鉅大LARGE | 點擊量：650次 | 2022年10月10日
需求擴(kuò)大錫在鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)會提升
國際錫業(yè)協(xié)會(ITA)表示，如果相關(guān)技術(shù)贏得市場份額，那么到2030年，三種不同類型鋰離子電池負(fù)極材料錫消耗量將分別達(dá)到每年10000-20000噸。
該協(xié)會表示，到2050年這些數(shù)據(jù)將至少翻一番，特別是如果錫與硅一起用于鋰離子電池負(fù)極技術(shù)的話。
高工鋰電技術(shù)與應(yīng)用獲悉，錫在鋰電池領(lǐng)域確實存在較大的應(yīng)用機(jī)會，這涉及到負(fù)極、固態(tài)電池電解質(zhì)等多個環(huán)節(jié)。
以負(fù)極為例，錫基負(fù)極材料具有較高的容量，價格便宜，易加工且無毒副作用。錫的儲能是石墨的三倍，目前科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用納米技術(shù)有效解決了錫充電膨脹的問題，特別是與新一代硅負(fù)極的協(xié)同作用，未來將可能大幅用于鋰電池領(lǐng)域。
ITA跟蹤錫的全球研發(fā)，專利和市場，并已發(fā)現(xiàn)錫在能源材料和技術(shù)（包括鋰離子電池）中的興趣日益濃厚。ITA確定了鋰離子電池中錫的九個技術(shù)機(jī)會，主要是高容量負(fù)極材料，還有固態(tài)電解質(zhì)和正極材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在實際的技術(shù)研發(fā)上，國際和國內(nèi)多年來的確也不斷有相關(guān)的進(jìn)展對外公開。
在負(fù)極領(lǐng)域，早于2016年，加州大學(xué)河濱分校的研究者們研發(fā)出了一種新的硅-錫復(fù)合陽極材料，該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，硅和錫都是可替代石墨的新型高性能陽極材料。其率先提出將兩種材料結(jié)合為一種復(fù)合材料，此舉導(dǎo)致電池性能劇烈提高。除了可以將電容量增至石墨電池的三倍以外，硅-錫納米復(fù)合電池在多次充放電循環(huán)中也是極其穩(wěn)定，本質(zhì)上說這一性能可以推廣至它的整個使用壽命。
“這兩種材料之間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致電池的性能超過了每種材料單獨(dú)存在時的性能，這種性能的提升是因為錫具有高的導(dǎo)電率和能量存儲容量，添加2%重量的錫就可以實現(xiàn)這一效果”，該研究負(fù)責(zé)人Mangolini說。
此外，錫可以與鋰形成合金，有可能取代石墨成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料。但是單純的金屬錫在電池循環(huán)過程中發(fā)生巨大的體積變化，容易導(dǎo)致電極材料的粉化。而碳材料具有較高的導(dǎo)電性，良好的機(jī)械性能和儲鋰性能。金屬錫與碳不會形成碳化物，碳材料的加入不僅可以提高復(fù)合物的均勻程度，也為設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的Sn-C復(fù)合物提供了可能。
基于此，有研究者為了充分發(fā)揮金屬錫和碳材料的優(yōu)勢，錫?碳（Sn-C）復(fù)合材料得到了廣泛研究。無定型碳、石墨（G）、石墨烯（GP）、碳納米管（CNT）、碳納米纖維（CNF）等碳材料可以作為惰性的導(dǎo)電基體與錫形成的二元復(fù)合物，錫與其它金屬（M）可以形成的碳基三元、多元復(fù)合物。通過總結(jié)近些年對錫碳復(fù)合物結(jié)構(gòu)與性能的研究，相信多元復(fù)合和多種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是提高錫?碳復(fù)合負(fù)極材料的關(guān)鍵。其中，以Sn-Co-C為基礎(chǔ)的多元復(fù)合負(fù)極材料最有可能走向市場應(yīng)用。
在固態(tài)電池領(lǐng)域，東京技術(shù)研究所的研發(fā)人員已經(jīng)設(shè)計了一種低成本、可推廣的方式來發(fā)展全固態(tài)的電池，這種全固態(tài)電池電解質(zhì)的一個重要元素組成就是錫。
在此之前的2011年，東京技術(shù)研究所的RyojiKanno和他的團(tuán)隊，與豐田汽車公司和日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)一起合作，在《NatureMaterials》出版了一篇具有里程碑意義的論文，介紹了結(jié)構(gòu)為Li10GeP2S12(LGPS)的一種固態(tài)電解質(zhì)。這種材料在開發(fā)全固態(tài)電池的競賽中是領(lǐng)跑者。而新研究在固態(tài)電解質(zhì)中用兩種更容易獲取的元素錫和硅來代替鍺。
固體電解質(zhì)的全固態(tài)系統(tǒng)是下一代電池的潛在候選，預(yù)計將提供高功率和高能量密度，也能保證可靠和安全性能?；诹蚧锏匿囯x子導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性能和合適的電化學(xué)窗口和機(jī)械性能；因此，它們被作為潛在的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行了深入研究。LGPS是硫化物晶體電解質(zhì)家族中的新成員，呈現(xiàn)了1.2×10^(-2)Scm^(-1)的離子導(dǎo)電性能，與有機(jī)流體電解質(zhì)相當(dāng)。使用LGPS電解質(zhì)的全固態(tài)電池展現(xiàn)了極好的充放電性能。但是，鍺是相對昂貴的金屬，這可能限制了LGPS材料的廣泛應(yīng)用。
通過最新研究中，研發(fā)者保持了LGPS的相同結(jié)構(gòu)，細(xì)微地調(diào)整了錫、硅和其他組成原子的比例和位置。新材料LSSPS(組成：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12(Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)在室溫下取得了1.1×10^(-2)Scm^(-1)的導(dǎo)電性能，幾乎達(dá)到了原始的LGPS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能。然而，需要進(jìn)一步的工作來優(yōu)化不同用途下的性能，新材料使不犧牲性能的低成本生產(chǎn)有了希望。
據(jù)悉，NEI公司正在進(jìn)行專利申請的一種固態(tài)電解質(zhì)材料鋰錫磷硫（Li10SnP2S12）。有分析認(rèn)為，隨著電動汽車的持續(xù)流行，對新型更佳性能的電池需求也會增長，這將促進(jìn)固態(tài)含錫電解質(zhì)電池的推廣應(yīng)用，最終也會帶動此領(lǐng)域錫消費(fèi)的需求。
