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充電太慢，續(xù)航不夠，虛電焦慮，是每一個想擁有純電動汽車的人都繞不過的坎。如果有一天新能源汽車擁有快速充電、續(xù)航給力兩大超能力，新能源汽車乃至龐大的儲能市場將會迎來另一個春天。近日，中科院山西煤化所傳來喜訊，該所709課題組經(jīng)過6年攻關(guān)，成功實現(xiàn)了鋰電池負(fù)極材料的全新突破。

攻克鋰電池負(fù)極材料的第三代技術(shù)

車水馬龍中，純電動汽車的比例越來越高，全球鋰電池行業(yè)受益汽車電動化的迅猛發(fā)展，帶動鋰電負(fù)極材料需求高速增長。2011年，我國鋰電池負(fù)極材料行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期，國產(chǎn)企業(yè)在鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域大部分已經(jīng)實現(xiàn)了進(jìn)口替代，上半年負(fù)極材料出貨量達(dá)到33.2萬噸，其中人造石墨出貨量占比達(dá)到85%。

2016年，中科院山西煤化所709課題組陳成猛團(tuán)隊在省內(nèi)資金的支持下，嘗試探索無煙煤制造人造球形石墨的技術(shù)路線，歷經(jīng)5年時間里，掌握了煤基人造石墨的基礎(chǔ)理論知識、工程化經(jīng)驗，為煤基負(fù)極材料快速開發(fā)和應(yīng)用于鋰電池打下了基礎(chǔ)。鋰電池最為人詬病的問題就是充電慢、續(xù)航差，而這與正極材料、隔膜、電解液都有關(guān)系，但是相比較而言，負(fù)極材料是主要因素，更需要突破。傳統(tǒng)的人造石墨算是第二代商業(yè)化負(fù)極材料，它是石油焦或者針狀焦經(jīng)過包覆造粒、碳化、及石墨化加工等一系列的工藝制造而成。較于第一代天然石墨等材料，其循環(huán)性能好、高低溫性能優(yōu)、安全性高且工藝成熟，是非常理想的選擇，但其各項指標(biāo)逼近理論極限，未來的提升空間極為有限。技術(shù)路線越成熟，前路就越狹窄，針狀焦、石油焦制成的人造石墨自身特點(diǎn)決定了它的上限，為此，鋰電池廠商一直在尋找第三代技術(shù)。709組研發(fā)的煤基快充負(fù)極材料可以超出這一理論值，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)讓鋰電池快充快放變成了現(xiàn)實，這項科技成果已具備了從實驗室走進(jìn)工業(yè)示范線的必要條件。

709課題組組長陳成猛介紹：“當(dāng)初，我們十分看好鋰電池負(fù)極材料這個廣闊市場，布局了無煙煤到人造石墨，再從人造石墨到負(fù)極材料這條路線，這是一條沒有人走的路，第一步就花了我們5年時間。”

2021年，陳成猛課題組發(fā)揮煤基新材料研發(fā)的優(yōu)勢，獨(dú)辟蹊徑使用無煙煤制造鋰電池人造石墨負(fù)極材料，摒棄國內(nèi)外使用針狀焦系、石油焦系制造負(fù)極材料的傳統(tǒng)方法，完成了煤基快充負(fù)極材料的成套技術(shù)研發(fā)，建成了國內(nèi)首條噸級試驗示范線。

打通“隧道”口上的擁堵

要實現(xiàn)快充，鋰電池就要扛得住大電流，如果將充電過程看作汽車駛?cè)敫咚俟返?ldquo;隧道”，鋰離子是在傳統(tǒng)人造石墨這條舊高速上行駛，由于它的層間距小，易在“隧道”口形成擁堵，堆積過多的鋰離子就會在負(fù)極表面形成“鋰枝晶”，嚴(yán)重影響離子的行駛速度，甚至容易引發(fā)“安全事故”。課題組成員孫國華研究員告訴記者：“傳統(tǒng)人造石墨原料在高溫?zé)崽幚磉^程中，分子會重新排列組合，微晶層間距會縮??；煤基人造石墨相對質(zhì)地偏硬、具有微孔、微晶層間距適宜，這是無煙煤天然的優(yōu)勢。這樣有利于鋰離子的嵌入，而不會引起結(jié)構(gòu)顯著膨脹，具有很好的快速充放電性能，材料表面的中孔和貫穿孔就像擴(kuò)張的‘隧道’，不會讓鋰離子擁堵，因此加快了充放電的過程。”

