《锂离子动力电池正负极材料关键技术应用及资源化回收》

锂离子动力电池是电动汽车最有前景的动力设备。电池作为电动汽车的“心脏”,其性能是决定电动汽车性能的关键因素,尤其是电池的正负极材料。在正极材料中,大规模生产的锂离子动力电池主要是采用磷酸亚铁锂、三元材料或锰酸锂正极材料,搭配石墨负极材料。这三种正极材料各有利弊,三元材料能量密度高但安全差;磷酸亚铁锂安全性高但能量密度偏低;锰酸锂价格最低,但电性能欠佳。其中最主要的问题是能量密度与安全性能的矛盾。为了缓解这一矛盾,可以从负极入手提高材料的能量密度,采用高容量的硅碳负极,正极仍采用高安全性的磷酸亚铁锂材料。为了节省资源和保护环境,该项目也开展了对废旧电池进行回收再利用方面的研究。因此,该项目围绕正极材料LiFePO4和负极硅碳复合材料展开研究,该项目研究成果的主要内容如下:

(1)锂离子动力电池正极材料的研究及大规模固相制备法技术:通过调控Fe/Li比和掺杂元素含量,在LiFePO4/C复合材料表面形成含有FeP4表面导电相,与表面的碳包覆层形成电子传导协同效应,极大地提高了材料的倍率性能。采用流变相辅助的碳热还原法制备LiFePO4/C复合材料,对LiFePO4材料的配比、粒度以及制备工艺进行了研究,合成出碳层、组成元素及粒度均一分布的LiFePO4/C复合材料,提高了大规模制备LiFePO4/C复合材料的工艺稳定性。

(2)锂离子动力电池硅碳负极材料的研究与关键工艺开发:利用冷冻干燥与溶剂热相结合的方式制备硅与石墨烯气凝胶的复合材料(Si/GA)。在该复合材料中,石墨烯形成相互交联的“豌豆”状腔体结构,硅则被紧密地包裹在此“豌豆壳”中。得益于其结构特性,复合材料展现了优异的电化学性能。为了在硅基颗粒与氧化石墨烯间建立有效的相互作用,提出一种对硅材料进行修饰改性的方式。通过金属氧化物包覆修饰,可以实现硅基颗粒表面正电性修饰,使硅基材料在介质中能够通过静电作用吸附在显示负电性的氧化石墨烯表面,并且与氧化石墨烯表面活性位发生原位反应从而建立化学键相互作用。

(3)废旧电池回收利用技术:根据液相化学制备原理、材料化学合成原理和磁学理论,利用光谱学方法和显微分析技术,充分运用化学工艺学、化学反应工程及环境工程等理论知识,首先探索了废旧电池正极活性物质高效分离技术。其次,借助各种分析表征手段开展以废旧电池正极材料为原料,针对废旧锂离子电池的特点,并对传统回收技术中存在的不足进行改进和优化,最终制备出工艺合理、技术可行、操作简单、经济实效、附加值更高的钴铁氧体和三元正极锂离子电池材料。

项目实施以来,获授权发明专利6项;发表SCI论文8篇。成果推广后,提高了锂离子电池正负极材料的制备工艺水平及废旧锂离子电池的回收利用能力,为企业累计新增销售额2.0974亿元,近三年的项目市场化推广运营取得了显著的经济效益和社会效益。该研究工作的实施,为解决废旧电池污染环境提供重要的理论和技术支撑。

成果说明

该项目依托河南科技学院新能源材料研究所,充分利用团队优势,开发锂动力电池正负极材料和废旧锂离子电池资源化回收关键技术方面的应用。通过一系列的试验获得了具有自主知识产权的锂离子电池正极材料、负极材料及废旧锂离子电池回收应用研究方面的相关技术和产品成果。经新乡天力锂能股份有限公司、新乡市赛日股份有限公司和新乡超能电源有限公司等单位推广应用,采用本项目的磷酸亚铁锂正极材料、硅基负极材料生产工艺技术和废旧锂离子电池回收转化工艺,不仅改善了锂离子电池的电性能,提高了锂离子电池的放电容量和循环寿命,而且降低了生产成本

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