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鋰電池行業(yè)硅基負(fù)極專題報(bào)告:4680電池引領(lǐng)需求

2022-12-16 來(lái)源:未來(lái)智庫(kù)

1 下一代負(fù)極材料,高比容量成核心優(yōu)勢(shì)

負(fù)極材料升級(jí)在即,硅基材料為首選

負(fù)極材料對(duì)電池性能影響大,成本占比約 8%?,F(xiàn)有技術(shù)體系下鋰離子電池四大關(guān)鍵 原材料為正極材料、負(fù)極材料、隔膜與電解液。作為四大關(guān)鍵原材料之一,負(fù)極材料在三 元?jiǎng)恿﹄娦镜某杀局屑s占 8%。

負(fù)極材料在鋰離子電池脫嵌中起著重要作用,其性能對(duì)鋰電池的安全性與壽命等影響 很大:1)膨脹性能很大程度上影響電池的循環(huán)壽命;2)比容量、首次效率等對(duì)電池容量 影響較大;3)壓實(shí)密度、極片厚度等指標(biāo)也影響電池的倍率性能等。


正極材料突破較早,負(fù)極材料升級(jí)在即。在影響鋰電池性能的關(guān)鍵材料中,正極材料 已經(jīng)從早期的鈷酸鋰材料、錳酸鋰材料升級(jí)為磷酸鐵鋰材料和三元材料,而負(fù)極材料升級(jí) 較為緩慢。近期硅碳材料技術(shù)進(jìn)步較快,為負(fù)極材料升級(jí)提供了契機(jī)。

負(fù)極材料種類多元,碳基材料使用率領(lǐng)先。鋰電池負(fù)極材料主要分為碳基材料和非碳 基材料。碳基材料包括天然石墨負(fù)極、人造石墨負(fù)極、中間相碳微球 (MCMB) 、軟炭 (如 焦炭) 負(fù)極、硬炭負(fù)極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等,非碳基材料主要分為硅基及其復(fù) 合材料、氮化物負(fù)極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。

硅基材料將成為高端市場(chǎng)首選。目前,以人造石墨為代表的碳基材料是鋰離子電池負(fù)極的主要使用材料,石墨類負(fù)極材料占據(jù)目前負(fù)極材料 95%市場(chǎng)份額。從產(chǎn)能規(guī)劃看,行業(yè)多數(shù)企業(yè)在積極布局負(fù)極及石墨化產(chǎn)能的同時(shí),也持續(xù)加大硅基負(fù)極研發(fā)力度,因此預(yù)計(jì)人造石墨在未來(lái)仍會(huì)是主流負(fù)極材料,但硅基負(fù)極也將擁有穩(wěn)定的客戶群體。


目前硅基負(fù)極比容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯,壽命與首充效率是短板

硅的比容量可達(dá) 4200mAh/g,且來(lái)源豐度極高。硅是地殼中豐度極高的元素之一, 來(lái)源廣泛、價(jià)格較低。此外,硅的理論儲(chǔ)鋰容量高達(dá) 4200 mAh/g,是石墨容量(372 mAh/g) 的 10 倍以上,是比容量最高的可用鋰電池負(fù)極材料。硅的電壓平臺(tái)略高于石墨,在充電 時(shí)難以引起表面析鋰的現(xiàn)象,安全性能優(yōu)于石墨負(fù)極材料。但硅材料在充放電時(shí)體積膨脹 可達(dá) 120%~300%,導(dǎo)致硅顆粒分化及 SEI 膜的破裂增厚,將影響電池首充效率與壽命。

以碳為基,硅碳復(fù)合材料是理想路線

硅基負(fù)極材料是以碳作為分散基體,硅作為活性物質(zhì)的新型負(fù)極材料。碳質(zhì)負(fù)極材料 在充放電過(guò)程中體積變化較小,具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能,且碳質(zhì)負(fù)極材料本身是離子與 電子的混合導(dǎo)體;另外,硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近,二者能緊密結(jié)合,因此碳常用作與硅復(fù)合 的首選基質(zhì)。

