• 电池材料硅碳大规模应用——任重而道远(1)

    2018-11-15 17:12:04

    2017年以来,在国家方针的推进下,新能源轿车的快速开展,国内动力电池企业也大幅扩产,锂电负极材料的需求大增。国家工信部等三部委联合出台的《轿车工业中长期开展规划》中要

      2017年以来,在国家方针的推进下,新能源轿车的快速开展,国内动力电池企业也大幅扩产,锂电负极材料的需求大增。国家工信部等三部委联合出台的《轿车工业中长期开展规划》中要求,到2020年动力电池单体比能量到达300Wh/kg以上,力求完成350Wh/kg。

       现在国内单体电芯能量密度遍及在250Wh/kg以下,要在2020年完成300Wh/kg这一方针是比较困难的,进入2018年,许多企业现已在高镍正极方面取得了许多效果,但在负极方面举动较为缓慢。负极材料分类国内现有负极产品首要为碳材料和非碳材料,其间碳材料又可以分为石墨类碳材料和无定型碳材料,石墨类碳材料运用比较多的是天然石墨和人工石墨;而非碳材料方面首要包含锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料,其间硅基材料和钛基材料在商场上有少数运用。图表 锂电池负极材料分类材料来历:OFweek工业研讨院硅碳类材料的长处和缺陷石墨类负极作为首要的负极材料,运用现已十分广泛,可是石墨类负极材料容量已做到360mAh/g,现已挨近372mAh/g的理论克容量,再想进步其空间已很难完成。而硅与碳化学性质附近,硅在常温下可与锂合金化,生成Li15Si4相,理论比容量高达3572 mA·h/g,远高于商业化石墨理论比容量,在地壳元素中储量十分丰富,本钱低、环境友好,因而硅负极材料一向备受科研人员重视,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。图表 几种负极材料功能比照材料来历:OFweek工业研讨院可是,因为硅在充放电过程中简单发作体积胀大(~300%),这约束了硅负极的商业化运用。碳质负极材料在充放电过程中体积改变较小,具有较好的循环安稳功能,并且碳质负极材料自身是离子与电子的混合导体;别的,硅与碳化学性质附近,二者能严密结合,因而碳常用作与硅复合的首选基质。在 Si/C复合系统中,Si颗粒作为活性物质,供给储锂容量;C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积改变,又能改进Si质材料的导电性,还能防止Si颗粒在充放电循环中发作聚会。因而Si/C复合材料归纳了二者的长处,表现出高比容量和较长循环寿数,有望替代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。硅碳材料首要结构包覆型:包覆结构是在活性物质硅表面包覆碳层,缓解硅的体积效应,增强其导电性。依据包覆结构和硅颗粒描摹,包覆结构可分为核壳型、蛋黄-壳型以及多孔型;嵌入型:嵌入型硅碳复合材料是将硅颗粒经过物理或许化学手法涣散到碳载体中,硅颗粒与碳基体结合严密,构成安稳的两相或许多相系统,依托碳载体为电子和离子供给传输通道和支撑骨架,供给材料结构的安稳性。首要负极材料厂商开端布局硅碳负极材料硅碳负极优异的电化学功能招引了许多负极材料厂商投入到硅碳材料的研制和出产傍边,负极材料企业如贝特瑞、上海杉杉、斯诺和国轩高科等都发布了各自的硅碳负极产能规划。可是因为硅碳材料本钱较高和组成工艺较为杂乱,现在只要贝特瑞等少数厂商可以批量供货,2017年出货1000吨,已有部分国外客户运用。其S1000类型硅碳负极材料的比容量高达1050mAh/g,尽管离硅的理论比容量4200 mAh/g仍有较大距离,但现已是人工石墨负极材料比容量的3倍,功能有大幅度地进步。图表 各大负极企业布局材料来历:OFweek工业研讨院电池厂布局硅碳系列电池硅碳材料早先是在日韩企业中运用较多,松下和三星的产品都有老练运用,特斯拉经过在传统石墨负极材料中参加10%以上的硅碳,让电池容量添加到550mAh/g以上。国内方面,因为硅碳是一种新式的负极材料,与其配套的正极材料和电解液等技术水平有限,真实完成硅碳类电池量产的企业还十分少。国内包含国轩高科、宁德年代、比克电池、比亚迪、天津力神等都现已开端布局相关产品,可是真实量产运用的首要在18650产品上面。图表 首要电池厂硅碳类电池布局材料来历:OFweek工业研讨院硅碳价格昂扬因为硅碳现有产能较小,供给量较低,现有商场价格十分高。2017年末,部分厂商产能不断开释,价格开端下降,可是也基本上维持在400元/kg左右,与传统的人工石墨和天然石墨70元/kg以内的价格高出十分多,这一原因也导致了硅碳负极短期内很难很多运用。以18650为例,单颗电芯负极材料挨近10g,其间掺杂大约1g的硅碳材料,可以使得全体的能量密度得到很大的进步,单颗电芯所需硅碳本钱维持在0.4元/颗,按电量来核算则为0.04元/wh,用量为0.1g/wh(材料来历:OFweek工业研讨院)。依据OFweek工业研讨院《2018-2022年我国锂电池负极材料职业商场研讨及猜测陈述》:跟着硅碳运用技术的不断老练和电池关于能量密度要求的不断进步,单颗电芯内的硅碳含量将会不断添加,但将会在本钱和能量密度之间寻求一个平衡。图表 几种锂电池负极材料的价格(单位:元/kg)材料来历:OFweek工业研讨院硅碳材料商场短期内不会大规模迸发尽管各大负极材料厂商纷繁发布了硅碳的产能规划,可是OFweek工业研讨院以为,短期内,硅碳负极商场将难以大规模迸发。供给端方面,因为硅碳负极的价格十分高,关于出产环境的要求也十分高,短期内产能很难得到开释。运用端方面,与硅碳负极相匹配的电解液和正极材料系统还不老练,硅碳负极的大规模运用也比较困难,现在为止只要少部分圆柱厂商的18650产品得到了量产运用。估计到2020年后,跟着国内方型锂电池逐步开端运用硅碳负极,硅碳负极的商场需求才会快速增长。图表 2017-2021年我国硅碳负极商场需求猜测(单位:吨)(不含出口)材料来历:OFweek工业研讨院