硅基负极材料研发应用加速

据我国《节能与新能源汽车技术路线图》的规划，到2020年，我国纯电动汽车动力电池单体能量密度目标350Wh/kg。业内人士认为，按照目前动力电池的材料体系，实现这一“小目标”希望甚微。目前情况下，要实现这一目标的唯一途径是发展高能量密度电极材料。

硅基材料由于其高电化学容量，被认为是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。但是，硅负极材料在充放电过程中体积变化大，导致电池材料容量损失，循环性能差。这些因素一度成为阻碍其商业化的主要原因。

硅基负极材料最新研发应用成果

自索尼推出商用锂离子电池以来，石墨负极即牢牢占据着锂离子电池负极材料的统治地位。石墨类材料经过多年的发展，从人造石墨，天然石墨，再到中间相石墨，已经接近石墨材料理论比容量372mAh/g。这严重制约了锂离子电池能量密度的提高。多年来，电池业界试图开发出能够替代石墨的负极材料，硅基材料的出现给业界带来了希望。

据悉，硅基负极材料的比容量可达到4200mAh/g，高出石墨负极10倍有余，这让硅基负极材料很快受到电池业界的追捧。但是，硅基负极材料也有一个与生俱来的巨大缺陷，那就是体积膨胀问题。在锂电池充放电过程中，当锂材料嵌入到硅晶胞内时，硅基负极材料的晶格体积膨胀达到惊人的360%(石墨负极膨胀最大为10%左右)。体积膨胀导致硅基材料颗粒粉化，造成电池材料容量损失，循环性能差。

如何克服硅基材料的缺陷,减小体积膨胀，从而获得较好的容量保持率和循环性能成为电池材料业界研发的重点方向。目前，业界主要的研究方向为硅基材料的纳米化和复合化。纳米化主要研究方向包括硅纳米颗粒、硅纳米线/管、硅薄膜、3D多孔结构硅等；复合化主要研究方向包括硅/金属型复合、硅/碳型复合以及三元型复合(如硅/无定形碳/石墨三元复合)。

据了解，特斯拉发布的Model3所采用的动力电池新负极材料，即为硅/碳型复合材料。通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉让电池容量达到了550mAh/g以上，电池能量密度达300wh/kg。

近期，氧化亚硅作为新的硅基材料也进入了人们的视野。据悉，氧化亚硅是一种不稳定的硅氧化物，在空气中加热时会形成白色的二氧化硅粉末。氧化亚硅的容量虽然没有纯硅负极容量高，但Si-O键的强度是Si-Si键强度的2倍，且反应过程中形成的Li2O化合物对体积膨胀具有缓冲作用，因此其循环性能远比硅优越，因此吸引了众多业界的关注。

需要指出的是，目前业界研发应用的硅基材料，如氧化亚硅和纳米硅，一般都进行了碳包覆。硅基材料的体积膨胀由碳包覆层共同承担后，可以有效避免在嵌脱锂过程中因巨大的体积变化而导致的粉化。

此外，众所周知，传统石墨材料价格优势很明显。硅基材料产业化后的成本是否能够与其抗衡，值得关注。

业内人士认为，虽然硅基材料成本比石墨负极高2-5倍，但在性能上尤其是能量密度上，硅基材料亦可提升2-5倍。加上其成本在电池中相比其他材料而言的占比并不高，电池企业完全可以消化替换传统石墨材料的成本压力。

企业纷纷布局硅基负极材料

目前，硅基材料已成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择。业内人士表示，现在各负极材料企业都在上演一场硅基负极材料的竞逐大战。

2016年11月，国轩高科公告，拟募资不超过36亿元用于动力电池相关项目建设，其中包括5000吨硅基负极材料项目。在硅基负极材料项目可行性报告中，国轩高科称已掌握硅基负极材料表面改性及材料预锂化等关键技术，可以有效缓冲硅材料体积膨胀对结构稳定性的影响。国轩高科内部人士透露，预计这款材料产业化将在2018年实现。

除了国轩高科，国内包括斯诺、星城石墨、湖州创亚等企业都在积极推进硅基负极的产业化。湖州创亚相关负责人表示，湖州创亚硅基负极材料2017年上半年将进入中试量产。

如果说国轩高科等企业的硅基负极材料还处在初级预产或试产阶段的话，那么，贝特瑞、上海杉杉等国内一线负极材料生产商的硅基负极材料已经进入了商业量产阶段。

2016年8月，中国宝安在互动平台上表示，公司下属公司贝特瑞生产的硅基负极材料已有国外客户批量使用，未来订单将有较大增长。

近期，上海杉杉投资部部长尧桂明介绍，纳米硅和氧化亚硅是公司比较成熟的硅基负极材料，并已实现量产。目前氧化亚硅出货量可达2吨/月，纳米硅有几百公斤/月，已送样至三星、LG、松下等国际电池企业。据悉，杉杉股份在硅、石墨烯材料领域累计发布了10项专利声明。

在国外，据媒体公开资料显示，日本GS汤浅公司已推出采用硅基负极材料的锂电池，并成功应用在了三菱汽车上；日立麦克赛尔则宣布已开发出可实现高电流容量硅负极锂电池；此外，日本三井金属也雄心勃勃地要将硅负极锂电池推向消费电子和电动汽车两大领域。

值得注意的是，目前，据相关测评机构评估的硅基负极材料中，韩国和日本的相关技术明显强于我国，其硅氧负极材料已经达到1500mAh/g，且较为稳定，而我国目前仅为500mAh/g。国内企业在硅基负极材料领域的技术储备和开发与国外仍存在一定差距。

业内人士表示，未来2-3年，国内硅基负极材料会实现较大规模的导入，国家相关政策也会推进硅基负极材料的产业化。