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硅碳負(fù)極材料正在走向產(chǎn)業(yè)化

日期:2018-04-03 點擊次數(shù):1887

硅碳負(fù)極材料正在走向產(chǎn)業(yè)化

2018-04-03 石墨盟

    硅碳負(fù)極作為新型鋰離子電池負(fù)極材料,對于提升電池能量密度能發(fā)揮比當(dāng)前石墨負(fù)極更顯著功效。但是由于其在應(yīng)用方面存在較高壁壘,所以尚處于產(chǎn)業(yè)化前期。當(dāng)前松下已經(jīng)實現(xiàn)含硅碳負(fù)極材料的18650電池的量產(chǎn),同時特斯拉已經(jīng)將硅碳負(fù)極應(yīng)用于車用動力電池,硅碳負(fù)極材料應(yīng)用前景越來越光明

摘要

提升電池能量密度是永恒話題。對于當(dāng)前成熟的石墨負(fù)極材料,其能量密度潛力基本已被充分發(fā)揮。與石墨負(fù)極材料相比,硅基負(fù)極材料的能量密度優(yōu)勢明顯。石墨的理論能量密度是372 mAh/g,而硅負(fù)極的理論能量密度超其10倍,高達(dá)4200mAh/g。所以硅碳負(fù)極的應(yīng)用,可以提升電池中活性物質(zhì)含量,從而大大提升單體電芯的容量。


硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)應(yīng)用具有較高技術(shù)門檻。硅碳負(fù)極材料是一種使用起來非常困難的材料:1、在充放電過程中會引起硅體積膨脹100%~300%,而石墨材料只有10%左右,所以硅碳負(fù)極的膨脹收縮會導(dǎo)致負(fù)極材料的粉末化,從而嚴(yán)重影響電池使用壽命;2、硅為半導(dǎo)體,導(dǎo)電性比石墨差很多,導(dǎo)致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大,從而降低了其首次庫倫效率,其直接效應(yīng)也是使電池循環(huán)壽命變差。所以硅碳負(fù)極的應(yīng)用需要較高的技術(shù)壁壘。


海外已經(jīng)初步實現(xiàn)硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化。日本松下2012年發(fā)布的NCR18650C型號電池,容量高達(dá)4000mah,并于2013年實現(xiàn)量產(chǎn),如此高容量電芯,松下就是使用了硅碳負(fù)極材料。另外,特斯拉加速硅碳負(fù)極在車用動力電池領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?yīng)用。


國內(nèi)硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化尚處于初期,但技術(shù)進(jìn)步非常明顯。貝特瑞憑借在負(fù)極材料領(lǐng)域技術(shù)**地位,其硅碳負(fù)極的研發(fā)和生產(chǎn)一直處于國內(nèi)**水平。公司硅碳負(fù)極材料在2013年通過三星認(rèn)證之后,2014年~2016年產(chǎn)量處于攀升階段,其產(chǎn)品市場認(rèn)可度也在逐步提升。另外,杉杉股份早在2009年開始研發(fā)硅碳負(fù)極,當(dāng)前也實現(xiàn)月產(chǎn)噸級規(guī)模,下游客戶包括國內(nèi)外主流電池生產(chǎn)企業(yè),技術(shù)水平**行業(yè)。


預(yù)計2020年硅碳負(fù)極材料市場空間50億左右,同時市場集中度將非常高。目前,行業(yè)中硅碳負(fù)極尚未形成廣泛推廣的成熟方案,主流的電池生產(chǎn)企業(yè)對于硅碳負(fù)極的使用,主要以摻雜形式,且各個企業(yè)摻雜比例也存在差異。參考當(dāng)前硅碳負(fù)極材料市場售價水平,我們按照負(fù)極材料中摻雜10%左右的硅碳負(fù)極,預(yù)測未來3~5年隨著滲透率提升,硅碳負(fù)極可擁有的市場空間大約為50億左右。

