對于電池性能的提升,正極材料貢獻的力量可謂最多,要提高能量密度,就得走高鎳NCM811、中鎳高電壓、固態(tài)等路徑。實際上,負極材料對于能量密度的提升也很關鍵。兩者要黃金搭檔,才會實現(xiàn)最佳的效果。
今年以來,硅負極電池技術、摻硅補鋰技術、無機預鋰化硅碳負極技術等,隨著1000公里續(xù)航、350Wh/kg能量密度等吸眼詞匯紛紛登場,一時間“硅”成為各大企業(yè)技術爭奇斗艷的利器。
一個月前,廣汽集團在廣汽科技日上對外展示了其硅負極電池“黑科技”,電芯能量密度可提高到280Wh/kg左右,該電池可以讓電動車NEDC續(xù)航達1000公里,將會應用在AION LX車型上,預計今年年內(nèi)投產(chǎn)。
“通過對電池能量密度做測算和分析,對于高鎳三元材料來說,只有跟更先進的硅碳負極結合起來的時候,才能取得高能量密度的優(yōu)勢;如果只是跟石墨進行搭配,跟中鎳三元提高電壓之后密度相當。”廣汽集團汽車工程研究院高級工程師梅驁分析道。
事實上,硅負極材料正在加速被越來越多的企業(yè)引入。今年年初,蔚來發(fā)布預期于2022年交付的150kWh電池包,正極使用納米包覆超高鎳正極,負極使用“無機預鋰化硅碳負極技術”,同時使用半固態(tài)電解質(zhì),單體能量密度達350Wh/kg。
除此之外,智己汽車所采用的寧德時代的“摻硅補鋰”電池,也通過提高負極中硅的含量,同時增加鋰的含量,進而提升電池性能。使其實現(xiàn)300Wh/kg的單體能量密度,在未來5年內(nèi)將陸續(xù)推向市場。
不僅是三元材料,磷酸鐵鋰與硅負極結合,也能對能量密度提升起到催化作用。今年伊始,國軒高科首次亮相了210Wh/kg的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品。國軒高科表示,將磷酸鐵鋰能量密度拔高到210Wh/kg,離不開關鍵的“高克容量硅負極材料和先進的預鋰化技術。
當前,使用石墨做電池負極材料仍然是市場的主流選擇,但因為其理論克容量偏低(約372mAh/g),已進入瓶頸期。業(yè)內(nèi)主流分析認為,隨著鋰電池技術的發(fā)展,負極材料產(chǎn)品升級是必然趨勢,石墨負極體系向硅基負極體系升級是主要方向。
在多種新型負極材料中,硅具有超高的理論比容量(4200mAh/g,高出傳統(tǒng)石墨材料10倍多)和較低的脫鋰電位,且由于其電壓平臺與石墨相比較高,在充電時表面鋰離子不易被析出,電池綜合安全性能更為出色,是替換鋰離子電池碳基負極最為實際的選擇。
追溯起來,研發(fā)硅材料以應用于鋰電池負極始自上世紀90年代,但直至2014年左右才實現(xiàn)硅碳負極、硅氧負極的產(chǎn)業(yè)化。從國際來看,松下于2017年將硅碳負極批量應用于動力電池,供應特斯拉Model3,其電池能量密度登上300Wh/kg高峰。此外,三星、LG化學的硅基負極,主要應用于消費電池領域。日本GS湯淺的硅基負極材料鋰電池,應用在三菱汽車上。
從國內(nèi)來看,寧德時代、力神電池、國軒高科、比亞迪、比克動力、微宏動力等都在加快硅碳負極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。早在2016年,寧德時代就啟動了以高鎳材料為正極、硅碳復合物為負極的動力電池研發(fā)項目。2018年力神電池開發(fā)出高比能量高鎳系正極材料,同時研制性能良好的硅碳負極材料,并基于該體系開發(fā)出的電芯單體比能量達303Wh/Kg。此外,國軒高科研發(fā)的高鎳三元電芯,負極采用硅碳材料,能量密度可達300Wh/kg。
除了電池企業(yè),材料企業(yè)也抓緊在硅基負極材料領域的投入和投產(chǎn)。其中,杉杉股份的高容量硅合金負極材料已產(chǎn)業(yè)化,可滿足新能源乘用車用動力電池300wh/kg 性能要求,并已對寧德時代供貨;中科電氣目前已建設完成硅基負極材料中試產(chǎn)線,進行成品試生產(chǎn);貝特瑞現(xiàn)有硅基負極生產(chǎn)線已投產(chǎn)。除此之外,江西紫宸、深圳斯諾、江西正拓、創(chuàng)亞動力、大連麗昌、硅寶科技等都在積極推進硅碳負極的產(chǎn)業(yè)化。
不過,值得注意的是,雖然硅碳材料優(yōu)勢明顯,但是目前電池在批量生產(chǎn)的過程中,還存在容量快速衰減、電池容易變形、循環(huán)次數(shù)達不到要求等問題,真正好的硅碳負極產(chǎn)品和用得好的電池廠家并不是很多;而且,以目前的技術條件下,硅碳負極的性價比不夠高,電池容量提升5%-10%的情況下,電池的成本要增加20%-30%甚至更高。
雖然如此,但瑕不掩瑜。未來硅碳負極的應用前景是非常光明的。業(yè)內(nèi)預計,隨著我國對動力電池的能量密度提出要求,硅碳材料的應用將逐年提高,2021-2026年硅碳負極材料滲透率年均增長率將在3%-5%之間。預計2026年我國硅碳負極材料的市場滲透率將達到23%,則至2026年我國硅碳負極材料市場需求或達50萬噸。
原標題:動力電池將邁向“硅”時代?