隨著新能源車的普及，為適應(yīng)更高能量密度的電池需求，硅基負(fù)極材料正步入產(chǎn)業(yè)視野。硅基負(fù)極被看作下一代鋰電池負(fù)極材料，已經(jīng)明顯感受到需求跨過平臺期。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，即將2022年迎來爆發(fā)，2023年開始放量。隨著更多原材料企業(yè)的加入，硅基負(fù)極材料被列入了工信部重點(diǎn)新材料，將成為國家重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的新能源電池材料之一。
多家企業(yè)入局
被譽(yù)為“北交所明星股”、鋰電負(fù)極材料龍頭的貝特瑞，近日宣布，2022年新春開年首筆投資投向了硅基負(fù)極材料項(xiàng)目。最新公告顯示，中國寶安子公司貝特瑞擬與深圳市光明區(qū)政府簽署投資合作協(xié)議，擬在深圳市光明區(qū)內(nèi)投資建設(shè)年產(chǎn)4萬噸硅基負(fù)極材料項(xiàng)目，項(xiàng)目預(yù)計總投資50億元。
而隨著硅基負(fù)極材料的“明星”效應(yīng)不斷釋放，多家傳統(tǒng)負(fù)極材料廠都已經(jīng)開始入局硅基負(fù)極。據(jù)公告，璞泰來在江西和江蘇溧陽均建設(shè)有硅基負(fù)極中試線，已經(jīng)通過部分客戶認(rèn)證;翔豐華硅基負(fù)極已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化基本條件。動力電池廠商國軒高科也有5000噸/年硅基負(fù)極材料項(xiàng)目正在建設(shè)中。主營有機(jī)硅材料的硅寶科技也布局了1萬噸/年鋰電池用硅碳負(fù)極材料，材料已通過數(shù)家電池廠商測評并實(shí)現(xiàn)小批量供貨。杰瑞股份全資子公司杰瑞新能源科技有限公司與廈門嘉矽能源科技有限公司日前簽訂協(xié)議，將投資設(shè)立合資公司，共同推進(jìn)硅碳純品、氧化亞硅純品及硅基復(fù)合負(fù)極材料等產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售。
一批跨界廠商也紛紛入局，其中包括主營電解液材料的石大勝華，其一期1000噸硅基負(fù)極已進(jìn)入試生產(chǎn)階段，預(yù)計今年下半年批量出貨。此外，公司還規(guī)劃了2萬噸級硅基負(fù)極產(chǎn)線，總投資額7.3億元，預(yù)計將于2023年12月份建成投產(chǎn)。
據(jù)了解，中國負(fù)極行業(yè)產(chǎn)量在已經(jīng)占據(jù)全球約六成以上市場，貝特瑞、璞泰來、杉杉股份市場份額占比居前。業(yè)內(nèi)人士表示，當(dāng)前硅基負(fù)極主要應(yīng)用在消費(fèi)電子、電動工具等領(lǐng)域，而蘊(yùn)藏更大增量空間的是動力電池領(lǐng)域，尤其即將到來的4680電池將成為改變市場的暖風(fēng)。目前，4680電池已經(jīng)處于大規(guī)模量產(chǎn)前夜。
記者獲悉，特斯拉已在2020年首次發(fā)布4680圓柱電池。這款電池正極采用高鎳三元材料，搭配硅基負(fù)極材料，并具有無極耳和干電極設(shè)計，使其相對于上一代的2170電池續(xù)航里程提升16%、功率輸出提升6倍、能量提升5倍，且成本也將下降14%。特斯拉CEO馬斯克曾直言，這款電池將使2.5萬美元的電動車成為可能。
諸多難題破解
公開資料顯示，高比容量優(yōu)勢使得硅基材料被視為理想的下一代負(fù)極材料。硅的比容量高達(dá)4200mAh/g，是碳基材料的10倍以上，是目前已知比容量最高的負(fù)極材料。碳基材料是目前使用最為廣泛的負(fù)極材料，其理論比容量為372mAh/g。
