2017年重点新材料之关键战略材料——新型能源材料

为贯彻落实《新材料产业发展指南》，工业和信息化部、财政部和保监会拟建立重点新材料首批次应用保险补偿机制并开展试点工作。为此，原材料工业司组织编制了《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017年版）》（下文简称“目录”），并于2017年6月16日公示。

本次公布的目录主要涉及先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料等三大类。其中，先进基础材料包括先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进化工材料、先进无机非金属材料及其他材料；关键战略材料包括高性能纤维及复合材料、稀土功能材料、先进半导体材料和新型显示材料。

（1）镍钴锰酸锂三元材料

性能要求：比容量＞20170mAh/g（0.5C）；循环寿命＞1000圈（80%）。

应用领域：新能源

材料简介：常规的电池正极材料是钴酸锂LiCoO2，三元材料则是镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2，三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整磷酸铁锂容量发挥偏低，不适合追求高容量手机电池的要求，镍钴锰三元电池材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，但是平台太低。该材料特点为成本低廉，高克容量（>150mAh/g)，工作电压与现有电解液匹配(4.1V)，安全性好。

原理与潜力分析：常见的镍钴锰比例为 424、333、523、701、515 ；1C克容量以河南思维提供的样品测试分别为145、147、155、165；车间使用压实为3.4 、3.5、 3.3、 3.2。三元在国内使用在手机电上最大的障碍是所谓的放电平台，老观点认为4.2V放到3.6V的时间就是手机工作的时间，事实上很多手机都是3.3V甚至3.0V才关机，与钴酸锂相比，三元的能量密度有待提高，现日本三元的压实接近钴酸锂，国内的还有所差距，如果压实提上来的话，凭成本优势与安全性，三元会取代钴酸锂。

（2）负极材料（硅碳负极材料）

性能要求：低比容量（＜600mAh/g）：压实密度＞1.5，循环寿命＞300圈（80%，1C）；高比容量（＞600mAh/g）：压实密度＞1.3，循环寿命＞100圈（80%，0.5C）。

应用领域：新能源

特点分析：硅碳作为锂离子电池负极材料，具有高储锂容量（其室温理论容量高达3580m?Ah/g，远超石墨（372 m?Ah/g））、良好电子通道、较小应变及促使SEI膜稳定生长的环境，基于上述优点，该材料有望取代石墨成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但它身上也存在着诸多问题：硅颗粒在脱嵌理时伴随着的体积膨胀和收缩而导致的颗粒粉化、脱落以及电化学性能失效；硅颗粒表面固体电解质层(SEI)的持续生长对电解液以及来自正极的理源的不可逆消耗等。

硅碳负极材料的制备方法：

（3） 燃料电池膜电极

性能要求：膜电极铂用量≤0.125g/kW；功率密度≥1.4W/cm^2；耐久性≥10000 h。

应用领域：汽车、潜艇

结构分析：膜电极（MEA）的结构主要由五部分构成：阴／阳极气体扩散层（Gas，GDL）、阴／阳极催化层（CL）、质子交换膜。目前质子交换膜燃料电池的膜电极结构依据催化层的担载方式可以分为两种，一种是催化剂直接担载在气体扩散层（GDL）上形成气体扩散电极（GDE）然后与质子交换膜热压形成膜电极（MEA），此结构可以称之为GDE-membrane结构；另一种是催化剂直接担载在质子交换膜上形成催化剂涂层膜（CCM）然后与气体扩散层（孤U热压形成膜电极（MEA，此结构可以称之为CCM-GDL结构。两种结构因为材料的物化性质不同而存在诸多差异，下面给出了两种结构的示意图：

特点分析：高性能的膜电极应具有下列特性：

1）形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。

2）形成良好的电子通道，即催化层内添加的导质子介质Nafion不应过多。

3）质子交换膜应该具有高的质子传导性，能够很好地隔绝氨气、氧气防止互窜，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。

