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还没布局硅碳负极 你拿什么抢占新能源发展先机?

导读: 今年3月1日,国家工信部等四部委联合公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,该文件对动力电池的未来发展方向做了规划,并对产品性能提出了具体要求。

还没布局硅碳负极 你拿什么抢占新能源发展先机?

今年3月1日,国家工信部等四部委联合公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,该文件对动力电池的未来发展方向做了规划,并对产品性能提出了具体要求——到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤,系统比能量力争达到260瓦时/公斤;到2025年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达500瓦时/公斤。

传统石墨负极很难达到这一目标,采用硅碳负极可能是动力电池的必然选择,它也将可能成为未来负极材料的应用主流。然而,硅碳负极的大规模产业化之路可能并不轻松,还有一系列问题需要解决。

硅是目前已知的比容量最高的锂离子负极材料,可达到4200mAh/g,是石墨的十倍左右, 而且在地壳元素中储量丰富(26.4%,第2位)。因此,硅被看作是当下最有潜力的负极材料。

硅做负极时,从工作原理看,充电时锂离子从正极材料脱出,嵌入硅晶体内部晶格间时,造成膨胀(可达300%),形成硅锂合金;而放电时锂离子从晶格间脱出,又形成大的间隙。如果单独使用硅作为负极材料,脱嵌过程中,由于硅晶体体积出现明显变化,易造成硅负极材料从集流体剥离下来,导致极片露箔并引起电化学腐蚀和短路等现象,影响电池的安全和使用寿命。

硅碳复合材料则可以弥补这一不足。碳负极材料循环稳定,导电性能优异,且锂离子对碳的层间距影响不大,可缓冲和适应硅的体积膨胀,因此,碳常被用来与硅进行复合。硅碳复合材料可分为硅碳传统复合材料和硅碳新型复合材料,其中传统复合材料是指硅与石墨、炭黑等复合,新型硅碳复合材料是指硅与碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料复合。业内人士对硅碳负极材料的前景颇为看好。

今年9月,工信部公布了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》,该目录中,有4项新材料涉足新能源领域,负极材料——硅碳负极赫然在列。关于硅碳负极,目录明确要求需满足: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)。

据电池中国网了解,目前,我国硅碳负极材料比容量在450mAh/g左右,离600mAh/g的指标还有一定的差距。理论上,硅碳负极应该是比较理想的动力电池负极材料,然而,至今硅碳负极仍未大规模推广。电池中国网认为,其产业化障碍主要在于:

1.膨胀问题。硅碳负极材料的循环性能和膨胀问题未彻底解决,硅材料较低的压实密度和嵌锂后体积的显著膨胀,正如业内专家所言,这个特点在一定程度上影响了电池结构的选择和设计。

2.首次充放电效率低。硅碳负极在首次充放电时会形成SEI膜,SEI在硅的体积变化影响下被反复破坏与重新形成,锂离子被大量消耗,从而造成电池容量下降。

3.材料加工成本高。电池负极材料在走向纳米化,不同的材料对物料的研磨工艺有不同的要求,硅碳负极对研磨机的性能是一个极大的挑战,其纳米化生产效率不高,复合过程复杂,导致成本比石墨高很多。

目前,硅碳负极材料在产品性能方面还需进一步提升,业内也在努力。比如,电池中国网曾讨论过硅碳负极的膨胀问题,我们可以多从力学的角度研究电池内部的应力问题,通过控制碳材料中硅的含量,将硅的体积减小到纳米级,或者通过改变石墨质地、形态等,实现碳和硅的最佳匹配;还可通过采用其他物质对硅材料进行包覆,促进膨胀后的复原,或采用更适宜的电极材料等一系列方法,来减少硅膨胀带来的诸多问题。此外,通过采用稳定的电解液,形成稳定的SEI膜,也可以减少电解液的消耗,提高循环效率。(《锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析》)

硅碳负极材料的产业化是一个大趋势。很多国际知名电池企业都制定了能量密度提升计划,比如,三星SDI计划于2023年达到350Wh/kg;比亚迪计划于2020年达到300Wh/kg;宁德时代计划于2020年达到350Wh/kg。为实现上述目标,各厂家都制定了具体的实现路径,都将硅碳负极作为电极材料。目前,不少企业已经在积极布局,有的企业甚至已经量产。

还没布局硅碳负极 你拿什么抢占新能源发展先机?

从上面的表格可见,已有部分电池产业链企业开始布局硅碳负极,但大多处于研发和参与示范项目的阶段,真正已经实现大规模量产的企业屈指可数。国外的松下电池应用硅碳负极材料稍早,但搭载此款电池的特斯拉汽车其安全隐患也是一个无法忽视的问题。

在国家政策的推动下,未来硅碳负极材料将迎来快速发展。据预测,2020年硅碳负极材料市场空间高达50亿元。如果电池产业链企业能够预见市场趋势,提前布局硅碳负极材料,做好技术储备,必能抢占新能源发展的先机。

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