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动力电池将迈向“硅”时代?
2021-05-17   |  编辑:faye  |  772浏览人次

对于电池性能的提升,正极材料贡献的力量可谓最多,要提高能量密度,就得走高镍NCM811、中镍高电压、固态等路径。实际上,负极材料对于能量密度的提升也很关键。两者要黄金搭档,才会实现最佳的效果。

今年以来,硅负极电池技术、掺硅补锂技术、无机预锂化硅碳负极技术等,随着1000公里续航、350Wh/kg能量密度等吸眼词汇纷纷登场,一时间“硅”成为各大企业技术争奇斗艳的利器。

一个月前,广汽集团在广汽科技日上对外展示了其硅负极电池“黑科技”,电芯能量密度可提高到280Wh/kg左右,该电池可以让电动车NEDC续航达1000公里,将会应用在AION LX车型上,预计今年年内投产。

“通过对电池能量密度做测算和分析,对于高镍三元材料来说,只有跟更先进的硅碳负极结合起来的时候,才能取得高能量密度的优势;如果只是跟石墨进行搭配,跟中镍三元提高电压之后密度相当。”广汽集团汽车工程研究院高级工程师梅骜分析道。

事实上,硅负极材料正在加速被越来越多的企业引入。今年年初,蔚来发布预期于2022年交付的150kWh电池包,正极使用纳米包覆超高镍正极,负极使用“无机预锂化硅碳负极技术”,同时使用半固态电解质,单体能量密度达350Wh/kg。

除此之外,智己汽车所采用的宁德时代的“掺硅补锂”电池,也通过提高负极中硅的含量,同时增加锂的含量,进而提升电池性能。使其实现300Wh/kg的单体能量密度,在未来5年内将陆续推向市场。

不仅是三元材料,磷酸铁锂与硅负极结合,也能对能量密度提升起到催化作用。今年伊始,国轩高科首次亮相了210Wh/kg的磷酸铁锂电池产品。国轩高科表示,将磷酸铁锂能量密度拔高到210Wh/kg,离不开关键的“高克容量硅负极材料和先进的预锂化技术。

当前,使用石墨做电池负极材料仍然是市场的主流选择,但因为其理论克容量偏低(约372mAh/g),已进入瓶颈期。业内主流分析认为,随着锂电池技术的发展,负极材料产品升级是必然趋势,石墨负极体系向硅基负极体系升级是主要方向。

在多种新型负极材料中,硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g,高出传统石墨材料10倍多)和较低的脱锂电位,且由于其电压平台与石墨相比较高,在充电时表面锂离子不易被析出,电池综合安全性能更为出色,是替换锂离子电池碳基负极最为实际的选择。

追溯起来,研发硅材料以应用于锂电池负极始自上世纪90年代,但直至2014年左右才实现硅碳负极、硅氧负极的产业化。从国际来看,松下于2017年将硅碳负极批量应用于动力电池,供应特斯拉Model3,其电池能量密度登上300Wh/kg高峰。此外,三星、LG化学的硅基负极,主要应用于消费电池领域。日本GS汤浅的硅基负极材料锂电池,应用在三菱汽车上。

从国内来看,宁德时代、力神电池、国轩高科、比亚迪、比克动力、微宏动力等都在加快硅碳负极体系的研发和试生产。早在2016年,宁德时代就启动了以高镍材料为正极、硅碳复合物为负极的动力电池研发项目。2018年力神电池开发出高比能量高镍系正极材料,同时研制性能良好的硅碳负极材料,并基于该体系开发出的电芯单体比能量达303Wh/Kg。此外,国轩高科研发的高镍三元电芯,负极采用硅碳材料,能量密度可达300Wh/kg。

除了电池企业,材料企业也抓紧在硅基负极材料领域的投入和投产。其中,杉杉股份的高容量硅合金负极材料已产业化,可满足新能源乘用车用动力电池300wh/kg 性能要求,并已对宁德时代供货;中科电气目前已建设完成硅基负极材料中试产线,进行成品试生产;贝特瑞现有硅基负极生产线已投产。除此之外,江西紫宸、深圳斯诺、江西正拓、创亚动力、大连丽昌、硅宝科技等都在积极推进硅碳负极的产业化。

不过,值得注意的是,虽然硅碳材料优势明显,但是目前电池在批量生产的过程中,还存在容量快速衰减、电池容易变形、循环次数达不到要求等问题,真正好的硅碳负极产品和用得好的电池厂家并不是很多;而且,以目前的技术条件下,硅碳负极的性价比不够高,电池容量提升5%-10%的情况下,电池的成本要增加20%-30%甚至更高。

虽然如此,但瑕不掩瑜。未来硅碳负极的应用前景是非常光明的。业内预计,随着我国对动力电池的能量密度提出要求,硅碳材料的应用将逐年提高,2021-2026年硅碳负极材料渗透率年均增长率将在3%-5%之间。预计2026年我国硅碳负极材料的市场渗透率将达到23%,则至2026年我国硅碳负极材料市场需求或达50万吨。

来源: 电池中国

 
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