01研究和發(fā)展硅基負極材料的必要性
石墨作為目前商業(yè)化應用廣泛的鋰離子電池負極材料，其實際比容量已接近理論比容量極限372mAh/g，進一步提升空間有限，難以滿足未來動力電池高能量密度要求。同時，隨著全球動力電池需求激增，石墨即將出現(xiàn)供不應求局面，因此，行業(yè)急需找到石墨負極材料的替代產(chǎn)品。
當前，業(yè)內(nèi)普遍認為硅基負極材料是石墨負極材料的替代首選。硅理論比容量高達4200mAh/g，約為石墨負極的10倍，同時具有較低的脫嵌鋰電位（略高于石墨），在充電時可以避免表面的析鋰現(xiàn)象，安全性能優(yōu)于石墨負極材料。
▲ 硅碳負極材料
▲ 氧化亞硅負極材料
02硅基負極材料存在的主要問題和解決方案
硅基負極材料存在的主要問題
雖然硅基負極材料因其高比容量等優(yōu)點被作為下一代負極材料廣泛研究，但其要實現(xiàn)大規(guī)模應用還需解決一些關鍵問題。
體積效應
在充放電過程中，硅和鋰會進行合金化反應，硅的體積會發(fā)生高達400％的膨脹，這種不斷收縮膨脹會造成硅負極材料產(chǎn)生裂紋直至粉化，破壞電極材料與集流體的接觸性，使得活性材料從極片上脫離，引起電池容量的快速衰減。
其次，膨脹在電池內(nèi)部會產(chǎn)生很大的應力，對極片形成擠壓，隨著多次循環(huán)，極片存在斷裂的風險。
第三，這種應力還可能造成電池內(nèi)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。
第四，體積變化導致硅負極表面的 SEI膜會隨著硅體積的變化而發(fā)生破裂，新暴露在表面的硅在充放電過程中會繼續(xù)生成新的SEI膜。持續(xù)生長的SEI膜會不斷地消耗來自正極的鋰和電解液，最終導致電池的內(nèi)阻增加和容量的迅速衰減。
硅導電性差
硅的導電性能較差，在高倍率下不利于電池容量的有效釋放，也是制約其進一步應用的因素之一。
目前的研究方向：對硅基負極材料的改性研究主要集中在如何解決體積效應、維持SEI膜穩(wěn)定和提高首次庫倫效率3個方面。主要措施有：硅源的改性研究、硅碳復合材料及其結(jié)構(gòu)設計、氧化亞硅負極材料等。
解決方案
針對以上難點，科技人員主要從硅源和復合材料方向提出了如下一些解決方案：
硅納米管
納米化的硅可以顯著減少硅的體積效應，且硅納米管與電解液的接觸面積更大，鋰離子的擴散距離更短，鋰離子可以很容易地嵌入納米管的表面，使得高倍率下硅的極化和容量衰減相對減小。該種解決方案可以比較好地解決硅材料的體積膨脹問題，但制備難度較大，成本較高。
測試范圍：0.02-2100μm（濕法）0.1-2100μm（干法）
● 重復性：優(yōu)于0.5%（標樣D50偏差）
● 準確性：優(yōu)于0.6%（標樣D50偏差）
▲ 歐美克Topsizer 激光粒度分析儀
二維硅薄膜
二維材料比表面積比較大，有利于鋰離子的快速擴散，且能增大材料與集流體的接觸面積，可以很好地保持電極材料結(jié)構(gòu)的完整性，延長硅負極材料的壽命。該種解決方案的優(yōu)點是導電性好，容量高，缺點是制作成本高，難以大規(guī)模量產(chǎn)。
三維多孔硅
三維多孔硅的多孔結(jié)構(gòu)便于電解液在硅顆粒內(nèi)部的浸潤，有助于鋰離子的擴散。在多孔硅的外層包覆碳材料，為硅的體積膨脹預留了空間，提高導電性，同時還可以有效避免硅與電解液的接觸，維持穩(wěn)定的SEI膜，從而提升循環(huán)穩(wěn)定性。三維多孔硅可以通過SiOx歧化、鎂熱還原、金屬輔助刻蝕法、硅基金屬合金刻蝕等方法制備。
中空核殼結(jié)構(gòu)硅材料
中空核殼結(jié)構(gòu)可以為充放時體積膨脹提供緩沖空間，從而進一步提高材料的循環(huán)性能。該種解決方案的優(yōu)點是循環(huán)穩(wěn)定性好，缺點是導電性變差，制備工藝污染大。
硅合金化
金屬具有較好的延展性和導電性，與硅復合后可以有效抑制充放電過程中的體積變化，提高電子在材料間的傳遞速率。該種解決方案是材料導電性高，容量高，循環(huán)穩(wěn)定性好，制備過程簡單，易于產(chǎn)業(yè)化，缺點是工藝要求高，合金化程度難以控制，能耗高。
硅碳復合
