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宝晟能源郜明文：纳米导电纤维网络在高功率电池和锂离子电容器中的产业化应用










2022CHPB-5 现场照片十张（左右滑动查看更多精彩）

  导读

2022年11月23日-25日，由中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办的《第五届先进高功率电池国际研讨会The 5th International Conference on Advanced High Power Battery》（2022 CHPB-5）在苏州顺利召开。本届大会得到了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的特别支持，并由无锡先导智能装备股份有限公司冠名赞助及蓝科途、安普瑞斯（南京）、山东精工电子、长虹三杰新能源等赞助单位的大力支持。参加本届大会的嘉宾来自国内外汽车产业、无人机、3C电子、电动工具、铅酸电池、超级电容、镍氢电池、锂离子电池及系统Pack、锂电池四大主材等配套相关设备等领域；共有200家企业单位，400余位嘉宾出席了此次国际研讨会。


在2022CHPB-5，Session8“提升高功率电池性能的关键材料的技术发展”分论坛主题上，来自宝晟（苏州）能源科技有限公司，郜明文博士做了“纳米导电纤维网络在高功率电池和锂离子电容器中的产业化应用”主题演讲。

宝晟（苏州）能源科技有限公司，郜明文博士

各位专家领导，大家早上好，这次给大家汇报的题目是“纳米导电纤维网络在高功率电池和锂离子电容器中的产业化应用”。

纳米导电纤维网络是干法比较学术的叫法，干法工艺最近几年比较火，尤其是在2019年初Tesla收购了Maxwell之后，干法电池工艺现在大家都比较了解了。和传统的湿法工艺相比，最大优势就是节约了成本，根据Tesla测算，它的干电极制造工艺可以节省成本18%，投资成本降低41%，国内相关机构的测算投资成本可以降低接近50%。Tesla在干电极上做的工作也是非常地多，不仅仅是负极碳材料使用了干电极工艺，在正极三元体系也在探索使用干电极工艺。可以说随着国际上几大企业，包括大众、三星、LG纷纷使用干电极作为未来电池制造工艺的布局，某种程度上干电极工艺也代表了未来锂离子电池加工制造的一个趋势。

干法电极工艺，最开始是用在超级电容器这样一个以高功率见长的储能器件上。把它从超级电容器应用到锂电池上，实际上还存在着一定的技术难度，尤其是超级电容器它的电解液中是不含锂离子的，所以使用的粘结剂是PTFE（聚四氟乙烯），而聚四氟乙烯用在锂离子电池尤其是在负极端可能多多少少存在一些问题。锂离子电容器是介于超级电容器和锂离子电池之间结合了能量密度和功率密度这样一个比较折中的储能器件。锂离子电池是能量密度非常地高，但是功率密度低一些，但是超级电容器正好是两个极端，锂离子电容器位于中间处于折中的位置。
这是今年7月份Tesla4680型电池拆解微观结构图可以看到，实际上上车的4680型电池负极端已经使用了干电极工艺，正极端目前还没有使用干电极工艺。下面这个图是我们宝晟使用的正负极干法工艺，从宏观结构来看，干电极工艺可以保持电池完整性，尤其是机械性能在进行拉伸试验的时候形变量是非常大的，这在电池充放电过程当中，整个电池的安全性和稳定性来讲是非常地重要。

 从倍率性能上来讲，我们和现在传统商业电极进行了1：1对比实验，在1C之前对比性能倍率性能不是非常明显，但是在2C的时候使用干电极工艺循环到1000多圈，它的能量保持率仍然是比较高，但是另外一种商业电极在几百圈高功率下就有失效的风险了，现在宝晟在磷酸铁锂的干法电极这块做的已经相对比较成熟了。

干电极在锂电池中为什么它的倍率性能会比较好？我们也进行了详细的分析。大家一直认为干电极碳纳米管使用干法分散不是很好，碳纳米管在湿法匀浆当中会团聚，那这个现象在干法分散当中是不是更严重？实际在宝晟特有工艺上，碳纳米管使用干法工艺它分散的更加均匀，某种程度上比湿法更均匀，我们可以做到将碳纳米管一根一根都拉开了，这样就增加了碳纳米管的使用效率，而且在倍率性能上来讲也会有一定的提升。
下面这两张图是同一个位置进行对比照片，第一张图聚四氟乙烯的纤维丝和碳纳米管一起共存的照片，但是聚四氟乙烯这种材料在高电压下很容易被电子束打断了，我们利用电子束长时间每一个部位进行轰击，经过一段时间剩下来的就是碳纳米管，碳纳米管留下的数量和结构都是非常清晰的，所以使用干电极可以得到一个有效的证明，就是碳纳米管的使用效率是会得到大幅的提升，而且它的导电性也会在整个电极中得到明显的提升，这样就更加有利于电池倍率性能的提升。

