負(fù)極材料企業(yè)正擴(kuò)張硅碳材料產(chǎn)能，相關(guān)配套材料研發(fā)及生產(chǎn)也趨向成熟

編者按

從2017年下半年開始，采用硅碳負(fù)極的鋰電池有少量推向高端數(shù)碼市場(chǎng)，動(dòng)力電池企業(yè)也正在抓緊研發(fā)當(dāng)中，快者處于中試水平。2018年硅碳復(fù)合材料用量將達(dá)2000-3000噸，同比增長(zhǎng)一倍左右。

國(guó)內(nèi)要實(shí)現(xiàn)2020年動(dòng)力電池能量密度達(dá)到300Wh/kg的目標(biāo)，采用傳統(tǒng)的石墨根本不可能實(shí)現(xiàn)，采用硅碳材料是必然出路。正是在動(dòng)力電池能量密度快速提升的迫切需求下，屬于硅碳負(fù)極的時(shí)代即將到來。

近日高工鋰電從量產(chǎn)硅碳電池企業(yè)、相關(guān)配套材料企業(yè)等多方獲悉，從2017年下半年開始，采用硅碳負(fù)極的鋰電池有少量推向高端數(shù)碼市場(chǎng)，動(dòng)力電池企業(yè)也正在抓緊研發(fā)當(dāng)中，快者處于中試水平。2018年硅碳復(fù)合材料用量將達(dá)2000-3000噸，同比增長(zhǎng)一倍左右。

“公司硅碳電池主要用于高端數(shù)碼?！币患译姵仄髽I(yè)高層透露，雖然硅碳負(fù)極成本高，但用于終端產(chǎn)品的價(jià)格也高。硅碳電池暫時(shí)未用于動(dòng)力，不是因?yàn)檠邪l(fā)生產(chǎn)難度特別高，而是動(dòng)力電池需要很長(zhǎng)的使用壽命，驗(yàn)證時(shí)間不夠。

值得一提的是，業(yè)內(nèi)存在一種看法，電池企業(yè)會(huì)先將硅碳負(fù)極用于數(shù)碼鋰電池，等摸透了再向動(dòng)力電池領(lǐng)域推廣。目前圓柱、方形、軟包電池等都有在試用硅碳負(fù)極，相對(duì)而言，18650結(jié)構(gòu)比較適用硅碳負(fù)極，相對(duì)偏多些。

總體而言，硅碳動(dòng)力電池是行業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，而且距離量產(chǎn)時(shí)間越來越近，快則一年左右，慢則兩年左右。目前主流負(fù)極材料企業(yè)正抓緊擴(kuò)張硅碳材料產(chǎn)能，相關(guān)配套材料（正極材料NCM811/NCA、電解液、粘貼劑）研發(fā)及生產(chǎn)也都趨向成熟。

?動(dòng)力電池企業(yè)搶占硅碳風(fēng)口 負(fù)極企業(yè)響應(yīng)擴(kuò)產(chǎn)

其實(shí)硅碳負(fù)極早已經(jīng)應(yīng)用到了動(dòng)力電池領(lǐng)域，2016年4月特斯拉Model3發(fā)布時(shí)，就有分析指出，Model3采用了松下電池，負(fù)極材料是人造石墨中加入10%的硅基材料，容量在550mAh/g以上，能量密度可達(dá)300Wh/kg。

除松下率先初步實(shí)現(xiàn)硅碳動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化以外，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)比亞迪、寧德時(shí)代、天津力神、萬向A123、國(guó)軒高科、微宏動(dòng)力等都展開了對(duì)硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。

2016年10月消息顯示，由省科技廳重點(diǎn)推動(dòng)，寧德時(shí)代與中科院物理研究所等單位聯(lián)合申報(bào)的“新一代鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目啟動(dòng)，研發(fā)以高鎳三元材料為正極、硅碳復(fù)合物為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池，可將鋰離子動(dòng)力電池的比能量從目前的150～180Wh/kg大幅提高至300Wh/kg以上，有效提升我國(guó)動(dòng)力蓄電池產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

據(jù)了解，上述項(xiàng)目將在2020年產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，屆時(shí)開發(fā)的高比能動(dòng)力電池，將把電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程提升一倍，達(dá)到450-500公里。