硅碳復(fù)合材料與硅氧復(fù)合材料是硅基負(fù)極的主要技術(shù)路線。目前,硅基材料的主要發(fā) 展方向是氧化亞硅(SiO)與硅碳復(fù)合材料。其中氧化亞硅主要通過(guò)在高溫下氣象沉淀硅 與二氧化硅(SiO2),使硅納米顆粒(2~5nm)均勻分散在二氧化硅介質(zhì)中制得。氧化硅 材料既能發(fā)揮硅的高容量?jī)?yōu)勢(shì),又能夠抑制硅的體積變化。 硅基負(fù)極制作工藝主要有機(jī)械球磨法、氣相沉積法、溶膠凝膠法等,我們以機(jī)械 球磨法為例,對(duì)比硅碳負(fù)極與硅氧負(fù)極的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。


硅基負(fù)極種類多樣,技術(shù)路線仍在探索。硅碳復(fù)合負(fù)極材料根據(jù)硅的分布方式不同可 分為包覆型、負(fù)載型和分散型硅基負(fù)極材料,根據(jù)硅基負(fù)極中物質(zhì)種類的多少可分為硅碳 二元復(fù)合材料與硅碳多元復(fù)合材料。

制備方法:硅基負(fù)極材料制備方式較為復(fù)雜,尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化制備方法。目前常見(jiàn)的 制備方法有化學(xué)氣相沉積法、機(jī)器球磨法、高溫?zé)峤夥ǖ?。工業(yè)上為了保證更好的性能, 通常是多種手段組合來(lái)制備,例如高溫?zé)峤狻獧C(jī)械球磨或機(jī)械球磨—化學(xué)氣相沉積。硅基負(fù)極材料的制備較石墨負(fù)極材料更為復(fù)雜,各廠商尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的制備方法。

需求端引領(lǐng)+供給端產(chǎn)出,硅基負(fù)極歷蟄伏將迎爆發(fā)

需求面:高能量密度電池加速導(dǎo)入,硅基材料

下游需求持續(xù)景氣,鋰電池市場(chǎng)高速增長(zhǎng)。硅基負(fù)極主要應(yīng)用于動(dòng)力電池、消費(fèi)電池 市場(chǎng)。以動(dòng)力電池為例,根據(jù) GGII 數(shù)據(jù),2021年我國(guó)動(dòng)力電池出貨量為 220GWh,同比 增長(zhǎng) 175%,實(shí)現(xiàn)超預(yù)期增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)我國(guó) 2022年動(dòng)力電池出貨量將達(dá)到 450GWh,全球 動(dòng)力電池需求將超650GWh。受鋰電池市場(chǎng),尤其是動(dòng)力電池市場(chǎng)增長(zhǎng)帶動(dòng),硅基負(fù)極需求將進(jìn)一步增加。


終端客戶續(xù)航需求提升,高能量密度電池成為行業(yè)要求。我國(guó)鋰電池行業(yè)已步入成長(zhǎng)期,新能源汽車、消費(fèi)電子等終端市場(chǎng)中,客戶對(duì)續(xù)航時(shí)間、續(xù)航里程和輕量化提出更高要求。目前石墨電極已發(fā)展至接近 372mAh/g 的理論比容量上限,行業(yè)正在探索下一代高 比容量負(fù)極材料。

以碳輔硅,硅基負(fù)極高比容量?jī)?yōu)勢(shì)充分顯現(xiàn)。在 Si/C 復(fù)合體系中,硅顆粒作為活性 物質(zhì),提供儲(chǔ)鋰容量;碳既能緩沖充放電過(guò)程中硅負(fù)極的體積變化,又能改善硅質(zhì)材料的 導(dǎo)電性,且能避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚,因此硅碳復(fù)合材料綜合了二者的優(yōu)點(diǎn), 具有較高比容量和較長(zhǎng)循環(huán)壽命。目前,硅基負(fù)極已成為各廠商重點(diǎn)攻關(guān)方向。


爆發(fā)點(diǎn):特斯拉 4680 電池量產(chǎn)引領(lǐng)行業(yè),大圓柱電池市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)

4680 電池技術(shù)引領(lǐng)行業(yè),特斯拉未來(lái) 4680 電池產(chǎn)能預(yù)計(jì)將超過(guò) 100GWh/年。特斯 拉于 2020 年 9 月發(fā)布使用硅基負(fù)極的 4680 電池,能量密度達(dá) 300Wh/kg,電池容量較 21700 電池提高 5 倍。此前未量產(chǎn)主要由于良率與一致性水平不佳。我們預(yù)計(jì),4680 電 池將于 2022 年量產(chǎn)后,在 2022-2025 年集中放量,根據(jù)特斯拉此前規(guī)劃,未來(lái) 4680 電 池年產(chǎn)能將超過(guò) 100GWh。

