鉅大LARGE | 點擊量：3303次 | 2018年12月27日
硅碳負(fù)極材料在鋰離子電池領(lǐng)域有什么應(yīng)用
當(dāng)前商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料主要為改性天然石墨和人造石墨，盡管制備技術(shù)已相當(dāng)成熟，但其理論比容量只有372mAh/g，難以滿足市場對大容量鋰離子電池的需求。由于硅具有較高的理論比容量(4200mAh/g)和較低的嵌鋰電位而引起廣泛關(guān)注。但硅作負(fù)極卻存在天然的缺陷，即鋰嵌入脫出硅的晶胞時，會導(dǎo)致硅材料發(fā)生嚴(yán)重的體積變化，造成容量衰減迅速。經(jīng)過科學(xué)家大量的研究發(fā)現(xiàn)，將硅與其他材料復(fù)合能夠有效緩解硅的體積效應(yīng)，增長其循環(huán)壽命，而硅-碳復(fù)合物是其中最具有應(yīng)用前景的復(fù)合材料。硅-碳復(fù)合負(fù)極材料中硅作為活性物質(zhì)提供儲鋰容量；碳作為分散基體緩沖硅顆粒嵌脫鋰時的體積變化，保持電極結(jié)構(gòu)的完整性，并維持電極內(nèi)部電接觸。硅-碳復(fù)合負(fù)極材料受到了越來越高的重視，科學(xué)家稱之為“鋰電負(fù)極材料的新大陸”。
一、硅碳負(fù)極材料應(yīng)用前景
近年來，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全球市場份額不斷攀升，在大規(guī)模的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)投資的帶動下，鋰離子電池負(fù)極材料的需求不斷上升。硅負(fù)極相比石墨負(fù)極具有更高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，采用硅負(fù)極材料的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%，因此硅負(fù)極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
新能源汽車產(chǎn)業(yè)是全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，也是我國重要的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，未來10年將迎來全球汽車產(chǎn)業(yè)向新能源汽車轉(zhuǎn)型和升級的戰(zhàn)略機(jī)遇。新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。其中，純電動汽車完全使用動力電池驅(qū)動，對電池容量需求最大，要求鋰離子電池容量平均為30kW·h。自2010年起，動力類鋰離子電池受益于技術(shù)提升和成本降低，逐漸替代鎳鎘、鎳氫電池，成為新能源汽車廣泛使用的動力電池。
便攜式消費電子領(lǐng)域也將是納米硅碳負(fù)極材料大規(guī)模應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。隨著全球4G移動通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化娛樂便攜設(shè)備應(yīng)用的逐步普及，手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)、可穿戴式智能設(shè)備、移動電源等數(shù)碼類電子產(chǎn)品領(lǐng)域的需求將保持持續(xù)增長，其中智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴式智能設(shè)備及移動電源的市場前景最為廣闊。目前智能手機(jī)已成為鋰離子電池最大的應(yīng)用領(lǐng)域。由于智能手機(jī)等也對鋰離子電池的能量密度等提出了更高的要求，所以也將成為高比容量納米硅碳負(fù)極材料的廣闊市場。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在規(guī)模儲能領(lǐng)域，納米硅碳負(fù)極材料也將擁有較大的應(yīng)用前景。鋰離子電池作為目前應(yīng)用最廣泛的儲能電池，相比電動車領(lǐng)域，儲能電站領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池能量密度的要求更高，而采用納米硅碳負(fù)極材料對滿足這種需求提出了可能的解決方案。根據(jù)高工鋰電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國儲能型鋰離子電池市場應(yīng)用終端占比由2010年的3.1%增長至2015年的6.0%，總體呈增長趨勢。預(yù)計未來儲能型鋰電池將成為鋰電池新增需求的重要來源。在新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)建設(shè)的背景下，儲能電站的大規(guī)模商用化將得到提速，其裝機(jī)量將迅速擴(kuò)張，以鋰離子電池為代表的新型儲能電源的市場前景將更為廣闊。
同時，特種航天、船舶艦艇等領(lǐng)域也對鋰離子電池提出了更高能量密度和功率密度的要求，而納米硅碳材料也是現(xiàn)階段最具有開發(fā)潛力的鋰離子電池負(fù)極材料，其應(yīng)用前景非常廣闊。
二、碳硅復(fù)合負(fù)極工業(yè)化應(yīng)用概況
1、國內(nèi)部分工業(yè)產(chǎn)品介紹
深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司由中國寶安集團(tuán)控股，擁有300噸硅碳負(fù)極材料生產(chǎn)線。該公司擁有SiO基負(fù)極材料產(chǎn)品BSO-400、BSO-650，0.2C容量分別為400、650mAh/g，首次庫侖效率分別為92%、89%。另外還擁有Si基負(fù)極材料產(chǎn)品S400、S480、S600、S1000，0.2C容量分別為400、480、600、1000mAh/g，首次庫侖效率都在90%以上。
上海杉杉科技有限公司是杉杉股份的全資子公司，硅碳復(fù)合負(fù)極材料產(chǎn)品主要有Si-C-S-1、Si-C-S-2、Si-C-S-3，其首次放電比容量分別為907、749、584mAh/g，首次庫侖效率分別為81.3%、87.1%,、86.7%。
湖南星城石墨科技股份有限公司硅碳復(fù)合負(fù)極材料產(chǎn)品主要有GCM-450、GCM-600，其首次放電比容量為450、600mAh/g，首次庫侖效率為90.2%、88.7%。
江西紫宸科技有限公司硅碳復(fù)合材料產(chǎn)品容量主要有380、400、420、450、600、950mAh/g，首次庫侖效率分別為91%、90%、88%、87%、84%、84%。
2、國外部分工業(yè)產(chǎn)品介紹
日本信越化學(xué)工業(yè)株式會社主要經(jīng)營半導(dǎo)體、有機(jī)硅和高分子等產(chǎn)業(yè)。該公司的硅碳復(fù)合負(fù)極材料主要是C-SiO負(fù)極材料，其首次放電容量為1544mAh/g，首次庫倫效率為80%，可逆容量為983mAh/g。
韓國GS集團(tuán)主要經(jīng)營石油精煉、石油化工及潤滑油等能源產(chǎn)業(yè)。該公司硅碳復(fù)合負(fù)極材料主要是GSEMC-450、GSEMC-650，0.2C容量為450、650mAh/g，首次庫倫效率為87%、88%。
美國Enevate公司負(fù)極材料由硅以微/納米尺度復(fù)合材料形式組成，具有100%活性，不包含非活性的粘結(jié)劑，適于大批量生產(chǎn)。該負(fù)極主要是大容量整體式陽極，可實現(xiàn)高達(dá)700-800WhL-1的能量密度，循環(huán)壽命與石墨電池相當(dāng)。
美國Amprius公司以硅納米線作為負(fù)極材料，同時開發(fā)了先進(jìn)的電化學(xué)技術(shù)和電池設(shè)計技術(shù)。目前已量產(chǎn)650Wh/L的高能量硅負(fù)極鋰離子電池，而其演示產(chǎn)品的體積能量密度能達(dá)到800Wh/L。
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