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法国初创公司HIPERSSYS研发硫-硅锂离子电池，理论能量密度达商业锂电池五倍

时间:2021-10-08 11:11来源:36氪 作者:李子月
点击: 次
 
       目前，随着新能源汽车和智能电网等领域的快速发展，对于电池性能的要求越来越高。锂离子电池因其在能量密度、寿命和重量等方面的优势，主导了今天的电池市场。过去十年中，锂电池能量密度从2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg，增长近3倍。但其已达到商业可实现能量密度极限的87%，提升剩余的13%将非常缓慢且昂贵。
 
       法国电池初创项目HIPERSSYS成立于2020年，专注于研发以硫为正极、硅为负极的锂离子电池。HIPERSSYS表示其锂离子电池理论能量密度可达到1950Wh/kg，约为商业锂离子电池（100-450Wh/kg）的五倍，现已完成纽扣电池原型。
 
（HIPERSSYS锂电池结构 图片来源：采访供图）
 
       锂离子电池常用的正极材料有锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂以及三元材料等，HIPERSSYS研发的锂电池采用硫磺为正极的活性材料。单质硫在地球上储量丰富，石油冶炼的副产物便可提供充足的硫磺，因此硫磺价格仅1000元/吨，与碳酸锂（16万元/吨）相差160倍。硫极易升华，简单加热便可从正极中将其回收，成本低且环保；而以其他以贵重金属为正极的锂离子电池回收工艺复杂，无论是高温煅烧还是湿法酸洗，都存在能耗高、难度大和二次污染问题。锂电池成本已从2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh（该价格为国内市场价格。受访人表示，如今锂电池在欧洲市场的成本约200欧/KWh），占新能源汽车整车成本的30%。使用硫磺代替贵重金属作为正极可进一步降低电池成本。
 
       常用的负极材料为石墨等碳材料，但因其理论容量偏低（约372mAh/g），现已进入瓶颈期。HIPERSSYS采用硅作为负极中的活性材料。硅拥有非常高的理论容量（4200mAh/g，是传统石墨材料的10倍多）。硅基负极的工作电位比锂的还原电位高一些，减少了快速充电时锂在电极表面沉积的风险，从而有助于提高电池的安全性。
 
       硅活性材料的应用始于2000年，2014年开始实现产业化。国际上，松下2017年开始为特斯拉Model 3供应硅碳负极电池，能量密度达300Wh/kg；日本GS汤浅将硅基负极电池供给三菱汽车；三星、LG化学将硅基负极应用于消费电池领域。国内，宁德时代于2016年开始以高镍材料为正极、硅碳复合物为负极的动力电池研发项目；力神电池于2018年开发出高镍系正极和硅碳负极材料，电芯单体比能量密度达303Wh/Kg；国轩高科研发的高镍三元电芯，硅碳材料负极，能量密度达300Wh/kg；此外，比亚迪、比克动力、微宏动力、蔚来、智己汽车、广汽集团等电池、电动车企业，以及杉杉股份、中科电气、贝特瑞、江西紫宸、深圳斯诺、江西正拓、创亚动力、大连丽昌、硅宝科技等材料企业，都在硅基负极材料领域投入和投产。2021-2026年我国硅碳负极材料渗透率年均增长率约3%-5%，预计2026年达到23%。 2026年我国硅碳负极材料市场需求将达到50万吨。
（锂电池导电剂优劣对比 图片来源：知乎@行业研究）
 
       导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的内阻、倍率性能、热稳定性、能量密度、循环使用寿命等性能。按照接触的导电形式，导电剂可以分为点接触导电网络、线接触导电网络和面接触导电网络，包括了SP炭黑、导电石墨、 VGCF、碳纳米管和石墨烯。传统导电剂包括点接触的炭黑和导电石墨，相关技术较为完善，价格低廉，已被广泛应用于市场。新型导电剂包括线接触的VGCF和碳纳米管，以及面接触的石墨烯，导电性能更好，添加量更低（传统导电剂在正极材料中添加量约为3%，而新型导电剂约为0.5%-1.0%），活性物质含量更高。
 
       HIPERSSYS使用垂直排列的碳纳米管为架构来沉积电极中的活性物质。垂直排列的碳纳米管确保了与基片更好的接触和粘附，从而增加了离子扩散率，并改善了电子传输特性，从而使充放电速率得到改善。此外，垂直排列的碳纳米管和基片之间的紧密接触提供了一个低电阻通道，使整个电极有效连接。垂直排列的碳纳米管表具有大表面积的多孔结构，会大大促进化学传输和界面反应。垂直排列的碳纳米管的这些特性（规则的孔隙结构、高表面积和优异的导电性）使它们成为电极或电流收集器的候选材料，提高锂离子电池的性能。
 
       在未来五年，全球碳纳米管导电剂需求量年复合增长率将保持在40.8%，2022年需求量将达12.5万吨，2023年需求量将达19.3万吨。2014年以来，随着国内新能源汽车市场需求的增长，导电剂行业迅速发展。传统导电剂2014年的市场占有率为85.5%，且主要依赖进口，国产化率只有12.9%。新型导电剂国内技术领先，随着新型导电剂的渗透，导电剂的国产化率也迅速提升。2014年碳纳米管的渗透率由2014年的13.6%增至2020年的46.1%。2022年国内碳纳米管导电剂市场将达到45亿元。
（HIPERSSYS电池原型 图片来源：采访供图）
 
       现阶段，HIPERSSYS已完成纽扣电池原型（CR2032），目前正在制造和测试其他电池类型，如容量更大的软包电池，并将在几年内进入无人机市场。目前欧洲无人机电池市场规模约8亿欧元，2040年将达到70亿欧元。
（HIPERSSYS联合创始人Mariam Ezzedine（右）和Fatme Jardali（左） 图片来源：采访供图）
 
       联合创始人Mariam Ezzedine和Fatme Jardali均为巴黎综合理工学院（Ecole Polytechnique）博士后研究员，2017年获物理学博士学位。HIPERSSYS成立于2019年，获巴黎萨克雷SATT项目（SATT Paris-Saclay）和巴黎综合理工学院支持，并于2021年进入巴黎综合理工学院孵化器。
 
(责任编辑：子蕊)
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