不僅是嵌入速度有所提升，負(fù)極材料的容量也有了擴(kuò)充。“傳統(tǒng)的針狀焦、石油焦系人造石墨就像一本書，規(guī)則的石墨就像紙張，中間可以嵌入一層鋰離子；而煤基人造石墨就像零散的紙張，每一片紙張可以雙面嵌入鋰離子，不同片之間的孔隙中也可以存儲鋰離子，因而容量更大。”孫國華形象地描述了煤基人造石墨的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過評測，課題組研制的煤基快充負(fù)極材料初始存儲容量突破了372毫安小時每克(mAh/g)的理論比容量，還可滿足在5C下快速充電。首次比容量可達(dá)365-375mAh/g，比目前市面快充產(chǎn)品提升5%-10%，在同等的大倍率下容量保留率比市售產(chǎn)品提升10%-20%，可使充電時間縮短至20分鐘以內(nèi)，不足3000元/噸的無煙煤搖身一變身價翻了20余倍。

尋求創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化路徑

相比其他領(lǐng)域10-20年才能形成一條扎實的技術(shù)路線，709課題組不到6年時間就完成了突破，這源于他們長期以來形成的三大優(yōu)勢——扎實的基礎(chǔ)理論、工程化經(jīng)驗、完整的創(chuàng)新鏈。

“這種組織能力是很多科技成果難以轉(zhuǎn)化的痛點(diǎn)，但也是我們課題組的強(qiáng)項。”課題組成員、碳基新材料技術(shù)負(fù)責(zé)人李曉明表示。煤炭是由復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)和120多種礦物質(zhì)組成，成分復(fù)雜多變，所有的煤基新材料都面臨的首要工程問題就是原材料的提純——掌握高效低成本除灰除雜技術(shù)。傳統(tǒng)的煤炭洗選技術(shù)只需要把灰分控制在8-11wt%。煤基快充負(fù)極材料需要將灰分指標(biāo)控制在極低的水平，這其中的固液分離、高效脫灰技術(shù)等沒有先例可循。

原料不純就沒有研究的基礎(chǔ)，原料不過關(guān)會造成材料品質(zhì)難控制、縮短設(shè)備壽命，還會造成“躥火炸爐”等安全事故。陳成猛團(tuán)隊經(jīng)過長達(dá)半年的技術(shù)攻關(guān)突破了該技術(shù)，經(jīng)過極限粉碎至微米級甚至能夠得到灰分小于2wt%的煤。

另一項關(guān)鍵技術(shù)就是煤炭石墨化，需要在3000℃的高溫下對煤炭進(jìn)行熱處理，并且50-100小時不間斷運(yùn)行。在此期間，團(tuán)隊成員收集了山西、云南、河南、北京等地20種無煙煤，反復(fù)試驗上百次。跑上游、跑下游，進(jìn)企業(yè)、進(jìn)展會……即便煤基人造石墨在性能上有著不俗的優(yōu)勢，但是作為切入新市場的外來“物種”，如何獲得市場的青睞？

709課題組擁有自己一套獨(dú)特的方法。按照他們以往的經(jīng)驗看，一個自己眼中成熟的材料拿到客戶眼前，無論介紹得如何天花亂墜，也很難打動人。“負(fù)極材料還是要放在鋰電池身上才能展現(xiàn)優(yōu)勢，我們購買了正極材料、隔膜自制了鋰電池，不論是調(diào)試還是試驗，第一手?jǐn)?shù)據(jù)總能迅速掌握，客戶的認(rèn)可度也很高，而且我們還在自制隔膜方面進(jìn)行了理論探索。”李曉明介紹，“課題組的科學(xué)家們花費(fèi)大量精力，頻繁與鋰電池龍頭企業(yè)和負(fù)極材料龍頭企業(yè)保持著密切接觸，了解最前沿的下游需求，針對性的改進(jìn)指標(biāo)。”

“探索研究煤炭原料化、材料化低碳發(fā)展路徑符合國家的布局，希望通過新一代的負(fù)極材料技術(shù)，給電動汽車更大的信心。”陳成猛表示。

目前，鋰電池市場規(guī)模的急劇擴(kuò)張，行業(yè)技術(shù)日新月異，行業(yè)龍頭企業(yè)都在緊羅密布布局下一代負(fù)極材料，709課題組也把這項創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化提上了日程。 

原標(biāo)題：“鋰”想的負(fù)極材料