解析锂电池用硅碳复合材料的研究及进展
来源：宝鄂实业
2019-03-06 19:53
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锂离子电池具有电压平台高、比能量大、循环寿命长等特点，被广泛应用于数码产品、电动工具等领域中。近年来，随着科技和社会的发展，轻量化、小型化成为各类产品发展的趋势；同时，随着环境问题的日益突出，节能环保也成为人们关注的焦点。高能量锂离子电池的开发与应用也逐渐进入了人们的视野。
锂电池
开发高比容量、低电压平台的负极材料是提升电池能量密度的主要途径之一。硅是如今发现的所有负极材料中比容量最高的材料，其质量比容量可达到 4200 mAh/g， 体积比容量可达9786 mAh/cm3，是目前商业化的石墨基负极材料质量比容量( 372 mAh/g) 的 10 倍以上。 但是，硅在充放电过程中容量衰减很快，导致其商业化过程举步维艰。主要是因为: 1) 硅颗粒形态和体积的变化。硅颗粒在脱嵌锂过程中的体积膨胀高达 300%， 这种体积的变化给电池设计带来了巨大的困难；
2) 材料的粉化。由于硅在充放电过程中存在较大的体积变化，同时颗粒内部的应力会造成颗粒的破碎，进而导致颗粒粉化；
3) 固体电解质界面膜( SEI 膜) 的不断 生长导致其不断变厚，使得材料导电性变差；同时，SEI 膜的不断生长导致大量锂离子的损失，造成容量的衰减。为了改善硅的电化学性能， 需降低硅的体积变化。为此， 研究者做了大量的工作， 比如: 硅颗粒的纳米化 ( 纳米线、纳米管、多孔硅、空心硅、硅薄膜) 、复合化( 无定形碳、碳纳米管、石墨烯、二氧化钛) 、合金化( FeSi、NiSi) 、采用新型的导电剂及电解液添加剂( 自愈型聚合物、导电聚合物) 等。
硅纳米线
通过将硅的颗粒降低到纳米尺寸，可以有效降低硅在充放电过程中的极化，以及硅颗粒的膨胀和收缩效应。然而，纳米颗粒具有较高的比表面积，使得纳米硅需消耗大量的电解液来生成SEI 膜，造成较低的库伦效率和严重的容量衰减。 另外，纳米材料的振实密度较低，在同样的面密度下，电极厚度较大、离子与电子传输距离较远。最后，由于硅的导电性差，充放电过程中材料的极化现象仍然比较严重。 碳材料在充放电过程中体积变化小， 循环稳定性好， 同时碳材料是离子与电子的混合导体。石墨类碳材料作为锂离子电池负极材料早已实现工业化。由于硅和碳的化学性质相近，两者又能紧密结合。因此，近年来，研究者对硅负极材料的研究主要集中在硅碳负极上。
国开证券认为，从供需两端情况来看，龙头动力电池企业扩产仍有较强的内生动力。根据锂电大数据统计，仅国内15家主流电池企业2018-2020年扩产规模将达到166GWh，预计将拉动锂电池设备增量市场500亿至660亿元。
作为全球最大的新能源汽车产销市场，我国新能源政策已开始引领国际产业布局与技术革新，中国市场成为全球新能源产业投资布局的重点，而新能源电池行业也成为新蓝海。
根据真锂研究发布的数据，2017年中国电动汽车产销量突破77万辆大关，其中国产电动车实现锂离子电池装机33.62GWh，同比增长21.24%；2018年前8个月，这一数据已达到23.5GWh，同比增长92.47%。不难看出，新能源车型的逐步走强，直接带动了锂离子电池的爆发性增长。
值得注意的是，新能源汽车的销售火爆也影响到了车用锂电池材料市场。
日本民间调查机构矢野经济研究所公布调查报告指出，2017 年全球锂离子电池四大关键材料（正极材、负极材、电解液和分隔膜）市场规模（厂商出货金额）预计年增 49.0% 至 147.15 亿美元。
矢野指出，在车用锂离子电池需求带动下，提振电池材料需求将持续扩大，预估 2018 年全球四大关键材料市场规模将年增 24.0% 至 182.47 亿美元。其中，正极材预估将年增 33.8% 至 118.13 亿美元、负极材将年增 15.7% 至 21.02 亿美元、电解液将年增 2.2% 至 17.06 亿美元、分隔膜将年增 9.4% 至 26.24 亿美元。
预计2020年正极材全球市场规模预估将扩增至 165.87 亿美元，将较 2017 年大增 87.9%；负极材将扩增至 39.02 亿美元，将较 2017 年暴增 188.8%；电解液将扩增至 30.95 亿美元，将较 2017 年大增 85.4%；分隔膜将扩增至 45.61 亿美元，将较 2017 年大增 90.1%。（校对/Oliver）
