11月2日，由国家石墨烯创新中心、中国科学院宁波材料所和宁波富理电池材料科技有限公司经过多年联合技术攻关完成的石墨烯重大应用技术成果“高能量密度电池石墨烯复合纳米硅碳负极材料”在宁波举行的2024中国国际石墨烯创新大会上向全球首次发布。中国科学院宁波材料所研究员、国家石墨烯创新中心副主任周旭峰担任此项技术成果的发布人。
近年来，以新能源汽车和无人机为代表的交通和航空领域电动化进程持续加速，由此对于动力电池不断提出更高的性能要求。提高动力电池能量密度可有效延长电动汽车和无人机的续驶里程，因此高能量密度电池技术成为新能源汽车产业和低空经济的竞争热点。目前采用常规石墨负极材料的商用动力锂离子电池已逐渐逼近其理论能量密度极限，亟待更高容量的负极材料技术变革。硅基负极材料的理论比容量是石墨的10倍，被公认是下一代高能量密度电池的理想负极材料。然而硅基负极材料的问题同样十分突出，硅颗粒在充电时会发生高达300%的体积膨胀，由此在持续充放电循环中产生颗粒粉化、极片解体和脱落等一系列后果，导致电池性能快速衰退。如何解决硅负极的体积膨胀问题已成为行业共性技术挑战。
中国科学院宁波材料所研究团队自2010年开始硅基负极材料的应用基础研究，基于在石墨烯材料方面的技术优势，在国内最早提出利用石墨烯复合改性抑制硅材料体积膨胀，维持极片结构稳定，提高硅负极导电性，进而提升电池循环寿命的创新策略，经过对材料复合配方与结构设计的持续优化，及制备技术的多轮升级，进一步在国家石墨烯创新中心完成工程化技术开发与电池测评，并最终在宁波富理电池材料科技有限公司实施产业化。目前，已建成年产百吨级石墨烯复合纳米硅碳负极材料中试线。中试产品的克容量达到1900 mAh/g（是商用石墨负极材料的5倍以上），首次库伦效率达到92%，并且在充放电循环过程中的极片体积膨胀较商用硅基负极材料降低30%以上。将石墨烯复合纳米硅碳负极材料与高容量富锂锰基正极材料（由宁波富理电池材料科技有限公司开发）匹配，国家石墨烯创新中心和中国科学院宁波材料所联合研制出460Wh/kg的高能量密度锂离子电池，较当前商用动力锂电池提高了60%以上，展现出石墨烯复合纳米硅碳负极材料在高能量密度动力电池中的巨大应用前景。
该技术突破是石墨烯在新能源领域应用中的一个标志性成果，有望引发电池技术变革，进一步提升我国新能源汽车产业和低空经济的核心技术竞争力，并有望成为石墨烯走向大规模商业应用的生动案例。
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