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硅碳复合材料产业化渐近

发布时间:2019-09-13 20:31:39 编辑:笔名

锂电池四大材料中,正极材料、隔膜及电解液的产品种类较为丰富,且性能各异、各具特色。相较而言,负极材料以石墨为主打产品的舞台,则稍显单调。

随着下游应用要求的逐步提高,新型负极材料备受业内关注,对石墨似乎形成了潜在的威胁。湖州创亚动力电池材料有限公司(下称“湖州创亚”)总经理胡博透露:“国内已经有企业正在开发硅碳复合材料,甚至有企业开始尝试着将硅碳复合材料应用到18650电池上。”

高工产业研究院(GGII)调研也发现,国内各大负极材料企业(如江西正拓、江西紫宸、星城石墨、湖州创亚等)均在着手开发硅碳复合材料。整体来看,硅碳复合材料产业化似乎越来越近。

在高工产业研究院(GGII)的2014年度盘点中,硅碳复合材料被认为是“影响未来锂电产业发展的10大潜力材料”之一。

理论上来说,硅碳复合材料确实拥有石墨材料难以达到的性能。比如,硅碳复合材料的理论克容量约为4200mAh/g,比石墨材料的理论克容量372mAh/g高出了10倍有余。在追求高容量的动力电池时代,硅碳复合材料若能实现产业化,将大大提升单体电芯的容量,有效缓解业内对电动汽车续航里程的担忧。

正因如此,国内外众多厂家对硅碳复合材料的研究可谓“孜孜不倦”。

日前有消息称,美国加州电池开发商Enevate Corporation宣布推出用于锂离子电池的HD-Energy技术,该技术使高能量密度的可充电锂离子聚合物电池成为可能。该聚合物电池使用以硅为主要材料的新型复合阳极(即电池负极),其能量密度是传统石墨阳极的4倍。

中国工程院院士陈立泉表示,国外商用动力锂电池普遍采用三元材料与新型负极材料(如硅碳复合材料)组合,已经能够将电池比能量做到150Wh/Kg左右。而在新型锂电池材料开发与应用上,国内材料行业与国外存在差距。

令人欣喜的是,国内材料行业已经察觉终端市场对产品性能的需求,以及与国外高端材料的差距。近几年,国内锂电负极材料领域发生了些许变化,尤其是硅碳复合材料。

GGII调研显示,国内市场份额名列前茅的负极材料企业均在开发硅碳复合材料。从专利方面来看,截至2014年末,中国硅碳复合材料的专利共有269项,其中2012-2014年共申请专利186项,占比69%。

GGII分析师高小兵表示:“近几年硅碳复合材料方面专利的上升,代表着行业内对硅碳复合材料的重视,硅碳复合材料的研究进程正逐步加快。”

而硅碳复合材料的实际应用也被很多业内人士看好。胡博表示:“在未来2-3年内,对于追求高容量、循环要求不太高的电芯应用领域来说,应用硅碳复合材料作为负极材料应该是比较好的选择。目前的硅碳复合材料整体处于产品导入阶段,电芯企业有意愿试用新型的负极材料产品。如若进展快速,硅碳复合材料或有可能在一两年内实现产业化。”

江西正拓CTO杨建锋介绍,对于克容量400-500mAh/g的硅碳复合材料,国内的小批量生产和应用技术研究已接近成熟,有望在方形铝壳和圆柱形数码锂电池上得到推广应用。

不可否认,业内看好硅碳复合材料发展的人士日渐增多。但GBII在调研后表示,目前硅碳复合材料的发展仍面临两大瓶颈需突破。

首先,如果硅碳复合材料用作负极材料,锂电池在充放电过程中,硅碳的体积容易发生膨胀,且吸液能力强。从目前的技术研发情况来看,尚无办法有效解决上述问题。

对此,胡博表示:“若未能找到有效的手段得以解决膨胀引起的问题,锂电池的安全性能无法得到良好的保证,硅碳复合材料很难在新能源汽车上得到广泛应用。”

不仅如此,国内硬碳材料产品性能和生产成本与人造石墨相比并无优势,短期内批量应用在EV动力电池上的可能性不大。也即是说,硅碳复合材料可能会与锂电池应用极为重要的领域——动力电池失之交臂。另辟蹊径、寻求新的突破口,才能让其施展高克容量的性能。

其次,用硅碳复合材料的锂电池的循环寿命差,对于追求长寿命、高循环性能的新一代锂电池,单纯用硅碳复合材料还难以解决这方面的难题。

目前,有企业在尝试通过包覆、掺杂等方式,解决这方面的问题。但从行业研究进展来看,现阶段很多企业对硅碳复合材料的研究还仅限于实验室内,并没有将产品真正推向市场试用。因此,在实际的产品应用方面,缺乏相应的数据作为有利的支撑与对比。

此外,一位资深业内人士表示,对于电芯生产企业而言,硅碳复合材料除了基材的缺陷——面密度仍然较高导致成品率较低外,高耐温芯片还需要开发一系列能承受多次高低温冲击、长期高温工作的芯片封装工艺,以及耐高温组装(如PCB、焊料、保护层等配套技术),以便真正发挥出其400℃结温的高功率密度优势。

所以在硅碳复合材料产业化推进过程中,负极材料企业不仅要提高产品的性能,还须做好与其它材料的配合,以及与电芯企业、PACK企业共同谋求锂电池封装工艺的升级。未来硅碳复合材料能否实现大规模应用,有赖于这些“疑难杂症”的解决。

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