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    硅碳負極材料在鋰電池領域的應用
    時間:2018年07月25日 閱讀:

            當前商業化鋰離子電池的負極材料主要為改性天然石墨和人造石墨,盡管制備技術已相當成熟,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注。但硅作負極卻存在天然的缺陷,即鋰嵌入脫出硅的晶胞時,會導致硅材料發生嚴重的體積變化,造成容量衰減迅速。

            經過科學家大量的研究發現,將硅與其他材料復合能夠有效緩解硅的體積效應,增長其循環壽命,而硅-碳復合物是其中最具有應用前景的復合材料。硅-碳復合負極材料中硅作為活性物質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,保持電極結構的完整性,并維持電極內部電接觸。硅-碳復合負極材料受到了越來越高的重視,科學家稱之為“鋰電負極材料的新大陸”

     

    圖一 鋰離子電池

     

    ?一、硅碳負極材料應用前景?

            近年來,我國鋰離子電池產業發展迅速,全球市場份額不斷攀升,在大規模的鋰離子電池產業投資的帶動下,鋰離子電池負極材料的需求不斷上升。硅負極相比石墨負極具有更高的質量能量密度和體積能量密度,采用硅負極材料的鋰離子電池的質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%,因此硅負極材料將具有非常廣闊的應用前景。

     

     

    圖二 硅碳負極材料的 SEM圖像

            新能源汽車產業是全球汽車產業的發展方向,也是我國重要的新興戰略產業之一,未來10年將迎來全球汽車產業向新能源汽車轉型和升級的戰略機遇。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。

            便攜式消費電子領域也將是納米硅碳負極材料大規模應用的另一個重要領域。隨著全球4G移動通訊技術、互聯網、數字化娛樂便攜設備應用的逐步普及,手機、筆記本電腦、平板電腦、游戲機、可穿戴式智能設備、移動電源等數碼類電子產品領域的需求將保持持續增長,其中智能手機、平板電腦、可穿戴式智能設備及移動電源的市場前景最為廣闊。目前智能手機已成為鋰離子電池最大的應用領域。由于智能手機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極材料的廣闊市場。

            在規模儲能領域,納米硅碳負極材料也將擁有較大的應用前景。鋰離子電池作為目前應用最廣泛的儲能電池,相比電動車領域,儲能電站領域對鋰離子電池能量密度的要求更高,而采用納米硅碳負極材料對滿足這種需求提出了可能的解決方案。根據高工鋰電統計數據,我國儲能型鋰離子電池市場應用終端占比由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。在新能源發電和智能電網建設的背景下,儲能電站的大規模商用化將得到提速,其裝機量將迅速擴張,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,航空航天、船舶艦艇等領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階段最具有開發潛力的鋰離子電池負極材料,其應用前景非常廣闊。

     

    ?二、碳硅復合負極工業化應用概況?

     

    1、國內部分工業產品介紹

    ①深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司由中國寶安集團控股,擁有300噸硅碳負極材料生產線。該公司擁有SiO基負極材料產品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基負極材料產品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。

    ②上海杉杉科技有限公司是杉杉股份的全資子公司,硅碳復合負極材料產品主要有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%。

    ③湖南星城石墨科技股份有限公司硅碳復合負極材料產品主要有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%。

    ④江西紫宸科技有限公司硅碳復合材料產品容量主要有380、400、420、450、600、950mAh/g,首次庫侖效率分別為91%、90%、88%、87%、84%、84%。

    2、國外部分工業產品介紹

    ①日本信越化學工業株式會社主要經營半導體、有機硅和高分子等產業。該公司的硅碳復合負極材料主要是C-SiO負極材料,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。

    ②韓國GS集團主要經營石油精煉、石油化工及潤滑油等能源產業。該公司硅碳復合負極材料主要是GSEMC-450、GSEMC-650,0.2C容量為450、650mAh/g,首次庫倫效率為87%、88%。

    ③美國Enevate公司負極材料由硅以微/納米尺度復合材料形式組成,具有100%活性,不包含非活性的粘結劑,適于大批量生產。該負極主要是大容量整體式陽極,可實現高達700-800Wh L-1的能量密度,循環壽命與石墨電池相當。

    ④美國Amprius公司以硅納米線作為負極材料,同時開發了先進的電化學技術和電池設計技術。目前已量產650Wh/L的高能量硅負極鋰離子電池,而其演示產品的體積能量密度能達到800Wh/L。

    湖南省中晟熱能科技有限公司

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