硅基材料大规模商业化应用的关键

摘要

通过材料改性及电池体系优化，提升循环寿命及首次效率是硅基材料大规模商业化应用的关键。

头部企业的技术破壁有望推动硅基负极在锂电池领域的产业化应用。

目前，锂电池负极商业化以人造/天然石墨为主，但已接近其理论比容量极限（372mAh/g）。

硅理论比容量高达4200mAh/g，是石墨类负极材料的10倍以上，也因此最行业认为是替代石墨的下一代锂电池负极材料。

然而，由于硅材料在充放电过程中与锂合金化反应，存在严重的体积效应（膨胀率可达300%），导致循环性能及库伦效率恶化，需改性方能应用。

通过材料改性及电池体系优化，提升循环寿命及首次效率是硅基材料大规模商业化应用的关键。

围绕于此，包括松下、日立Maxell、宁德时代、力神、国轩等一大批国内电池企业都在加大在该领域的研发和产业化投入。同时，特斯拉的进入也正在引发行业的“鲶鱼效应”。

在国外，2017年，松下将硅基负极应用于特斯拉的Model3电池中，在传统石墨负极材料中加入10%的硅，电池容量增加到550mAh/g以上，单体能量密度达300wh/kg以上。

在国内，承接国家科技部300wh/kg高能量密度重大科技专项的宁德时代、力神、国轩高科均已通过项目中期验收。从宁德时代、力神、比克等厂商规划来看，已经从2019年开始逐步实现小规模量产。

高工锂电获悉，硅基负极改性主要包括纳米化、氧化亚硅及碳包覆等三种手段形成硅碳复合材料，以此减小体积效应对硅颗粒及SEI膜破坏。

从商业化的路径来看，主要以掺混石墨类负极方式应用，主要产品包括硅碳（Si/C）负极材料及硅氧（SiO/C）负极材料两种。

硅碳负极材料是将纳米硅与基体材料通过造粒工艺形成前驱体，然后经表面处理、烧结、粉碎、筛分、除磁等工序制备而成。

目前商业化应用容量在450mAh/g以下，成本较低，虽然首效相对较高，但循环寿命较差，主要用于3C数码领域。

硅氧负极材料是将纯硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧负极材料前驱体，然后经粉碎、分级、表面处理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成。

目前商业化应用容量主要在450-500mAh/g，成本较高，虽然首效相对较低，但循环性能相对较好，主要用于动力电池领域，特斯拉即使用硅氧负极掺混人造石墨方式应用。

在硅基负极的产业化上，宁德时代获得了行业性的突破，其摒弃了传统碳包覆技术，转向研究人造电解质界面膜包覆技术。

宁德时代首席科学家吴凯此前介绍，其历时2年多，将这一技术应用到硅材料制备，开发出具有自主知识产权的新型人造电解质界面膜包覆的硅碳复合负极材料，其循环性能表现显著优于国外产品。

与碳材料相比，人造电解质界面膜与硅材料的结合作用力更强、弹性更好、不易破碎或粉化，对硅材料起到很好的保护作用，因此能够在循环中大幅提高硅材料的界面稳定性，从而提升电池的循环寿命。

此外，在国内，包括璞泰来、星城石墨、斯诺、杉杉、正拓等也都在积极推进硅碳负极的产业化。

而在电池体系设计上，行业主要通过粘结剂、电解液、预补锂等技术开发加强电极体系设计，从而加快其在市场中的应用。

在该领域，最被业内关注的则是特斯拉。

通过合作（与JeffDahn团队）和并购（收购maxwell），特斯拉完成了从前沿基础研究到大规模量产所需的工艺和设备的全面布局。新型电池技术预计除了正极、电解液方面的性能优化以外，业内一致认为，其采用干电极+预补锂技术有望加速硅碳负极的商业化应用。

硅基负极的商业化应用主要问题在于：一是循环寿命短：主要因体积效应造成的硅基负极颗粒破碎、与极片脱离；二是首次库伦效率低：主要因首次反应导致的锂离子永久性损失。

对此，干电极技术采用的固体粘接剂PTFE，具备弹性，可有效解决硅基负极膨胀导致与极片脱离的问题，循环寿命将数倍提升。

同时，在湿电极技术下，由于NMP为极性溶剂，与金属锂会反应，预补锂无法实现。

而采用干电极技术无需添加溶剂，预补锂技术可以顺利实施。添加的锂可以弥补在初始充电时形成 SEI 膜所消耗的锂，从而提升首次库伦效率，可提升电池能量密度。

此外，由于在电池充放电过程中，SEI 膜会以微小的速度继续增长，消耗锂离子，因此负极补锂亦可提升电池循环寿命。

根据特斯拉收购的Maxwell干电极技术方案，采用干电极技术电池能量密度有望提升到500Wh/kg，循环寿命将延长1倍，生产效率提升16倍，相比最先进的湿电极技术成本可下降10-20%。Maxwell干电极电池原计划2022年量产，在被特斯拉收购后，这一时间点有望提前。

高工锂电认为，国内外电池厂商硅基负极电池产业化稳步推进，叠加特斯拉电池新技术，硅基负极规模化应用有望加速，预计2022年硅基负极市场需求将超3万吨，市场规模预计超35亿。

2020先进电池材料集群产业发展论坛将于8月26-27日在深圳机场凯悦酒店举行，此次会议由深圳先进电池材料产业集群主办，深圳市清新电源研究院、高工锂电、高工氢电联合承办。

硅基负极的产业化是此次论坛的核心议题，届时，将邀请包括国内外主流动力电池企业及头部负极材料企业技术负责人，共同探讨硅基负极材料的产业化和配套电池的实际应用，敬请期待。