还没布局硅碳负极 你拿什么抢占新能源发展先机？

今年三月一日，国家工信部等四部委联合公布了《促进汽车动力锂电池产业发展行动方法》，该文件对动力锂电池的未来发展方向做了规划，并对产品性能提出了具体要求——到2020年，新型锂离子动力锂电池单体比能量超过300瓦时/公斤，系统比能量力争达到260瓦时/公斤；到2025年，新体系动力锂电池技术取得突破性进展，单体比能量达500瓦时/公斤。

传统石墨负极很难达到这一目标，采用硅碳负极可能是动力锂电池的必然选择，它也将可能成为未来负极材料的应用主流。然而，硅碳负极的大规模产业化之路可能并不轻松，还有一系列问题要解决。

硅是目前已知的比容量最高的锂离子负极材料，可达到4200mAh/g，是石墨的十倍左右，而且在地壳元素中储量丰富(26.4%，第2位)。因此，硅被看作是当下最有潜力的负极材料。

硅做负极时，从工作原理看，充电时锂离子从正极材料脱出，嵌入硅晶体内部晶格间时，造成膨胀（可达300%），形成硅锂合金；而放电时锂离子从晶格间脱出，又形成大的间隙。假如单独使用硅作为负极材料，脱嵌过程中，由于硅晶体体积出现明显变化，易造成硅负极材料从集流体剥离下来，导致极片露箔并引起电化学腐蚀和短路等现象，影响电池的安全和使用寿命。

硅碳复合材料则可以弥补这一不足。碳负极材料循环稳定，导电性能优异，且锂离子对碳的层间距影响不大，可缓冲和适应硅的体积膨胀，因此，碳常被用来与硅进行复合。硅碳复合材料可分为硅碳传统复合材料和硅碳新型复合材料，其中传统复合材料是指硅与石墨、炭黑等复合，新型硅碳复合材料是指硅与碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料复合。业内人士对硅碳负极材料的前景颇为看好。

今年九月，工信部公布了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》，该目录中，有4项新材料涉足新能源领域，负极材料——硅碳负极赫然在列。有关硅碳负极，目录明确要求需满足：低比容量(<600mAh/g)：压实密度>1.5，循环寿命>300圈(80%，1C)；高比容量(>600mAh/g)：压实密度>1.3，循环寿命>100圈(80%，0.5C)。

据了解，目前，我国硅碳负极材料比容量在450mAh/g左右，离600mAh/g的指标还有一定的差距。理论上，硅碳负极应该是比较理想的动力锂电池负极材料，然而，至今硅碳负极仍未大规模推广。认为，其产业化障碍重要在于：

1.膨胀问题。硅碳负极材料的循环性能和膨胀问题未彻底解决，硅材料较低的压实密度和嵌锂后体积的显著膨胀，正如业内专家所言，这个特点在一定程度上影响了电池结构的选择和设计。

2.首次充放电效率低。硅碳负极在首次充放电时会形成SEI膜，SEI在硅的体积变化影响下被反复破坏与重新形成，锂离子被大量消耗，从而造成电池容量下降。

3.材料加工成本高。电池负极材料在走向纳米化，不同的材料对物料的研磨工艺有不同的要求，硅碳负极对研磨机的性能是一个极大的挑战，其纳米化生产效率不高，复合过程复杂，导致成本比石墨高很多。

目前，硅碳负极材料在产品性能方面还需进一步提升，业内也在努力。比如，曾讨论过硅碳负极的膨胀问题，我们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，将硅的体积减小到纳米级，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。（《锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析》）

硅碳负极材料的产业化是一个大趋势。很多国际知名电池公司都制定了能量密度提升计划，比如，三星SDI计划于2023年达到350Wh/kg；比亚迪计划于2020年达到300Wh/kg；宁德时代计划于2020年达到350Wh/kg。为实现上述目标，各厂家都制定了具体的实现路径，都将硅碳负极作为电极材料。目前，不少公司已经在积极布局，有的公司甚至已经量产。

从上面的表格可见，已有部分电池产业链公司开始布局硅碳负极，但大多处于研发和参与示范项目的阶段，真正已经实现大规模量产的公司屈指可数。国外的松下电池应用硅碳负极材料稍早，但搭载此款电池的特斯拉汽车其安全隐患也是一个无法忽视的问题。

在国家政策的推动下，未来硅碳负极材料将迎来快速发展。据预测，2020年硅碳负极材料市场空间高达50亿元。假如电池产业链公司能够预见市场趋势，提前布局硅碳负极材料，做好技术储备，必能抢占新能源发展的先机。