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出口管制風險下的石墨替代技術新視野

圖一:人造石墨與天然石墨的生產流程(source:作者自行繪製)
圖一:人造石墨與天然石墨的生產流程(source:作者自行繪製)

【作者: 芮嘉瑋博士】

中國實施戰略資源出口管制,旨在保護國家安全和利益。中國商務部、海關總署於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,衝擊諸多產業原物料市場,電動車、電池產業遭嚴峻波及。

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鍵原材料,自20世紀80年代成功開發後,石墨一直是鋰離子電池(簡稱鋰電池)的負極材料的主流。

石墨用於鋰電池負極產業現狀

一、石墨的生產流程

石墨負極的生產流程長,製作過程有多道程序,且不同企業的生產流程存在一定差異。石墨分為天然石墨(Natural Graphite;NG)與人造石墨(Artificial graphite;AG)兩大類,天然石墨是開採後提純,人造石墨是對原油精煉的副產品再進行加工而來,其生產流程有明顯差異(圖一)。

人造石墨生產流程主要分為破碎、造粒、石墨化和篩分四大環節,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關鍵,其中石墨化是利用熱活化(使用高溫熱處理)將熱力學不穩定的六角碳原子由無序二維結構轉化為具有石墨晶體有序結構的轉化過程,即使用高溫熱處理對原子重排及結構轉變提供能量。天然石墨生產流程主要分為提純、改性、混合、碳化等四道製作工序,由於不涉及石墨化,因此生產成本較人造石墨具有優勢,但這種成本優勢無法彌補最終產品性能不足的問題。

二、搞懂鋰電池充放電

電極是電池負責傳導電子的零件。化學定義陽極(Anode)是發生氧化反應的電極,故又稱為氧化極,即失去電子的電極;陰極(Cathode)則是發生還原反應的電極,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係[1],常讓人混淆不清。關鍵在於電池充放電時,電子流動方向剛好相反,氧化還原反應會逆轉,從而電池陰陽極因此會變來變去,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,經由電解液傳輸並穿過隔離膜抵達負極後,嵌入負極材料內部儲存,每當一個鋰離子(Li+)遷出時會伴隨著一個電子(e-)的釋放,電子(e-)則經由外電路從正極移到負極與鋰離子(Li+)結合,此時正極因釋放出電子發生氧化作用而為氧化極(陽極),另一端負極因接收電子發生還原反應而為還原極(陰極)。放電時則是相反的過程,鋰離子(Li+)由負極材料內部遷出,並透過電解液的傳輸,通過隔離膜後回到正極材料,每當一個鋰離子(Li+)遷出時會伴隨著一個電子(e-)的釋放,電子(e-)則流經外部迴路驅動電子產品後,回到正極處與回來的鋰離子(Li+)結合,此時負極因釋放出電子發生氧化作用而為氧化極(陽極),另一端正極因接收電子發生還原反應而為還原極(陰極)。而可回到正極的鋰離子(Li+)比率越高則代表電池的穩定性及壽命較高。

由於電池充放電時,正負兩個電極的氧化還原反應剛好是反過來的。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)。

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