硅碳復合材料包括硅-碳納米管、硅-無定形碳、硅-石墨烯等材料，導電性良好的碳材料可以改善硅材料的導電性，緩沖或釋放硅材料體只積變化產(chǎn)生的機械應力，維持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
在以上解決方案中，具有較大發(fā)展前景的方案有兩個，一是硅碳復合材料，二是氧化亞硅(SiOx)材料，因此，在已產(chǎn)業(yè)化的硅基負極材料主要是兩種材料。
03硅基負極材料產(chǎn)業(yè)狀況
硅基負極材料的研究始于1996年，由日本日立化成首次發(fā)明，2015年和2017年開始陸續(xù)在消費和動力電池領域得到應用。技術方面較為領先的國際廠家主要有日立化成、信越化學、加德士、大洲和安普瑞斯等。2017年，日本松下公司的硅基負極材料開始批量應用于動力電池，供應特斯拉。
國內(nèi)硅碳負極材料發(fā)展目前整體仍處于初期階段。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016-2020年，我國硅基負極出貨量分別為0.06萬噸、0.16萬噸、026萬噸、0.54萬噸、0.9萬噸，數(shù)量不大，卻顯示出了強勁的增長勢頭。
下面，小編從公開資料中搜集到的一些有關國內(nèi)硅基負極材料生產(chǎn)的企業(yè)情況，供大家參考了解國內(nèi)硅基負極發(fā)展狀況。
1）貝特瑞是是國內(nèi)硅基負極材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化走在最前列的企業(yè)。據(jù)公開資料顯示，2013年，650mAh/g的硅基負極材料實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并批量銷售。
2）寧德時代年產(chǎn)430噸硅基負極材料已建成投產(chǎn)，二期項目正在加速建設中。
3）格龍新材料第一代硅碳復合負極已通過客戶的認證，目前具備年產(chǎn)3000噸產(chǎn)能。
4）國軒高科已具備年產(chǎn)5000噸硅碳負極材料的生產(chǎn)能力。
5）江西正拓新能源科技股份有限公司已具備年產(chǎn)2000噸硅碳負極材料的生產(chǎn)能力。
6）杉杉股份硅基負極產(chǎn)品已批量應用于3C領域，目前年出貨量在百噸級。
7）中科星城硅碳負極處于小批量產(chǎn)階段。
8）浙江新安化工集團股份有限公司硅碳負極材料已進入量產(chǎn)測試階段。
9）硅寶科技公司已建成產(chǎn)能50噸/年的硅碳負極材料中試生產(chǎn)線。
10）翔豐華表示，公司開發(fā)的硅碳負極材料產(chǎn)品處于中試階段，已具備產(chǎn)業(yè)化條件。后續(xù)若有市場需求，公司將會根據(jù)客戶需求進行相應匹配批量生產(chǎn)。
11）璞泰來目前已完成第二代硅基負極產(chǎn)品研發(fā)，在江西、江蘇亦建立了中試線。
12）新安股份表示，碳化硅負極項目的中試工程已完成設備安裝進入試生產(chǎn)前準備階段。
13）石大勝華全資子公司勝華新能源科技(東營)有限公司擬投資建設2萬噸/年硅基負極項目，預計2023年12月份建成投產(chǎn)。
測試范圍：0.01-3600μm（支持干濕法測試，取決于樣品）
● 重復性：優(yōu)于0.5%（標樣D50偏差）
● 準確性：優(yōu)于0.6%（標樣D50偏差）
▲ 歐美克Topsizer Plus 激光粒度分析儀
04結(jié)語
隨著硅基負極在特斯model3、廣汽埃安AION LX等車型上的成功應用，必將給硅基負極的發(fā)展注入強大信心。負極材料的升級既是市場的需求，也是國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃支持的技術創(chuàng)新焦點，得到“十三五”新能源汽車試點專項的關鍵技術類研究項目“高比能量鋰離子電池技術”的專業(yè)支持。但是，硅基負極材料的價格一般在10-30萬元/噸，價格遠遠高于石墨負極材料，一定程度阻止了硅基負極材料的批量應用。
但我們相信，隨著技術的升級以及市場放量，硅基負極材料價格一定會逐步得到市場的認可，因此，業(yè)界認為當前硅基負極處于產(chǎn)業(yè)化突破的臨界點，并且有人大膽預測，在未來的3-5年內(nèi)，基負極的市場空間大約為50億左右。