硅負極材料“關鍵”技術突破

　　鋰電池正極材料從磷酸鐵鋰到三元高鎳化，已經有了很大的突破。對于負極材料，業界的共識是，新型的硅基負極在未來最有可能獲得大規模導入，其應用正在成為電池性能差異化的必爭之地。

　　近日，豪鵬科技公告，該公司與歐洲某硅材料戰略合作伙伴簽署《諒解備忘錄》，旨在開發滿足市場需求的100%硅負極鋰離子電池產品。據悉，合作初期雙方將集中在與北美某頭部智能穿戴品牌相關的項目。豪鵬科技表示，此次合作將有利于加速該公司純硅負極鋰離子電池的商業化。

　　值得注意的是，國家知識產權局信息顯示，近期有多家企業申請了硅基負極專利。其中，合肥國軒高科動力能源有限公司申請一項名為“一種硅基負極材料及其制備方法與應用”的專利。專利摘要顯示，該負極材料的主體材料為錫摻雜的預鎂氧化亞硅，在所述主體材料表面依次包覆碳層、二硫化鉬摻雜的聚苯硫醚包覆層。

　　另外，寧波杉杉硅基材料有限公司申請一項名為“一種硅碳負極材料、其制備方法、負極漿料、負極極片及應用”的專利;贛州立探新能源科技有限公司申請一項名為“硅碳負極材料及其制備方法應用”的專利;杭州格藍豐科技有限公司申請一項名為“一種基于硅氧碳材料的超高比容量鋰離子電池及其制備方法”的專利。

　　市場研究機構SNE Research發布的報告顯示，硅基負極材料應用從3C消費向動力電池領域拓展，預計2024年硅負極的市場滲透率也將突破長期以來1%的禁錮，步入上升軌道，市場規模將以39%的復合年增長率擴大，到2035年市場規模將達到660億美元，整體市場滲透率也將達到10%左右。

　　兩大主要技術方向

　　與傳統石墨材料相比，新型的硅基負極新材料具有高能量密度、對環境友好等顯著特點，被業界認為是未來鋰電池領域重要的技術發展方向，特別是隨著固態電池技術的逐步成熟，其將被廣泛應用于新能源汽車和儲能等領域。

　　“石墨負極的實際比容量已經接近其理論值372mAh/g，很難再有提升空間。硅基負極理論比容量高達4200mAh/g，超過石墨負極的十倍，是目前已知比容量最高的鋰離子電池負極材料。”業內人士指出。

　　杭州格藍豐科技有限公司申請的一項專利摘要顯示，其所述的硅氧碳材料，是利用氣態或液態硅源以及氣體碳源和氣體氧源制備得到。其發明的基于硅氧碳材料的鋰電池，在0.1C(37.2mA/g)倍率下首次放電比容量可達4227.4mAh/g，突破了硅材料的理論比容量極限，首效可達71.80%，并且具有較好的循環性能。

　　采用硅基負極材料，電池能夠輕松獲得超300Wh/kg的能量密度。比如正力新能的雙重半固態超長續航大圓柱電池正力騏龍，采用超高鎳正極+高硅負極材料體系，電芯能量密度達306Wh/kg;國軒高科發布基于全固態電池技術的金石電池，通過微納化固體電解質、超薄膜包覆單晶正極和三維介孔硅負極等技術，能量密度達到350Wh/kg。

　　目前硅基負極材料主要包括硅碳和硅氧兩大主流技術路線。硅氧負極原料來源廣泛、價格便宜，未來主要朝著低成本方向發展;硅碳負極價格高些，在解決完動力電池要求的基本性能后，價格會逐漸下降，長期來看硅碳市場會大一些。“雖然它們和石墨負極材料不存在完全替代的關系，但確實是負極材料這個領域相當新的一個技術。”業內人士指出。

　　膨脹問題獲得改善

　　根據SNE Research統計，目前全球涉足硅基負極材料研發的中國、韓國、歐美企業已經增加到70家以上。不過目前真正能夠實現硅基負極量產及批量供貨的企業還比較少。長期以來，硅基材料沒有實現大規模量產，是因為存在循環膨脹的瓶頸有待攻克。

　　“硅的主要挑戰，是在充電過程中與鋰的合金化反應時，會產生劇烈膨脹，其最大體積膨脹率高達300%，遠高于石墨的10%~12%。”業內人士指出，這就會導致硅負極材料的嚴重開裂，同時也會使得硅材料在電解液中無法形成穩定的表面固體電解質膜，即SEI膜。電極結構被破壞后，新暴露出的硅表面會再次形成新的SEI膜，從而導致充放電效率降低，加速容量衰減，循環性能不佳。

　　電池中國注意到，近期在涉硅基負極材料的專利申請中，不少企業涉及硅膨脹問題。比如，贛州立探申請的一項專利摘要顯示，解決了現有的硅碳負極材料存在體積膨脹大、循環性能差，以及可逆容量低的技術問題，達到了硅碳負極材料兼顧較佳循環性能、較高抗壓強度、較高可逆容量，以及較佳倍率性能的技術效果。

　　寧波杉杉申請的一項專利也提到，其制備得到的負極材料提高了介孔強度，可降低膨脹系數，提高電池的循環保持率，增加電池的壽命。據了解，杉杉股份已經在浙江寧波布局硅基負極材料一體化基地，項目總投資50億元，全部建成后可年產4萬噸鋰電池硅基負極材料，預計2026年全面建成投產。

　　除此之外，針對低膨脹要求,貝特瑞則通過采取微米結構多孔化方式,減輕膨脹應力;以及通過硅/石墨搭配優化等多種方式，實現低膨脹、高性能。貝特瑞目前擁有硅基負極產能5000噸/年。該公司表示，其新建的硅基負極1.5萬噸產能，未來將根據市場需求逐步釋放。

　　另外，璞泰來表示，其新一代納米硅碳產品已完成技術定型，CVD沉積技術和硅碳復合技術，能有效滿足未來負極材料長循環、低膨脹的性能需求。該公司正加快推進安徽紫宸1.2萬噸硅基負極材料項目的產能建設進度，預計2025年初將形成首批產能。

　　“硅在鋰化時的嚴重體積效應，是硅基材料商業化的最大限制，但現階段硅基負極膨脹問題已取得較大改善，未來硅基負極在應用端的需求有望進一步增長。”中信證券指出，在應用場景端的擴展以及摻混比例提升的共同作用下，硅基負極有望逐步進入產業加速導入、需求放量的階段。