硅碳负极专家交流

硅碳负极专家交流2024-03-031.锂电池的产业进展硅碳负极材料在动力电池领域应用增加，年产量已达千吨级，预期将继续向万吨级扩展。 动力电池中方形电池对硅碳材料的适配度相对较低，使用比例低于5%；而大圆柱电池形式更匹配硅碳材料，应用比例可达4%以上。 消费电子市场的硅基材料应用比例提高，尤其是在电动工具和智能穿戴设备中。2.硅碳负极技术瓶颈与应用硅碳首效问题及成本：硅碳负极材料的首次效率低，需要预锂化来提效至约90%，但预锂化或预镁化会增加成本，裸露价格约30万/吨，预处理后五六十万/吨。 体积膨胀问题：硅碳体积膨胀大，能力较硅氧差，需要细化粒径至100纳米以下以更好控制膨胀；但硅碳和硅氧的容量相近，均需碳包覆，因此其差异主要在材料比例与电池形态适应性。 参杂比例与电池形态：不同电池形态对硅碳参杂比例影响显著。圆柱电池硅碳参杂可达10%，而软包电池较低。电动工具和消费类电池中硅碳比例一般维持在2%-2.5%。 3.硅碳负极优化与良率挑战硅碳负极的良率问题：硅碳负极材料的应用会导致负极极片变薄，从而影响电池卷绕过程中的良率，尤其在大圆柱电池中，良率相比使用纯石墨材料时有所降低。 硅碳参与度现状及预期：目前硅碳的参与比例还相对较低，主要集中在3%-7%左右。随着加工工艺稳定，未来有潜力提升至10%。量产增量产能的提升预计在未来两年内将会较为明显。 电池突破与安全性权衡：硅碳负极材料的参与度超过3%时会带来循环效率和安全性上的考虑，因此当前主流电池厂商保持在3%左右的参与度，以确保能量密度的提升与电池安全性之间的平衡4.硅 碳负极成本与效益分析硅碳负极材料的应用可以提升能量密度，大圆柱电池从260Wh/kg提升至280Wh/kg，成本略增。硅基材料使用比例提高至25%，预计2025年将达到40%，短 期内不会全面普及。 硅碳负极整体成本相对传统石墨负极，会略微增加，但提升的能量密度带来的性价比提高。5.聚焦硅碳负极材料及产能国内外硅碳负极供应商现状：国内多家公司如贝特瑞、天麦先导等开发硅基材料。产能普遍不大，贝特瑞产能约2000吨，天麦先导、南溪智德规划万吨级但实际产能几百吨。 硅碳负极材料性能与应用：贝特瑞的硅碳负极性能较稳定。国内产品与国外硅碳、硅氧产品存在性能差距。国外部分企业能够达到1500次循环，纳米硅细度高，功效好，国内与之差距不大。 新技术研发趋势：硅碳负极技术更新主要在颗粒粒径和制造方法上，已出现等离子蒸发、CVD、多孔碳包覆等技术，多孔碳包覆提高硅碳循环寿命，符合动力电池要求，正逐步产业化。6.硅碳负极材料的未来应用趋势硅烷在动力电池应用中需配合硅碳技术，对于长循环是至关重要的 。其中，CVD硅烷和微米硅转换为纳米硅是硅烷使用中较为主流的方法。 未来动力电池中硅烷的用量将占更高比例，而传统研磨技术使用将减少。许多厂家正开发自备硅烷生产能力，以应对硅烷存储与运输问题。 多孔碳材料的应用在动力电池中是一个重要趋势，配合纳米硅能有效改善电池性能。随着技术进步，传统沥青包覆的比例将大幅下降。 7.成本与技术双重考量动力电池是一个主要的市场增长点，硅氧和硅碳均有潜力，目前硅氧具有膨胀小、循环寿命长等优点，但硅碳占比未来有更大增长趋势。 硅碳存在膨胀大、循环寿命短等挑战，但通过技术改进，尤其是纳米化处理，能显著提升性能并降低成本，从而具有长期优势。 技术壁垒方面，‘造孔’和‘纳米硅的制备及成本管控’是关键技术难点，前者具有专利保护障碍，后者对产品的均匀性和成本控制至关重要。 8.硅碳负极与锂电匹配探讨硅碳负极材料与不同化学体系电池的匹配性不同。高镍三元电池与硅碳负极匹配性好，能量密度更高。 磷酸铁锂电池与硅碳负极搭配存在失衡问题。磷酸铁锂循环性好，但与硅碳匹配后电池循环寿命不佳 ，安全性较低，性价比受影响。 硅烷一体化生产方法更具成本和安全性优势，相比分离式生产，有利于硅碳材料的规模化及成本控制 。 