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硅基负极材料或成电池行业“明星”

发表时间:2022-06-01 00:00

       随着新能源车的普及,为适应更高能量密度的电池需求,硅基负极材料正步入产业视野。硅基负极被看作下一代锂电池负极材料,已经明显感受到需求跨过平台期。有业内人士预计,即将2022年迎来爆发,2023年开始放量。随着更多原材料企业的加入,硅基负极材料被列入了工信部重点新材料,将成为国家重点鼓励发展的新能源电池材料之一。

      而随着硅基负极材料的“明星”效应不断释放,多家传统负极材料厂都已经开始入局硅基负极。据公告,璞泰来在江西和江苏溧阳均建设有硅基负极中试线,已经通过部分客户认证;翔丰华硅基负极已经具备产业化基本条件。动力电池厂商国轩高科也有5000吨/年硅基负极材料项目正在建设中。主营有机硅材料的硅宝科技也布局了1万吨/年锂电池用硅碳负极材料,材料已通过数家电池厂商测评并实现小批量供货。杰瑞股份全资子公司杰瑞新能源科技有限公司与厦门嘉矽能源科技有限公司日前签订协议,将投资设立合资公司,共同推进硅碳纯品、氧化亚硅纯品及硅基复合负极材料等产品的研发、生产、销售。

一批跨界厂商也纷纷入局,其中包括主营电解液材料的石大胜华,其一期1000吨硅基负极已进入试生产阶段,预计今年下半年批量出货。此外,公司还规划了2万吨级硅基负极产线,总投资额7.3亿元,预计将于2023年12月份建成投产。

据了解,中国负极行业产量在已经占据全球约六成以上市场,贝特瑞、璞泰来、杉杉股份市场份额占比居前。业内人士表示,当前硅基负极主要应用在消费电子、电动工具等领域,而蕴藏更大增量空间的是动力电池领域,尤其即将到来的4680电池将成为改变市场的暖风。目前,4680电池已经处于大规模量产前夜。

记者获悉,特斯拉已在2020年首次发布4680圆柱电池。这款电池正极采用高镍三元材料,搭配硅基负极材料,并具有无极耳和干电极设计,使其相对于上一代的2170电池续航里程提升16%、功率输出提升6倍、能量提升5倍,且成本也将下降14%。特斯拉CEO马斯克曾直言,这款电池将使2.5万美元的电动车成为可能。

诸多难题破解

公开资料显示,高比容量优势使得硅基材料被视为理想的下一代负极材料。硅的比容量高达4200mAh/g,是碳基材料的10倍以上,是目前已知比容量最高的负极材料。碳基材料是目前使用最为广泛的负极材料,其理论比容量为372mAh/g。

然而,硅基负极材料也存在硅易体积膨胀、导电性差、首次充放电损耗大等问题。由于硅材料在充放电时体积膨胀可达120%-300%,导致硅颗粒分化及SEI膜的破裂增厚,将影响电池首充效率与寿命。

针对此短板,科研人员发现,以碳辅硅,兼具容量与寿命。据此,业内提出的解决方案是,将硅碳复合材料与硅氧复合材料作为硅基负极的主要技术路线。具体说,就是在能量密度和稳定性之间寻找平衡,以实现材料性能的实际改善。

当前的硅基负极产品是将硅和石墨掺杂起来复合使用,以硅颗粒提供储锂容量,碳材料缓冲体积变化,同时兼顾了较高的比容量与较长的使用寿命。而对于新能源车普遍采用的锂电池负极材料而言,一般分为碳系负极和非碳系负极,其中,硅碳负极材料相比于石墨负极材料的比容量大,能极大提高锂电池的能量密度,被认为当前性能最好的负极材料。

然而,新的问题又出现了,虽然硅基材料缓解了纯硅材料的体积膨胀,但硅基负极的寿命与首次充电效率相较于碳基负极仍有差距。对此,业内提出了更新的解决方案,一是负极预锂化,即在电池工作前向电池内部补充锂离子,将有效提升首次充电效率与电池寿命;二是改进硅基复合材料,除硅碳(纳米硅)路线、硅氧路线外,通过加入碳纳米管、石墨烯等新型导电剂材料,也将提升硅基负极的寿命与循环性能。

或迎市场爆发

在业内看来,硅基负极材料即将迎来市场爆发。国内主要硅基负极材料生产企业包括中科电气、贝特瑞、江西正拓、深圳斯诺等,其中,贝特瑞具备先发优势,目前已经进入了松下-特斯拉的供应链,同时已量产供货给韩国的三星电池,并计划提升惠州工厂的产能,硅碳和硅氧各生产3000吨/年。

与此同时,比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了对硅碳负极材料的布局。其中,杉杉股份的高容量硅合金负极材料已小批量生产,并对宁德时代供货。从产业来看,硅碳负极材料在国内的发展处于初期阶段,不少企业已布局生产线,进行小批量生产。据数据统计,2020年国内的硅碳负极材料出货量为0.9万吨,占总负极材料出货量的比例约2%。

业内普遍认为,国内的硅碳负极材料产业化需要一个整合过程,一方面要求上游材料企业提高产品的性能,另一方面还要调配好与其它掺杂材料的比例,以及与电池企业研究锂电池封装工艺的提升。相信随着国内负极材料生产企业的快速布局,市场的渗透率逐步提升,规模级的产业化将会加快来临,硅碳负极材料的市场规模将会迎来春天。中华工商时报

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