眾所周知,電動(dòng)汽車(chē)的里程續(xù)航問(wèn)題一直是消費(fèi)者迫切關(guān)注的痛點(diǎn),這跟鋰電池的能量密度息息相關(guān),眾電池廠商、車(chē)企無(wú)不使勁渾身解數(shù),想要進(jìn)一步挖掘電池能量密度提升的空間,為此大多采用以下途徑:例如優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高活性材料能量密度、降低非活性材料占比等。
目前商業(yè)化鋰電池廣泛使用的石墨負(fù)極的容量在360mAh/g左右,已經(jīng)非常接近其理論比容量(372mAh/g),因此很難在石墨負(fù)極上獲得突破,于是人們將目光轉(zhuǎn)向硅材料,鋰電池中,硅材料理論比容量為4200mAh/g,且硅的脫鋰電位比較低,因此硅作為負(fù)極可以減少材料用量、提高電池能量密度,是動(dòng)力電池負(fù)極材料接下來(lái)的重要發(fā)展方向。
碳材料與硅材料性能對(duì)比
硅基負(fù)極技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
硅作為負(fù)極材料會(huì)產(chǎn)生很大的體積變化,隨充放電發(fā)生的持續(xù)收縮膨脹會(huì)造成材料粉末化,影響電池循環(huán)壽命涂料在線coatingol.com。目前商業(yè)化的硅材料負(fù)極一般為硅碳復(fù)合體系,有單質(zhì)硅-碳負(fù)極和硅氧化物-碳負(fù)極兩種,相比之下,硅氧化物-碳負(fù)極較單質(zhì)硅-碳負(fù)極體積膨脹更小、倍率性能更佳,但是容量和首循環(huán)庫(kù)倫效率較低。
硅碳復(fù)合體系中,碳可以改善材料的導(dǎo)電性,緩沖硅的體積變化,避免硅顆粒的團(tuán)聚等,對(duì)硅碳材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可以更好地抑制材料的體積變化,例如可以將硅碳材料設(shè)計(jì)成核-殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等,為體積膨脹預(yù)留容納或緩沖空間。
常見(jiàn)的核-殼結(jié)構(gòu)
此外,硅碳負(fù)極還有一個(gè)問(wèn)題引人關(guān)注,由于硅負(fù)極材料表面形成SEI膜需要消耗大量鋰源,降低電池首效,通常采用預(yù)鋰化的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。例如,引入鋰箔、鋰粉、預(yù)鋰化添加劑等,通過(guò)物理、化學(xué)或電化學(xué)手段提前補(bǔ)充形成SEI膜所需要的鋰源,可有效提高電池首效。
綜上,硅碳負(fù)極具有高容量,但是體積膨脹等問(wèn)題導(dǎo)致其壽命略低,因此通常搭配循環(huán)壽命同樣較低但比容量高的高鎳NCM正極,并通過(guò)補(bǔ)鋰手段提高首效,最大化提高電池能量密度。
硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
硅碳負(fù)極材料在國(guó)內(nèi)的發(fā)展處于初期階段,目前,比亞迪、寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬(wàn)向等都展開(kāi)了對(duì)硅碳負(fù)極材料的布局。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年中國(guó)硅碳負(fù)極材料出貨量為0.9萬(wàn)噸,僅占負(fù)極材料出貨量的約2%。貝特瑞的產(chǎn)業(yè)化速度為行業(yè)最快,2013年就開(kāi)始向三星批量供貨,其硅碳負(fù)極材料已打入了特斯拉的供應(yīng)鏈,為松下的動(dòng)力電池電芯配套部分負(fù)極材料;杉杉股份的硅碳負(fù)極材料也已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,其高容量硅合金負(fù)極材料可滿足新能源乘用車(chē)300wh/kg性能要求,并已對(duì)CATL實(shí)現(xiàn)供貨。
國(guó)內(nèi)負(fù)極材料巨頭的硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
企業(yè) | 產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 | 產(chǎn)能 | 規(guī)劃布局 |
貝特瑞 | 2013年獲三星認(rèn)證,率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),是唯一擁有硅碳負(fù)極外國(guó)訂單的企業(yè) | 約3000噸/年 | 惠州貝特瑞硅碳及硅氧規(guī)劃產(chǎn)能各3000噸/年; |
杉杉股份 | 自2009年起開(kāi)始研發(fā)硅碳負(fù)極材料技術(shù),已經(jīng)量產(chǎn)供貨,但出貨量不大,主要客戶是CATL | 出貨占比不高 | 包括硅碳負(fù)極材料在內(nèi)的年產(chǎn)10萬(wàn)噸鋰離子電池負(fù)極材料一期(6萬(wàn)噸)尚在建設(shè) |
璞泰來(lái)(江西紫宸) | 與中科院物理所合作研發(fā),已經(jīng)具備中試規(guī)模的硅碳和硅氧能力 | / | 投資50億元在江蘇溧陽(yáng)建隔膜、負(fù)極材料等項(xiàng)目,項(xiàng)目包括與中科院物理所合作量產(chǎn)新型硅碳復(fù)合負(fù)極材料 |
