電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是綠色環(huán)保的，但前提是材料價(jià)值鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都注重綠色生產(chǎn)。
聽到“瀝青"這個(gè)詞時(shí)，你可能首先會(huì)想到柏油馬路。而在電池生產(chǎn)工藝中，碳瀝青被用于石墨負(fù)極的表面包覆，進(jìn)而提升成品電池的使用性能。
1. “碳上加碳"是為何？
在石墨上再包覆一層碳，就如同把巧克力丟入巧克力蘸醬里一樣，聽起來(lái)很多余，但卻是負(fù)極加工必要的工序。
碳負(fù)極材料石墨的結(jié)構(gòu)，其石墨層間距小于層狀含鋰化合物的晶面層間距，在充放電過(guò)程中，石墨層由于鋰離子的嵌入和脫嵌，層間距改變，易造成石墨層剝落、粉化，還會(huì)發(fā)生有機(jī)溶劑共嵌入石墨層或有機(jī)溶劑分解，影響電池循環(huán)性能。
瀝青是一種通過(guò)加工煤或石油得來(lái)的的堅(jiān)硬而有光澤的棕色/黑色碳材料。通過(guò)在石墨表面包覆高軟化點(diǎn)的瀝青，能夠提高負(fù)極材料與電解液的相容性，防止有機(jī)溶劑共嵌入、分解，避免石墨結(jié)構(gòu)剝離。負(fù)極包覆的主流技術(shù)路線包括煤基可紡瀝青和石油基可紡瀝青兩種技術(shù)路線。
在加工過(guò)程中，瀝青與石墨粉經(jīng)過(guò)混合，加熱、冷卻、粉碎、篩分、包裝等多道工序后，運(yùn)往下游電池制造商（如松下，LG，CATL）用于電芯的生產(chǎn)。
一種用于瀝青包覆石墨的示例方法
瀝青包覆是為石墨負(fù)極開發(fā)的第一個(gè)具有成本效益的涂層技術(shù)，因此它仍然是當(dāng)今大多數(shù)石墨生產(chǎn)商使用的技術(shù)。但考慮到下一代電池的開發(fā)，瀝青包覆越來(lái)越無(wú)法滿足負(fù)極材料的發(fā)展需求。
污染、昂貴、低效、耗能且繁瑣的瀝青包覆：
· 危害健康：瀝青涂層在制造過(guò)程中可能會(huì)釋放出對(duì)人體健康極為不利的有毒和致癌化合物。在碳瀝青中發(fā)現(xiàn)了 200 種不同的化學(xué)物質(zhì)，包括砷、鉛、鉻、硒和苯并芘，其中苯并芘是一種已知的致癌物質(zhì)，對(duì)神經(jīng)、免疫和生殖系統(tǒng)會(huì)造成損害。
· 成本較高：在北美市場(chǎng)，瀝青涂層是制造石墨負(fù)極粉末最昂貴的步驟，每公斤的加工成本可能高于 1.5 美金。
· 效率低下：瀝青包覆是一個(gè)多步驟的工藝，由于包覆主要通過(guò)混合完成，因此瀝青與石墨間的結(jié)合存在不充分的弊端，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)粉料團(tuán)聚的問(wèn)題。
· 高耗能：制造瀝青需要超過(guò) 1000°C 的高溫，這會(huì)消耗大量能源并產(chǎn)生大量二氧化碳。而在瀝青與石墨的混合工藝中，又需要加熱到 1000°C 左右。
· 步驟繁瑣：由于可控性不高，瀝青包覆需要大量的實(shí)驗(yàn)、不斷的調(diào)整工藝才能獲得良好的涂層，且穩(wěn)定性與工藝關(guān)聯(lián)較大。
· 難回收：瀝青包覆的石墨很難回收，因?yàn)闉r青是一種軟涂層，當(dāng)你試圖從廢舊電池中提純石墨時(shí)，瀝青的粘性會(huì)導(dǎo)致顆粒的粘接，很難分離。
2. PALD 包覆技術(shù)
因?yàn)椴诲e(cuò)的性能，以及缺少替代技術(shù)，大多數(shù)石墨生產(chǎn)商（其中約 80% 位于中國(guó)）都使用瀝青進(jìn)行石墨包覆。但是，隨著非中國(guó)的石墨企業(yè)出現(xiàn)，其環(huán)境、社會(huì)和公司治理 (ESG) 目標(biāo)更加嚴(yán)格，同時(shí)與中國(guó)相比，土地、勞動(dòng)力和設(shè)備成本更高，生產(chǎn)商只能尋求替代技術(shù)以獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
Forge Nano 的連續(xù)石墨涂層工藝