4）气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性导电子能力，能够最大限度减小气体的传输阻力。

5）电极内部需要具有良好的排水能力，及时的将产生的产物水排出，防止发生电极水淹。

从上述分析可以看出，制备高性能的膜电极，综合考虑选择制备MEA的材料是关键，这样材料本身的性能与制备膜电极的工艺条件相结合才能满足膜电极最终性能的要求。

制备技术：

膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池的核必部件，是燃料电池电化学反应的主要场所，直接影响燃料电池的输出性能和使用寿命。因此，它的设计与制备不仅要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，还要与燃料电池最终的使用条件、经济效益及制备方法等结合来进行综合考虑。

目前质子交换膜燃料电池膜电极制备技术多种多样，结合膜电极所用材料的物化属性以及制备技术的特点，依据膜电极制备时催化剂混合物是否与基底接触，可Ｗ将膜电极制备技术大致可以归为三大类：接触式膜电极制备技术、非接触式膜电极制备技术和间接式膜电极制备技术，如下表所示：

（4）燃料电池用金属双极板

性能要求：接触电阻（@1.5MPa）＜3mΩ?cm^2 ；电导率＞100s/cm；腐蚀电流＜0.3μA/cm^2 ；厚度公差±15μm。

应用领域：汽车

特点分析：双极板为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件，在燃料电池中主要起分隔氧化剂与还原剂、收集电流、传导反应热量的作用。双极板占了整个燃料电池堆总质量的60%～80%和电堆成本的30%～45%，成为了制约燃料电池市场化的瓶颈。因为金属材料自身具有许多优点,比如机械加工性能优良、导电和导热性好、致密性好等，因此金属双极板得到重视并逐渐成为了燃料电池应用的主导材料，其应具有以下特点：

1）抗腐蚀性要强(<1μA/cm^2)，以保证电池组的寿命(一般为几千至几万小时)；

2）最好选用适于批量生产的加工工艺以降低电池组成本(6美元/kW)；

3）厚度要薄(t≤0.2mm)，质量要轻(m≤1kg/kW)；

4）尺寸精度要高。

金属双极板的选材：较早使用的金属双极板是镀金的钛板和铌板，随着技术的进步和低成本的要求，薄层金属板的研究趋于多样化，金属双极板的选材不仅要考虑到极板的耐腐蚀性，同时还要考虑到极板材料的成形性能以及成本，当前制备金属双极板的材料主要有铁基合金、轻金属和表面涂层改性材料3类。

成形工艺：工艺主要可以分为以下几个方面：

1）塑性成形技术：辊压成形、液压胀形与压力焊成形、软模冲压成形、Cell Impact冲压成形

2）液态成形技术

3）化学刻蚀成形技术

典型工艺：从金属板工艺的角度进行分类，当前金属双级板制备工艺分为增材制备、减材制备和等材制备3大类，而等材制备又可分为冲压制备工艺、压印制备工艺、电磁制备工艺。

（5）高纯晶体六氟磷酸锂材料

性能要求：纯度≥99.9%，酸含量≤20ppm，水份≤10ppm，DMC 不溶物≤200ppm，硫酸盐（以SO4计）≤5ppm，氯化物（以Cl计）≤2ppm，Fe、K、Na、Ca、Mg、Ni、Pb、Cr、Cu 离子≤1ppm。

应用领域：新能源

特点分析：六氟磷酸锂（LiPF6）是一种白色粉末状固体，易溶于乙睛、碳酸丙烯酷伊、碳酸乙烯酷、碳酸二甲醋、四氢吠喃、乙二醇二甲醚等，它目前应用范围最广的锂盐。氟原子半径小电负性小，PF6离子半径适当，具有良好的离子电导率和电化学稳定性，而且废弃电池处理简单，对生态环境影响小，其缺点是不仅易吸潮发生潮解，而且抗热性和抗水解性较差，固体LiPF6在大约30℃分解，溶液中大约130℃分解，但通过提纯，溶于有机溶剂中后，分解温度可提高到30-180℃的范围内，常温下能够避其分解引起的电解液聚合，所以目前LiPF6被公认为是锂离子电池的最佳电解质。

制备方法：

（矿冶园：kuangyeyuan）