比克是如何应对硅基板是什么材料材料体积膨胀这一技术难题的？有哪些有效的解决策略？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-03-28 13:00 标签： 硅基板是什么材料
硅基材料用量进入爆发初期，比克电池提出三点性能展望近日，深圳市比克动力电池有限公司（以下简称比克电池）潘庆瑞博士在行业会议发表以《硅基材料在圆柱锂离子电池上的开发现状和面临的挑战》的主题演讲，携手行业同仁从原材料行情、市场、技术等多维度探讨锂电发展新未来。图1：比克电池潘庆瑞博士现场分享伴随新能源汽车和锂电池产业快速发展，作为锂离子电池核心主材的负极材料需求增长旺盛。据观研报告网发布的《中国锂电负极材料行业现状深度调研与未来投资研究报告（2023-2030年）》显示，负极材料是锂离子电池储存锂的主体，截至2022年市场规模为308.3亿元，相较2021年增加77.2亿元。虽然石墨已被公认为是锂电池的理想负极材料，但由于容量已接近理论极限，限制了高性能锂离子电池的进一步发展。当下，硅因为其高理论比容量、低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等多重优势，被行业视为最具潜力的下一代负极材料主力军。比克电池作为国内老牌锂电厂商，凭借敏锐的嗅觉和领先的优势，成为国内最早应用硅负极材料的企业之一，并在该领域持续深耕。潘庆瑞博士介绍：“硅基材料要在电芯中实现应用，需要满足高容量、高界面稳定性、高振实（压实）、低成本等性能。目前符合的这些要求的主要是一些微米级-纳米设计的硅负极材料，如传统硅碳、新型硅碳、氧化亚硅等，比克已在这些方面做了大量研发工作，发现负极材料在350-700mAh/g区间使用时，能量密度会随着负极容量提高明显提升。”硅基材料带来更高容量的同时，也产生了体积膨胀的新问题，给硅的实际应用带来挑战。比克电池优先选择圆柱电池策略，取得了不错的突破和进展。潘庆瑞博士表示：“方壳、软包电池在循环后期容易发生明显的膨胀，但圆柱电池因结构的优势，即使在寿命终止时也能保证不形变，不但可采用更激进的化学体系，而且还能保证优异的安全性能。比克也是国内最先量产高镍-硅体系电芯的企业之一。”现阶段，比克电池硅氧材料已由一代硅发展到三代硅，首效由77%提升至86%，正极利用率也在逐步增加；既保持了高容量，又使得电池循环寿命依旧能够达到常温1000周80%，45℃高温1000周70%以上。图2：比克电池硅负极圆柱锂电池百尺竿头更进一步，基于前沿负极材料研究，比克圆柱电芯产品布局明确。从2024年到2027年，比克电池在大圆柱产品路线上实施双线布局战略，满足新能源汽车和消费电子产品等应用场景，对电池容量、效率和续航能力诸多方面提出的更高要求。其一是高性能路线，能量密度在280～330Wh/kg之间，首代产品采用高镍+高首效硅，支持4C快充；轻量化产品，依旧采用高镍+高首效硅，并支持4C快充；准固态产品，将采用超高镍+高比例硅，支持2～3C快充。其二是低成本路线，能量密度达200Wh/kg左右，为磷酸铁锂+硅、Na+离子电池、磷酸锰铁锂+硅等多种体系，实现多元化使用场景。未来，在动力锂电池、消费电池、储能电池三方面需求持续增长下，前瞻产业研究院初步预测，2026年锂电池负极材料需求量将高达127万吨，年均复合上升率为25％，迎来良好发展契机。潘庆瑞博士认为：“圆柱电池的继续发展，依赖于高镍和硅材料的开发应用，而硅基材料的应用面临着成本、界面稳定性、膨胀、产气、浅充放循环等瓶颈。比克电池将以更高掺混比例推动硅基材料发展，协同电解液和安全方面优化，力争打破瓶颈，探索全新新能源电池，让生活更加美好。”
