對于電池性能的提升，正極材料貢獻(xiàn)的力量可謂最多，要提高能量密度，就得走高鎳NCM811、中鎳高電壓、固態(tài)等路徑。實際上，負(fù)極材料對于能量密度的提升也很關(guān)鍵。兩者要黃金搭檔，才會實現(xiàn)最佳的效果。
今年以來，硅負(fù)極電池技術(shù)、摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)、無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)等，隨著1000公里續(xù)航、350Wh/kg能量密度等吸眼詞匯紛紛登場，一時間“硅”成為各大企業(yè)技術(shù)爭奇斗艷的利器。
一個月前，廣汽集團(tuán)在廣汽科技日上對外展示了其硅負(fù)極電池“黑科技”，電芯能量密度可提高到280Wh/kg左右，該電池可以讓電動車NEDC續(xù)航達(dá)1000公里，將會應(yīng)用在AION LX車型上，預(yù)計今年年內(nèi)投產(chǎn)。
“通過對電池能量密度做測算和分析，對于高鎳三元材料來說，只有跟更先進(jìn)的硅碳負(fù)極結(jié)合起來的時候，才能取得高能量密度的優(yōu)勢；如果只是跟石墨進(jìn)行搭配，跟中鎳三元提高電壓之后密度相當(dāng)。”廣汽集團(tuán)汽車工程研究院高級工程師梅驁分析道。
事實上，硅負(fù)極材料正在加速被越來越多的企業(yè)引入。今年年初，蔚來發(fā)布預(yù)期于2022年交付的150kWh電池包，正極使用納米包覆超高鎳正極，負(fù)極使用“無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)”，同時使用半固態(tài)電解質(zhì)，單體能量密度達(dá)350Wh/kg。
除此之外，智己汽車所采用的寧德時代的“摻硅補(bǔ)鋰”電池，也通過提高負(fù)極中硅的含量，同時增加鋰的含量，進(jìn)而提升電池性能。使其實現(xiàn)300Wh/kg的單體能量密度，在未來5年內(nèi)將陸續(xù)推向市場。
不僅是三元材料，磷酸鐵鋰與硅負(fù)極結(jié)合，也能對能量密度提升起到催化作用。今年伊始，國軒高科首次亮相了210Wh/kg的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品。國軒高科表示，將磷酸鐵鋰能量密度拔高到210Wh/kg，離不開關(guān)鍵的“高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)。
當(dāng)前，使用石墨做電池負(fù)極材料仍然是市場的主流選擇，但因為其理論克容量偏低（約372mAh/g），已進(jìn)入瓶頸期。業(yè)內(nèi)主流分析認(rèn)為，隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，負(fù)極材料產(chǎn)品升級是必然趨勢，石墨負(fù)極體系向硅基負(fù)極體系升級是主要方向。
在多種新型負(fù)極材料中，硅具有超高的理論比容量（4200mAh/g，高出傳統(tǒng)石墨材料10倍多）和較低的脫鋰電位，且由于其電壓平臺與石墨相比較高，在充電時表面鋰離子不易被析出，電池綜合安全性能更為出色，是替換鋰離子電池碳基負(fù)極最為實際的選擇。
追溯起來，研發(fā)硅材料以應(yīng)用于鋰電池負(fù)極始自上世紀(jì)90年代，但直至2014年左右才實現(xiàn)硅碳負(fù)極、硅氧負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化。從國際來看，松下于2017年將硅碳負(fù)極批量應(yīng)用于動力電池，供應(yīng)特斯拉Model3，其電池能量密度登上300Wh/kg高峰。此外，三星、LG化學(xué)的硅基負(fù)極，主要應(yīng)用于消費(fèi)電池領(lǐng)域。日本GS湯淺的硅基負(fù)極材料鋰電池，應(yīng)用在三菱汽車上。
從國內(nèi)來看，寧德時代、力神電池、國軒高科、比亞迪、比克動力、微宏動力等都在加快硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。早在2016年，寧德時代就啟動了以高鎳材料為正極、硅碳復(fù)合物為負(fù)極的動力電池研發(fā)項目。2018年力神電池開發(fā)出高比能量高鎳系正極材料，同時研制性能良好的硅碳負(fù)極材料，并基于該體系開發(fā)出的電芯單體比能量達(dá)303Wh/Kg。此外，國軒高科研發(fā)的高鎳三元電芯，負(fù)極采用硅碳材料，能量密度可達(dá)300Wh／kg。
除了電池企業(yè)，材料企業(yè)也抓緊在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域的投入和投產(chǎn)。其中，杉杉股份的高容量硅合金負(fù)極材料已產(chǎn)業(yè)化，可滿足新能源乘用車用動力電池300wh/kg 性能要求，并已對寧德時代供貨；中科電氣目前已建設(shè)完成硅基負(fù)極材料中試產(chǎn)線，進(jìn)行成品試生產(chǎn)；貝特瑞現(xiàn)有硅基負(fù)極生產(chǎn)線已投產(chǎn)。除此之外，江西紫宸、深圳斯諾、江西正拓、創(chuàng)亞動力、大連麗昌、硅寶科技等都在積極推進(jìn)硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化。
不過，值得注意的是，雖然硅碳材料優(yōu)勢明顯，但是目前電池在批量生產(chǎn)的過程中，還存在容量快速衰減、電池容易變形、循環(huán)次數(shù)達(dá)不到要求等問題，真正好的硅碳負(fù)極產(chǎn)品和用得好的電池廠家并不是很多；而且，以目前的技術(shù)條件下，硅碳負(fù)極的性價比不夠高，電池容量提升5%-10%的情況下，電池的成本要增加20%-30%甚至更高。
雖然如此，但瑕不掩瑜。未來硅碳負(fù)極的應(yīng)用前景是非常光明的。業(yè)內(nèi)預(yù)計，隨著我國對動力電池的能量密度提出要求，硅碳材料的應(yīng)用將逐年提高，2021-2026年硅碳負(fù)極材料滲透率年均增長率將在3％-5％之間。預(yù)計2026年我國硅碳負(fù)極材料的市場滲透率將達(dá)到23%，則至2026年我國硅碳負(fù)極材料市場需求或達(dá)50萬噸。
來源： 電池中國