硅寶科技 | 2019年公司建成50噸/年硅碳負(fù)極材料中試生產(chǎn)線 | / | 投資5.6億元在四川彭山經(jīng)開(kāi)區(qū)建設(shè)1萬(wàn)噸/年鋰電池用硅碳負(fù)極材料、4萬(wàn)噸/年專用粘合劑生產(chǎn)基地、鋰電材料研發(fā)中心 |
深圳斯諾 | 處于中試階段 | / | 具備負(fù)極材料產(chǎn)能5萬(wàn)噸,石墨化產(chǎn)能2萬(wàn)噸(硅碳負(fù)極布局未知) |
翔豐華 | 處于中試階段,已具備產(chǎn)業(yè)化條件 | / | 募投項(xiàng)目在建負(fù)極材料產(chǎn)能3萬(wàn)噸,在年底前大致達(dá)到4萬(wàn)噸左右產(chǎn)能;后續(xù)的產(chǎn)能規(guī)劃主要首先推進(jìn)募投項(xiàng)目以及四川翔豐華的擬建產(chǎn)能加速完成(硅碳負(fù)極布局未知) |
硅基負(fù)極的應(yīng)用現(xiàn)狀
除了應(yīng)用在三元電池中,2021年1月,國(guó)軒高科正式發(fā)布能量密度為210Wh/kg的軟包磷酸鐵鋰電芯,并聲稱在磷酸鐵鋰化學(xué)體系中首次成功地應(yīng)用了硅負(fù)極材料。
而目前硅碳負(fù)極由于價(jià)格太高,主要應(yīng)用于高端車(chē)型。今年來(lái),隨著車(chē)企在高端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇,搭載硅碳負(fù)極電池的車(chē)型也開(kāi)始扎堆出現(xiàn)。
01 特斯拉:從摻硅到直接采用硅負(fù)極
特斯拉一直使用的圓柱型電池結(jié)構(gòu)對(duì)硅碳負(fù)極體積膨脹的抑制效果較好,從幾年前的ModelS和ModelX開(kāi)始,特斯拉就已經(jīng)在石墨負(fù)極中摻雜硅材料,只是當(dāng)時(shí)硅的成分極少。到了Model3階段,特斯拉使用的21700電池中硅的比例再次得到提升,其能量密度較上一代18650電池提升了約20%,達(dá)到300Wh/kg,目前Model3的續(xù)航里程在500-600公里左右。
在2020年9月22日“電池日”,Tesla明確計(jì)劃未來(lái)將采用硅負(fù)極,計(jì)劃采用冶金硅作為原料,通過(guò)離子導(dǎo)電高分子進(jìn)行涂覆、以及特殊膠粘劑混合的形式,改善硅負(fù)極的性能。
特斯拉的幾代圓柱電池
02
廣汽埃安——海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)
廣汽埃安今年公布了其自研的海綿硅負(fù)極電池技術(shù),該技術(shù)包括“納米復(fù)合硅技術(shù)”“自修復(fù)粘結(jié)劑技術(shù)”“梯度復(fù)合涂布技術(shù)”等,讓電池內(nèi)部的硅負(fù)極片像海綿一樣柔軟有彈性,使硅在充放電過(guò)程中的膨脹和收縮被限制和緩沖,不會(huì)碎裂。同時(shí),也像海綿吸水一樣,讓硅負(fù)極發(fā)揮大容量的優(yōu)勢(shì),儲(chǔ)存更多的能量。
通過(guò)該技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池單體電芯體積減小20%,重量減輕14%;未來(lái)會(huì)進(jìn)一步將體積和重量都減小和減輕一半以上。該技術(shù)還對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命、提高鋰離子電池可靠性有明顯的作用。搭載海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)的廣汽埃安AIONLX可實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程超過(guò)1000km,有望在今年年內(nèi)投產(chǎn)。
03
蔚來(lái)——硅碳負(fù)極+半固態(tài)電解質(zhì)+高鎳正極
蔚來(lái)于1月份舉辦的NIO Day上宣布預(yù)期于2022年交付150kWh電池包,采用原位固化固液電解質(zhì)、無(wú)機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極、納米級(jí)包覆超高鎳正極,單體能量密度可達(dá)360Wh/kg,蔚來(lái)ET7將搭載這款電池。
蔚來(lái)150kWh電池包
04
智已汽車(chē)——“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)
1月份,上汽集團(tuán)及浦東新區(qū)、阿里巴巴的智己汽車(chē)發(fā)布了首款車(chē)型——智己L7,它的118kWh電池的高配版本,采用了與寧德時(shí)代合作的“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)單體300Wh/kg能量密度,將NEDC續(xù)航提升到1000km,而且具有20萬(wàn)公里零衰減和“永不自燃”的特性,該高配版本計(jì)劃于2022年上市。
智已汽車(chē)聯(lián)手寧德時(shí)代
總結(jié)
目前商業(yè)化的硅基負(fù)極材料主要包括碳包覆氧化亞硅、納米硅碳、無(wú)定型硅合金、硅納米線四種,其中碳包覆氧化亞硅、納米硅碳商業(yè)化程度最高。當(dāng)前各家電池廠及車(chē)廠在下一代電池設(shè)計(jì)中都已經(jīng)在大規(guī)模使用硅,硅基負(fù)極材料產(chǎn)品也必將呈現(xiàn)高增長(zhǎng)的趨勢(shì),鋰電行業(yè)正逐漸迎來(lái)硅基負(fù)極全面爆發(fā)的時(shí)代。