新时代:锂电池硅基负极专题研究(附报告)

新时代:锂电池硅基负极专题研究

 

报告目录:

1、 石墨负极潜力挖掘完全 
1.1、 锂离子电池通过 Li 往返脱嵌于正负极之间实现化学能与电能相互转换
1.2、 石墨是目前广泛使用的负极材料,通过嵌入的方式储锂
1.3、 石墨负极克容量接近理论值,不能满足电芯能量密度提升的需求
2、 硅基负极材料最具商业化前景
2.1、 硅锂合金的克容量是石墨的 10 倍多,电芯能量密度提升空间大
2.2、 硅基负极材料产业化关键点:体积剧烈变化和不稳定 SEI 膜
2.3、 硅基负极材料的制备方法多、产品未标准化
3、 硅基负极材料的产业化发展
3.1、 硅基负极产业化时间短,日企处于行业领先
3.2、 目前碳 包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度最高
3.3、 国内大批量生产企业少,贝特瑞优势明显
4、 硅基负极厂商将受益于电芯能量密度提升 
4.1、 贝特瑞:负极材料龙头,硅基负极国内领先
4.2、 杉杉股份:硅基负极开启产业化
4.3、 璞泰来:人造石墨龙 头,推进硅基负极产业化

 

报告要点:

 石墨负极潜力挖掘完全
电芯能量密度和负极材料的克容量成正相关关系。目前,高端石墨克容量已经达到 3 60 365mAh/g ,接近理论克容量 3 72mAh/g 。 因此从负极材料角度看,电芯能量密度的提升需要开发出具有更高 克 容量的负极材料。
硅基负极材料最具商业化前景
硅基负极材料 中 S i 与 L i 产生合金化反应, 最高克容量可达 4 200 mAh/g ,是石墨的 1 0 倍多 。且 硅还具有较低的电化学嵌锂电位(约 0.4 V vs. Li/Li+不存在析锂问题、储量丰富等优点,是非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。
硅基负极材料产业化关键点:体积剧烈变化和不稳定的 S EI 膜
在充放电过程中,硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积变化,最大膨胀可达 3 20%20%,而碳材料只有 1 6% 。剧烈的体积变化导致如下的挑战: 硅颗粒破裂粉化、负极活性物质从电极片上脱落、因粉化和脱落引起固相电解质层SEI 膜)持续形成 。 目前,主要通过 材料设计 硅的纳米化、对硅进行碳包覆、加入氧化亚硅等 )和 电池体系优化 (选用 电解液添加剂 F EC 和 V C 等 、负极材料粘接剂 C MC SBR 和 聚丙烯酸锂等、导电剂的优化 )等来应对。
 碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度高
硅基负极材料制备方法多,且较石墨的 制备工艺 更 复杂,产品 尚未 达到标准化。 目前,碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度最高的两种硅基负极材料 。量产企业有 国内 的 贝特瑞、天目先导、杉杉等,海外 的 日本信越化学、大阪钛业、日立化成、昭和电工和韩国大洲等。
 硅基负极材料产业化时间短;国际上日企领先,国内贝特瑞领先
日本日立、汤浅等企业 从 2 015 年开始陆续将硅基负极应用到消费电池和动力电池中, 促进了 硅基负极材料产业化应用。国内方面,根据高工锂电的调研,能够量产硅基负极材料的企业不超过 3 家,其中,贝特瑞国内领先,于2 017 年实现量产出货,现已成功进入松下 特斯拉供应链。

 

内容精选:

石墨负极潜力挖掘完全
锂离子电池通过 L i 往返脱嵌于正负极之间实现化学能与电能相互转换
锂离子电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜等部分组成,其中正、负极为活性组分,是能量存储的载体。 锂离子电池工作原理: 以钴酸锂和石墨负极为例,1 )充电时,电子从正极转移到负极,同时钴酸锂中的锂失去电子成为锂离子进入电解液,锂离子穿过隔膜后进入石墨负极,并在负极接受电子还原成为锂。 2 )放电时,锂在负极失去电子后,穿过隔膜回到正极,并在正极接受电子被还原,完成放电。鉴于锂离子的这种传输特点,锂离子电池又被称为“摇椅电池”,其中 电极材料脱嵌性能是锂离子电池性能的决定因素之一。

图1: 锂离子电池工作原理

石墨是目前广泛使用的负极材料,通过嵌入的方式储锂
石墨是目前动力电池 负极材料商业化应用的主流。 目前商业化的负极材料主要有石墨(天然石墨和人造石墨等)、无定形碳(软碳和硬碳)、钛酸锂及硅基材料(纳米硅碳材料、氧化亚硅和无定形硅合金)。 2 019 年动力电池用负极材料中石墨负极材料的出货量占比达 9 7% 以上。

图2: 负极材料可分为石墨、无定形碳、硅基材料

图3: 2019 年动力电池负极材料中石墨占比 9 7%

硅基负极材料最具商业化前景
硅锂合金的克容量是石墨的 1 0 倍多,电芯能量密度提升空间大
具有高克 容量和低电位 等 优势,硅 基负极材料 是最具 商业化 潜力。 硅锂化后具有很高的理论克容量,约 4200 mAh/g ,是石墨的 1 0 倍左右。同时,硅还具有较低的电化学嵌锂电位(约 0.4 V vs. Li/Li ++),不存在析锂问题、储量丰富等优点,是公认的非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据《 高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究 》中指出,如果不使用富锂正极,当电芯能量密度要达到 2 80Wh/kg 以上时,就必须使用硅基负极。

图7: 锂离子电池能量密度不断提升

表2: 硅及硅锂合金化合物的晶胞参数和对应的储锂比容量

 

硅基负极材料的产业化发展
硅基负极产业化时间短,日企处于行业领先
硅基负极材料由日本企业首先在 2 015 年和 2 017 年陆续推向消费和动力电池领域。 1 996 年开始硅基负极的研究,日本松下 2 012 年推出含硅电池, 2 015 年日立Maxwell 的 SiO/C 负极电池领用到消费电池领域,并在 2 017 年特斯拉采用日立化成的硅基负极应用到电动车中。 日本GS汤浅推出硅基负极材料的锂电池,应用在三菱汽车上 。


表7: 硅基负极材料的发展

硅基负极厂商将受益于电芯能量密度提升
在行业下游,特斯拉已搭载硅基负极电池。近年来随着下游动力电池的行业对高能量密度负极材料需求的增长,硅基负极材料未来将快速增长。根据高工锂电预测,到 2 022 年硅基负极材料需求量将达到 2 .2 万吨, 2 019 2022 年年复合增长率高达 8 0% 。目前, 稳定量产硅基负极价格介于 10 12 万 元 吨,远高于石墨类负极 3 .5 7.5万元 吨的价格 。 价格按照 5 年降计算 到 2 022 年,硅基负极材料市场空间有望超 2 0 亿元。


表11: 2022 年国内硅基负极材料市场空间超 20亿元

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