出口管制風(fēng)險下的石墨替代技術(shù)新視野

中國實施戰(zhàn)略資源出口管制，旨在保護國家安全和利益。中國商務(wù)部、海關(guān)總署于2023年10月20日宣布，自2023年12月1日起將對特定石墨物項實施出口管制，沖擊諸多產(chǎn)業(yè)原物料市場，電動車、電池產(chǎn)業(yè)遭嚴峻波及。電動車主要動力來源是電池，而石墨（Graphite）是電動車動力來源電池的關(guān)鍵原材料，自20世紀(jì)80年代成功開發(fā)后，石墨一直是鋰離子電池（簡稱鋰電池）的負極材料的主流。

石墨用于鋰電池負極產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
一、石墨的生產(chǎn)流程
石墨負極的生產(chǎn)流程長，制作過程有多道程序，且不同企業(yè)的生產(chǎn)流程存在一定差異。石墨分為天然石墨（Natural Graphite；NG）與人造石墨（Artificial graphite；AG）兩大類，天然石墨是開采后提純，人造石墨是對原油精煉的副產(chǎn)品再進行加工而來，其生產(chǎn)流程有明顯差異（圖一）。


 
圖一 : 人造石墨與天然石墨的生產(chǎn)流程（source：作者自行繪制）
人造石墨生產(chǎn)流程主要分為破碎、造粒、石墨化和篩分四大環(huán)節(jié)，造粒和石墨化是電動車電池人造石墨負極材料的兩大技術(shù)關(guān)鍵，其中石墨化是利用熱活化（使用高溫?zé)崽幚恚崃W(xué)不穩(wěn)定的六角碳原子由無序二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有石墨晶體有序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化過程，即使用高溫?zé)崽幚韺υ又嘏偶敖Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量。天然石墨生產(chǎn)流程主要分為提純、改性、混合、碳化等四道制作工序，由于不涉及石墨化，因此生產(chǎn)成本較人造石墨具有優(yōu)勢，但這種成本優(yōu)勢無法彌補最終產(chǎn)品性能不足的問題。

二、搞懂鋰電池充放電
電極是電池負責(zé)傳導(dǎo)電子的零件。化學(xué)定義陽極（Anode）是發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，故又稱為氧化極，即失去電子的電極；陰極（Cathode）則是發(fā)生還原反應(yīng)的電極，故又稱為還原極，也就是得到電子的電極。但陽極不一定就是正極，陰極也不一定是負極，也就是陽極、陰極與電極正或負沒有必然的關(guān)系[1]，常讓人混淆不清。關(guān)鍵在于電池充放電時，電子流動方向剛好相反，氧化還原反應(yīng)會逆轉(zhuǎn)，從而電池陰陽極因此會變來變?nèi)?，交換扮演陽極或陰極。通常建議固定正負極的說法即可。
就電學(xué)上所定義的正負極，正極（positive electrode）是電位較高電極，負極（negative electrode）電位較低，電子會從電位高電極移動到電位較低的電極。鋰離子電池顧名思義是藉由鋰離子（Li+）的傳遞來儲存或釋放電荷的電池，其充放電運作原理，主要是藉由鋰離子在正負極材料間的遷入與遷出來完成[2]。充電時，鋰離子（Li+）從正極材料端遷出，經(jīng)由電解液傳輸并穿過隔離膜抵達負極后，嵌入負極材料內(nèi)部儲存，每當(dāng)一個鋰離子（Li+）遷出時會伴隨著一個電子（e-）的釋放，電子（e-）則經(jīng)由外電路從正極移到負極與鋰離子（Li+）結(jié)合，此時正極因釋放出電子發(fā)生氧化作用而為氧化極（陽極），另一端負極因接收電子發(fā)生還原反應(yīng)而為還原極（陰極）。放電時則是相反的過程，鋰離子（Li+）由負極材料內(nèi)部遷出，并透過電解液的傳輸，通過隔離膜后回到正極材料，每當(dāng)一個鋰離子（Li+）遷出時會伴隨著一個電子（e-）的釋放，電子（e-)則流經(jīng)外部回路驅(qū)動電子產(chǎn)品后，回到正極處與回來的鋰離子（Li+）結(jié)合，此時負極因釋放出電子發(fā)生氧化作用而為氧化極（陽極），另一端正極因接收電子發(fā)生還原反應(yīng)而為還原極（陰極）。而可回到正極的鋰離子（Li+）比率越高則代表電池的穩(wěn)定性及壽命較高。
由于電池充放電時，正負兩個電極的氧化還原反應(yīng)剛好是反過來的。簡單的整理：鋰電池充電時，正極是陽極（氧化極），負極是陰極（還原極）。鋰電池放電時，負極是陽極（氧化極），正極是陰極（還原極）。


 
圖二 : 鋰電池充放電工作原理（source：科學(xué)發(fā)展(2019)）

三、鋰電池正負極材料組成
鋰離子電池材料主要的組成包括正極材料、負極材料、隔離膜與電解液等四大材料。隔離膜的組成多是高分子材料，其必須是電子的絕緣體以及離子的導(dǎo)體，以避免正負極材料間互相接觸造成短路。電解液則為液態(tài)鋰鹽有機溶劑。一般而言，鋰離子電池正極材料是使用鋰離子金屬氧化物，包括層狀鈷酸鋰（LiCoO2，簡稱LCO）、尖晶石型錳酸鋰（LiMn2O4，簡稱LMO）、層狀三元材料鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）、橄欖石型磷酸鋰鐵（LiFePO4，簡稱LFP）等材料。