一、

硅碳負(fù)極正在走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用


1. 為什么需要硅碳負(fù)極

眾所周知,不斷的提高電池能量密度,是鋰電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研革所孜孜不倦的方向。在當(dāng)前的鋰電材料體系中,負(fù)極材料多為采用石墨材料(以人造石墨和天然石墨為主),在電池理論設(shè)計過程中,基本上已經(jīng)非常充分發(fā)揮了其可實現(xiàn)的能量密度,所當(dāng)前的石墨負(fù)極材料在提升電池能量密度方面已經(jīng)遇到明顯的瓶頸。


與石墨負(fù)極材料相比,硅基負(fù)極材料的能量密度優(yōu)勢明顯。石墨的理論能量密度是372 mAh/g,而硅負(fù)極的理論能量密度超其10倍,高達(dá)4200mAh/g。所以硅碳負(fù)極的應(yīng)用,可以提升電池中活性物質(zhì)含量,所以能大大提升單體電芯的容量,這也是硅碳負(fù)極材料越來越多被鋰電領(lǐng)域所關(guān)注的重要原因。


2. 什么是硅碳負(fù)極

由于硅是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料,為了提供鋰離子在硅電極材料中的擴(kuò)散速度,就需要提高硅材料的導(dǎo)電性能,目前產(chǎn)業(yè)中所選擇的就是成熟的碳材料。利用不同形態(tài)的碳材料來復(fù)合硅進(jìn)行改性處理,使其構(gòu)成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),形成導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的硅碳負(fù)極材料。

但是硅碳負(fù)極材料是一種使用起來非常困難的材料,其主要有以下兩方面:1、在充放電過程中會引起硅體積膨脹100%~300%,而石墨材料只有10%左右,所以硅碳負(fù)極的膨脹收縮會導(dǎo)致負(fù)極材料的粉末化,從而嚴(yán)重影響電池使用壽命;2、硅為半導(dǎo)體,導(dǎo)電性比石墨差很多,導(dǎo)致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大,從而降低了其首次庫倫效率,也就是說會過多電解液和Li+源,其直接效應(yīng)也是使電池循環(huán)壽命變差。

硅碳負(fù)極的開發(fā)和應(yīng)用具備較高的技術(shù)壁壘。如前文所述,硅碳負(fù)極雖然在能量密度方面具有比石墨材料更明顯的優(yōu)勢,但是其缺陷也非常顯著。所以對于硅碳負(fù)極的開發(fā)和應(yīng)用,需要較高的技術(shù)要求。當(dāng)然,對于硅碳負(fù)極材料學(xué)術(shù)性研究已經(jīng)開展多年,科研人員也提出多種解決方案,目前產(chǎn)業(yè)化過程中相對來說比較成熟的,是將硅碳負(fù)極納米化、惰性緩沖以及適度的以及表面包覆,其中表面包覆,一般會通過以球形人造或者天然石墨為基底,在石墨表面釘扎一層Si納米顆粒,再在其外表包覆一層無定形碳或石墨烯。


3. 硅碳負(fù)極的市場空間測算

由于硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用開發(fā)尚處于初期階段,所以全球只有少數(shù)的電池生產(chǎn)企業(yè)將硅碳負(fù)極應(yīng)用于商業(yè)化產(chǎn)品,目前硅碳負(fù)極在整個鋰電負(fù)極材料市場中,占比尚處于非常低的水平。

目前,行業(yè)中硅碳負(fù)極尚未形成廣泛推廣的成熟方案,主流的電池生產(chǎn)企業(yè)對于硅碳負(fù)極的使用,也主要是以摻雜到石墨負(fù)極材料中使用,各個企業(yè)摻雜的比例也存在一定差異。參考當(dāng)前硅碳負(fù)極材料市場售價水平,我們按照負(fù)極材料中摻雜10%左右的硅碳負(fù)極,預(yù)測未來3~5年隨著滲透率提升,硅碳負(fù)極可擁有的市場空間大約為50億左右。但需要強(qiáng)調(diào)的是,該市場有較高的技術(shù)門檻,所以行業(yè)集中度將非常高。


