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硅基負極材料或成電池行業“明星”
2022-05-12 13:05
來源:中華工商時報
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  隨著新能源車的普及,為適應更高能量密度的電池需求,硅基負極材料正步入產業視野。硅基負極被看作下一代鋰電池負極材料,已經明顯感受到需求跨過平臺期。有業內人士預計,即將2022年迎來爆發,2023年開始放量。隨著更多原材料企業的加入,硅基負極材料被列入了工信部重點新材料,將成為國家重點鼓勵發展的新能源電池材料之一。

  多家企業入局

  被譽為“北交所明星股”、鋰電負極材料龍頭的貝特瑞,近日宣布,2022年新春開年首筆投資投向了硅基負極材料項目。最新公告顯示,中國寶安子公司貝特瑞擬與深圳市光明區政府簽署投資合作協議,擬在深圳市光明區內投資建設年產4萬噸硅基負極材料項目,項目預計總投資50億元。

  而隨著硅基負極材料的“明星”效應不斷釋放,多家傳統負極材料廠都已經開始入局硅基負極。據公告,璞泰來在江西和江蘇溧陽均建設有硅基負極中試線,已經通過部分客戶認證;翔豐華硅基負極已經具備產業化基本條件。動力電池廠商國軒高科也有5000噸/年硅基負極材料項目正在建設中。主營有機硅材料的硅寶科技也布局了1萬噸/年鋰電池用硅碳負極材料,材料已通過數家電池廠商測評并實現小批量供貨。杰瑞股份全資子公司杰瑞新能源科技有限公司與廈門嘉矽能源科技有限公司日前簽訂協議,將投資設立合資公司,共同推進硅碳純品、氧化亞硅純品及硅基復合負極材料等產品的研發、生產、銷售。

  一批跨界廠商也紛紛入局,其中包括主營電解液材料的石大勝華,其一期1000噸硅基負極已進入試生產階段,預計今年下半年批量出貨。此外,公司還規劃了2萬噸級硅基負極產線,總投資額7.3億元,預計將于2023年12月份建成投產。

  據了解,中國負極行業產量在已經占據全球約六成以上市場,貝特瑞、璞泰來、杉杉股份市場份額占比居前。業內人士表示,當前硅基負極主要應用在消費電子、電動工具等領域,而蘊藏更大增量空間的是動力電池領域,尤其即將到來的4680電池將成為改變市場的暖風。目前,4680電池已經處于大規模量產前夜。

  記者獲悉,特斯拉已在2020年首次發布4680圓柱電池。這款電池正極采用高鎳三元材料,搭配硅基負極材料,并具有無極耳和干電極設計,使其相對于上一代的2170電池續航里程提升16%、功率輸出提升6倍、能量提升5倍,且成本也將下降14%。特斯拉CEO馬斯克曾直言,這款電池將使2.5萬美元的電動車成為可能。

  諸多難題破解

  公開資料顯示,高比容量優勢使得硅基材料被視為理想的下一代負極材料。硅的比容量高達4200mAh/g,是碳基材料的10倍以上,是目前已知比容量最高的負極材料。碳基材料是目前使用最為廣泛的負極材料,其理論比容量為372mAh/g。

  然而,硅基負極材料也存在硅易體積膨脹、導電性差、首次充放電損耗大等問題。由于硅材料在充放電時體積膨脹可達120%-300%,導致硅顆粒分化及SEI膜的破裂增厚,將影響電池首充效率與壽命。

  針對此短板,科研人員發現,以碳輔硅,兼具容量與壽命。據此,業內提出的解決方案是,將硅碳復合材料與硅氧復合材料作為硅基負極的主要技術路線。具體說,就是在能量密度和穩定性之間尋找平衡,以實現材料性能的實際改善。

  當前的硅基負極產品是將硅和石墨摻雜起來復合使用,以硅顆粒提供儲鋰容量,碳材料緩沖體積變化,同時兼顧了較高的比容量與較長的使用壽命。而對于新能源車普遍采用的鋰電池負極材料而言,一般分為碳系負極和非碳系負極,其中,硅碳負極材料相比于石墨負極材料的比容量大,能極大提高鋰電池的能量密度,被認為當前性能最好的負極材料。

  然而,新的問題又出現了,雖然硅基材料緩解了純硅材料的體積膨脹,但硅基負極的壽命與首次充電效率相較于碳基負極仍有差距。對此,業內提出了更新的解決方案,一是負極預鋰化,即在電池工作前向電池內部補充鋰離子,將有效提升首次充電效率與電池壽命;二是改進硅基復合材料,除硅碳(納米硅)路線、硅氧路線外,通過加入碳納米管、石墨烯等新型導電劑材料,也將提升硅基負極的壽命與循環性能。

  或迎市場爆發

  在業內看來,硅基負極材料即將迎來市場爆發。國內主要硅基負極材料生產企業包括中科電氣、貝特瑞、江西正拓、深圳斯諾等,其中,貝特瑞具備先發優勢,目前已經進入了松下-特斯拉的供應鏈,同時已量產供貨給韓國的三星電池,并計劃提升惠州工廠的產能,硅碳和硅氧各生產3000噸/年。

  與此同時,比亞迪、寧德時代、國軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了對硅碳負極材料的布局。其中,杉杉股份的高容量硅合金負極材料已小批量生產,并對寧德時代供貨。從產業來看,硅碳負極材料在國內的發展處于初期階段,不少企業已布局生產線,進行小批量生產。據數據統計,2020年國內的硅碳負極材料出貨量為0.9萬噸,占總負極材料出貨量的比例約2%。

  業內普遍認為,國內的硅碳負極材料產業化需要一個整合過程,一方面要求上游材料企業提高產品的性能,另一方面還要調配好與其它摻雜材料的比例,以及與電池企業研究鋰電池封裝工藝的提升。相信隨著國內負極材料生產企業的快速布局,市場的滲透率逐步提升,規模級的產業化將會加快來臨,硅碳負極材料的市場規模將會迎來春天。中華工商時報

 

 

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