锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析

    近日由国家工信部等三部委联合出台的《汽车产业中长期发展规划》中要求，到2020年动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上，力争实现350瓦时/公斤。此前出台的一系列相关政策，也将动力电池单体比能量达“300瓦时/公斤”设定为动力电池技术首先应该达成的一个“小目标”。

    对于目前国内动力电池单体比能量普遍在220瓦时/公斤左右的现状，在未来不足4年的时间内，将单体比能量再提升近4成，无论对于研究机构还是产业界，都是一个不小的挑战。在正极材料方面，业界纷纷将目标放在了高镍材料上，而负极材料方面，业界普遍认为硅碳负极足以“担此大任”。

    国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产。比如松下2013年量产的NCR18650C型号电池，即采用硅碳负极材料；日本GS汤浅推出的硅基负极材料锂电池，已应用于三菱汽车上；日立麦克赛尔将硅碳负极材料用于智能手机、可穿戴设备等小型锂离子电池上；特别是特斯拉将硅碳负极成功应用于即将量产的Model 3上，实现超300瓦时/公斤的比能量，更让业界看到了硅碳负极在提高动力电池比能量方面的希望。

    然而，国内企业在硅碳负极产业化方面动作较慢。除贝特瑞的硅碳复合负极材料已有国外批量订单外，CATL、比亚迪、国轩高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企业硅碳负极的产业化应用都在推进中。

    为何国外企业特别是日企在硅碳负极产业化方面，走的比国内企业要远得多？这还要从硅碳负极的特性说起。石墨的理论比容量是372mAh/g，而硅负极的理论比容量高达4200mAh/g。石墨作为成熟的负极材料，其能量密度已经基本被充分发挥，要想在能量密度上有所提升，与硅结合是一种较好的方式。但在真正的使用过程中，硅碳负极存在很多先天的“不足”。

    主要是体积膨胀问题。在充放电过程中，硅的体积会膨胀100%-300%，不断的收缩膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化，严重影响电池寿命；其次，硅的不断膨胀，在电池内部产生很大的应力，这种应力对极片造成挤压，循环多次后可能出现极片断裂的情况；再次，也是由于电池内部应力的原因，很有可能造成电池内部孔隙率的降低，减少锂离子移动通道，造成锂金属的析出，影响电池安全性。此外，硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低其首次库伦效率。正因如此，硅碳负极在研发和应用方面的面临着较高的技术壁垒。

    对于硅膨胀问题，有业内人士建议，可以多从力学的角度研究电池内部的应力问题，通过控制碳材料中硅的含量、减小硅的体积到纳米级，或者通过改变石墨质地、形态等，实现碳和硅的最佳匹配，还可以通过采用其他物质对硅材料进行包覆，促进膨胀后的复原，或采用更适宜的电极材料等一系列方法，来减少硅膨胀带来的诸多问题。此外，通过采用稳定的电解液，形成稳定的SEI膜，也可以减少电解液的消耗，提高循环效率。

    同时，由于电池能量密度的提升，硅碳负极很容易出现由于瞬间电流偏大造成的安全问题，包括上述硅膨胀带来的析锂问题，都造成硅碳负极不如石墨负极安全。曾有实验表明，对于采用较高容量硅碳负极的锂离子电池，其针刺实验的效果比采用石墨负极的锂离子电池要差很多，这也说明高安全性和高能量密度始终是矛盾的。在安全性方面，部分学者建议深入研究电解液或阻燃剂对电池安全及能量密度、循环寿命等方面的影响，以求在这一领域有所突破。

    在硅系负极方面，研究界认为氧化亚硅-碳复合材料的实际应用效果可能好于纯硅-碳复合材料，特别是在电池循环性和稳定性方面，这同时也是业界在高能量负极材料方面的另一个研究重点，但也有专家表示，由于日韩企业在氧化亚硅负极复合材料方面起步较早，很多专利技术都在日韩企业手中，因此国内要在这方面进行产业化突破，就必须考虑相应的知识产权问题。

    而且无论采取哪种硅材料，要想取得较为理想的电化学性能，复合材料中的硅颗粒粒径都需要控制在200-300纳米之间，这对企业实际生产设备也有很高的要求，因此，硅碳负极的实际产业化应用还受到设备精细度和投入成本的制约。

    看似简单的硅碳负极，要想实现产业化并不简单。不少企业也明确表示，如果单纯实现“2020年，电池单体比能量达300瓦时/公斤”的目标并不难，但是要想在确保电池的安全性的同时提高比能量，确实存在一定难度。对此很多电池企业呼吁，提高比能量是一个系统工程，希望系统、整车企业与电池企业一起努力，解决电池的安全问题，也希望能够与材料企业共同研发，找到更多更好的电池材料，推动整个动力电池产业的发展。<