解析鋰電池用硅碳復(fù)合材料的研究及進(jìn)展
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-06 19:53
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鋰離子電池具有電壓平臺(tái)高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品、電動(dòng)工具等領(lǐng)域中。近年來(lái)，隨著科技和社會(huì)的發(fā)展，輕量化、小型化成為各類產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)；同時(shí)，隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，節(jié)能環(huán)保也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。高能量鋰離子電池的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也逐漸進(jìn)入了人們的視野。
鋰電池
開(kāi)發(fā)高比容量、低電壓平臺(tái)的負(fù)極材料是提升電池能量密度的主要途徑之一。硅是如今發(fā)現(xiàn)的所有負(fù)極材料中比容量最高的材料，其質(zhì)量比容量可達(dá)到 4200 mAh/g， 體積比容量可達(dá)9786 mAh/cm3，是目前商業(yè)化的石墨基負(fù)極材料質(zhì)量比容量( 372 mAh/g) 的 10 倍以上。 但是，硅在充放電過(guò)程中容量衰減很快，導(dǎo)致其商業(yè)化過(guò)程舉步維艱。主要是因?yàn)? 1) 硅顆粒形態(tài)和體積的變化。硅顆粒在脫嵌鋰過(guò)程中的體積膨脹高達(dá) 300%， 這種體積的變化給電池設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難；
2) 材料的粉化。由于硅在充放電過(guò)程中存在較大的體積變化，同時(shí)顆粒內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)造成顆粒的破碎，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒粉化；
3) 固體電解質(zhì)界面膜( SEI 膜) 的不斷 生長(zhǎng)導(dǎo)致其不斷變厚，使得材料導(dǎo)電性變差；同時(shí)，SEI 膜的不斷生長(zhǎng)導(dǎo)致大量鋰離子的損失，造成容量的衰減。為了改善硅的電化學(xué)性能， 需降低硅的體積變化。為此， 研究者做了大量的工作， 比如: 硅顆粒的納米化 ( 納米線、納米管、多孔硅、空心硅、硅薄膜) 、復(fù)合化( 無(wú)定形碳、碳納米管、石墨烯、二氧化鈦) 、合金化( FeSi、NiSi) 、采用新型的導(dǎo)電劑及電解液添加劑( 自愈型聚合物、導(dǎo)電聚合物) 等。
硅納米線
通過(guò)將硅的顆粒降低到納米尺寸，可以有效降低硅在充放電過(guò)程中的極化，以及硅顆粒的膨脹和收縮效應(yīng)。然而，納米顆粒具有較高的比表面積，使得納米硅需消耗大量的電解液來(lái)生成SEI 膜，造成較低的庫(kù)倫效率和嚴(yán)重的容量衰減。 另外，納米材料的振實(shí)密度較低，在同樣的面密度下，電極厚度較大、離子與電子傳輸距離較遠(yuǎn)。最后，由于硅的導(dǎo)電性差，充放電過(guò)程中材料的極化現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重。 碳材料在充放電過(guò)程中體積變化小， 循環(huán)穩(wěn)定性好， 同時(shí)碳材料是離子與電子的混合導(dǎo)體。石墨類碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。由于硅和碳的化學(xué)性質(zhì)相近，兩者又能緊密結(jié)合。因此，近年來(lái)，研究者對(duì)硅負(fù)極材料的研究主要集中在硅碳負(fù)極上。
國(guó)開(kāi)證券認(rèn)為，從供需兩端情況來(lái)看，龍頭動(dòng)力電池企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)仍有較強(qiáng)的內(nèi)生動(dòng)力。根據(jù)鋰電大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅國(guó)內(nèi)15家主流電池企業(yè)2018-2020年擴(kuò)產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到166GWh，預(yù)計(jì)將拉動(dòng)鋰電池設(shè)備增量市場(chǎng)500億至660億元。
作為全球最大的新能源汽車產(chǎn)銷市場(chǎng)，我國(guó)新能源政策已開(kāi)始引領(lǐng)國(guó)際產(chǎn)業(yè)布局與技術(shù)革新，中國(guó)市場(chǎng)成為全球新能源產(chǎn)業(yè)投資布局的重點(diǎn)，而新能源電池行業(yè)也成為新藍(lán)海。
根據(jù)真鋰研究發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量突破77萬(wàn)輛大關(guān)，其中國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)鋰離子電池裝機(jī)33.62GWh，同比增長(zhǎng)21.24%；2018年前8個(gè)月，這一數(shù)據(jù)已達(dá)到23.5GWh，同比增長(zhǎng)92.47%。不難看出，新能源車型的逐步走強(qiáng)，直接帶動(dòng)了鋰離子電池的爆發(fā)性增長(zhǎng)。
值得注意的是，新能源汽車的銷售火爆也影響到了車用鋰電池材料市場(chǎng)。
日本民間調(diào)查機(jī)構(gòu)矢野經(jīng)濟(jì)研究所公布調(diào)查報(bào)告指出，2017 年全球鋰離子電池四大關(guān)鍵材料（正極材、負(fù)極材、電解液和分隔膜）市場(chǎng)規(guī)模（廠商出貨金額）預(yù)計(jì)年增 49.0% 至 147.15 億美元。
矢野指出，在車用鋰離子電池需求帶動(dòng)下，提振電池材料需求將持續(xù)擴(kuò)大，預(yù)估 2018 年全球四大關(guān)鍵材料市場(chǎng)規(guī)模將年增 24.0% 至 182.47 億美元。其中，正極材預(yù)估將年增 33.8% 至 118.13 億美元、負(fù)極材將年增 15.7% 至 21.02 億美元、電解液將年增 2.2% 至 17.06 億美元、分隔膜將年增 9.4% 至 26.24 億美元。
預(yù)計(jì)2020年正極材全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估將擴(kuò)增至 165.87 億美元，將較 2017 年大增 87.9%；負(fù)極材將擴(kuò)增至 39.02 億美元，將較 2017 年暴增 188.8%；電解液將擴(kuò)增至 30.95 億美元，將較 2017 年大增 85.4%；分隔膜將擴(kuò)增至 45.61 億美元，將較 2017 年大增 90.1%。（校對(duì)/Oliver）
