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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-06-15 點(diǎn)擊1083次
硅碳負(fù)極材料正走向產(chǎn)業(yè)化
硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程始于20世紀(jì)20年代，1970年，硅元素被應(yīng)用到鋰離子電池負(fù)極，實(shí)驗(yàn)者們開始使用能形成合金的元素作為負(fù)極。1971年Dey發(fā)現(xiàn)了一部分金屬元素(Si，Al，Mg，Zn，Pt，Sn等)可以和鋰離子在室溫下形成電化學(xué)的合金。1976年Sharma和Swwfurth在400℃-500℃下進(jìn)行了電池的測(cè)試并發(fā)現(xiàn)了Li-Si合金的形成。Li-Si合金相包含了Li12Si7，Li14Si6，Li13Si4，Li22Si5等。特別是Li22Si5相生成了4200mAh/g的理論容量，其容量是所有Li的合金相中最高的。
1990-2000年是硅基負(fù)極初步發(fā)展的時(shí)期。Dahn等人首先探索了熱解含硅聚合物制備硅基負(fù)極的方法，研究的典型聚合物包括聚硅氧烷、環(huán)氧硅烷等。在20世紀(jì)90年代末期，納米級(jí)的硅與其他矩陣的復(fù)合物也被應(yīng)用來(lái)改進(jìn)硅基負(fù)極的性能。Wang等使用利用物理方法制備了硅/石墨的復(fù)合物，其容量從437mAh/g提升到1039mAh/g。Kumta等通過(guò)高能機(jī)械研磨制備了Si/TiN復(fù)合物，將Si分布在TiN的陣列來(lái)緩解體積變化。總的來(lái)說(shuō)，這十年的硅基負(fù)極開始了緩慢的進(jìn)展，研究成果也極大的鼓舞世界范圍內(nèi)對(duì)鋰離子電池研究的興趣。
進(jìn)入21世紀(jì)后，硅基負(fù)極的研究也更加的深入。在2000-2005年中，零維硅顆粒、硅合金、硅薄膜和復(fù)合活性/非活性的緩沖矩陣等方法也被開發(fā)出來(lái)。而到2006-2010年期間，研究重點(diǎn)又轉(zhuǎn)移到了一維的硅納米線、硅納米管和三維的硅納米結(jié)構(gòu)上并實(shí)現(xiàn)了容量的大幅提高。到2018年為止，硅基負(fù)極已經(jīng)有了爆炸式的發(fā)展，逐漸添加于工業(yè)產(chǎn)生的電極之中。小尺度硅納米顆粒、二維、三維的硅結(jié)構(gòu)均有了詳細(xì)的研究并建立了成熟的體系。
圖表1：全球硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
全球各大企業(yè)正積極研發(fā)
早在1990年日本就成功研制了以石油焦為負(fù)極的鋰離子電池，1996年納米結(jié)構(gòu)的硅顆粒與碳相結(jié)合并陸續(xù)應(yīng)用于負(fù)極材料。
2012年日本松下發(fā)布NCR18650C型號(hào)電池，容量高達(dá)4000mAh。
2016年韓國(guó)一家研究所通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)法，有效解決了硅體積膨脹的問(wèn)題，將有助于推動(dòng)碳-納米硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料大規(guī)模生產(chǎn)。
2017年特斯拉通過(guò)在人造石墨中加入10%的硅基材料，已經(jīng)在Model3上采用硅碳負(fù)極作為動(dòng)力電池新材料，電池容量達(dá)到了550mAh/g以上，電池能量密度可達(dá)300Wh/kg。
圖表2：硅碳負(fù)極材料企業(yè)研發(fā)進(jìn)展
行業(yè)市場(chǎng)需求逐漸增長(zhǎng)
伴隨著全球硅碳負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化，全球硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)需求逐漸增長(zhǎng)。根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)數(shù)據(jù)，全球負(fù)極材料市場(chǎng)需求從2014年的7.51萬(wàn)噸提高至2018年的17.72萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到23.94%。
