據(jù)我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》的規(guī)劃，到2020年，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池單體能量密度目標(biāo)350Wh/kg。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，按照目前動(dòng)力電池的材料體系，實(shí)現(xiàn)這一“小目標(biāo)”希望甚微。目前情況下，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑是發(fā)展高能量密度電極材料。

硅基材料由于其高電化學(xué)容量，被認(rèn)為是一種非常有發(fā)展前途的鋰離子電池負(fù)極材料。但是，硅負(fù)極材料在充放電過(guò)程中體積變化大，導(dǎo)致電池材料容量損失，循環(huán)性能差。這些因素一度成為阻礙其商業(yè)化的主要原因。

硅基負(fù)極材料最新研發(fā)應(yīng)用成果

自索尼推出商用鋰離子電池以來(lái)，石墨負(fù)極即牢牢占據(jù)著鋰離子電池負(fù)極材料的統(tǒng)治地位。石墨類(lèi)材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從人造石墨，天然石墨，再到中間相石墨，已經(jīng)接近石墨材料理論比容量372mAh/g。這嚴(yán)重制約了鋰離子電池能量密度的提高。多年來(lái)，電池業(yè)界試圖開(kāi)發(fā)出能夠替代石墨的負(fù)極材料，硅基材料的出現(xiàn)給業(yè)界帶來(lái)了希望。

據(jù)悉，硅基負(fù)極材料的比容量可達(dá)到4200mAh/g，高出石墨負(fù)極10倍有余，這讓硅基負(fù)極材料很快受到電池業(yè)界的追捧。但是，硅基負(fù)極材料也有一個(gè)與生俱來(lái)的巨大缺陷，那就是體積膨脹問(wèn)題。在鋰電池充放電過(guò)程中，當(dāng)鋰材料嵌入到硅晶胞內(nèi)時(shí)，硅基負(fù)極材料的晶格體積膨脹達(dá)到驚人的360%(石墨負(fù)極膨脹最大為10%左右)。體積膨脹導(dǎo)致硅基材料顆粒粉化，造成電池材料容量損失，循環(huán)性能差。

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如何克服硅基材料的缺陷,減小體積膨脹，從而獲得較好的容量保持率和循環(huán)性能成為電池材料業(yè)界研發(fā)的重點(diǎn)方向。目前，業(yè)界主要的研究方向?yàn)楣杌牧系募{米化和復(fù)合化。納米化主要研究方向包括硅納米顆粒、硅納米線(xiàn)/管、硅薄膜、3D多孔結(jié)構(gòu)硅等；復(fù)合化主要研究方向包括硅/金屬型復(fù)合、硅/碳型復(fù)合以及三元型復(fù)合(如硅/無(wú)定形碳/石墨三元復(fù)合)。

據(jù)了解，特斯拉發(fā)布的Model3所采用的動(dòng)力電池新負(fù)極材料，即為硅/碳型復(fù)合材料。通過(guò)在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉讓電池容量達(dá)到了550mAh/g以上，電池能量密度達(dá)300wh/kg。

近期，氧化亞硅作為新的硅基材料也進(jìn)入了人們的視野。據(jù)悉，氧化亞硅是一種不穩(wěn)定的硅氧化物，在空氣中加熱時(shí)會(huì)形成白色的二氧化硅粉末。氧化亞硅的容量雖然沒(méi)有純硅負(fù)極容量高，但Si-O鍵的強(qiáng)度是Si-Si鍵強(qiáng)度的2倍，且反應(yīng)過(guò)程中形成的Li2O化合物對(duì)體積膨脹具有緩沖作用，因此其循環(huán)性能遠(yuǎn)比硅優(yōu)越，因此吸引了眾多業(yè)界的關(guān)注。

需要指出的是，目前業(yè)界研發(fā)應(yīng)用的硅基材料，如氧化亞硅和納米硅，一般都進(jìn)行了碳包覆。硅基材料的體積膨脹由碳包覆層共同承擔(dān)后，可以有效避免在嵌脫鋰過(guò)程中因巨大的體積變化而導(dǎo)致的粉化。

