聚焦“雙碳” | 以“碳”減碳 助推能源結構升級

鋰離子電池的發展歷程中，一個里程碑式的節點就是石墨負極的應用。石墨以比容量較高、充放電平臺低、循環穩定、成本低等優點，成為了最主流的負極材料。

 

1976年，英國科學家斯坦利·威廷漢等采用硫化鈦作為正極，鋰作為負極，制成了世界上第一塊可充電鋰電池，但受制于金屬鋰負極的安全性差、高成本等問題，應用領域有限。固態電解質薄膜的概念最早于1979年提出。1990年，加拿大達爾豪斯大學杰夫·達恩等研究發現碳酸乙烯酯電解質分解時可以在石墨表面形成穩定的固態電解質界面，實現了鋰離子在石墨中可逆的嵌入/脫嵌。1991年，日本科學家吉野彰采用石墨類材料作為負極、鈷酸鋰作為正極，構建的現代鋰離子電池雛形，開啟了鋰離子電池商業化之路。鋰離子電池發展至今，衍生出磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等多種正極材料體系，但石墨類負極材料體系一直沿用至今。

 

在鋰離子電池發展初期，索尼等鋰電池企業采用石油焦作為負極材料。由于未經石墨化處理，無序程度較高、比容量有限，逐步被中間相炭微球取代。隨著手機和筆記本電腦等電子產品快速發展，對能量密度的要求日益提升，中間相碳微球成本高、比容量低等缺點日益凸顯，低成本、高容量的人造石墨負極和天然石墨負極應運而生。2013年開始，動力電池需求迅猛增長，2016年首次超過消費鋰電池，人造石墨和天然石墨負極材料也發展為市場絕對主流，長期占據 90%以上的市場份額。

 

人造石墨負極材料是將易石墨化碳在高溫下煅燒，再經粉碎、分級制得。因其低膨脹、高能耗等特性，成為了近年我國動力電池市場主流。天然石墨負極材料是鱗片石墨經球化、提純、包覆碳化等一系列改性處理后制得，其膨脹、循環、倍率等性能略低于人造石墨負極材料。我國現主要應用于3C及小動力電子產品。日韓等國的負極材料企業及電池制造商對天然石墨負極材料研發投入較多，動力電池市場天然石墨負極材料占比50%以上。

 

在“碳達峰、碳中和”及“能耗”雙控戰略背景下，人造石墨源自化石能源、高能耗等問題突顯，我國的負極材料市場將迎來新的發展生命周期。天然石墨由于無需石墨化、產業鏈供應鏈安全穩定等優點，在各種應用領域滲透率將逐步提升。動力電池領域：由于苛刻的使用環境，對負極材料比容量、一致性、倍率、低溫性能等要求很高，人造石墨仍將繼續占據主流位置。但人造/天然石墨復合材料，由于成本和性能的良好平衡，市場占有率將逐步提升。消費電池領域：由于不需配組、循環要求相對較低，天然石墨仍將繼續占據主流。隨著可穿戴設備等新一代消費電子產品迅猛發展，對于安全性、體積能量密度的要求日益提高，高端產品占比也將隨之逐步提高。儲能電池領域：對成本要求較高，且針對特定的應用場景，對安全性、循環性、一致性等某一個或多個特定方面提出了更高要求。預計人造/天然石墨復合材料將成為最佳選擇。

 

天然負極材料產業系統性變革以適應新生命周期的過程，本質是“再技術化過程”。如何針對性地開發比容量、倍率、壽命、成本等優勢突出，其他性能并不弱化的天然石墨負極材料，成為需要攻克的“卡脖子”關鍵技術問題。

 

中國五礦立足國家戰略新興產業安全，加強新技術礦產全產業鏈布局，堅持科技創新。2020年、2021年中國五礦天然石墨產業鏈投資運營平臺——五礦石墨聯合我國天然石墨負極領域最強科研力量，連續承擔國家重點研發計劃，依托全球單體最大、最適合制造負極材料的晶質石墨資源，通過產業鏈上下游協同攻關、統籌規劃、協同優化，攻克石墨采選、球化、提純及深加工關鍵技術，推動天然石墨材料的性能極限化，致力于擺脫新能源電池對化石能源的依賴，充分利用五礦石墨優勢資源，支撐我國能源結構升級轉型，用“以碳減碳”路徑設計實現我國低碳可持續發展新模式。

 

（作者系中國五礦集團石墨產業有限公司董事長）