新能源汽车如何才能拥有快速充电、续航给力两大超能力？负极材料被认为是“赋能”的关键 。
如果把动力电池比作蓄水池 ， 那么 ， “锂”想的负极材料就能容纳更多的锂离子 ， 让水池更深 。 正因如此 ， 2021年我国仅负极材料的市场规模就达到159.1亿元 。
中国科学院山西煤炭化学研究所709课题组早已将目光锁定在负极材料上 。 不同于国内外使用针状焦系、石油焦系制造负极材料的传统方法 ， 该课题组独辟蹊径 ， 使用无烟煤制造锂电池人造石墨负极材料 ， 并完成煤基快充负极材料的成套技术研发 ， 不久前建成了国内首条吨级试验示范线 。
“这是一条没有人走的路 ， 第一步就花了我们5年时间 。 ”709课题组组长陈成猛说 。
快充快放看负极
锂电池是动力电池界的绝对主角 。 它拥有正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个组成部分 。 国内外科学家都在围绕这四大组成部分开展科学研究 。
目前 ， 正极材料体系主要分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等多种技术路线 ， 负极材料则相对单一 ， 虽然技术路线众多 ， 但人造石墨技术仍是主流技术 。
实际上 ， 锂电池最为人诟病的充电慢、续航差等问题 ， 与正极材料、隔膜、电解液都有关系 ， 而负极材料是其主要因素 ， 更需要突破 ， 潜力也更大 。
传统的人造石墨算是第二代商业化负极材料 ， 它是石油焦或针状焦经过包覆造粒、碳化及石墨化加工等一系列工艺制造而成 。 相较于第一代天然石墨等材料 ， 人造石墨循环性能好、高低温性能优、安全性高且工艺成熟 ， 是非常理想的选择 。
不过 ， 技术路线越成熟 ， 前路就越狭窄 。 目前 ， 行业头部公司的负极材料各项指标已逼近理论极限 ， 未来的提升空间十分有限 。 由于针状焦、石油焦制成的人造石墨自身的局限 ， 锂电池厂商正在研发第三代技术 。
2016年 ， 709课题组在省内资金的支持下 ， 尝试探索无烟煤制造人造球形石墨的技术路线 ， 历经5年时间 ， 掌握了煤基人造石墨的基础理论知识、工程化经验 ， 为煤基负极材料快速开发和应用于锂电池打下了基础 。
如今 ， 这项科技成果已具备了从实验室走进工业示范线的必要条件 。 传统的针状焦、石油焦系负极材料理论容量为372毫安小时每克（mAh/g） ， 而709课题组研发的煤基快充负极材料可以超出这一理论值 ， 独特的结构让锂电池快充快放变成现实 。
层间距“广纳宾客”
充电过程就如汽车驶入高速公路的“隧道” 。 如果锂离子在传统人造石墨这条旧高速上行驶 ， 由于其层间距小 ， 很容易在“隧道”口形成拥堵 。 而锂离子堆积过多 ， 就会在负极表面形成“锂枝晶” ， 严重影响离子的行驶速度 ， 甚至引发“安全事故” 。
而要想实现快充 ， 锂电池就要抗得住大电流 。 充电时 ， 离子要通过隔膜快速到达负极材料表面 ， 并进一步嵌入内部 。
“传统人造石墨原料在高温热处理过程中 ， 分子会重新排列组合 ， 微晶层间距会缩小；煤基人造石墨质地偏硬 ， 具有微孔、微晶层间距适宜等特点 ， 这是无烟煤天然的优势 。 这样有利于锂离子的嵌入 ， 而不会引起结构显著膨胀 ， 具有很好的快速充放电性能 。 材料表面的中孔和贯穿孔就像扩张的‘隧道’ ， 不会让锂离子拥堵 ， 因此加快了充放电的过程 。 ”709课题组研究员孙国华介绍 。
不仅是嵌入速度有所提升 ， 负极材料的容量也有了扩充 。 “传统的针状焦、石油焦系人造石墨就像一本书 ， 规则的石墨就像纸张 ， 中间可以嵌入一层锂离子；而煤基人造石墨就像零散的纸张 ， 每一片纸张可以双面嵌入锂离子 ， 不同纸张之间的孔隙也可以存储锂离子 ， 因而容量更大 。 ”孙国华形象地描述了煤基人造石墨的结构 。