此外，眾所周知，傳統(tǒng)石墨材料價(jià)格優(yōu)勢(shì)很明顯。硅基材料產(chǎn)業(yè)化后的成本是否能夠與其抗衡，值得關(guān)注。

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業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，雖然硅基材料成本比石墨負(fù)極高2-5倍，但在性能上尤其是能量密度上，硅基材料亦可提升2-5倍。加上其成本在電池中相比其他材料而言的占比并不高，電池企業(yè)完全可以消化替換傳統(tǒng)石墨材料的成本壓力。

企業(yè)紛紛布局硅基負(fù)極材料

目前，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇。業(yè)內(nèi)人士表示，現(xiàn)在各負(fù)極材料企業(yè)都在上演一場(chǎng)硅基負(fù)極材料的競(jìng)逐大戰(zhàn)。

2016年11月，國(guó)軒高科公告，擬募資不超過(guò)36億元用于動(dòng)力電池相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)，其中包括5000噸硅基負(fù)極材料項(xiàng)目。在硅基負(fù)極材料項(xiàng)目可行性報(bào)告中，國(guó)軒高科稱(chēng)已掌握硅基負(fù)極材料表面改性及材料預(yù)鋰化等關(guān)鍵技術(shù)，可以有效緩沖硅材料體積膨脹對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。國(guó)軒高科內(nèi)部人士透露，預(yù)計(jì)這款材料產(chǎn)業(yè)化將在2018年實(shí)現(xiàn)。

除了國(guó)軒高科，國(guó)內(nèi)包括斯諾、星城石墨、湖州創(chuàng)亞等企業(yè)都在積極推進(jìn)硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化。湖州創(chuàng)亞相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，湖州創(chuàng)亞硅基負(fù)極材料2017年上半年將進(jìn)入中試量產(chǎn)。

如果說(shuō)國(guó)軒高科等企業(yè)的硅基負(fù)極材料還處在初級(jí)預(yù)產(chǎn)或試產(chǎn)階段的話(huà)，那么，貝特瑞、上海杉杉等國(guó)內(nèi)一線(xiàn)負(fù)極材料生產(chǎn)商的硅基負(fù)極材料已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)量產(chǎn)階段。

2016年8月，中國(guó)寶安在互動(dòng)平臺(tái)上表示，公司下屬公司貝特瑞生產(chǎn)的硅基負(fù)極材料已有國(guó)外客戶(hù)批量使用，未來(lái)訂單將有較大增長(zhǎng)。

近期，上海杉杉投資部部長(zhǎng)堯桂明介紹，納米硅和氧化亞硅是公司比較成熟的硅基負(fù)極材料，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前氧化亞硅出貨量可達(dá)2噸/月，納米硅有幾百公斤/月，已送樣至三星、LG、松下等國(guó)際電池企業(yè)。據(jù)悉，杉杉股份在硅、石墨烯材料領(lǐng)域累計(jì)發(fā)布了10項(xiàng)專(zhuān)利聲明。

在國(guó)外，據(jù)媒體公開(kāi)資料顯示，日本GS湯淺公司已推出采用硅基負(fù)極材料的鋰電池，并成功應(yīng)用在了三菱汽車(chē)上；日立麥克賽爾則宣布已開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)高電流容量硅負(fù)極鋰電池；此外，日本三井金屬也雄心勃勃地要將硅負(fù)極鋰電池推向消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車(chē)兩大領(lǐng)域。

值得注意的是，目前，據(jù)相關(guān)測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)評(píng)估的硅基負(fù)極材料中，韓國(guó)和日本的相關(guān)技術(shù)明顯強(qiáng)于我國(guó)，其硅氧負(fù)極材料已經(jīng)達(dá)到1500mAh/g，且較為穩(wěn)定，而我國(guó)目前僅為500mAh/g。國(guó)內(nèi)企業(yè)在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備和開(kāi)發(fā)與國(guó)外仍存在一定差距。

業(yè)內(nèi)人士表示，未來(lái)2-3年，國(guó)內(nèi)硅基負(fù)極材料會(huì)實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的導(dǎo)入，國(guó)家相關(guān)政策也會(huì)推進(jìn)硅基負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化。