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年需求超10000吨 锡在锂电池负极材料领域应用机会提升

北极星储能网  来源:高工锂电技术与应用    2019/2/19 8:46:36  我要投稿  

北极星储能网讯:国际锡业协会(ITA)表示,如果相关技术赢得市场份额,那么到2030年,三种不同类型锂离子电池负极材料锡消耗量将分别达到每年10000-20000吨。

本文来源:高工锂电技术与应用 微信公众号 ID:weixin-gg-lbte

该协会表示,到2050年这些数据将至少翻一番,特别是如果锡与硅一起用于锂离子电池负极技术的话。

高工锂电技术与应用获悉,锡在锂电池领域确实存在较大的应用机会,这涉及到负极、固态电池电解质等多个环节。

以负极为例,锡基负极材料具有较高的容量,价格便宜,易加工且无毒副作用。锡的储能是石墨的三倍,目前科学家已经应用纳米技术有效解决了锡充电膨胀的问题,特别是与新一代硅负极的协同作用,未来将可能大幅用于锂电池领域。

ITA跟踪锡的全球研发,专利和市场,并已发现锡在能源材料和技术(包括锂离子电池)中的兴趣日益浓厚。ITA确定了锂离子电池中锡的九个技术机会,主要是高容量负极材料,还有固态电解质和正极材料。

在实际的技术研发上,国际和国内多年来的确也不断有相关的进展对外公开。

在负极领域,早于2016年,加州大学河滨分校的研究者们研发出了一种新的硅-锡复合阳极材料,该研究团队发现,硅和锡都是可替代石墨的新型高性能阳极材料。其率先提出将两种材料结合为一种复合材料,此举导致电池性能剧烈提高。除了可以将电容量增至石墨电池的三倍以外,硅-锡纳米复合电池在多次充放电循环中也是极其稳定,本质上说这一性能可以推广至它的整个使用寿命。

“这两种材料之间的协同效应导致电池的性能超过了每种材料单独存在时的性能,这种性能的提升是因为锡具有高的导电率和能量存储容量,添加2%重量的锡就可以实现这一效果”,该研究负责人Mangolini说。

此外,锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。金属锡与碳不会形成碳化物,碳材料的加入不仅可以提高复合物的均匀程度,也为设计不同结构的Sn-C复合物提供了可能。

基于此,有研究者为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡⁃碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料可以作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,锡与其它金属(M)可以形成的碳基三元、多元复合物。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡⁃碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。

在固态电池领域,东京技术研究所的研发人员已经设计了一种低成本、可推广的方式来发展全固态的电池,这种全固态电池电解质的一个重要元素组成就是锡。

在此之前的2011年,东京技术研究所的Ryoji Kanno和他的团队,与丰田汽车公司和日本高能加速器研究机构一起合作,在《Nature Materials》出版了一篇具有里程碑意义的论文,介绍了结构为Li10GeP2S12(LGPS)的一种固态电解质。这种材料在开发全固态电池的竞赛中是领跑者。而新研究在固态电解质中用两种更容易获取的元素锡和硅来代替锗。

固体电解质的全固态系统是下一代电池的潜在候选,预计将提供高功率和高能量密度,也能保证可靠和安全性能。基于硫化物的锂离子导体具有良好的导电性能和合适的电化学窗口和机械性能;因此,它们被作为潜在的固态电解质进行了深入研究。LGPS是硫化物晶体电解质家族中的新成员,呈现了1.2×10^(-2)Scm^(-1)的离子导电性能,与有机流体电解质相当。使用LGPS电解质的全固态电池展现了极好的充放电性能。但是,锗是相对昂贵的金属,这可能限制了LGPS材料的广泛应用。

通过最新研究中,研发者保持了LGPS的相同结构,细微地调整了锡、硅和其他组成原子的比例和位置。新材料LSSPS(组成:Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12(Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)在室温下取得了1.1×10^(-2)Scm^(-1)的导电性能,几乎达到了原始的LGPS结构的导电性能。然而,需要进一步的工作来优化不同用途下的性能,新材料使不牺牲性能的低成本生产有了希望。

据悉,NEI公司正在进行专利申请的一种固态电解质材料锂锡磷硫(Li10SnP2S12)。有分析认为,随着电动汽车的持续流行,对新型更佳性能的电池需求也会增长,这将促进固态含锡电解质电池的推广应用,最终也会带动此领域锡消费的需求。


原标题:年需求超10000吨 锡在锂电池领域应用机会

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