随着新能源汽车、可再生能源、电子产品等行业的迅猛发展，锂离子电池变得越发重要。负极材料是锂离子电池的重要原材料之一，占到了锂电池总成本的10%，它与锂离子的可逆反应能力，决定了锂离子电池的储能效应。目前，锂离子电池负极材料可分为碳材和非碳材两大类，其中碳系材料包括天然石墨、人造石墨以及石墨烯等碳系材料。非碳系材料包括钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物和金属锂等等。当下主流的负极材料主要是人造石墨，这种锂离子电池可广泛的用于中高端电动汽车、3C等领域，而采用天然石墨的锂离子电池则主要用于低端电动汽车、储能等领域。但石墨负极材料的比容量已经逐步接近理论极限值372mAh/g，很难再有大的提升。而硅基负极材料的理论容量比可达4200mAh/g，远远超过了石墨，被认为是下一代高容量锂离子电池负极材料的首选。同时，硅基负极材料还有储量丰富、成本较低等优点，所以在这个技术领域，为了避免被卡脖子，我们也需要取得突破才行。虽然从理论上来说，硅基负极材料的比容量更高，但由于硅的物理特性等原因，其导电性较弱，体积膨胀率较高、进而造成更大的应力问题、在多次循环中可能粉末化。同时，因为硅材料的比表面积高于石墨，首次不可逆锂损耗达15%-35%。因此，硅基负极材料的技术研发和生产制造，需要解决上述难题。那么在硅基负极材料领域，美国Group14旗下的Ener（安nei）G2公司具有很强的技术实力，甚至形成了一定的专利技术壁垒。好消息，我国有一家名为昱瓴新能源的企业，成功的打破了相应的技术垄断。昱瓴新能源是一家专注于高性能锂电池负极材料研发、生产、销售和解决方案的综合供应商。目前已经形成“低锂耗”、“多孔硅基复合”和“CVD沉积”三大核心技术，分别解决硅氧碳负极的首效、循环问题与硅碳负极的膨胀问题。例如，其他厂商一般会选择选择“预锂化”工艺来解决硅氧碳负极材料的首次不可逆锂损耗问题，也就是生产负极材料的时候，预先补充更多锂粉或锂盐，以此来应对额外的损耗，这样的方式成本高，并且增加了析锂的可能性、生长出锂枝晶导致隔膜破损、进而导致热失控。而昱瓴新能源的“低锂耗”技术，采用控制含氧量、优化结构形貌为基础，结合碳包覆提升电子电导率、稳定化学/电化学反应界面、提升材料的结构稳定性，从而达到高首效、长循环的目的。从测试数据来看，采用“低锂耗”技术的硅氧碳前驱体容量1600~1700mAh/g，设计成450mAh/g硅氧碳复合负极材料，掺混比例约8%，首次效率约90.5%，也就是说，低锂耗技术的首效已与预锂技术非常接近。那么，在首效基本持平的情况下，低锂耗技术便有了较大的成本优势。例如，昱瓴新能源的硅氧碳前驱体成本较国内厂商的预锂化硅氧碳前驱成本低约40%-55%，较日本厂商的预锂化硅氧碳前驱体成本低约70%-85%。另外，随着锂离子的嵌入，硅基负极材料会出现体积膨胀的情况，甚至破坏电池结构。而昱瓴新能源的多孔硅碳复合技术就能很好的解决这个问题，通过三维多孔结构，有利于锂离子快速传输，并提供一定空间来缓冲活性物质在嵌/脱锂过程中的体积变化，释放应力/应变，具有良好的结构稳定性。那么，或许是因为在硅基负极材料领域的技术优势，近日昱瓴新能源获得了数千万元的A+轮融资。目前，昱瓴新能源已经实现了年产1万吨硅碳负极，二期年产3万吨硅基复合负极材料的项目正在建设中。另外，昱瓴新能源还在与国内顶尖高校院所，包括上海大学、上海交通大学、中科院大连化学物理所共同建立研发中心，针对柔性锂电池及固态电池使用的快充型多孔硅基薄膜负极进行技术研发。据了解，其比容量可以做到2500mAh/g，首次效率93.5%，而且已经送样测试，并且反馈良好。例如，固态电池客户就表示，这种多孔硅基薄膜负极，具有良好的机械柔韧性、连续弯折稳定性和强度，能满足3C~4C快充要求，能量密度可达到800Wh/L，展示出了良好的应用潜力。当然，宁德时代、亿纬锂能、中创新航、蜂巢能源、比克电池、力神电池等国内电池厂商，也都已经纷纷布局硅基负极材料，也都有所斩获，以后找机会我们再单独的讲。总之，硅基复合负极材料的技术发展和产业化落地，已经开始进入快车道，尤其是在汽车动力电池领域，只有率先取得突破，才能在激烈的竞争中夺得一席之地。继续阅读(剩余50%)

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