特斯拉 4680 電池已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),需求快速提升。2022 年 2 月 19 日,特斯拉宣布 1 月份已生產(chǎn)出第 100 萬(wàn)塊 4680 電池,同時(shí)本季度德州工廠將交付首批搭載 4680 電池的 Model Y。我們預(yù)計(jì)隨著 4680 電池良品率的提升,產(chǎn)品將在特斯拉更多車型 推廣,預(yù)計(jì) 2023~2025 年特斯拉 4680 電池需求將達(dá)到 58/99/128GWh。


眾多廠商跟進(jìn),大圓柱電池將成為硅基負(fù)極增長(zhǎng)爆發(fā)點(diǎn):

海外方面,除特斯拉在美國(guó)德州、德國(guó)的超級(jí)工廠外,松下、LG 化學(xué)均在推動(dòng) 4680 大圓柱電池配套設(shè)施建設(shè);

國(guó)內(nèi)方面,寧德時(shí)代正加快研發(fā)節(jié)奏,計(jì)劃 2024 年量產(chǎn);比克動(dòng)力于 2019 年 開(kāi)始研發(fā)大圓柱電池,預(yù)計(jì) 2023 年量產(chǎn);億緯鋰能于 2021 年 11 月 5 日發(fā)布公 告,將于荊門市建設(shè)年產(chǎn) 20GWh 大圓柱電池產(chǎn)線,預(yù)計(jì) 2024 年可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 我們預(yù)計(jì)受特斯拉引領(lǐng),國(guó)內(nèi)企業(yè)將跟進(jìn)布局 4680 電池,帶動(dòng)圓柱電池滲透率 將進(jìn)一步提升。

小結(jié):預(yù)計(jì) 2025 年全球硅基負(fù)極出貨量將達(dá) 10 萬(wàn)噸,2021-2025 年 CAGR 達(dá) 53%。 電池端,隨著 4680 大圓柱電池量產(chǎn),帶動(dòng)國(guó)內(nèi)企業(yè)跟進(jìn)布局,疊加鋰電池下游持續(xù)景氣, 將打開(kāi)硅基負(fù)極市場(chǎng)空間。整車端,未來(lái)兩年是整車廠品牌向上最佳時(shí)間窗口,高端車型 有望密集推出,帶動(dòng)快充等補(bǔ)能需求的提升,硅碳材料高比容量?jī)?yōu)勢(shì)逐漸凸顯。

市場(chǎng)規(guī)模:2021~2022 年,考慮到硅基負(fù)極預(yù)計(jì)將優(yōu)先大規(guī)模應(yīng)用于圓柱電池中, 我們假設(shè)硅基負(fù)極主要在特斯拉車型上使用,假設(shè) 4680 電池中所用的負(fù)極材料 均為硅基負(fù)極,根據(jù)4680 電池需求測(cè)算,則硅基負(fù)極的滲透率下限為 10% 左右;2023 年以后,隨著國(guó)內(nèi)電池廠對(duì)于大圓珠電池的跟進(jìn)布局,我們預(yù)計(jì)硅 基負(fù)極在中高端車型上將率先應(yīng)用,行業(yè)將迎來(lái)快速提升,期間隨著滲透率的提 升,硅基負(fù)極行業(yè)規(guī)模將快速擴(kuò)大。

比容量:當(dāng)前硅基負(fù)極的摻混量約在 10%左右,我們預(yù)計(jì)隨著材料改性技術(shù)的提 升,硅的摻混量將逐步提升,帶動(dòng)比容量提升。


我們預(yù)計(jì)至 2025 年,全球硅基負(fù)極材料市場(chǎng)用量將達(dá)到 9.8 萬(wàn)噸,其中動(dòng)力電池用 量為 8.7 萬(wàn)噸,硅基負(fù)極市場(chǎng)估計(jì)將達(dá)到約 150 億元,其中動(dòng)力電池市場(chǎng)空間約為 132 億 元。(報(bào)告來(lái)源:未來(lái)智庫(kù))

