，被視為最具潛力的下一代負極材料。
張波團隊早在10年前便把硅碳負極材料的產業應用作為研究方向和開發目標。
“我們在研發的過程中，攻克了硅碳負極材料產業化中的諸多關鍵問題。”張波說。
在研發初期，科研團隊最先遇到的難題就是硅的納米化。“我們把納米硅和碳進行復合，但數據結果不理想。國產納米硅不能滿足生產需求，而進口納米硅價格又十分高昂。”張波說，為此團隊進行了大量的實驗，從原料的預處理到設備的改造、工藝條件的優化，終于將硅的尺度降低到50納米以下，解決了硅的納米化問題。
“我們還實現了納米硅的有效分散和包覆，并將其與石墨負極材料進行了匹配。這樣既可以提升復合材料的比容量，又可以保證硅碳負極較高的庫倫效率。”張波介紹，團隊制備的硅碳負極材料，相較傳統材料，可有效提升鋰離子電池容量，使電子產品和電動汽車的續航時間增加20%至30%，同時提升材料穩定性，降低成本，整體工藝利于規模化生產。
除了汽車動力電池外，目前鋰離子電池還應用于3C類電子產品和儲能電池。這些領域對鋰離子電池都有高容量化的需求，但具體要求又不盡相同。
“3C類電子產品已開始采用硅碳負極材料，增加電池的容量提高了電子產品的待機時間。”張波介紹。
中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會發布的《2024年中國新型儲能產業發展白皮書》顯示，預計2025年全球鋰離子電池儲能累計裝機量將超過300GW，其中，中國鋰離子電池儲能累計裝機量將達65—70GW。在動力電池領域，以特斯拉為首的電動汽車企業正在積極導入硅碳負極材料，提升電動汽車的續航里程。
據介紹，按照預測，2025年，硅碳負極材料的市場需求將達到30萬噸，產值將達到200億元—300億元。納米硅、硅碳負極材料的市場前景非常廣闊。目前，國內外的機構都在積極布局。
“我們研發工作開展得非常早，解決了很多核心問題，尤其是在工程化方面進行了10年的積累，成果優勢非常明顯。”張波說。
江蘇貝嘉寧硅業有限公司對該創新成果的市場前景十分看好。公司相關負責人介紹，面向新材料，他們將持續投資。一期產線建成后，年產值將達到1000萬元。在此基礎上，二期計劃投資1.6億元，年產值將達到2.5億元。
張波表示，下一步，他們將繼續依托學校和企業研發平臺，研發新一代硅碳負極材料，繼續優化硅碳材料結構，提升材料的性能，降低材料的成本，提高工藝穩定性和成熟度。
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