2017年上半年消息顯示，天津力神牽頭承擔(dān)的國(guó)家項(xiàng)目“高比能量密度鋰離子動(dòng)力電池開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)”開發(fā)完成能量密度達(dá)260Wh/kg的動(dòng)力電池單體，在350次充放電循環(huán)后容量保持率達(dá)到83.28%；同時(shí)開發(fā)出了能量密度達(dá)280Wh/kg以及300Wh/kg的動(dòng)力電池樣品。這其中，就應(yīng)用到了硅碳復(fù)合負(fù)極材料。

同樣在2017年上半年，國(guó)軒高科牽頭承擔(dān)的重點(diǎn)專項(xiàng)“高比能量動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”進(jìn)展顯示，在該項(xiàng)目中，采用高鎳正極材料匹配硅基負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)單體電池能量密度達(dá)281Wh/kg，1C倍率充放室溫循環(huán)350次容量保持80%；采用富鋰正極材料匹配硅基負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)單體電池能量密度達(dá)302Wh/kg，0.5C倍充倍放室溫循環(huán)195次容量保持80%。

無論是當(dāng)前的研發(fā)及試生產(chǎn)，或是即將到來的批量應(yīng)用，下游動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)硅碳負(fù)極材料都提出了明確的需求。在此趨勢(shì)下，主流負(fù)極材料企業(yè)積極響應(yīng)，在提升硅碳負(fù)極材料研發(fā)實(shí)力的同時(shí)，紛紛擴(kuò)大硅碳負(fù)極材料產(chǎn)能。

高工鋰電了解到，正拓能源通過采用納米結(jié)構(gòu)化、碳包覆處理和二次造粒三大創(chuàng)新技術(shù)，有效提高了硅碳材料的循環(huán)性能，解決了包覆不均勻?qū)е鹿璨牧吓c電解液中HF組分與硅反應(yīng)引起的電性能惡化和極片膨脹的問題。其硅碳負(fù)極具有克容量高(400mAh/g-650mAh/g)、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品首次放電容量≥420mAh/g；庫(kù)倫效率≥91%，1000周0.5C循環(huán)后容量保持率≥80%。

據(jù)正拓能源負(fù)責(zé)人透露，公司建設(shè)的年產(chǎn)3000噸硅碳負(fù)極材料項(xiàng)目已經(jīng)于2017年8月實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，前期主推420mAh/g和450mAh/g兩個(gè)型號(hào)，目前處于送樣測(cè)試和小批量供貨階段。同時(shí)，公司還在進(jìn)一步研發(fā)500mAh/g、650mAh/g的超高容量硅碳負(fù)極，為后續(xù)的容量持續(xù)提升做技術(shù)儲(chǔ)備。

杉杉股份方面，2017年4月其對(duì)外稱，公司硅碳負(fù)極已經(jīng)具備每月噸級(jí)的出貨規(guī)模，預(yù)計(jì)2017年有望完成4000噸/年的生產(chǎn)規(guī)模。7月，公司在接受投資機(jī)構(gòu)調(diào)研時(shí)對(duì)外表示，公司硅碳負(fù)極已經(jīng)開始逐步放量，按能量密度定價(jià)，以Wh成本計(jì)量。

璞泰來于2017年4月宣布，計(jì)劃投資50億元在江蘇溧陽建隔膜、負(fù)極材料等項(xiàng)目，而在該項(xiàng)目中，就包括與中科院物理所合作量產(chǎn)新型硅碳復(fù)合負(fù)極材料。來自招商證券資料顯示，國(guó)軒高科募投了5000噸/年的硅碳負(fù)極材料項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2018年投產(chǎn)。

?正極/電解液及粘合劑企業(yè)配合研發(fā) 創(chuàng)新產(chǎn)品量產(chǎn)

業(yè)界分析認(rèn)為，做出硅碳復(fù)合負(fù)極材料并不難，但批量生產(chǎn)出電化學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料則非常難。制約硅碳負(fù)極大規(guī)模應(yīng)用的問題主要集中在三個(gè)方面：一是硅碳復(fù)合材料的電極膨脹率較高；二是硅碳負(fù)極材料的循環(huán)性和庫(kù)侖效率仍有待進(jìn)一步提高；三是成本問題。

若暫不考慮成本問題，只從技術(shù)角度考慮，解決硅碳負(fù)極膨脹缺陷及循環(huán)性差的問題，除了需要負(fù)極材料企業(yè)及電池企業(yè)共同努力以外，還需要包括正極材料、電解液和粘合劑在內(nèi)的“一攬子”配方和工藝解決方案。