行業(yè)端:供給端提前布局,技術(shù)積累將迎收獲

供給端進(jìn)駐企業(yè)多元,多數(shù)企業(yè)處于研發(fā)與試生產(chǎn)階段。硅基負(fù)極的應(yīng)用前景,吸引 了負(fù)極材料、新能源電池以及硅、碳等新材料行業(yè)企業(yè)的加入。目前眾多國(guó)內(nèi)企業(yè)正在針 對(duì)硅基負(fù)極的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。但國(guó)內(nèi)僅有貝特瑞、杉杉股份、石大勝華等少數(shù)企業(yè)已 進(jìn)入量產(chǎn)階段。

領(lǐng)軍企業(yè)貝特瑞已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn),供應(yīng)下游核心客戶。貝特瑞率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了硅 基負(fù)極材料的技術(shù)突破,并在 2013 年實(shí)現(xiàn)批量出貨,目前已實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分核心客戶的大 批量供貨。截至 2020 年,貝特瑞硅基負(fù)極材料已經(jīng)突破至第三代產(chǎn)品,比容量從第一代 的 650mAh/g 提升至第三代的 1500mAh/g,且正在開(kāi)發(fā)更高容量的第四代硅基負(fù)極材料產(chǎn) 品。貝特瑞布局硅基負(fù)極多年,在產(chǎn)能和客戶方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。


各企業(yè)前期投入將迎收獲,量產(chǎn)條件將陸續(xù)成熟。截至 2021 年底,杉杉股份、貝特 瑞、石大勝華已經(jīng)實(shí)現(xiàn)硅基負(fù)極量產(chǎn)。我們預(yù)計(jì)行業(yè)前期研發(fā)投入即將步入收獲期,更多 企業(yè)將突破技術(shù)壁壘,進(jìn)入產(chǎn)能建設(shè)及量產(chǎn)階段,行業(yè)產(chǎn)能有望開(kāi)啟快速增長(zhǎng)。

2 性能重點(diǎn):預(yù)鋰化與材料端優(yōu)化是前進(jìn)方向

現(xiàn)存問(wèn)題:體積膨脹降低壽命與低首次充電效率

硅基材料主要問(wèn)題:

1)充放電時(shí)體積膨脹嚴(yán)重,導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋直至粉化。硅材料在充/放電時(shí)膨脹嚴(yán) 重,體積變化達(dá)到 300%。這種不斷收縮膨脹會(huì)造成硅基負(fù)極材料產(chǎn)生裂紋直至粉化,破 壞電極材料與集流體的接觸性,使得活性材料從極片上脫離,引起電池容量的快速衰減。

2)首次充電效率與電池壽命低:鋰電池充電時(shí),鋰離子先由正極進(jìn)入負(fù)極,放電時(shí) 又從負(fù)極回到正極,決定鋰電池容量的是參與正負(fù)極循環(huán)的鋰離子數(shù)量。在首次充放電時(shí), 部分鋰離子會(huì)在負(fù)極表面形成 SEI 膜,退出之后的循環(huán)。此外,部分鋰離子嵌入負(fù)極后不 能再回到正極,形成不可逆嵌鋰,也會(huì)導(dǎo)致鋰離子衰減,電池放電量小于充電量。首次充 放電中充電量與放電量的比值就是首次充電效率(首次庫(kù)倫效率)。首次充電效率越高, 電池壽命越長(zhǎng)。


硅材料體積變化會(huì)導(dǎo)致硅負(fù)極表面的固體電解質(zhì)(SEI)膜隨著硅體積的變化而發(fā)生 破裂,新暴露在表面的硅在充放電過(guò)程中會(huì)持續(xù)生成新的 SEI 膜,繼而不斷地消耗來(lái)自正極的鋰和電解液;極大的體積變化還會(huì)破壞負(fù)硅電極結(jié)構(gòu),使得鋰離子不能順利脫嵌離開(kāi) 負(fù)極,不可逆嵌鋰比其他電極更為嚴(yán)重。此外,SEI 膜不穩(wěn)定會(huì)使電解液直接接觸硅鋰合 金,加劇損耗。因此,硅基負(fù)極首次充電效率低于其他負(fù)極材料。硅基負(fù)極電池鋰離子損 耗也比其他負(fù)極材料電池更快,引起更嚴(yán)重的壽命衰減。

