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硅碳负极该如何配套正极/电解液/粘结剂

从2017年下半年开始,采用硅碳负极的锂电池有少量推向高端数码市场,动力电池企业也正在抓紧研发当中,快者处于中试水平。2018年硅碳复合材料用量将达2000-3000吨,同比增长一倍左右。

“公司硅碳电池主要用于高端数码。”一家电池企业高层透露,虽然硅碳负极成本高,但用于终端产品的价格也高。硅碳电池暂时未用于动力,不是因为研发生产难度特别高,而是动力电池需要很长的使用寿命,验证时间不够。 值得一提的是,业内存在一种看法,电池企业会先将硅碳负极用于数码锂电池,等摸透了再向动力电池领域推广。目前圆柱、方形、软包电池等都有在试用硅碳负极,相对而言,18650结构比较适用硅碳负极,相对偏多些。

总体而言,硅碳动力电池是行业发展的一个必然趋势,而且距离量产时间越来越近,快则一年左右,慢则两年左右。目前主流负极材料企业正抓紧扩张硅碳材料产能,相关配套材料(正极材料NCM811/NCA、电解液、粘贴剂)研发及生产也都趋向成熟。

动力电池企业抢占硅碳风口 负极企业响应扩产

其实硅碳负极早已经应用到了动力电池领域,2016年4月特斯拉Model3发布时,就有分析指出,Model3采用了松下电池,负极材料是人造石墨中加入10%的硅基材料,容量在550mAh/g以上,能量密度可达300Wh/kg。 除松下率先初步实现硅碳动力电池产业化以外,国内动力电池企业比亚迪、宁德时代、天津力神、万向A123、国轩高科、微宏动力等都展开了对硅碳负极体系的研发和试生产。

无论是当前的研发及试生产,或是即将到来的批量应用,下游动力电池企业对硅碳负极材料都提出了明确的需求。在此趋势下,主流负极材料企业积极响应,在提升硅碳负极材料研发实力的同时,纷纷扩大硅碳负极材料产能。

正拓能源通过采用纳米结构化、碳包覆处理和二次造粒三大创新技术,有效提高了硅碳材料的循环性能,解决了包覆不均匀导致硅材料与电解液中HF组分与硅反应引起的电性能恶化和极片膨胀的问题。其硅碳负极具有克容量高(400mAh/g-650mAh/g)、循环性能好等优点,产品首次放电容量≥420mAh/g;库伦效率≥91%,1000周0.5C循环后容量保持率≥80%。

据正拓能源负责人透露,公司建设的年产3000吨硅碳负极材料项目已经于2017年8月实现批量生产,前期主推420mAh/g和450mAh/g两个型号,目前处于送样测试和小批量供货阶段。同时,公司还在进一步研发500mAh/g、650mAh/g的超高容量硅碳负极,为后续的容量持续提升做技术储备。

杉杉股份方面,2017年4月其对外称,公司硅碳负极已经具备每月吨级的出货规模,预计2017年有望完成4000吨/年的生产规模。7月,公司在接受投资机构调研时对外表示,公司硅碳负极已经开始逐步放量,按能量密度定价,以Wh成本计量。

璞泰来于2017年4月宣布,计划投资50亿元在江苏溧阳建隔膜、负极材料等项目,而在该项目中,就包括与中科院物理所合作量产新型硅碳复合负极材料。

正极/电解液及粘合剂企业配合研发 创新产品量产

业界分析认为,做出硅碳复合负极材料并不难,但批量生产出电化学性能优良的复合材料则非常难。制约硅碳负极大规模应用的问题主要集中在三个方面:一是硅碳复合材料的电极膨胀率较高;二是硅碳负极材料的循环性和库仑效率仍有待进一步提高;三是成本问题。

若暂不考虑成本问题,只从技术角度考虑,解决硅碳负极膨胀缺陷及循环性差的问题,除了需要负极材料企业及电池企业共同努力以外,还需要包括正极材料、电解液和粘合剂在内的“一揽子”配方和工艺解决方案。

正极材料方面,硅碳负极主要搭配正极材料NCM811、NCA,而国内正极材料行业正从NCM523向NCM622过渡,NCM811因高技术壁垒离走向成熟还有多项技术难题需克服。 不过,在行业紧迫形势下,包括杉杉能源、当升科技、宁波金和等正极材料企业均加快研发进程。其中宁波金和、杉杉能源率先实现量产。

电解液方面,目前硅碳电解液大多是采用高含量的FEC来稳定硅碳负极的SEI,以此来改善硅碳负极的循环性能,但高含量的FEC容易被高正极或高电压NMC正极所催化分解,从而劣化电池的高温存储性能和高温循环性能。对此,新宙邦自主开发了新型正极成膜添加剂LDY196,其能明显抑制电解液在高镍正极和高压NMC正极上的氧化分解,从而能有效改善高含量FEC 电解液在高镍或高电压NMC电池下的高温不足和循环不足的问题。

通过新型正极成膜添加剂LDY196,负极成膜添加剂VC,FEC,锂盐型低阻抗添加剂等开发了一系列电解液产品,该系列电解液产品用于高镍正极/硅碳负极的动力电池体系中,能满足循环1000周的要求,并能获得优良的高温性能和低温性能。该系列产品广泛适用于高能量密度NCM811、NCA、高电压三元正极配硅碳负极动力电池,已经在国内外的中高端客户中得到大批量应用。

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