包括大眾、LG Chem、Sumitomo、Mitsui、Nouveau Monde Graphite、Gratomic 和Mineral Resource Commodities 在內(nèi)的眾多企業(yè)都不想使用瀝青涂層，也沒有時(shí)間對(duì)替代涂層技術(shù)進(jìn)行研究。他們需要在效果與成本上都比瀝青有優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)有可行技術(shù)。Forge Nano 以其專有的原子層沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目的。原子層沉積技術(shù)可通過(guò)交替式的通入氣相前驅(qū)體，從而實(shí)現(xiàn)基底表面可控的涂層材料原位生長(zhǎng)。而如何對(duì)大規(guī)模的粉末材料進(jìn)行 ALD 包覆，則是行業(yè)內(nèi)的難題。Forge Nano 通過(guò)多年的技術(shù)積累，是目前掌握該解決方案的企業(yè)。
利用空間式連續(xù)式振動(dòng)床實(shí)現(xiàn)石墨包覆
使用原子層沉積技術(shù)氣相工藝（金屬氧化物）代替碳瀝青，達(dá)到 可重復(fù)性的同時(shí)降低 50%-70% 的加工成本。這一工藝規(guī)模可擴(kuò)大至單系統(tǒng) 4,000 噸/年的石墨加工量。該方案通過(guò) Forge Nano 與眾多鋰電企業(yè)的實(shí)驗(yàn)級(jí)、中試和生產(chǎn)系統(tǒng)的驗(yàn)證，并在容量超過(guò) 40Ah 的商業(yè)電池中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，均取得了優(yōu)于瀝青包覆的測(cè)試結(jié)果。
ALD 包覆對(duì)初始容量的提升優(yōu)于瀝青包覆
ALD 包覆提升循環(huán)使用壽命效果優(yōu)于瀝青包覆
3. 關(guān)于成本與收益
ALD 包覆涂層的優(yōu)勢(shì)很多，首先是工藝的可控性。由于 ALD 包覆涂層原位的生長(zhǎng)模式，同時(shí)不需要后續(xù)的熱處理等工藝，因此可控性強(qiáng)。化學(xué)原料在加工時(shí)通入系統(tǒng)反應(yīng)生成目標(biāo)涂層。與瀝青涂層相比，ALD 包覆涂層很薄，但致密性高，且厚度可控。雖然 ALD 系統(tǒng)的前期固定投入較高，但所需化學(xué)試劑較少，在規(guī)模化生產(chǎn)中具備成本優(yōu)勢(shì)。根據(jù)計(jì)算，瀝青包覆一般負(fù)載量在 2wt% 以上，國(guó)內(nèi)甚至高達(dá) 5-15wt%，同時(shí)由于液相或固相包覆中不可避免的損失，其化學(xué)品消耗量是 ALD 的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，此外瀝青包覆同樣需要消耗大量的添加劑等化學(xué)原料，進(jìn)一步增加了成本。ALD 連續(xù)化的單流程作業(yè)模式也能更好的節(jié)約人力，場(chǎng)地以及能耗成本。
Forge Nano 的系統(tǒng)創(chuàng)造了具有成本效益的涂層方案，并且可為擁有 IP 許可的聯(lián)合開發(fā)客戶和供應(yīng)鏈合作伙伴提供 ALD 包覆服務(wù)。目前，包括，Gratomic，Mineral Resource Commodities, Nouvau Mondey 已經(jīng)與 Forge Nano 展開石墨包覆的驗(yàn)證，其中 Gratomic 已經(jīng)于 2021 年購(gòu)買 Forge Nano 的一條 1000 噸/年的示范線，并計(jì)劃于今年第二季度正式投產(chǎn)。Forge Nano 的合作伙伴 Mineral Resource Commodities, Ltd. 評(píng)論說(shuō)：“借助 Forge Nano 的 ALD 涂層技術(shù)，我們可以生產(chǎn)用于鋰離子電池的高性能、具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的石墨負(fù)極粉末。" Forge Nano 的客戶受益于交鑰匙解決方案以及對(duì)該設(shè)備在其商業(yè)生產(chǎn)設(shè)施中集成和運(yùn)行的持續(xù)支持，使他們能夠滿足電池石墨材料需求的快速增長(zhǎng)。
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