Q&AQ：有关硅碳和硅氧负极材料在近两年产业化进展以及终端应用方面的变化有哪些？A：近两年，硅碳和硅氧负极材料的产业化进程有了显著进步。在市场上，涌现出许多生产相关材料的企业，同时也有电池制造厂开始初步应用。目前市场上的产量已经达到了每年千吨级别。硅碳硅氧主要应用于动力电池的两个方面：一种是软包电池，由于耐膨胀性较弱，使用较少；另一种是钢壳结构的圆柱电池和方形电池，圆柱电池更为适合硅碳的应用。方形电池目前在市场的大规模应用仍需时日，由于其结构关系，面临膨胀导致鼓包的风险。在方形动力电池中，硅碳的应用比例大致在4%以下。新型的大圆柱电池与硅基负极材料匹配度高，有望在未来实现装车。此外，电动工具领域对高倍 率和高容量的追求推动了硅基材料在原装电池中的应用，目前已经提高到超过10%的比例。Q：硅基负极材料的应用前景和市场发展趋势如何？A：动力电池是推动硅基负极材料应用的主要力量，随着电池形态、能量密度和充电倍率的提升，硅基材料的应用进程将加速。整体上看，硅基材料的应用前景十分乐观，产量有望从千吨级发展到万吨级别。未来还将满足高充电倍率的需求，比如4C、5C、6C等级的高倍率充电，因此对硅基材料 的需求潜力巨大。Q：目前硅碳负极在产业化应用中的瓶颈主要是什么？硅碳负极的首效和体积膨胀情况如何？A：当前硅碳负极在产业化应用中的瓶颈主要体现在两方面。首先是首效，特别是硅氧负极，在未经预锂化或掺杂处理时，其首次充放电效率只有78左右。要想提高首效，必须进行预锂化或掺杂处理， 使 之能够达到90%以上。不过，这同时会增加成本，没有预锂化的硅基负极材料成本可能在30万元/吨左右，而经过处理后的成本可能会达到五六十万元/吨。其次是体积膨胀问题，硅碳材料的体积膨胀在充放电过程中较为显著，纯硅的体积膨胀可达到三倍以上。硅氧相对于硅碳的体积膨胀更小，这也在一定程度上影响了硅碳负极材料的应用推广。 Q：硅碳负极和硅氧负极在各种电池形态中的渗透率如何？他们的容量、成本和未来的各种电池中的应用比例又是如何？A：从电池形态上来看，硅碳负极和硅氧负极的应用存在差异。在圆柱形电池中，由于结构上能更好地抵抗体积膨胀，硅氧可以达到较高的添加比例，通常可以超过10%。相比之下，软包电池中使用的 渗透率较低，一般在1%以下，而方形电池的应用比例通常在3%以下。未来的产品中硅碳和硅氧的比例可能会进一步提升，硅碳的比例可能达到7%、8%，甚至在优化后达到10%。而硅氧的渗透率可以实现12%甚至更高。在实际容量上，无论是硅碳还是硅氧，都需要经过碳包覆处理，这样一来两者的容量接近，大致在1500毫安时左右。未来的研发方向也将是提升添加比例，动力电池中参考比例将从当前的3%提升到5%至6%，软包电池的上限预计可达到4%左右。Q：现在一些典型的电池产品，比如小圆柱电池、特斯拉的4680电池等，它们在使用硅碳负极时，具体的掺杂比例情况如何？A：目前小圆柱电池的市场占有率较高，硅碳或硅氧的掺杂比例约为3.5%，通常产品的容量是415毫安时。特斯拉的4680电池以及其他大圆柱电池还在进行掺杂方面的开发，其比例尚未大规模商用化。消费类电池产品中，硅氧是主要选择，其掺杂比例大多在2%到2.5%之间。展望未来，掺杂比例有望进一步提升，电动工具等产品可能会发展出掺杂6%、7%的硅碳或硅氧负极材料，改善电池的充电速率和能量密度。Q：当前硅碳负极材料在大圆柱电池中的应用情况如何？有哪些技术或产能方面的挑战？ A：目前在大圆柱电池中，硅碳负极材料的应用面临着良率挑战。在小圆柱电池中，良率可以达到98 %到99%，但在大圆柱电池中想要实现能量密度达到300瓦时每公斤时，其良率可能还不到90 %，普遍只有80%多。这是因为硅碳负极材料会导致负极片变薄，与正极容量对等后，在卷绕过程中圈数增加，影响良率。目前大圆柱电池的硅碳掺杂比例大约是6%到7%，而量产的增量产能在未来两年内预计会较大。未来硅碳掺杂比例有潜力提高，但这需要大圆柱电池良率和工艺稳定之后才可实现。