2016-2017年硅碳負(fù)極材料逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，市場(chǎng)需求量較少，2018年市場(chǎng)逐漸放量。根據(jù)新材料在線數(shù)據(jù)，2018年全球硅碳負(fù)極材料需求量達(dá)到0.67萬(wàn)噸。根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)2018年全球負(fù)極材料市場(chǎng)需求量17.72萬(wàn)噸的數(shù)據(jù)計(jì)算，2018年硅碳負(fù)極材料滲透率為3.78%。
圖表3：2014-2018年全球負(fù)極材料及硅碳負(fù)極材料需求情況(單位：萬(wàn)噸)
新能源汽車帶動(dòng)市場(chǎng)需求前景廣闊
隨著新能源汽車品牌的不斷增多，新能源車型結(jié)構(gòu)的不斷豐富，消費(fèi)者對(duì)新能源的消費(fèi)意向不斷增強(qiáng)，世界新能源汽車銷量也與日俱增。根據(jù)全球汽車產(chǎn)業(yè)平臺(tái)MARKLINES的數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球新能源汽車銷量突破200萬(wàn)輛，達(dá)到237萬(wàn)輛的水平。截至2018年底，全球新能源汽車?yán)塾?jì)銷售突破550萬(wàn)輛。而根據(jù)新能源汽車研究機(jī)構(gòu)EVTank數(shù)據(jù)，2019-2025年，全球新能源乘用車銷量還將不斷增長(zhǎng)，銷量將由2019年的221萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2025年的1200萬(wàn)輛，年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到32.6%。
圖表4：2017-2025年全球新能源乘用車銷量預(yù)測(cè)(單位：萬(wàn)輛)
新能源汽車銷量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，新能汽車等大型器件對(duì)鋰離子電池提出更高倍率的充放電等要求，而目前使用的正負(fù)極材料越來(lái)越不能滿足上述需求。為了提升鋰離子電池的性能，先提高負(fù)極的電化學(xué)性能無(wú)疑是最方便最有效率的。
硅具有較大的理論比容量(4200mAh/g)，比石墨類負(fù)極材料的比容量(372mAh/g)高一個(gè)數(shù)量級(jí)和較低的嵌鋰電位。硅與電解液反應(yīng)活性低，在地殼中儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，是新一代鋰離子電池負(fù)極材料的理想選擇。
未來(lái)隨著硅碳負(fù)極材料成本的進(jìn)一步降低，根據(jù)新材料在線預(yù)測(cè)，2020年硅碳負(fù)極材料滲透率將達(dá)到15%。2018-2020年硅碳負(fù)極材料滲透率年均增長(zhǎng)5.61個(gè)百分點(diǎn)。未來(lái)隨著硅碳負(fù)極逐漸替代石墨作為電池負(fù)極的重要材料以及硅碳負(fù)極材料技術(shù)及成本方面的進(jìn)一步突破，前瞻預(yù)計(jì)2021-2025年硅碳負(fù)極材料滲透率年均增長(zhǎng)率將在4-5個(gè)百分點(diǎn)之間。
預(yù)計(jì)2025年硅碳負(fù)極材料滲透率將達(dá)到36%左右，而根據(jù)中國(guó)物理與化學(xué)行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2020-2022年全球負(fù)極材料需求將分別達(dá)到30.22萬(wàn)噸、39.35萬(wàn)噸、50.80萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率為29.65%。前瞻在此基礎(chǔ)上預(yù)計(jì)2023-2025年隨著負(fù)極材料下游需求領(lǐng)域發(fā)展的放緩，預(yù)計(jì)2025年全球負(fù)極材料需求將達(dá)到87萬(wàn)噸左右。按照這一數(shù)據(jù)以及前文對(duì)全球硅碳負(fù)極材料滲透率的預(yù)測(cè)，2025年全球硅碳負(fù)極材料需求量將達(dá)到31萬(wàn)噸左右。