3)硅的導(dǎo)電性較差:此外,硅的導(dǎo)電性能相較碳材料來(lái)說(shuō)較差,在高倍率下不利于 電池容量的有效釋放,也是制約硅基負(fù)極進(jìn)一步得到應(yīng)用的因素之一。

預(yù)鋰化提升首效短板,規(guī)?;瘞?dòng)成本下降

負(fù)極預(yù)鋰化能大幅度提高鋰離子電池的首次庫(kù)倫效率、彌補(bǔ)不可逆容量損失。硅基負(fù) 極首效較低,主要是因?yàn)楣璨牧媳缺砻娣e較大,導(dǎo)致電極在首次嵌鋰的過(guò)程中產(chǎn)生大面積 SEI 膜,從而消耗電池中的鋰離子。預(yù)鋰化(預(yù)嵌鋰),是指在鋰離子電池工作前向電池內(nèi) 部增加鋰來(lái)補(bǔ)充鋰離子。預(yù)鋰化不僅可以增加鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中的活性鋰含量,從 而獲得更高的比容量,還有利于提前調(diào)節(jié)負(fù)極表面 SEI 膜的形成,保證了鋰電池循環(huán)穩(wěn)定 性與能量密度。


負(fù)極預(yù)鋰化工藝難度高,規(guī)模使用利好成本下降。預(yù)鋰化有正極補(bǔ)鋰與負(fù)極補(bǔ)鋰兩種 方法。負(fù)極補(bǔ)鋰的方式主要包括鋰箔補(bǔ)鋰、硅化鋰粉補(bǔ)鋰和電解鋰鹽補(bǔ)鋰等。但是現(xiàn)階段, 由于金屬鋰的使用與生產(chǎn)環(huán)境、常規(guī)溶劑、粘結(jié)劑及熱處理等過(guò)程不兼容,相比于正極補(bǔ) 鋰,負(fù)極補(bǔ)鋰由于成本與工藝原因,難度相對(duì)較高,預(yù)計(jì)隨著硅基負(fù)極的需求提升,相關(guān) 成本將會(huì)下降。

材料端持續(xù)改進(jìn),多路線齊頭并進(jìn)

改進(jìn)硅碳材料可使其性能更高,主要改進(jìn)方法包括改進(jìn)碳材料和添加新材料。目前硅 基材料的改進(jìn)方向包括:(1)選用硅碳(Si-C)復(fù)合材料或者硅氧(SiO-C)復(fù)合材料; (2)選用納米碳、石墨烯等新型導(dǎo)電劑材料。

1)硅-碳(Si-C)復(fù)合材料:硅的低導(dǎo)電性與體積膨脹問(wèn)題是前期硅基負(fù)極商業(yè)化應(yīng) 用限制的主要原因。而減小硅的尺寸到納米級(jí)別,可以減小材料在充放電期間的應(yīng)力影響。 硅顆粒的臨界尺寸為 150nm,因此當(dāng)尺寸小于 150nm 的硅顆粒用于負(fù)極端的時(shí)候,即使 在嵌鋰過(guò)程中發(fā)生體積改變,開(kāi)裂的幾率將大幅度減少,因此納米硅-碳(Si-C)負(fù)極作為 商用化較早的負(fù)極使用。


2)硅氧(SiOx-C)復(fù)合材料:相比于硅碳(Si-C)復(fù)合材料,硅氧負(fù)極的理論比容 量為 2400mAh/g,完全鋰化膨脹率為 150%左右,由于氧化亞硅在嵌鋰過(guò)程中會(huì)原位形成 氧化鋰,有助于克服體積膨脹,使得材料形成穩(wěn)定的 SEI 膜,但由于氧化鋰的形成會(huì)消耗 大量鋰離子,因此通過(guò)將氧化亞硅與碳材料復(fù)合后,可以提升材料的導(dǎo)電性、循環(huán)穩(wěn)定性。

3)導(dǎo)電劑-碳納米管:有效抑制硅基負(fù)極的膨脹,極大提升導(dǎo)電性。碳納米管分為多 壁碳納米管和單壁碳納米管,單壁碳納米管的導(dǎo)電性是多壁碳納米管的 10 倍,添加量少 但效果好。此外,單壁碳納米管的高柔韌性和長(zhǎng)徑比,還可有效解決硅基負(fù)極的膨脹問(wèn)題。

