鋰離子電池硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)淺析

日期：2017-11-08 點(diǎn)擊次數(shù)：1823

　　近日由國(guó)家工信部等三部委聯(lián)合出臺(tái)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中要求，到2020年動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/公斤。此前出臺(tái)的一系列相關(guān)政策，也將動(dòng)力電池單體比能量達(dá)“300瓦時(shí)/公斤”設(shè)定為動(dòng)力電池技術(shù)首先應(yīng)該達(dá)成的一個(gè)“小目標(biāo)”。

　　對(duì)于目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池單體比能量普遍在220瓦時(shí)/公斤左右的現(xiàn)狀，在未來(lái)不足4年的時(shí)間內(nèi)，將單體比能量再提升近4成，無(wú)論對(duì)于研究機(jī)構(gòu)還是產(chǎn)業(yè)界，都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在正極材料方面，業(yè)界紛紛將目標(biāo)放在了高鎳材料上，而負(fù)極材料方面，業(yè)界普遍認(rèn)為硅碳負(fù)極足以“擔(dān)此大任”。

　　國(guó)外部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極材料的量產(chǎn)。比如松下2013年量產(chǎn)的NCR18650C型號(hào)電池，即采用硅碳負(fù)極材料;日本GS湯淺推出的硅基負(fù)極材料鋰電池，已應(yīng)用于三菱汽車上;日立麥克賽爾將硅碳負(fù)極材料用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等小型鋰離子電池上;特別是特斯拉將硅碳負(fù)極成功應(yīng)用于即將量產(chǎn)的Model 3上，實(shí)現(xiàn)超300瓦時(shí)/公斤的比能量，更讓業(yè)界看到了硅碳負(fù)極在提高動(dòng)力電池比能量方面的希望。

　　然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)在硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化方面動(dòng)作較慢。除貝特瑞的硅碳復(fù)合負(fù)極材料已有國(guó)外批量訂單外，CATL、比亞迪、國(guó)軒高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企業(yè)硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都在推進(jìn)中。

　　為何國(guó)外企業(yè)特別是日企在硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化方面，走的比國(guó)內(nèi)企業(yè)要遠(yuǎn)得多?這還要從硅碳負(fù)極的特性說(shuō)起。石墨的理論比容量是372mAh/g，而硅負(fù)極的理論比容量高達(dá)4200mAh/g。石墨作為成熟的負(fù)極材料，其能量密度已經(jīng)基本被充分發(fā)揮，要想在能量密度上有所提升，與硅結(jié)合是一種較好的方式。但在真正的使用過(guò)程中，硅碳負(fù)極存在很多先天的“不足”。

　　主要是體積膨脹問(wèn)題。在充放電過(guò)程中，硅的體積會(huì)膨脹100%-300%，不斷的收縮膨脹會(huì)造成硅碳負(fù)極材料的粉末化，嚴(yán)重影響電池壽命;其次，硅的不斷膨脹，在電池內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，這種應(yīng)力對(duì)極片造成擠壓，循環(huán)多次后可能出現(xiàn)極片斷裂的情況;再次，也是由于電池內(nèi)部應(yīng)力的原因，很有可能造成電池內(nèi)部孔隙率的降低，減少鋰離子移動(dòng)通道，造成鋰金屬的析出，影響電池安全性。此外，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(guò)程中不可逆程度大，從而降低其首次庫(kù)倫效率。正因如此，硅碳負(fù)極在研發(fā)和應(yīng)用方面的面臨著較高的技術(shù)壁壘。

　　對(duì)于硅膨脹問(wèn)題，有業(yè)內(nèi)人士建議，可以多從力學(xué)的角度研究電池內(nèi)部的應(yīng)力問(wèn)題，通過(guò)控制碳材料中硅的含量、減小硅的體積到納米級(jí)，或者通過(guò)改變石墨質(zhì)地、形態(tài)等，實(shí)現(xiàn)碳和硅的*佳匹配，還可以通過(guò)采用其他物質(zhì)對(duì)硅材料進(jìn)行包覆，促進(jìn)膨脹后的復(fù)原，或采用更適宜的電極材料等一系列方法，來(lái)減少硅膨脹帶來(lái)的諸多問(wèn)題。此外，通過(guò)采用穩(wěn)定的電解液，形成穩(wěn)定的SEI膜，也可以減少電解液的消耗，提高循環(huán)效率。

　　同時(shí)，由于電池能量密度的提升，硅碳負(fù)極很容易出現(xiàn)由于瞬間電流偏大造成的安全問(wèn)題，包括上述硅膨脹帶來(lái)的析鋰問(wèn)題，都造成硅碳負(fù)極不如石墨負(fù)極安全。曾有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于采用較高容量硅碳負(fù)極的鋰離子電池，其針刺實(shí)驗(yàn)的效果比采用石墨負(fù)極的鋰離子電池要差很多，這也說(shuō)明高安全性和高能量密度**是矛盾的。在安全性方面，部分學(xué)者建議深入研究電解液或阻燃劑對(duì)電池安全及能量密度、循環(huán)壽命等方面的影響，以求在這一領(lǐng)域有所突破。

　　在硅系負(fù)極方面，研究界認(rèn)為氧化亞硅-碳復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用效果可能好于純硅-碳復(fù)合材料，特別是在電池循環(huán)性和穩(wěn)定性方面，這同時(shí)也是業(yè)界在高能量負(fù)極材料方面的另一個(gè)研究重點(diǎn)，但也有專家表示，由于日韓企業(yè)在氧化亞硅負(fù)極復(fù)合材料方面起步較早，很多**技術(shù)都在日韓企業(yè)手中，因此國(guó)內(nèi)要在這方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化突破，就必須考慮相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。

　　而且無(wú)論采取哪種硅材料，要想取得較為理想的電化學(xué)性能，復(fù)合材料中的硅顆粒粒徑都需要控制在200-300納米之間，這對(duì)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備也有很高的要求，因此，硅碳負(fù)極的實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還受到設(shè)備精細(xì)度和投入成本的制約。

　　看似簡(jiǎn)單的硅碳負(fù)極，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并不簡(jiǎn)單。不少企業(yè)也明確表示，如果單純實(shí)現(xiàn)“2020年，電池單體比能量達(dá)300瓦時(shí)/公斤”的目標(biāo)并不難，但是要想在確保電池的安全性的同時(shí)提高比能量，確實(shí)存在一定難度。對(duì)此很多電池企業(yè)呼吁，提高比能量是一個(gè)系統(tǒng)工程，希望系統(tǒng)、整車企業(yè)與電池企業(yè)一起努力，解決電池的安全問(wèn)題，也希望能夠與材料企業(yè)共同研發(fā)，找到更多更好的電池材料，推動(dòng)整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。(來(lái)源： 電池中國(guó)網(wǎng) )