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锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析

导读: 国内企业在硅碳负极产业化方面动作较慢。除贝特瑞的硅碳复合负极材料已有国外批量订单外,CATL、比亚迪、国轩高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企业硅碳负极的产业化应用都在推进中。

近日由国家工信部等三部委联合出台的《汽车产业中长期发展规划》中要求,到2020年动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上,力争实现350瓦时/公斤。此前出台的一系列相关政策,也将动力电池单体比能量达“300瓦时/公斤”设定为动力电池技术首先应该达成的一个“小目标”。

锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析

对于目前国内动力电池单体比能量普遍在220瓦时/公斤左右的现状,在未来不足4年的时间内,将单体比能量再提升近4成,无论对于研究机构还是产业界,都是一个不小的挑战。在正极材料方面,业界纷纷将目标放在了高镍材料上,而负极材料方面,业界普遍认为硅碳负极足以“担此大任”。

国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产。比如松下2013年量产的NCR18650C型号电池,即采用硅碳负极材料;日本GS汤浅推出的硅基负极材料锂电池,已应用于三菱汽车上;日立麦克赛尔将硅碳负极材料用于智能手机、可穿戴设备等小型锂离子电池上;特别是特斯拉将硅碳负极成功应用于即将量产的Model 3上,实现超300瓦时/公斤的比能量,更让业界看到了硅碳负极在提高动力电池比能量方面的希望。

然而,国内企业在硅碳负极产业化方面动作较慢。除贝特瑞的硅碳复合负极材料已有国外批量订单外,CATL、比亚迪、国轩高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企业硅碳负极的产业化应用都在推进中。

为何国外企业特别是日企在硅碳负极产业化方面,走的比国内企业要远得多?这还要从硅碳负极的特性说起。石墨的理论比容量是372mAh/g,而硅负极的理论比容量高达4200mAh/g。石墨作为成熟的负极材料,其能量密度已经基本被充分发挥,要想在能量密度上有所提升,与硅结合是一种较好的方式。但在真正的使用过程中,硅碳负极存在很多先天的“不足”。

主要是体积膨胀问题。在充放电过程中,硅的体积会膨胀100%-300%,不断的收缩膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化,严重影响电池寿命;其次,硅的不断膨胀,在电池内部产生很大的应力,这种应力对极片造成挤压,循环多次后可能出现极片断裂的情况;再次,也是由于电池内部应力的原因,很有可能造成电池内部孔隙率的降低,减少锂离子移动通道,造成锂金属的析出,影响电池安全性。此外,硅为半导体,导电性比石墨差很多,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大,从而降低其首次库伦效率。正因如此,硅碳负极在研发和应用方面的面临着较高的技术壁垒。

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