然而，硅基負(fù)極材料也存在硅易體積膨脹、導(dǎo)電性差、首次充放電損耗大等問題。由于硅材料在充放電時體積膨脹可達(dá)120%-300%，導(dǎo)致硅顆粒分化及SEI膜的破裂增厚，將影響電池首充效率與壽命。
針對此短板，科研人員發(fā)現(xiàn)，以碳輔硅，兼具容量與壽命。據(jù)此，業(yè)內(nèi)提出的解決方案是，將硅碳復(fù)合材料與硅氧復(fù)合材料作為硅基負(fù)極的主要技術(shù)路線。具體說，就是在能量密度和穩(wěn)定性之間尋找平衡，以實(shí)現(xiàn)材料性能的實(shí)際改善。
當(dāng)前的硅基負(fù)極產(chǎn)品是將硅和石墨摻雜起來復(fù)合使用，以硅顆粒提供儲鋰容量，碳材料緩沖體積變化，同時兼顧了較高的比容量與較長的使用壽命。而對于新能源車普遍采用的鋰電池負(fù)極材料而言，一般分為碳系負(fù)極和非碳系負(fù)極，其中，硅碳負(fù)極材料相比于石墨負(fù)極材料的比容量大，能極大提高鋰電池的能量密度，被認(rèn)為當(dāng)前性能最好的負(fù)極材料。
然而，新的問題又出現(xiàn)了，雖然硅基材料緩解了純硅材料的體積膨脹，但硅基負(fù)極的壽命與首次充電效率相較于碳基負(fù)極仍有差距。對此，業(yè)內(nèi)提出了更新的解決方案，一是負(fù)極預(yù)鋰化，即在電池工作前向電池內(nèi)部補(bǔ)充鋰離子，將有效提升首次充電效率與電池壽命;二是改進(jìn)硅基復(fù)合材料，除硅碳(納米硅)路線、硅氧路線外，通過加入碳納米管、石墨烯等新型導(dǎo)電劑材料，也將提升硅基負(fù)極的壽命與循環(huán)性能。
或迎市場爆發(fā)
在業(yè)內(nèi)看來，硅基負(fù)極材料即將迎來市場爆發(fā)。國內(nèi)主要硅基負(fù)極材料生產(chǎn)企業(yè)包括中科電氣、貝特瑞、江西正拓、深圳斯諾等，其中，貝特瑞具備先發(fā)優(yōu)勢，目前已經(jīng)進(jìn)入了松下-特斯拉的供應(yīng)鏈，同時已量產(chǎn)供貨給韓國的三星電池，并計劃提升惠州工廠的產(chǎn)能，硅碳和硅氧各生產(chǎn)3000噸/年。
與此同時，比亞迪、寧德時代、國軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了對硅碳負(fù)極材料的布局。其中，杉杉股份的高容量硅合金負(fù)極材料已小批量生產(chǎn)，并對寧德時代供貨。從產(chǎn)業(yè)來看，硅碳負(fù)極材料在國內(nèi)的發(fā)展處于初期階段，不少企業(yè)已布局生產(chǎn)線，進(jìn)行小批量生產(chǎn)。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年國內(nèi)的硅碳負(fù)極材料出貨量為0.9萬噸，占總負(fù)極材料出貨量的比例約2%。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，國內(nèi)的硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化需要一個整合過程，一方面要求上游材料企業(yè)提高產(chǎn)品的性能，另一方面還要調(diào)配好與其它摻雜材料的比例，以及與電池企業(yè)研究鋰電池封裝工藝的提升。相信隨著國內(nèi)負(fù)極材料生產(chǎn)企業(yè)的快速布局，市場的滲透率逐步提升，規(guī)模級的產(chǎn)業(yè)化將會加快來臨，硅碳負(fù)極材料的市場規(guī)模將會迎來春天。
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