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提高十倍蓄电能力的硅电池,何时装车?

硅材料因储量丰富,而当Si与Li形成Li4.4Si结构时,理论比容量可以达到4200mAh/g,比目前再锂电池中广泛使用的石墨能吸收近十倍的锂离子,因此被认为具有制造大容量电池的前景。当然如此高的容量还没能实际应用在电池上有其缺陷,充电状态的Si负极体积膨胀可以达到原体积的3倍,这成为了阻拦在Si负极应用路上最大的障碍。

据了解,目前硅材料在锂离子电池中的应用,主要涉及两方面,一是在负极材料中加入纳米硅,形成硅碳负极;二是在电解液中加入有机硅化合物,改善电解液的性质,目前常见在科技杂志上的主要是集中在硅负极材料。

阿尔伯塔大学创建新一代硅基锂电池

近日,加拿大阿尔伯塔大学化学家布里亚克(Jillian Buriak)团队发现将硅塑造成纳米级的颗粒有助于防止它破裂。

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纳米硅,指的是直径小于5纳米的晶体硅颗粒,是一种重要的非金属无定形材料。纳米硅粉具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点,且无毒、无味。纳米硅的应用领域广泛:除了可用于制造耐高温涂层和耐火材料,与金刚石高压下混合形成碳化硅-金刚石复合材料,用做切削刀具外,还可以与石墨材料组成硅碳复合材料,作为锂离子电池的负极材料,大幅提高锂离子电池的容量;可与有机物反应,作为有机硅高分子材料的原料。

该团队研究测试了四种不同尺寸的硅纳米颗粒,确定多大的尺寸才能最大限度地发挥硅的优点,同时最大限度地减少其缺点。它们均匀分布在由具有纳米孔径的碳制成的高导电性石墨烯气凝胶中,以弥补硅的低导电性。

他们发现,最小的颗粒(直径仅为30亿分之一米)在多次充放电循环后表现出最佳的长期稳定性。这克服了在锂离子电池中使用硅的限制。这一发现可能导致新一代电池的容量是目前锂离子电池的10倍,朝着制造新一代硅基锂离子电池迈出了关键的一步。此项研究成果发表在《材料化学》杂志上。

这项研究有广阔的应用前景,特别是在电动汽车领域,可以使其行驶里程更远,充电速度更快,电池重量更轻。下一步是开发一种更快、更便宜的方法来制造硅纳米颗粒,使其更容易运用在工业生产上。

锂电产业链布局百亿硅负极市场

除了科研机构外,在政策的鼓励和引导下,也有不少企业对硅基负极材料进行了研发储备。

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300Wh/kg,到2025年单体比能量达500Wh/kg。

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而传统的石墨材料负极已接近天花板,因此,要发展高能量密度,正极采用高镍三元材料,而负极使用硅碳负极材料将成为动力电池市场的主流。据统计数据表明,2018年国内硅碳复合材料用量在2500吨左右,同比增长约一倍。据OFweek锂电网预测,2025年国内硅碳负极材料市场空间将达百亿。

2018年,在国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项支持下,力神电池项目团队在NCA正极材料研究基础上,研制出容量高、循环稳定性的硅碳负极材料,并开发出单体比能量达303Wh/Kg的电芯。今年1月,国轩高科在投资者交流互动平台表示,其制备的高镍NCM 811三元软包样品已于近期通过科技部的中期检查,能量密度达302 Wh/kg,负极采用硅碳材料。在前不久,中国科学院院士欧阳明高介绍,宁德时代开发的高镍三元正极和硅碳负极电池的比能量已经达到304Wh/kg,今年将投放市场。

此外,比克动力、微宏动力、万向A123等电池企业正在加快硅碳负极体系的研发和试生产。贝特瑞的碳硅负极,打入了特斯拉的供应链,为松下的动力电池电芯配套部分负极材料;杉杉股份、江西紫宸等具备了小量试产能力……国内锂电产业链也在积极布局含硅负极材料。

事实上,从能量密度来看,300 Wh/kg左右的能量密度只发挥了硅基材料很小的作用,而且国内进入硅负极材料的研发领域稍落后于国外。

硅碳材料早先是在日韩企业中应用较多,松下和三星的产品都有成熟应用。据悉,日本松下目前已实现硅碳负极材料的电池量产;日本汤浅电池、日立麦克赛尔、日本三井金属等企业也已有成熟的电池方案……

编辑点评

除了在新能源汽车领域外,在储能领域、航空航天、船舶舰艇等领域都需要更高能量密度和功率密度的锂离子电池,正极采用高镍三元材料已成主流选择,而硅及其复合材料也是目前最具有开发潜力的负极材料,也许用不了多久,采用硅作为负极材料的锂电池将在新能源汽车上提供更长的续航能力。

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