三氧化鎢如何應用於無鈷電池?

作為近期熱點話題之一,無鈷電池可以簡單地被認為是目前商業化三元鋰電池的升級版,因有較高的能量密度與較低的生產費用,而深受眾多電池製造商們的青睞。那麼,作為典型的過渡金屬N型半導體材料,三氧化鎢超細粉末(WO3)應如何應用於無鈷鋰電池中呢?

三氧化鎢超細粉末除了可以作為無鈷電池正極材料的改性劑之外,還能夠用來生產高性能的負極材料。在正極材料方面,三氧化鎢粉末的使用,不僅可以減少鈷金屬的使用量,還可以有效提高產品的比容量和熱穩定性;在負極材料方面,三氧化鎢粉末的使用,能明顯改善所生產的負極材料的倍率性能與儲鋰動力學性能。

三氧化鎢圖片

眾所周知,新能源汽車的最大成本在於動力電池。就目前市場占主導地位的三元鋰電池而言,其裏面所含的鈷是一種非常重要的稀有金屬,其分佈面積較小,產量較少,使得鈷價重心長期以來相對於其他稀有金屬來說都處於較高位置,這大大增加了動力電池的生產成本。

數據顯示,目前,電解鈷價格範圍在24.5-25.5萬元/噸之間,鈷粉價格範圍在26.3-26.9萬元/噸之間,硫酸鈷價格範圍在4.45-4.70萬元/噸之間,氯化鈷價格範圍在5.45-5.70萬元/噸之間,四氯化三鈷價格範圍在17.5-18萬元/噸之間,氯化鈷價格範圍在17.4-17.9萬元/噸之間,硫化鈷價格範圍在11.6-11.9萬元/噸之間。

在2019年新能源汽車補貼逐漸退坡以及2020年新冠病毒突襲的背景下,鈷的脫除和化學轉化已成為了眾多動力電池企業的共同選擇。2020年2月,特斯拉無鈷電池概念的提出,將除鈷推向了風口浪尖,各種無鈷方案逐漸在動力電池企業中出現。

無鈷電池圖片

三氧化鎢納米顆粒因有獨特的物理化學性能,而常被國內的研究者們用來取代鋰離子電池中的鈷元素。這主要是因為該鎢氧化物具有較大的比面積、較高的比重,以及良好的機械穩定性等特點,能明顯提高正極材料的比能量密度與熱穩定性。這也就意味著含有三氧化鎢的正極材料更不易與電解液發生熱化學反應,進而降低了電池內部分壓與溫度急劇驟升的可能性。

而為了進一步提高無鈷電池的容量與充放電倍率性能,有研究者表示也可以用三氧化鎢粉末來參與負極材料的製備。不過,在這裏要注意的是三氧化鎢最好與石墨烯(RGO)進行複合,這樣能明顯改善了複合材料的電化學儲鋰綜合性能。

由於三氧化鎢和石墨烯之間存在協同效應,所以WO3/RGO納米複合材料在0.1C倍率下的可逆比容量不僅遠遠優於WO3和RGO單體,而且大於兩種單體容量之和。

另外,WO3/RGO納米複合材料還具有穩定的迴圈性能和良好的倍率性能。在0.1C倍率下100次迴圈後其可逆比容量保持在635mA/g,容量保持率83.4%;在5C倍率下其可逆下其可逆容量仍能保持460mA/g,比市場化鋰電池所用石墨負極材料的理論比容量(372mA/g)高很多,這也就預示了所製備三氧化鎢/石墨烯複合材料在新一代鋰離子電池中的潛在應用。

接下來,無鈷電池的蓬勃發展,或有助於三氧化鎢的需求量進一步升高。

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