硅基负极助锂电池性能翻倍 一文看懂产业链公司

发布日期:2020-03-06

核心提示:据韩媒报道,韩国科学技术研究院(KIST)研究团队近日宣布,已成功研发硅基负极材料,用于替代当前电动车动力电池负极普遍使用的
 据韩媒报道,韩国科学技术研究院(KIST)研究团队近日宣布,已成功研发硅基负极材料,用于替代当前电动车动力电池负极普遍使用的石墨材料。

  报道称,试验结果表明,该硅基负极材料成功将电池容量了提高四倍,在500次充电/放电循环中仍能保持稳定,5分钟内可充电至其全部容量的80%,电动车的续航里程预计将增加一倍以上。

  据了解,过去,硅基负极材料由于材料特性,在充放电循环过程中,体积迅速膨胀的同时储电能力急剧下降,稳定性较差,导致其商业化受到限制。

  在此次研究中,研究团队创造性地采用了一种简单的油炸食品加热工艺,使用了水、油和淀粉等日常生活中常见的材料,与经过干燥处理的硅进行混合并加热,形成碳硅复合材料,碳球阻止了硅通常的体积膨胀,从而提高了硅材料的稳定性。而高导电碳的使用和硅结构的重新排列也使得放电量得到极大地提高。

  石墨负极体系向硅基负极体系升级趋势确定

  资料显示,负极是锂电池四大材料之一。其作为电子载体,性能指标能够直接影响锂电池的性能,尤其是其膨胀性能影响电芯循环性能、倍率性能影响快充、比容量及首效影响容量等。

  目前,锂离子电池负极材料主要分为碳材料与非碳材料两类。其中市场化应用程度最高的当属碳材料中的石墨类负极材料,其中市场主流是人造石墨以及天然石墨。

  理论上,石墨材料的克容量可达到372mAh/g(每6个碳原子嵌入1个锂离子,形成LiC6结构),目前高端产品已经达到360-365mAh/g,接近理论容量,石墨负极材料逐步达到上限。在此基础上,为应对消费者对能量密度更高的动力电池的需求,寻找更高能量密度材料的愿望变得更加迫切。

  在这当中,储电能力比石墨大10倍的硅成为了目前的最佳选择之一,能够形成Li22Si5结构,理论克容量达到4200mAh/g,最能够满足人们更高能量密度的需求。

  东北证券(9.880-0.49-4.73%)认为,锂电池负极从石墨体系到硅基负极将是未来的升级方向。未来,随着动力电池能量密度要求的提高,硅碳负极搭配高镍三元材料的体系成为发展趋势。未来两年,随着高镍三元材料NCM811、NCA及其他配套材料的技术逐渐成熟,硅碳负极的产业化即将到来。

  不过,虽然硅基合金负极材料相对碳负极材料克容量提升效果明显,但是因为其工艺难度高、生产成本高,且首次充放电效率较低,所以尚未大规模使用。其中,硅碳复合负极以及SiO负极工艺相对成熟,综合电化学性能较优,是目前最为主流的硅基负极材料,已达商业化阶段。

  国内大厂稳步布局 电动车领导者负极掺硅

  在硅基负极技术上,日本是最早取得突破的国家,最早可追溯至上世纪90年代。当时索尼与Moli两大公司推出了以碳为负极的锂离子电池,1996年陆续有文章关注微米或纳米结构的硅颗粒与碳相结合,并将其应用于负极材料。这也是全球硅基负极技术发展的开端。

  2012年,松下成功应用硅碳负极,推出NCR18650C型号电池,容量高达4000mah/g,在此后多年的应用中,技术已相对成熟;2017年,其合作伙伴特斯拉在人造石墨中加入10%的硅基材料,在Model 3上采用硅碳负极作为动力电池新材料,电池容量达到了550mAh/g以上,电池能量密度可达300wh/kg。

  而在负极产量上占据全球主要份额的中国,在过去的几年里也在硅基负极上积极探索。其中以全球负极巨头、中国宝安(8.0100.151.91%)旗下子公司贝特瑞最为瞩目。作为目前国内唯一可以大批量供货的厂商,贝特瑞在新型硅基负极方向可谓一骑绝尘。

  其硅碳负极产品2013年已通过三星验证,是国内三星唯一授权的硅碳生产商,同时供给松下和LG,2017年出货量已达1000吨。后又成功进入松下-特斯拉体系,并逐步占据主供地位,成为特斯拉新型负极最核心的供应商。

  贝特瑞相比,国内其他厂家规模较小或处于验证阶段。同为负极材料生产商的杉杉股份(14.120,0.060.43%),其硅碳负极产品已量产供货,但出货量不大,主要客户是宁德时代(143.520-1.70,-1.17%)国轩高科(22.9400.371.64%)2016年11月发布公告表示,拟募资不超过36亿元用于动力电池相关项目建设,其中包括5000吨硅基负极材料项目。其他厂商包括正拓能源、璞泰来(81.350-0.06,-0.07%)、天津力神等,同样仍处于研发与验证阶段。

 


 
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