目前，硅碳掺杂比例在3%到4%左右。Q：关于消费类电池，比如用于手机和蓝牙耳机的钢壳电池，硅碳负极材料的应用情况如何？A：对于消费电池，目前使用的是以硅氧为主的材料，硅碳掺杂比例大约在3%左右。即便有开发能量密度更高的产品，比如掺杂比例达到6%到7%，但这些高掺杂产品尚未出货。就目前而言，常见的有部分出货的钢壳消费电池，其硅碳掺杂的比例为1%到3%。低于3%的掺杂比例，能量密度提升会比较有限，而高于3%则可能会影响电池的稳定性，如循环寿命和安全性。因此，3%左右的硅碳掺杂比例成为了主流。 Q：硅碳负极材料的使用将会如何影响电池的能量密度和综合成本？A：硅碳负极材料的加入，可以提高电池的能量密度。以大圆柱电池为例，原先使用石墨负极的电池能量密度大约在260瓦时每公斤，加入3%左右的硅基材料后，能量密度可提升至280瓦时每公斤 。在成本方面，加入硅基材料前后，每千瓦时的负极石墨用量由1200吨降至1000吨左右，其中包含35吨的硅基材料。硅基材料实施后的整体成本略有增加，约为每G瓦时增加500万左右。 尽管提升了能量密度，整体成本并没有大幅增加，综合来看在性价比方面是有优势的。由于能量密度的提高，铜箔等其他材料用量可以降低，有助于抵消材料成本的增加。因此最终来看，每G瓦时成本增加大约为五六百万。Q：电池行业当前硅碳负极的应用情况如何？有何发展趋势？A：目前在小圆柱电池方面，约有25%左右采用硅基负极，并预计到2025年这一比例会上升到40%。长远来看，渗透率可能会维持在50%到55%之间。方形电池领域的硅碳应用比例目前较 低，不超过5%，实际约在3%左右，而大圆柱电池应用还不算普及且渗透率有待提升。软包电池在动力电池方面尚未大规模采用硅基负极。综合现有情况和未来预期，小圆柱电池的硅碳应用是目前发展较快的领域，且将继续增长。Q：请介绍目前硅碳负极材料方面的国内外主要供应商及其产能情况。A：国内在硅碳负极材料开发方面的主要企业包括德州传统负极厂商、贝特瑞、天猫先导、北京一星 、南溪智德、郑拓、中科电器等。这些企业的产能普遍不大，例如天猫仙岛计划万吨级但实际有效产能仅500吨，南溪智德宣称产能3000吨但实际产能在七八百吨左右，贝特瑞则略高，约在2000吨。硅碳国内供应商大多数不超过千吨级规模，如三三、普拉达接近千吨级。对于海外来说，如 格农、计时4、安普瑞斯等在硅碳材料方面做得较好，尤其是像日本现代化学和韩国大洲在硅氧材料方面的表现尤为出色。 Q：目前硅碳负极材料产品性能如何，与国外产品相比有何差距？A：在性能方面，国内硅碳负极材料如贝特瑞的产品相对稳定，但在动力电池循环寿命方面与国外产品相比，仍有一定差距。目前，国内的硅碳材料能在小倍率下(如0.3C)达到1300多次循环。 海外则有能够达到接近1500次循环寿命的硅碳产品，如格农的产品。硅氧材料方面，日本现代 化学和韩国大洲是表现最好的厂商，无论是循环性、首效还是体积膨胀，这两家公司都领先国内市场 。整体来看，海外的硅氧材料性能略好，硅碳在循环方面有优势。但部分国内品质较好的产品与海外的差距并不大。 Q：在硅碳负极材料技术发展方面，哪些技术更具前景，目前产业化情况如何？A：目前，采用多孔碳包覆硅的方案被认为是未来动力电池中应用前景较好的技术。多孔碳的孔隙特性对于纳米硅的均匀性和耐膨胀性有优势，能够降低成本且不需要预锂化处理，同时循环寿命可满足动力电池要求，超过1500次。预计在2022年会逐渐在产业化中得到应用。 而现在动力电池领域还是以硅氧材料为主，多红碳包覆技术的应用比例还不高，不过其性能和稳定性较传统的CVD或沥青包覆技术有明显提升。未来这种材料的应用比例预计会有所增长。Q：多孔碳包覆硅的技术在应用上存在哪些劣势？A：这种技术的主要劣势是成本较高，且匹配的多孔碳的制造技术尚未完全成熟。制造多孔碳的过程中要与硅颗粒的沉积方法相匹配，现在多采用的硅烷裂解法与多孔碳的结合比较理想，但此方