負(fù)極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能等關(guān)鍵指標(biāo)。隨著新能源汽車在實際應(yīng)用中對續(xù)航里程要求的不斷提高，動力電池相關(guān)材料也向著提供更高能量密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，高能量密度負(fù)極材料成為企業(yè)追逐的新熱點。硅基材料負(fù)極由于豐富的儲量和超高的理論比容量正逐漸成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇，是最具潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。
瑕不掩瑜 硅碳負(fù)極優(yōu)勢明顯
硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅，形成硅碳負(fù)極，一是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質(zhì)。
在負(fù)極材料中，硅材料主要以納米硅的形式進(jìn)行應(yīng)用。納米硅指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。納米硅與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，能夠大幅提高鋰離子電池的容量。
目前市場上鋰電池使用的多為石墨負(fù)極材料，從石墨的克容量和壓實密度看，負(fù)極材料的能量密度很難再得到提高。此外，石墨片還存在易發(fā)生剝離、循環(huán)性能不理想等問題。
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。硅碳復(fù)合材料能大大提升單體電芯的容量，有效緩解業(yè)內(nèi)對電動汽車續(xù)航里程的擔(dān)憂。
當(dāng)然，硅基材料也存在較為明顯的缺點，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%，巨大的體積效應(yīng)及較低的電導(dǎo)率將限制硅負(fù)極技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。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，進(jìn)一步降低了其首次庫倫效率。
產(chǎn)業(yè)狀況 多家企業(yè)抓緊布局
2016年，韓國一家研究所通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法，有效解決了硅體積膨脹的問題，將有助于推動碳-納米硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料大規(guī)模生產(chǎn)。
目前，國內(nèi)前幾大負(fù)極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對硅碳負(fù)極材料進(jìn)行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品，上海杉杉正處于硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，星城石墨已將硅碳新型負(fù)極材料作為未來產(chǎn)品研發(fā)方向。
2016年11月國軒高科發(fā)布公告，擬募資不超過36億元用于動力電池相關(guān)項目建設(shè)，其中包括5000噸硅基負(fù)極材料項目。浙江湖州創(chuàng)亞動力電池材料有限公司（簡稱湖州創(chuàng)亞）總經(jīng)理胡博也在接受媒體采訪時表示:“湖州創(chuàng)亞硅負(fù)極能量密度可以做到1300-1400mAh/g，硅碳負(fù)極材料可以達(dá)到600mAh/g。2017上半年將進(jìn)入中試量產(chǎn)。”此外，國內(nèi)電池企業(yè)中，BYD、CATL、力神、萬向A123、微宏動力等都展開了對硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。
放眼海外，目前特斯拉通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，已在Model 3上采用硅碳負(fù)極作為動力電池新材料，電池容量達(dá)到了550mAh/g以上，電池能量密度可達(dá)300wh/kg?！ ∪毡?/SPAN>GS湯淺公司推出硅基負(fù)極材料鋰電池，并成功應(yīng)用在三菱汽車上；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。
從目前已產(chǎn)品化的硅碳負(fù)極材料性能來看，相比于石墨負(fù)極材料而言，硅碳負(fù)極材料最大的優(yōu)勢在于比容量的提升。硅碳負(fù)極材料的最低比容量一般都超過石墨負(fù)極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達(dá)1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負(fù)極材料比容量的3倍，性能大幅度地提高。
硅碳材料產(chǎn)業(yè)化是一個綜合的過程，一方面要求負(fù)極材料企業(yè)不斷提高產(chǎn)品自身的性能，另一方面還要做好與其它材料的配合，以及與電芯企業(yè)、PACK企業(yè)共同謀求鋰電池封裝工藝的升級。相信隨著鋰電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，負(fù)極材料企業(yè)產(chǎn)業(yè)化步伐實施的加快，硅碳負(fù)極材料的春天就要來了。
