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04
2024
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11
2024全球石墨烯重大技術成果“高能量密度電池石墨烯復合納米硅碳負極材料”在寧波首發
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11月2日，由國家石墨烯創新中心、中國科學院寧波材料所和寧波富理電池材料科技有限公司經過多年聯合技術攻關完成的石墨烯重大應用技術成果“高能量密度電池石墨烯復合納米硅碳負極材料”在寧波舉行的2024中國國際石墨烯創新大會上向全球首次發布。中國科學院寧波材料所研究員、國家石墨烯創新中心副主任周旭峰擔任此項技術成果的發布人。
近年來，以新能源汽車和無人機為代表的交通和航空領域電動化進程持續加速，由此對于動力電池不斷提出更高的性能要求。提高動力電池能量密度可有效延長電動汽車和無人機的續駛里程，因此高能量密度電池技術成為新能源汽車產業和低空經濟的競爭熱點。目前采用常規石墨負極材料的商用動力鋰離子電池已逐漸逼近其理論能量密度極限，亟待更高容量的負極材料技術變革。硅基負極材料的理論比容量是石墨的10倍，被公認是下一代高能量密度電池的理想負極材料。然而硅基負極材料的問題同樣十分突出，硅顆粒在充電時會發生高達300%的體積膨脹，由此在持續充放電循環中產生顆粒粉化、極片解體和脫落等一系列后果，導致電池性能快速衰退。如何解決硅負極的體積膨脹問題已成為行業共性技術挑戰。
中國科學院寧波材料所研究團隊自2010年開始硅基負極材料的應用基礎研究，基于在石墨烯材料方面的技術優勢，在國內最早提出利用石墨烯復合改性抑制硅材料體積膨脹，維持極片結構穩定，提高硅負極導電性，進而提升電池循環壽命的創新策略，經過對材料復合配方與結構設計的持續優化，及制備技術的多輪升級，進一步在國家石墨烯創新中心完成工程化技術開發與電池測評，并最終在寧波富理電池材料科技有限公司實施產業化。目前，已建成年產百噸級石墨烯復合納米硅碳負極材料中試線。中試產品的克容量達到1900 mAh/g（是商用石墨負極材料的5倍以上），首次庫倫效率達到92%，并且在充放電循環過程中的極片體積膨脹較商用硅基負極材料降低30%以上。將石墨烯復合納米硅碳負極材料與高容量富鋰錳基正極材料（由寧波富理電池材料科技有限公司開發）匹配，國家石墨烯創新中心和中國科學院寧波材料所聯合研制出460Wh/kg的高能量密度鋰離子電池，較當前商用動力鋰電池提高了60%以上，展現出石墨烯復合納米硅碳負極材料在高能量密度動力電池中的巨大應用前景。
該技術突破是石墨烯在新能源領域應用中的一個標志性成果，有望引發電池技術變革，進一步提升我國新能源汽車產業和低空經濟的核心技術競爭力，并有望成為石墨烯走向大規模商業應用的生動案例。
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