另外，我要讲的是锂离子电容器，实际上我们还有一个主要的工作是放在锂离子电容器上，因为锂离子电容器这是一个典型的倍率型的储能器件，而且结合我们公司几个技术，包括原材料技术、干电极技术、干电极预锂化应用技术。我们知道，对倍率要求比较明显的场合，比如说启停电源以及电动叉车、挖掘机、物流机器人等，这种场合是锂离子电容器能够大有作为的场合。
但是还有一些场合，尤其是储能场合是更需要锂离子电容器，这样一个高功率、长寿命、适当能量密度的储能器件。近年来，储能市场非常火爆，而且符合我们国家双碳战略方向，根据相关研究机构测算，储能市场到碳中和年份当中，它的市场空间可以达到百万亿人民币的规模。
锂离子电容器是如何在储能市场中发挥作用的呢？我们以非常典型的场景来看，这个场景就结合了储能电池和动力电池非常有示范性的场景。一个快速充电桩，首先充电慢是新能源汽车用户使用的痛点之一，那么如何去提高充电倍率？就应该使用倍率型的储能器件。如果将具有倍率性能的电池作为充电桩的储能柜，一方面可以起到削峰填谷的作用，在晚上低电价的时候储能，白天高电价的时候使用已经储存的能量对电动汽车进行充电。另外，它提高了充电的使用率。对于民营企业来讲，它的回报率就预计可以有一个估算。大功率快速充放储能电站我们判断也是未来一个市场趋势，但是锂离子电容器的核心技术点是干法电极预锂化，预锂化最近几年各个公司相对来说研究也比较多了，包括国内很多电池企业、电动汽车的公司都做了大量工作，也投入了大量的人力物力和财力，主要分为以下几个方法，包括锂箔补锂、锂粉预锂化、负极提前化成法，成本都比较高。
湿法涂布工艺在生产过程中仍然存在一些问题，比如说边缘开裂、干湿分界、中间过干，尤其是和集流体附着方面，再进行预锂化，尤其是锂粉补锂或者锂箔补锂对表面发生一些反应和改变，这就更加剧了原来已经存在的问题。
我们宝晟现在有一个专利是使用干法进行预锂化，它是一种类似三明治结构，进行多次辊压，在辊压过程当中锂带和石墨电极进行反应，并且最外层还可以对已经预锂化的电池进行保护，但是这个专利难点在于干法成膜的技术点上，另外在预锂化方面比较确定的是FTFE不能作为粘结剂的，需要选用新型粘结剂，并且仍然保持纤维化拉丝的特性。
作为锂离子电容器另外一个更重要的技术优势就是原材料，正极一般都是使用活性炭，高端活性炭一直被国外材料公司垄断，他们做的活性炭性能也比较的好，宝晟最近几年在碳材料方面进行了很多投入和探索，我们做活性炭使用的原材料来源比较广泛，除了生物制，我们还使用煤基作为原材料。
另外最重要的一点是具有价格优势，使用了新型工艺进行碳活化，从而保证了锂离子电容器最终器件是达到比较合理的价格。我们今年有一个示范项目，将锂离子电容器和红星美凯龙常州店做了光储充示范一体化工程，这也是今年为数不多的使用锂离子电容器作为储能的项目。
我们认为干法工艺在产业界和学术界其实都有很多的工作和前景，从学术界来讲有新材料开发、新工艺的研发、新设备和新产品，从产业界来讲，包括市场应用前景，快速充电站、地铁高铁能量回收系统，以及重卡和矿卡等，实际上都是大有可为的前景。
我今天的报告就简单介绍到这里，谢谢。
主持人：看看大家还有没有什么问题？
提问：你好，我想问一下，你开发的锂离子电容器产品，它用的电解液和锂电池应该不同是吧。
郜明文：对，还有一个技术点是电解液，锂离子电容器的电解液它的成分构成确实是比较复杂，尤其是各种添加剂的构成存在一定技术壁垒。宝晟有自己独特的配方，也是和其他机构一起共同研发的。
提问：它能够使用锂盐，但是因为正极活性炭是容易吸水的，水含量对电解液有影响吗？
郜明文：水含量对电解液是有影响的，所以干法在这方面更有优势，在整个环境当中，除了在制造当中保持一个低露点，干法不使用任何溶剂，因此在控制水含量这方面也会有优势。

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