硅负极在未来五年内有望成为锂电池的主流材料

 新闻资讯     |      2019-10-08 10:52

7月22日,高镍三元正极材料供应商宁波容百新能源科技股份有限公司(简称“容百科技”,股票代码688005)成功登陆科创板,激发了人们对锂电池材料行业的新想象。

资料显示,容百科技成立于2014年9月,主要从事锂电池正极材料及其前驱体的研发、生产和销售,主要产品镍钴锰三元正极材料是新能源汽车动力电池的关键材料,是国内率先量产NCM(镍钴锰)811的三元材料企业。

其招股说明书显示,凭借在单晶与高镍三元正极材料领域的技术优势,该公司在全球三元正极材料领域处于领先地位,已与宁德时代、比亚迪、LG化学、天津力神、孚能科技、比克动力等国内外主流锂电池厂商建立了良好的合作关系。

容百科技共发行股票4500万股,发行价格为26.62元。当天开市后,股票价格上涨到49.53元,涨幅达86.06%。截至8月18日,其市值超过200亿元。

在锂电池行业,高镍三元正极材料是一个快速发展的风口,容百科技是一个快速成长为上市公司的巨头。

业内预计,继NCM811正极材料应用的爆发之后,硅负极在未来五年内有望成为锂电池的主流材料。

从石墨负极到硅负极

在中国新能源汽车政策激励和市场需求下,动力电池能量密度提升是必然趋势。

从供应端来看,国家对电池产业的能量密度提升有着明确的指导性要求。2017年,国家工信部等四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出,到2020年我国新型锂离子动力电池单体比能量超300瓦时/公斤,到2025年单体比能量达500瓦时/公斤。

从需求端来看,国家“双积分”政策促使车企积极使用高能量密度的电芯。2018年4月1日实行的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》对新能源汽车积分比例提出强制性要求。

新能源汽车积分的计算一方面由汽车的续航里程决定,另一方面对汽车百公里耗电量(由汽车质量决定)设定不同标准,满足政策中百公里耗电量这一指标要求的新能源汽车,其可计算的新能源汽车积分是标准积分的1.2倍。而对于不满足标准的新能源汽车,积分仅是标准积分的0.5倍。

在供需两端的合力推动下,动力电池需要朝着高能量密度方向发展,这对电池的材料体系提出了变革的要求。

在锂电池的四种主要构成材料里面,占到电芯成本40%的正极材料和占到电芯成本近30%的负极材料对电池性能的影响最大。

在高能量密度的未来发展路径中,动力电池正极材料从2018年开始已经采用高镍三元材料,材料配比从此前的111向523、622和811渐次升级,正是这种升级成就了容百科技的崛起。

如今,领先企业的动力电池能量密度已经达到260瓦时/公斤,若想进一步提高动力电池的能量密度,负极材料也必须有重大突破。

现有的动力电池负极材料90%都是采用石墨负极,石墨负极具有电导率和稳定性高的优势,但在能量密度提升方面遇到了一些麻烦,当下的发展已接近其理论最大值——372毫安时/克。

实验研究发现,硅是目前理论上容量最大的负极材料,锂在硅中形成Li4.4Si时,比容量高达4200毫安时/克,远远高于石墨的理论容量,且硅具有低嵌锂电位和低成本的优势。

因此,硅基负极有望替代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。

普及面临三大挑战

尽管硅被视为最有发展潜力的下一代锂离子电池负极材料,但现在受制于其自身的缺陷,还无法单独作为负极材料使用,必须与其他材料结合。

因为单独使用硅做负极材料时,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。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。

从目前的研究和实践来看,硅基负极材料需要与其他材料结合起来使用,主要是硅碳和硅氧两种技术方向。

硅碳是具有可逆嵌脱锂性能的硅或其化合物与碳的复合材料,其中硅或其化合物起嵌锂作用,是主要活性物质;碳能增强材料的导电性,间接提高硅基负极材料的循环稳定性和效率。进一步而言,硅碳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。