二、

硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程


相比于石墨負(fù)極材料,硅碳負(fù)極材料在產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用案例還是比較小眾。目前,國內(nèi)大多數(shù)材料企業(yè)在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級階段,正在探索商業(yè)化之路。而一些日韓企業(yè)則已開始將硅負(fù)極材料應(yīng)用于汽車動力電池中,并實現(xiàn)商品化。例如,據(jù)行業(yè)媒體報道,日本GS湯淺公司已推出采用硅基負(fù)極材料的鋰電池,并成功應(yīng)用在了三菱汽車上;日立麥克賽爾則宣布已開發(fā)出可實現(xiàn)高電流容量硅負(fù)極鋰電池。


1. 海外已經(jīng)實現(xiàn)硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

據(jù)深圳貝特瑞網(wǎng)站新聞,公司研發(fā)生產(chǎn)的早在2014年通過三星公司認(rèn)證并具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用要求。與此同時,我們通過與行業(yè)交流,三星、松下等日韓電池生產(chǎn)企業(yè),也已將硅碳負(fù)極作為負(fù)極添加材料,產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于*新的圓柱形電池。海外在硅碳負(fù)極應(yīng)用的探索,也為我國鋰電技術(shù)進(jìn)步方向提供重要參考。


日本松下2012年發(fā)布的*新NCR18650C型號電池,容量高達(dá)4000mah,并于2013年實現(xiàn)量產(chǎn)。當(dāng)前國內(nèi)主流的18650圓柱電池容量主要在2800mah以內(nèi)(大部分為2600mah及以下,國內(nèi)只有部分企業(yè)實現(xiàn)2800mah的18650電池的量產(chǎn)),但是松下之所以能夠做到4000mah,主要是其在負(fù)極中使用了硅的混合材料。據(jù)松下介紹,該NCR18650C型號電池可以在循環(huán)500次以后,依然保持80%以上的電池儲電能力。

特斯拉加速硅碳負(fù)極在車用動力電池領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?yīng)用。在特斯拉向市場發(fā)布*新車型Model 3的同時,行業(yè)媒體也同期披露,特斯拉將在Model 3中采用了電池新材料,“特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅,其能量密度至少在550mAh/g以上”。


2. 國內(nèi)已經(jīng)初步實現(xiàn)硅碳負(fù)極的商業(yè)化生產(chǎn)

如前文所述,貝特瑞憑借在負(fù)極材料領(lǐng)域技術(shù)**地位,其硅碳負(fù)極的研發(fā)和生產(chǎn)一直處于國內(nèi)**水平。公司硅碳負(fù)極材料在2013年通過三星認(rèn)證之后,2014年~2016年產(chǎn)量處于攀升階段,其產(chǎn)品市場認(rèn)可度也在逐步提升。


如前文所述,硅碳負(fù)極由于需要對電池負(fù)極材料、碳材料等有深入的研究,而國內(nèi)負(fù)極材料市場集中度非常高,所以行業(yè)中存在的產(chǎn)業(yè)化壁壘、技術(shù)壁壘等,使得國內(nèi)具備硅碳負(fù)極生產(chǎn)能力、應(yīng)用能力的企業(yè)屈指可數(shù)。當(dāng)然,目前已有部分企業(yè)涉足到硅碳負(fù)極相關(guān)的研發(fā)。

此外,非上市企業(yè)中,江西紫宸、湖北創(chuàng)亞等負(fù)極材料生產(chǎn)企業(yè)硅碳負(fù)極的研發(fā)和生產(chǎn)在國內(nèi)處于**地位;電池企業(yè)方面,ATL/CATL、天津力神、萬向A123、微宏動力等企業(yè)也已經(jīng)就硅碳負(fù)極應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)年的研發(fā)。(招商電力設(shè)備與新能源)



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