锂离子电池硅碳负极产业化难点浅析

近日由国家工信部等三部委联合出台的《汽车产业中长期发展规划》中要求，到2020年动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上，力争实现350瓦时/公斤。此前出台的一系列相关政策，也将动力电池单体比能量达“300瓦时/公斤”设定为动力电池技术首先应该达成的一个“小目标”。

对于目前国内动力电池单体比能量普遍在220瓦时/公斤左右的现状，在未来不足4年的时间内，将单体比能量再提升近4成，无论对于研究机构还是产业界，都是一个不小的挑战。在正极材料方面，业界纷纷将目标放在了高镍材料上，而负极材料方面，业界普遍认为硅碳负极足以“担此大任”。

国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产。比如松下2013年量产的NCR18650C型号电池，即采用硅碳负极材料；日本GS汤浅推出的硅基负极材料锂电池，已应用于三菱汽车上；日立麦克赛尔将硅碳负极材料用于智能手机、可穿戴设备等小型锂离子电池上；特别是特斯拉将硅碳负极成功应用于即将量产的Model3上，实现超300瓦时/公斤的比能量，更让业界看到了硅碳负极在提高动力电池比能量方面的希望。

然而，国内企业在硅碳负极产业化方面动作较慢。除贝特瑞的硅碳复合负极材料已有国外批量订单外，CATL、比亚迪、国轩高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企业硅碳负极的产业化应用都在推进中。

为何国外企业特别是日企在硅碳负极产业化方面，走的比国内企业要远得多？这还要从硅碳负极的特性说起。石墨的理论比容量是372mAh/g，而硅负极的理论比容量高达4200mAh/g。石墨作为成熟的负极材料，其能量密度已经基本被充分发挥，要想在能量密度上有所提升，与硅结合是一种较好的方式。但在真正的使用过程中，硅碳负极存在很多先天的“不足”。

主要是体积膨胀问题。在充放电过程中，硅的体积会膨胀100%-300%，不断的收缩膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化，严重影响电池寿命；其次，硅的不断膨胀，在电池内部产生很大的应力，这种应力对极片造成挤压，循环多次后可能出现极片断裂的情况；再次，也是由于电池内部应力的原因，很有可能造成电池内部孔隙率的降低，减少锂离子移动通道，造成锂金属的析出，影响电池安全性。此外，硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低其首次库伦效率。正因如此，硅碳负极在研发和应用方面的面临着较高的技术壁垒。