硅的氧化物主要包括SiOx(0<x<2)和SiO2。SiOx具有比容量较高(理论容量大于2000 毫安时/克)、电压平台较低、原材料成本低廉等优点,因此和硅一样成为替代石墨材料的极具潜力的一类负极材料。通过降低材料中整体的氧含量以及控制粒径,从而控制体积膨胀,提高硅氧材料的容量与循环稳定性能。

比较而言,在膨胀率上,硅氧负极材料低于硅碳负极材料;在首次充放电效率上,硅碳负极一般高于硅氧负极;在工艺上,硅碳负极比硅氧负极相对简单。因此,业内人士对硅碳负极材料相对看好。

不过,目前硅碳负极材料尚未大规模应用。根据起点研究院(SIPR)调研统计数据显示,2017年中国锂电池硅碳负极材料产量已经超过1500吨,同比增长超过130%,但在全年锂电负极材料总产量中仅占比1%。

研究发现,硅碳负极材料在产业化路上还面临三大障碍:一是循环性能和膨胀问题没有得到彻底解决。硅材料较低的压实密度和嵌锂后体积的显著膨胀,这在一定程度上影响了电池结构的选择和设计。二是首次充放电效率低。硅碳负极在首次充放电时会形成固体电解质界面(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。三是材料加工成本高。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有很高的要求,目前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。

价格方面在使用硅碳负极时,电池容量在提升5%〜10%的情况下,电池的成本要增加20%〜30%甚至更高。着眼于未来,由于“NCM811+硅碳负极”被视为高能量密度电池的最佳组合,随着NCM811在电芯行业的迅速推广,必将推动硅负极材料行业的技术进步和商业应用。

下一个“容百科技”在这里

尽快推动硅负极材料的应用,我国已经释放出明确的信号。

硅负极材料已经成为国家重点鼓励的新能源电池材料之一,2017年9月12日和2018年12月26日,先后两次被列入工信部的重点新材料首批次应用示范指导目录。

国际范围内,新一轮负极材料竞争也在全球展开。从全球来看,日韩企业走在硅碳材料产业的前列,代表性的公司有日立化成、三菱化学、昭和电工、日本信越、吴宇化学、韩国GS公司等。

其中,日立化成是全球最大的硅碳材料公司,其负极材料由人造石墨和10%的硅碳材料复合而成,其比容量超过550 毫安时/克。作为日本松下和特斯拉的的供应商之一,特斯拉新一代Model 3电动汽车的锂离子电池能量密度达到了惊人的300瓦时/公斤。

从国内来看,贝特瑞、杉杉股份、江西紫宸、斯诺实业、星城石墨、江西正拓、创亚动力、大连丽昌等传统的材料企业也已在硅基材料领域布局。

其中,贝特瑞和杉杉股份比较领先。公开资料显示,贝特瑞的硅碳负极材料在2013年通过三星认证之后,2014年〜2016年产量处于攀升阶段。惠州贝特瑞已经具备1000 吨/年的产能,并且还有1000 吨/年产能在建设当中。杉杉股份早在2009年开始研发硅碳负极,当前实现月产吨级规模,具体年产量预计不大,但具体客户和出货量情况同样不详。

此外,正拓能源今年年初对外宣称,预计今年可实现2000吨产能,目前产品项目已完成设备安装,进入小批量试产阶段。

如今,硅碳材料也成为业界竞逐的风口。2017年成立的中科院物理所背景的天目先导和中科院化学所背景的壹金新能源等公司,作为创业公司已经布局这一材料技术的研发。从电池企业来看,宁德时代、比亚迪、国轩高科、力神、比克等企业都在积极探索硅基负极材料体系的电芯。

不过,由于行业硅碳负极尚未形成广泛推广的成熟方案,主流的电池生产企业对于硅碳负极的使用,主要以掺杂形式,且各个企业掺杂比例也存在差异。随着掺杂比例的提高,基于掺杂20%的比例来测算,预计未来五年,硅碳负极材料市场空间可超过百亿,值得期待。

来源:能源评论  作者:袁素