中國粉體網(wǎng)訊 今年3月1日，國家工信部等四部委聯(lián)合公布了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，該文件對動力電池的未來發(fā)展方向做了規(guī)劃，并對產(chǎn)品性能提出了具體要求——到2020年，新型鋰離子動力電池單體比能量超過300瓦時/公斤，系統(tǒng)比能量力爭達到260瓦時/公斤；到2025年，新體系動力電池技術(shù)取得突破性進展，單體比能量達500瓦時/公斤。
傳統(tǒng)石墨負極很難達到這一目標，采用硅碳負極可能是動力電池的必然選擇，它也將可能成為未來負極材料的應(yīng)用主流。然而，硅碳負極的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之路可能并不輕松，還有一系列問題需要解決。
硅是目前已知的比容量最高的鋰離子負極材料，可達到4200mAh/g，是石墨的十倍左右， 而且在地殼元素中儲量豐富(26.4%，第2位)。因此，硅被看作是當(dāng)下最有潛力的負極材料。
硅做負極時，從工作原理看，充電時鋰離子從正極材料脫出，嵌入硅晶體內(nèi)部晶格間時，造成膨脹（可達300%），形成硅鋰合金；而放電時鋰離子從晶格間脫出，又形成大的間隙。如果單獨使用硅作為負極材料，脫嵌過程中，由于硅晶體體積出現(xiàn)明顯變化，易造成硅負極材料從集流體剝離下來，導(dǎo)致極片露箔并引起電化學(xué)腐蝕和短路等現(xiàn)象，影響電池的安全和使用壽命。
硅碳復(fù)合材料則可以彌補這一不足。碳負極材料循環(huán)穩(wěn)定，導(dǎo)電性能優(yōu)異，且鋰離子對碳的層間距影響不大，可緩沖和適應(yīng)硅的體積膨脹，因此，碳常被用來與硅進行復(fù)合。硅碳復(fù)合材料可分為硅碳傳統(tǒng)復(fù)合材料和硅碳新型復(fù)合材料，其中傳統(tǒng)復(fù)合材料是指硅與石墨、炭黑等復(fù)合，新型硅碳復(fù)合材料是指硅與碳納米管、石墨烯等新型碳納米材料復(fù)合。業(yè)內(nèi)人士對硅碳負極材料的前景頗為看好。
今年9月，工信部公布了《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2017年版)》，該目錄中，有4項新材料涉足新能源領(lǐng)域，負極材料——硅碳負極赫然在列。關(guān)于硅碳負極，目錄明確要求需滿足：低比容量(<600mah>1.5，循環(huán)壽命>300圈(80%，1C)；高比容量(>600mAh/g)：壓實密度>1.3，循環(huán)壽命>100圈(80%，0.5C)。
據(jù)了解，目前，我國硅碳負極材料比容量在450mAh/g左右，離600mAh/g的指標還有一定的差距。理論上，硅碳負極應(yīng)該是比較理想的動力電池負極材料，然而，至今硅碳負極仍未大規(guī)模推廣。電池中國網(wǎng)認為，其產(chǎn)業(yè)化障礙主要在于：
1.膨脹問題。硅碳負極材料的循環(huán)性能和膨脹問題未徹底解決，硅材料較低的壓實密度和嵌鋰后體積的顯著膨脹，正如業(yè)內(nèi)專家所言，這個特點在一定程度上影響了電池結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計。
2.首次充放電效率低。硅碳負極在首次充放電時會形成SEI膜，SEI在硅的體積變化影響下被反復(fù)破壞與重新形成，鋰離子被大量消耗，從而造成電池容量下降。
3.材料加工成本高。電池負極材料在走向納米化，不同的材料對物料的研磨工藝有不同的要求，硅碳負極對研磨機的性能是一個極大的挑戰(zhàn)，其納米化生產(chǎn)效率不高，復(fù)合過程復(fù)雜，導(dǎo)致成本比石墨高很多。
目前，硅碳負極材料在產(chǎn)品性能方面還需進一步提升，業(yè)內(nèi)也在努力。比如，電池中國網(wǎng)曾討論過硅碳負極的膨脹問題，我們可以多從力學(xué)的角度研究電池內(nèi)部的應(yīng)力問題，通過控制碳材料中硅的含量，將硅的體積減小到納米級，或者通過改變石墨質(zhì)地、形態(tài)等，實現(xiàn)碳和硅的最佳匹配；還可通過采用其他物質(zhì)對硅材料進行包覆，促進膨脹后的復(fù)原，或采用更適宜的電極材料等一系列方法，來減少硅膨脹帶來的諸多問題。此外，通過采用穩(wěn)定的電解液，形成穩(wěn)定的SEI膜，也可以減少電解液的消耗，提高循環(huán)效率。
硅碳負極材料的產(chǎn)業(yè)化是一個大趨勢。很多國際知名電池企業(yè)都制定了能量密度提升計劃，比如，三星SDI計劃于2023年達到350Wh/kg；比亞迪計劃于2020年達到300Wh/kg；寧德時代計劃于2020年達到350Wh/kg。為實現(xiàn)上述目標，各廠家都制定了具體的實現(xiàn)路徑，都將硅碳負極作為電極材料。目前，不少企業(yè)已經(jīng)在積極布局，有的企業(yè)甚至已經(jīng)量產(chǎn)。
在國家政策的推動下，未來硅碳負極材料將迎來快速發(fā)展。據(jù)預(yù)測，2020年硅碳負極材料市場空間高達50億元。如果電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)能夠預(yù)見市場趨勢，提前布局硅碳負極材料，做好技術(shù)儲備，必能搶占新能源發(fā)展的先機。
