电池负极材料硅碳的大规模应用

负极材料分类

国内现有负极产品主要为碳材料和非碳材料，其中碳材料又可以分为石墨类碳材料和无定型碳材料，石墨类碳材料应用比较多的是天然石墨和人造石墨;而非碳材料方面主要包括锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料，其中硅基材料和钛基材料在市场上有少量应用。

硅碳类材料的优点和缺点

石墨类负极作为主要的负极材料，应用已经非常广泛，但是石墨类负极材料容量已做到360mAh/g，已经接近372mAh/g的理论克容量，再想提升其空间已很难实现。而硅与碳化学性质相近，硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mA·h/g，远高于商业化石墨理论比容量，在地壳元素中储量非常丰富，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

但是，由于硅在充放电过程中容易产生体积膨胀(~300%)，这限制了硅负极的商业化应用。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体;另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量;C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

硅碳材料主要结构

包覆型：包覆结构是在活性物质硅表面包覆碳层，缓解硅的体积效应，增强其导电性。根据包覆结构和硅颗粒形貌，包覆结构可分为核壳型、蛋黄-壳型以及多孔型;

嵌入型：嵌入型硅碳复合材料是将硅颗粒通过物理或者化学手段分散到碳载体中，硅颗粒与碳基体结合紧密，形成稳定的两相或者多相体系，依靠碳载体为电子和离子提供传输通道和支撑骨架，提供材料结构的稳定性。

主要负极材料厂商开始布局硅碳负极材料

硅碳负极优异的电化学性能吸引了许多负极材料厂商投入到硅碳材料的研发和生产当中，负极材料企业如贝特瑞、上海杉杉、斯诺和国轩高科等都公布了各自的硅碳负极产能规划。但是由于硅碳材料成本较高和合成工艺较为复杂，目前只有贝特瑞等少量厂商能够批量供货，2017年出货1000吨，已有部分国外客户使用。其S1000型号硅碳负极材料的比容量高达1050mAh/g，尽管离硅的理论比容量4200mAh/g仍有较大差距，但已经是人造石墨负极材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。

电池厂布局硅碳系列电池

硅碳材料早先是在日韩企业中应用较多，松下和三星的产品都有成熟应用，特斯拉通过在传统石墨负极材料中加入10%以上的硅碳，让电池容量增加到550mAh/g以上。国内方面，由于硅碳是一种新型的负极材料，与其配套的正极材料和电解液等技术水平有限，真正实现硅碳类电池量产的企业还非常少。国内包括国轩高科、宁德时代、比克电池、比亚迪、天津力神等都已经开始布局相关产品，但是真正量产应用的主要在18650产品上面。