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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-06-15 點擊1188次
硅碳負極材料正走向產(chǎn)業(yè)化
硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化進程始于20世紀20年代，1970年，硅元素被應用到鋰離子電池負極，實驗者們開始使用能形成合金的元素作為負極。1971年Dey發(fā)現(xiàn)了一部分金屬元素(Si，Al，Mg，Zn，Pt，Sn等)可以和鋰離子在室溫下形成電化學的合金。1976年Sharma和Swwfurth在400℃-500℃下進行了電池的測試并發(fā)現(xiàn)了Li-Si合金的形成。Li-Si合金相包含了Li12Si7，Li14Si6，Li13Si4，Li22Si5等。特別是Li22Si5相生成了4200mAh/g的理論容量，其容量是所有Li的合金相中最高的。
1990-2000年是硅基負極初步發(fā)展的時期。Dahn等人首先探索了熱解含硅聚合物制備硅基負極的方法，研究的典型聚合物包括聚硅氧烷、環(huán)氧硅烷等。在20世紀90年代末期，納米級的硅與其他矩陣的復合物也被應用來改進硅基負極的性能。Wang等使用利用物理方法制備了硅/石墨的復合物，其容量從437mAh/g提升到1039mAh/g。Kumta等通過高能機械研磨制備了Si/TiN復合物，將Si分布在TiN的陣列來緩解體積變化?？偟膩碚f，這十年的硅基負極開始了緩慢的進展，研究成果也極大的鼓舞世界范圍內(nèi)對鋰離子電池研究的興趣。
進入21世紀后，硅基負極的研究也更加的深入。在2000-2005年中，零維硅顆粒、硅合金、硅薄膜和復合活性/非活性的緩沖矩陣等方法也被開發(fā)出來。而到2006-2010年期間，研究重點又轉(zhuǎn)移到了一維的硅納米線、硅納米管和三維的硅納米結(jié)構(gòu)上并實現(xiàn)了容量的大幅提高。到2018年為止，硅基負極已經(jīng)有了爆炸式的發(fā)展，逐漸添加于工業(yè)產(chǎn)生的電極之中。小尺度硅納米顆粒、二維、三維的硅結(jié)構(gòu)均有了詳細的研究并建立了成熟的體系。
圖表1：全球硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化進程
全球各大企業(yè)正積極研發(fā)
早在1990年日本就成功研制了以石油焦為負極的鋰離子電池，1996年納米結(jié)構(gòu)的硅顆粒與碳相結(jié)合并陸續(xù)應用于負極材料。
2012年日本松下發(fā)布NCR18650C型號電池，容量高達4000mAh。
2016年韓國一家研究所通過化學氣相沉積(CVD)法，有效解決了硅體積膨脹的問題，將有助于推動碳-納米硅-石墨復合負極材料大規(guī)模生產(chǎn)。
2017年特斯拉通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，已經(jīng)在Model3上采用硅碳負極作為動力電池新材料，電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度可達300Wh/kg。
圖表2：硅碳負極材料企業(yè)研發(fā)進展
行業(yè)市場需求逐漸增長
伴隨著全球硅碳負極材料的產(chǎn)業(yè)化，全球硅碳負極材料市場需求逐漸增長。根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)數(shù)據(jù)，全球負極材料市場需求從2014年的7.51萬噸提高至2018年的17.72萬噸，年復合增長率達到23.94%。
2016-2017年硅碳負極材料逐漸進入市場，市場需求量較少，2018年市場逐漸放量。根據(jù)新材料在線數(shù)據(jù)，2018年全球硅碳負極材料需求量達到0.67萬噸。根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)2018年全球負極材料市場需求量17.72萬噸的數(shù)據(jù)計算，2018年硅碳負極材料滲透率為3.78%。
圖表3：2014-2018年全球負極材料及硅碳負極材料需求情況(單位：萬噸)
新能源汽車帶動市場需求前景廣闊
隨著新能源汽車品牌的不斷增多，新能源車型結(jié)構(gòu)的不斷豐富，消費者對新能源的消費意向不斷增強，世界新能源汽車銷量也與日俱增。根據(jù)全球汽車產(chǎn)業(yè)平臺MARKLINES的數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球新能源汽車銷量突破200萬輛，達到237萬輛的水平。截至2018年底，全球新能源汽車累計銷售突破550萬輛。而根據(jù)新能源汽車研究機構(gòu)EVTank數(shù)據(jù)，2019-2025年，全球新能源乘用車銷量還將不斷增長，銷量將由2019年的221萬輛增長到2025年的1200萬輛，年均復合增長率將達到32.6%。
圖表4：2017-2025年全球新能源乘用車銷量預測(單位：萬輛)
新能源汽車銷量不斷增長的同時，新能汽車等大型器件對鋰離子電池提出更高倍率的充放電等要求，而目前使用的正負極材料越來越不能滿足上述需求。為了提升鋰離子電池的性能，先提高負極的電化學性能無疑是最方便最有效率的。
硅具有較大的理論比容量(4200mAh/g)，比石墨類負極材料的比容量(372mAh/g)高一個數(shù)量級和較低的嵌鋰電位。硅與電解液反應活性低，在地殼中儲量豐富，價格低廉，是新一代鋰離子電池負極材料的理想選擇。
未來隨著硅碳負極材料成本的進一步降低，根據(jù)新材料在線預測，2020年硅碳負極材料滲透率將達到15%。2018-2020年硅碳負極材料滲透率年均增長5.61個百分點。未來隨著硅碳負極逐漸替代石墨作為電池負極的重要材料以及硅碳負極材料技術(shù)及成本方面的進一步突破，前瞻預計2021-2025年硅碳負極材料滲透率年均增長率將在4-5個百分點之間。
預計2025年硅碳負極材料滲透率將達到36%左右，而根據(jù)中國物理與化學行業(yè)協(xié)會預測，2020-2022年全球負極材料需求將分別達到30.22萬噸、39.35萬噸、50.80萬噸，年復合增長率為29.65%。前瞻在此基礎上預計2023-2025年隨著負極材料下游需求領域發(fā)展的放緩，預計2025年全球負極材料需求將達到87萬噸左右。按照這一數(shù)據(jù)以及前文對全球硅碳負極材料滲透率的預測，2025年全球硅碳負極材料需求量將達到31萬噸左右。