鋰離子電池硅碳負極產(chǎn)業(yè)化難點淺析

近日由國家工信部等三部委聯(lián)合出臺的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求，到2020年動力電池單體比能量達到300瓦時/公斤以上，力爭實現(xiàn)350瓦時/公斤。此前出臺的一系列相關政策，也將動力電池單體比能量達“300瓦時/公斤”設定為動力電池技術首先應該達成的一個“小目標”。

對于目前國內(nèi)動力電池單體比能量普遍在220瓦時/公斤左右的現(xiàn)狀，在未來不足4年的時間內(nèi)，將單體比能量再提升近4成，無論對于研究機構還是產(chǎn)業(yè)界，都是一個不小的挑戰(zhàn)。在正極材料方面，業(yè)界紛紛將目標放在了高鎳材料上，而負極材料方面，業(yè)界普遍認為硅碳負極足以“擔此大任”。

國外部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了硅碳負極材料的量產(chǎn)。比如松下2013年量產(chǎn)的NCR18650C型號電池，即采用硅碳負極材料；日本GS湯淺推出的硅基負極材料鋰電池，已應用于三菱汽車上；日立麥克賽爾將硅碳負極材料用于智能手機、可穿戴設備等小型鋰離子電池上；特別是特斯拉將硅碳負極成功應用于即將量產(chǎn)的Model 3上，實現(xiàn)超300瓦時/公斤的比能量，更讓業(yè)界看到了硅碳負極在提高動力電池比能量方面的希望。

然而，國內(nèi)企業(yè)在硅碳負極產(chǎn)業(yè)化方面動作較慢。除貝特瑞的硅碳復合負極材料已有國外批量訂單外，CATL、比亞迪、國軒高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企業(yè)硅碳負極的產(chǎn)業(yè)化應用都在推進中。

為何國外企業(yè)特別是日企在硅碳負極產(chǎn)業(yè)化方面，走的比國內(nèi)企業(yè)要遠得多？這還要從硅碳負極的特性說起。石墨的理論比容量是372mAh/g，而硅負極的理論比容量高達4200mAh/g。石墨作為成熟的負極材料，其能量密度已經(jīng)基本被充分發(fā)揮，要想在能量密度上有所提升，與硅結合是一種較好的方式。但在真正的使用過程中，硅碳負極存在很多先天的“不足”。

主要是體積膨脹問題。在充放電過程中，硅的體積會膨脹100%-300%，不斷的收縮膨脹會造成硅碳負極材料的粉末化，嚴重影響電池壽命；其次，硅的不斷膨脹，在電池內(nèi)部產(chǎn)生很大的應力，這種應力對極片造成擠壓，循環(huán)多次后可能出現(xiàn)極片斷裂的情況；再次，也是由于電池內(nèi)部應力的原因，很有可能造成電池內(nèi)部孔隙率的降低，減少鋰離子移動通道，造成鋰金屬的析出，影響電池安全性。此外，硅為半導體，導電性比石墨差很多，導致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，從而降低其首次庫倫效率。正因如此，硅碳負極在研發(fā)和應用方面的面臨著較高的技術壁壘。

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