1、硅基市场发展现状
硅基负极材料产业化持续加速,有望22年之后大规模放量。从企业布局看,贝特瑞06年开始研发硅基负极,13年通过三星认证并批量出货,成功切入松下、LG、特斯拉产业链,技术良好**2-3年;杉杉股份09年开始研发,17年实现量产;璞泰来与中科院物理所合作量产硅基负极。20年国内硅碳负极出货量0.9万吨,负极渗透率达到2.5%。而根据各企业进程,我们预计22年之后硅基负极材料有望快速放量。我们测算21年**硅基负极材料需求量为2.5万吨,假设25年硅基负极15%/40%/**渗透率,对应需求20/60/150万吨。
2、硅基主要技术路径对比
硅基负极材料高比容、资源广,是较有前景的硅基负极材料之一。当前高端石墨克容量已达到360-365mAh/g,接近理论克容量372mAh/g,难以满足日益增长的高能量密度要求。而硅基负极理论比容量高达4200mAh/g,是石墨负极的理想替代材料。硅基负极的主要优势为:1)电位低、克容量高,能量密度高;2)地壳中含量高,理论成本低;3)高倍率、高安全性,其本身为均匀的纤维,能够缓解脱嵌和吸附中表面吸力引起的安全问题;4)工作电压适宜,略**石墨,低于钛酸锂和过渡金属氧化物。
硅基负极材料主要问题是膨胀大、首销低、倍率低,可通过改善材料设计、改良电池体系等实现性能提升。硅基负极主要的应用挑战:1)硅材料在进行合金化反应时,体积膨胀率可达300%(碳材料仅为16%),材料易粉化;2)负极活性物质易脱落;3)膨胀使得SEI膜破碎,放电时SEI重构,使得其处于破损-修复动态阶段,厚度会持续增加,界面阻抗提高,活性物质消耗。主要解决方案有两种:1)改善材料设计,如尺寸控制、包覆高导电材料、预锂化、构建空腔等;2)改良电池体系,如开发更为合适的粘结剂、导电添加剂、电解液。
3、硅基技术优化发展方向
目前,商业化的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳、无定型硅合金、硅纳米线四种,其中碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度较高的两种硅基负极材料。1)碳包覆氧化亚硅,目前较好的碳包覆氧化亚硅碳产品搭配石墨到450-500mAh/g容量后使用,已经可以做到在钢壳电芯中循环1000-2000周,在软包电芯中循环500-1000周。2)纳米硅碳,目前商业化的软包电池和方形铝壳电池对膨胀依然非常敏感,以致纳米硅碳材料仍然较难使用在这类电池上。目前纳米硅碳材料的主要应用领域仍是在圆柱钢壳电池中,以18650和21700型号为代表。
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