固態電池要實現更高的能量密度,除了在正極采用高鎳、富鋰錳等材料外,負極也要采用相適應的高比容量材料。硅基負極正成為眾多企業布局固態電池的標配材料。
比如,廣汽集團發布的全固態電池,采用第三代海綿硅負極和高面容量固態正極技術。廣汽預計,其全固態電池技術將于2026年實現量產搭載,率先應用于旗下的昊鉑車型。上汽智己某車型搭載的準900V超快充固態電池,其正極采用納米尺度固態電解質包覆超高鎳材料,負極選用復合硅碳材料。
國軒高科發布的全固態金石電池,通過微納化固體電解質、超薄膜包覆單晶正極和三維介孔硅負極,實現350Wh/kg的能量密度。南都電源研制的30Ah全固態電池,基于超高鎳三元正極和限域生長的硅碳負極體系,能量密度達350Wh/kg。
硅基負極作為助力電池實現能量密度突破的關鍵材料,被行業企業認為是未來電池技術領域重要的發展方向。據業內機構預計,到2035年全球硅基負極材料市場規模將達到660億美元。固態電池產業的迅速發展,將讓硅基負極得到廣闊的“用武之地”。
01
固態電池主流負極方案
“碳基負極在消費電子領域已實現規模化應用,動力電池領域則處于放量前期,技術突破與成本下降,為其替代傳統石墨電極奠定基礎。”國內某材料廠商指出,隨著固態電池技術的不斷成熟,硅基負極市場占有率將會不斷提升,并且有望成為未來固態電池主流的負極應用方案。
截至目前,傳統石墨負極在實際應用中的比容量已經接近其理論值372mAh/g。而硅基負極是目前已知比容量最高的鋰電負極材料,其理論比容量高達4200mAh/g,超過石墨負極的十倍。
從技術路線來看,硅基負極目前主要包括硅碳和硅氧兩種。業內普遍認為,首效高的硅碳負極是電池廠中長期的選擇方向,其技術迭代主要聚焦于防止SEI膜形成,降低膨脹。其中氣相沉積法(CVD法)硅碳負極,通過多孔碳骨架來儲硅,膨脹率低,循環優異,并且碳骨架本身密度小質量輕,使得材料能量密度更高,性能潛力大,預計將成為下一代硅碳主流路線。
“很長時間以來,硅碳負極的技術瓶頸,在于如何降低體積膨脹、提升循環壽命。近年來,原先硅碳負極材料面臨的膨脹和首效問題逐漸得到解決,硅碳負極有望成為行業新品重要的競爭方向。”業內人士指出。
值得注意的是,固態電池的特性,非常適合硅碳負極的應用。據業內人士分析,比如硫化物固態電解質,具有較高的離子電導率,可以有效促進硅負極極片中離子擴散,同時硫化物電解質具有優良的機械延展性,可以緩沖硅負極的體積膨脹。
02
瞄準固態領域應用
面對固態電池對硅基材料的巨大需求,目前眾多負極材料廠商都在大力布局。據翔豐華透露,該公司儲備有硅碳負極、硅氧負極材料生產技術,可適用于固態、半固態電池,產品已移交電池廠商進行客戶測試,計劃2025年小批量試產。
“公司下屬子公司貝特瑞,在固態電池用硅負極材料的研發上,取得了重要進展,材料的能量密度和安全性更高、循環性能更優異,可為固態電池的商業化應用,提供有力支持。”中國寶安表示,目前貝特瑞的固態電池用硅基負極材料,已得到國際客戶關注,并正在進行測試。
據濱海能源介紹,該公司現正推進適用于各體系固態電池的硅碳負極材料研發工作,目前正在推進中試試驗,并適時開展客戶送樣工作。鹿山新材透露,該公司研發的硅碳負極材料,主要用于半固態/全固態電池,能夠有效提升電池的壽命以及續航,目前已經在知名企業實現批量供貨。
“硅碳負極,是未來固態電池主流的負極應用方案,是公司重點布局和打造的產品之一。”道氏技術表示,該公司氣相硅碳負極目前有多款產品,其中有幾款產品的技術具有獨創性,首效與粒度集中度等性能指標、產品的一致性均優于競品,已實現批量銷售。
尚太科技也表示,該公司研發出的硅碳負極材料,目前采用氣相沉積法路線,在保障其硅基材料容量優勢的同時,在首次庫倫效率、循環壽命、倍率等電化學性能上,均有不俗表現,目前已同多個下游客戶進行技術交流、樣品溝通等前期工作。
高性能、高安全性,是固態電池的核心性能優勢。業內機構認為,固態電池采用的固態電解質,能兼容更高比容量的超高鎳和硅基等材料,率先布局固態電池及相關產業鏈的廠商,有望受益于產業化進程加快。
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