鉅大LARGE | 點擊量：590次 | 2022年07月08日
硅負極商業(yè)化"推手"
頭部公司的技術(shù)破壁有望推動硅基負極在鋰電池領域的產(chǎn)業(yè)化應用。
目前，鋰電池負極商業(yè)化以人造/天然石墨為主，但已接近其理論比容量極限（372mAh/g）。
硅理論比容量高達4200mAh/g，是石墨類負極材料的10倍以上，也因此被行業(yè)認為是替代石墨的下一代鋰電池負極材料。
然而，由于硅材料在充放電過程中和鋰合金化反應，存在嚴重的體積效應（膨脹率可達300%），導致循環(huán)性能及庫倫效率惡化，需改性方能應用。
通過材料改性及電池體系優(yōu)化，提升循環(huán)壽命及首次效率是硅基材料大規(guī)模商業(yè)化應用的關(guān)鍵。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圍繞于此，包括松下、日立Maxell、CATL、力神、國軒等一大批國內(nèi)電池公司都在加大在該領域的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入。同時，TSLA的進入也正在引發(fā)行業(yè)的"鯰魚效應"。
在國外，2017年，松下將硅基負極應用于TSLA的Model3電池中，在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入10%的硅，電池容量新增到550mAh/g以上，單體能量密度達300wh/kg以上。
在國內(nèi)，承接國家科技部300wh/kg高能量密度重大科技專項的CATL、力神、國軒高科均已通過項目中期驗收。從CATL、力神、比克等廠商規(guī)劃來看，已經(jīng)從2019年開始逐步實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。
高工鋰電獲悉，硅基負極改性重要包括納米化、氧化亞硅及碳包覆等三種手段形成硅碳復合材料，以此減小體積效應對硅顆粒及SEI膜破壞。
從商業(yè)化的路徑來看，重要以摻混石墨類負極方式應用，重要產(chǎn)品包括硅碳（Si/C）負極材料及硅氧（SiO/C）負極材料兩種。
硅碳負極材料是將納米硅和基體材料通過造粒工藝形成前驅(qū)體，然后經(jīng)表面處理、燒結(jié)、粉碎、篩分、除磁等工序制備而成。
目前商業(yè)化應用容量在450mAh/g以下，成本較低，雖然首效相對較高，但循環(huán)壽命較差，重要用于3C數(shù)碼領域。
硅氧負極材料是將純硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧負極材料前驅(qū)體，然后經(jīng)粉碎、分級、表面處理、燒結(jié)、篩分、除磁等工序制備而成。
目前商業(yè)化應用容量重要在450-500mAh/g，成本較高，雖然首效相對較低，但循環(huán)性能相對較好，重要用于動力鋰電池領域，TSLA即使用硅氧負極摻混人造石墨方式應用。
在硅基負極的產(chǎn)業(yè)化上，CATL獲得了行業(yè)性的突破，其摒棄了傳統(tǒng)碳包覆技術(shù)，轉(zhuǎn)向研究人造電解質(zhì)界面膜包覆技術(shù)。
CATL首席科學家吳凱此前介紹，其歷時2年多，將這一技術(shù)應用到硅材料制備，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型人造電解質(zhì)界面膜包覆的硅碳復合負極材料，其循環(huán)性能表現(xiàn)顯著優(yōu)于國外產(chǎn)品。
和碳材料相比，人造電解質(zhì)界面膜和硅材料的結(jié)合用途力更強、彈性更好、不易破碎或粉化，對硅材料起到很好的保護用途，因此能夠在循環(huán)中大幅提高硅材料的界面穩(wěn)定性，從而提升電池的循環(huán)壽命。
此外，在國內(nèi)，包括璞泰來、星城石墨、斯諾、杉杉、正拓等也都在積極推進硅碳負極的產(chǎn)業(yè)化。
而在電池體系設計上，行業(yè)重要通過粘結(jié)劑、電解液、預補鋰等技術(shù)開發(fā)加強電極體系設計，從而加快其在市場中的應用。
在該領域，最被業(yè)內(nèi)關(guān)注的則是TSLA。
通過合作（和JeffDahn團隊）和并購（收購maxwell），TSLA完成了從前沿基礎研究到大規(guī)模量產(chǎn)所需的工藝和設備的全面布局。新型電池技術(shù)預計除了正極、電解液方面的性能優(yōu)化以外，業(yè)內(nèi)一致認為，其采用干電極+預補鋰技術(shù)有望加速硅碳負極的商業(yè)化應用。
硅基負極的商業(yè)化應用重要問題在于：一是循環(huán)壽命短：重要因體積效應造成的硅基負極顆粒破碎、和極片脫離；二是首次庫倫效率低：重要因首次反應導致的鋰離子永久性損失。
對此，干電極技術(shù)采用的固體粘接劑PTFE，具備彈性，可有效解決硅基負極膨脹導致和極片脫離的問題，循環(huán)壽命將數(shù)倍提升。
同時，在濕電極技術(shù)下，由于NMP為極性溶劑，和金屬鋰會反應，預補鋰無法實現(xiàn)。
而采用干電極技術(shù)無需添加溶劑，預補鋰技術(shù)可以順利實行。添加的鋰可以彌補在初始充電時形成SEI膜所消耗的鋰，從而提升首次庫倫效率，可提升電池能量密度。
此外，由于在電池充放電過程中，SEI膜會以微小的速度繼續(xù)上升，消耗鋰離子，因此負極補鋰亦可提升電池循環(huán)壽命。
根據(jù)TSLA收購的Maxwell干電極技術(shù)方法，采用干電極技術(shù)電池能量密度有望提升到500Wh/kg，循環(huán)壽命將延長1倍，生產(chǎn)效率提升16倍，相比最先進的濕電極技術(shù)成本可下降10-20%。Maxwell干電極電池原計劃2022年量產(chǎn)，在被TSLA收購后，這一時間點有望提前。
高工鋰電認為，國內(nèi)外電池廠商硅基負極電池產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)步推進，疊加TSLA電池新技術(shù)，硅基負極規(guī)?；瘧糜型铀?，預計2022年硅基負極市場需求將超3萬噸，市場規(guī)模預計超35億。
上一篇：碳納米管"猛進"
