鋰離子電池硅碳負極產業化難點淺析

    近日由國家工信部等三部委聯合出臺的《汽車產業中長期發展規劃》中要求，到2020年動力電池單體比能量達到300瓦時/公斤以上，力爭實現350瓦時/公斤。此前出臺的一系列相關政策，也將動力電池單體比能量達“300瓦時/公斤”設定為動力電池技術首先應該達成的一個“小目標”。

    對于目前國內動力電池單體比能量普遍在220瓦時/公斤左右的現狀，在未來不足4年的時間內，將單體比能量再提升近4成，無論對于研究機構還是產業界，都是一個不小的挑戰。在正極材料方面，業界紛紛將目標放在了高鎳材料上，而負極材料方面，業界普遍認為硅碳負極足以“擔此大任”。

    國外部分企業已經實現了硅碳負極材料的量產。比如松下2013年量產的NCR18650C型號電池，即采用硅碳負極材料；日本GS湯淺推出的硅基負極材料鋰電池，已應用于三菱汽車上；日立麥克賽爾將硅碳負極材料用于智能手機、可穿戴設備等小型鋰離子電池上；特別是特斯拉將硅碳負極成功應用于即將量產的Model 3上，實現超300瓦時/公斤的比能量，更讓業界看到了硅碳負極在提高動力電池比能量方面的希望。

    然而，國內企業在硅碳負極產業化方面動作較慢。除貝特瑞的硅碳復合負極材料已有國外批量訂單外，CATL、比亞迪、國軒高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企業硅碳負極的產業化應用都在推進中。

    為何國外企業特別是日企在硅碳負極產業化方面，走的比國內企業要遠得多？這還要從硅碳負極的特性說起。石墨的理論比容量是372mAh/g，而硅負極的理論比容量高達4200mAh/g。石墨作為成熟的負極材料，其能量密度已經基本被充分發揮，要想在能量密度上有所提升，與硅結合是一種較好的方式。但在真正的使用過程中，硅碳負極存在很多先天的“不足”。

    主要是體積膨脹問題。在充放電過程中，硅的體積會膨脹100%-300%，不斷的收縮膨脹會造成硅碳負極材料的粉末化，嚴重影響電池壽命；其次，硅的不斷膨脹，在電池內部產生很大的應力，這種應力對極片造成擠壓，循環多次后可能出現極片斷裂的情況；再次，也是由于電池內部應力的原因，很有可能造成電池內部孔隙率的降低，減少鋰離子移動通道，造成鋰金屬的析出，影響電池安全性。此外，硅為半導體，導電性比石墨差很多，導致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，從而降低其首次庫倫效率。正因如此，硅碳負極在研發和應用方面的面臨著較高的技術壁壘。

    對于硅膨脹問題，有業內人士建議，可以多從力學的角度研究電池內部的應力問題，通過控制碳材料中硅的含量、減小硅的體積到納米級，或者通過改變石墨質地、形態等，實現碳和硅的最佳匹配，還可以通過采用其他物質對硅材料進行包覆，促進膨脹后的復原，或采用更適宜的電極材料等一系列方法，來減少硅膨脹帶來的諸多問題。此外，通過采用穩定的電解液，形成穩定的SEI膜，也可以減少電解液的消耗，提高循環效率。

    同時，由于電池能量密度的提升，硅碳負極很容易出現由于瞬間電流偏大造成的安全問題，包括上述硅膨脹帶來的析鋰問題，都造成硅碳負極不如石墨負極安全。曾有實驗表明，對于采用較高容量硅碳負極的鋰離子電池，其針刺實驗的效果比采用石墨負極的鋰離子電池要差很多，這也說明高安全性和高能量密度始終是矛盾的。在安全性方面，部分學者建議深入研究電解液或阻燃劑對電池安全及能量密度、循環壽命等方面的影響，以求在這一領域有所突破。

    在硅系負極方面，研究界認為氧化亞硅-碳復合材料的實際應用效果可能好于純硅-碳復合材料，特別是在電池循環性和穩定性方面，這同時也是業界在高能量負極材料方面的另一個研究重點，但也有專家表示，由于日韓企業在氧化亞硅負極復合材料方面起步較早，很多專利技術都在日韓企業手中，因此國內要在這方面進行產業化突破，就必須考慮相應的知識產權問題。

    而且無論采取哪種硅材料，要想取得較為理想的電化學性能，復合材料中的硅顆粒粒徑都需要控制在200-300納米之間，這對企業實際生產設備也有很高的要求，因此，硅碳負極的實際產業化應用還受到設備精細度和投入成本的制約。

    看似簡單的硅碳負極，要想實現產業化并不簡單。不少企業也明確表示，如果單純實現“2020年，電池單體比能量達300瓦時/公斤”的目標并不難，但是要想在確保電池的安全性的同時提高比能量，確實存在一定難度。對此很多電池企業呼吁，提高比能量是一個系統工程，希望系統、整車企業與電池企業一起努力，解決電池的安全問題，也希望能夠與材料企業共同研發，找到更多更好的電池材料，推動整個動力電池產業的發展。<