 
圖三 : 鋰電池正極材料對照表

鋰電池負極材料可分為碳系與非碳系兩大類，碳系材料包括石墨類、石墨烯、無序碳三大類；非碳系材料包括硅基材料、鈦酸鋰（LTO）以及其他非碳負極材料（諸如錫基材料、鈦基材料、氮化物等材料往往某些指標(biāo)突出，但同時也存在關(guān)鍵缺陷，達不到產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)而無法廣泛應(yīng)用）。
鋰電池負極材料之選用主要考慮其所具電容量，通常采用碳系材料，目前最主流的負極材料為石墨類負極材料；石墨之理論電容量為372mAh/g，具有容量高、成本低、循環(huán)壽命長和安全無毒等優(yōu)點，且因其具有有序?qū)訝睿∣rder layer）結(jié)構(gòu)，使得鋰離子在嵌入負極材料中有很好的儲存空間，是目前使用最廣泛的負極材料，又可進一步分為天然石墨與人造石墨兩大類。
過去發(fā)展以具成本優(yōu)勢的天然石墨為主，但天然石墨表面具有復(fù)雜的表面官能基團，導(dǎo)致副反應(yīng)及不純物等問題影響電池性能表現(xiàn)，相較之下人造石墨的制造則可利用雜質(zhì)較少的碳材，且在石墨化過程中可加入所需之官能基團而較得以掌控所發(fā)生的反應(yīng)，成為鋰電池負極主要應(yīng)用的材料，但其電容量表現(xiàn)現(xiàn)階段已發(fā)展到瓶頸。


 
圖四 : 鋰電池負極材料分類（source：作者自行繪制）

由于硅之理論電容量為4200mAh/g（大約是石墨的10倍），使得它成為提高電池能量密度的理想選擇。在制造負極材料時通常會在石墨類負極材料中加入2~15%之硅，使此混合材料電容量可以提升為400~600mAh/g，以加強鋰離子電池充放電之功效。
然而，石墨與硅混合負極材料在充電放電過程中因硅材料容易膨脹，硅膨脹、剝離、脫落，導(dǎo)致充電放電效率退化。為了抑制硅粒子之膨脹、剝離、脫落以提升鋰離子電池之充電放電效率，榮炭科技發(fā)明一種鋰離子電池負極材料制造方法[3]，先藉由硅、石墨、瀝青粉末混合攪拌造粒制成核球體中，再以石墨細粉瀝青形成一彈性之石墨層外層（Shell）將硅、石墨粒子之原核球體（Core）包圍于其內(nèi)，以加強其包覆、保護并可抑制硅粒子之膨脹、剝離、脫落，以提升鋰離子電池之充放電效率。
為了克服硅膨脹問題，雖有使用具有相對低體積膨脹的金屬氧化物（例如使用基于Sn的氧化物）作為負極活性材料的技術(shù)，但基于Sn的氧化物容易引起鋰和氧原子之間的反應(yīng)。為了解決這些問題，研究者們嘗試使用非碳系之硅基材料，來增強其穩(wěn)定性和延長電池壽命。

新研究新視野：石墨負極材料的替代
負極材料中，非碳系之硅基材料最受關(guān)注，產(chǎn)業(yè)化潛力最大，最有希望成為下一代主力負極材料。日本專利特開2004-71542號公報揭示了一種包含硅與氧且氧相對于硅的原子比為0＜x＜2之硅氧化物作為鋰離子電池的負極活性物質(zhì)，可獲得良好的充放電循環(huán)性能。另外，于日本專利特開2008-171813號公報中提出了一種包含具有奈米氣孔結(jié)構(gòu)之非晶質(zhì)硅氧化物系負極活性物質(zhì)進而制備氫聚倍半硅氧烷燒結(jié)體的方法，改善充電和放電效率以及充電和放電容量。進而，于日本專利特表2016-514898號公報中提出了一種非碳系之鋰電池用負極活性材料，其包含含硅（Si）之核心以及在該核心表面上所形成之硅奈米粒子的結(jié)構(gòu)體，于充放電時彌補體積膨脹率的弱點，可容易地調(diào)節(jié)硅與氧的比率。

觀點：別國要擺脫卡脖子困境 開發(fā)替代材料為上策
全球石墨供應(yīng)風(fēng)險意識提高，因為中國在石墨負極供應(yīng)鏈中的市場占有率尤有舉足輕重的地位，相較于世界其他地區(qū)，在中國開采的市場占有率就超過70%，且全世界幾乎都送至中國進行冶煉加工（即使天然石墨不是在中國開采的也會進口到中國進行精煉加工），每一塊石墨在其生產(chǎn)加工流程中幾乎都會經(jīng)過中國。
就技術(shù)開發(fā)角度，為兼顧使用壽命和電池容量，提供鋰離子電池更高的性能，需要新一代的電池材料才能超越傳統(tǒng)電池的能量密度和充電時間限制。就地緣政治風(fēng)險而言，中國在電池市場上占有主導(dǎo)權(quán)，對其他國家來說積極開發(fā)石墨負極替代材料是國際間擺脫卡脖子困境的上策之一。

[作者簡介]芮嘉瑋博士現(xiàn)任職財團法人中技社科技暨工程研究中心副主任，專注于科技、能源、產(chǎn)業(yè)、環(huán)境、經(jīng)濟等議題。