正極材料方面，硅碳負(fù)極主要搭配正極材料NCM811、NCA，而國(guó)內(nèi)正極材料行業(yè)正從NCM523向NCM622過渡，NCM811因高技術(shù)壁壘離走向成熟還有多項(xiàng)技術(shù)難題需克服。

不過，在行業(yè)緊迫形勢(shì)下，包括杉杉能源、當(dāng)升科技、寧波金和等正極材料企業(yè)均加快研發(fā)進(jìn)程。其中寧波金和、杉杉能源率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（詳情請(qǐng)見高工鋰電此前報(bào)道《助力動(dòng)力電池“提密降本” 6家企業(yè)高鎳三元811最新進(jìn)展》）。

電解液方面，目前硅碳電解液大多是采用高含量的FEC來穩(wěn)定硅碳負(fù)極的SEI，以此來改善硅碳負(fù)極的循環(huán)性能，但高含量的FEC容易被高鎳正極或高電壓NMC正極所催化分解，從而劣化電池的高溫存儲(chǔ)性能和高溫循環(huán)性能。

對(duì)此，新宙邦自主開發(fā)了新型正極成膜添加劑LDY196，其能明顯抑制電解液在高鎳正極和高壓NMC正極上的氧化分解，從而能有效改善高含量FEC電解液在高鎳或高電壓NMC電池下的高溫不足和循環(huán)不足的問題。

通過新型正極成膜添加劑LDY196，負(fù)極成膜添加劑VC,FEC，鋰鹽型低阻抗添加劑等開發(fā)了一系列電解液產(chǎn)品，該系列電解液產(chǎn)品用于高鎳正極/硅碳負(fù)極的動(dòng)力電池體系中，能滿足循環(huán)1000周的要求，并能獲得優(yōu)良的高溫性能和低溫性能。

該系列產(chǎn)品廣泛適用于高能量密度NCM811、NCA、高電壓三元正極配硅碳負(fù)極動(dòng)力電池，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的中高端客戶中得到大批量應(yīng)用。

另據(jù)公開資料顯示，珠海市賽緯電子材料有限公司的研發(fā)人員通過與客戶的實(shí)際合作發(fā)現(xiàn)硅負(fù)極在混合電解液中具有比在單一電解液中更好的電化學(xué)性能。將六氟磷酸鋰（LiPF6）與一定量雙草酸硼酸鋰（LiBOB）混合，并加入碳酸亞乙烯酯(VC)，LiBOB和VC的添加對(duì)形成厚的SEI層產(chǎn)生了良好的協(xié)同效應(yīng)。此外，電解液中添加新型鋰鹽如二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)也能提高硅碳電池的循環(huán)性能。

粘合劑方面，從工作原理看，硅做負(fù)極時(shí)，充電時(shí)鋰離子從正極材料脫出，嵌入硅晶體內(nèi)部晶格間時(shí)，造成膨脹（可達(dá)300%），形成硅鋰合金；而放電時(shí)鋰離子從晶格間脫出，又形成大的間隙。開發(fā)合適的粘合劑來保持電極結(jié)構(gòu)的完整很重要。

高工鋰電了解到，適用于硅碳材料的粘合劑要比一般產(chǎn)品的粘貼能力要強(qiáng)，包括與硅碳的粘貼能力及產(chǎn)品本身的內(nèi)聚力都要很強(qiáng)。硅在膨脹的時(shí)候，粘合劑能拉住它；在拉的時(shí)候，粘合劑不能變形，能恢復(fù)原狀，以保證電池的性能及壽命。另外，粘合劑需要跟電解液親和，讓電解液不影響粘合劑的內(nèi)聚力。

值得一提的是，由于每家企業(yè)的“硅”本身不一樣，加入比例也不一樣，對(duì)粘合劑的要求還會(huì)有些差別，所以需要粘合劑企業(yè)在滿足上述要求的同時(shí)，針對(duì)性地做出調(diào)整。

成都中科來方能源科技股份有限公司總經(jīng)理李仁貴透露，公司很早將適用于硅碳負(fù)極的粘合劑作為項(xiàng)目來研發(fā)，結(jié)合客戶提出的建設(shè)性意見，加之自身在粘合劑多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品，并已量產(chǎn)出貨。