4)導(dǎo)電劑-石墨烯:極大提高鋰電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。石墨烯柔韌性好、比表面積 大、導(dǎo)電性高、放電能力良好,可極大地提高鋰電池的可逆容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性,是 包覆硅納米顆粒的理想材料。研究表明,在 100 mAh/g 的低電流密度下,該種材料的初始可 逆性為 1599 mAh/g,當(dāng)在 200 mA/g 下循環(huán)多次后的容量保持率高達(dá) 94.9%。此外,即使在 2000 mA/g 的高電流密度下,硅/碳/石墨烯負(fù)極也仍有 951 mAh/g 的高可逆比容量。


3 迭代加速,技術(shù)為先,關(guān)注電解液與粘結(jié)劑更替

電解液行業(yè):硅基負(fù)極用電解液添加劑作用關(guān)鍵,技術(shù)壁壘將不斷提高

電解液為電池反應(yīng)提供條件,電解液添加劑劑量小作用大。電解液是電池正負(fù)極之間 用于傳導(dǎo)鋰離子的載體,對(duì)于倍率性能、循環(huán)性能和溫度適應(yīng)性都有重要影響。電解液由 溶劑、鋰鹽和添加劑組成,其中添加劑約占電解液質(zhì)量的 5%~8%,約占總成本的 15%~30%。 電解液添加劑對(duì)于提高電池導(dǎo)電率、安全性、阻燃性能、穩(wěn)定性具有重要作用。

維持 SEI 膜的穩(wěn)定性是提升電化學(xué)性能的重要條件。對(duì)于硅基負(fù)極而言,由于 SEI 膜具有不穩(wěn)定性,因此維持 SEI 膜的穩(wěn)定性是提升硅基負(fù)極電化學(xué)性能的重要條件。

VC、FEC、1,3-PS 是主流負(fù)極成膜添加劑。碳酸亞乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯 酯(FEC)、1,3-丙磺酸內(nèi)酯(1,3-PS)是目前使用廣泛的負(fù)極成膜添加劑。其中碳酸 亞乙烯酯(VC)是動(dòng)力電池中應(yīng)用最為廣泛的添加劑,氟代碳酸乙烯酯(FEC)的滲透率 則正在不斷提升。


相較于 VC,F(xiàn)EC 對(duì)硅基負(fù)極電池性能改善效果更優(yōu)。VC 能夠提升電極表面 SEI 膜 的均一性和光滑程度,改善硅基負(fù)極電池的循環(huán)性能。但 VC 性質(zhì)不穩(wěn)定,易發(fā)生聚合反 應(yīng),在保存方面仍存在問(wèn)題。氟代碳酸乙烯酯(FEC)因其優(yōu)異的性能從眾成膜添加劑中 脫穎而出,表現(xiàn)出優(yōu)于 VC 的綜合性能。

新型硅基負(fù)極配套添加劑仍在研發(fā),技術(shù)壁壘將不斷提高。除了已經(jīng)大規(guī)模使用的 VC 與 PEF 添加劑外,天賜新材、新宙邦、杉杉股份等鋰電池材料企業(yè)仍在不斷研發(fā)配套 硅基負(fù)極使用的新型電解液添加劑。電解液添加劑用量小,種類多,且根據(jù)鋰電池性能要 求不同,電解液添加劑配方需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在研發(fā)過(guò)程中需要對(duì)添加劑的效果進(jìn)行反 復(fù)實(shí)驗(yàn),研發(fā)周期較長(zhǎng)。因此,電解液添加劑的技術(shù)壁壘將隨著硅基負(fù)極的廣泛應(yīng)用而進(jìn) 一步提高。

負(fù)極粘結(jié)劑:高膨脹率需求處于研發(fā)開(kāi)發(fā)上升期,國(guó)內(nèi)企業(yè)加速追趕

用量小,種類多,對(duì)電池循環(huán)性能有較大影響。粘結(jié)劑用量極小,占鋰電池成本不到 1%,其作用在于將活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑混合均勻,粘附于集流體上,減小電極的阻抗。粘結(jié) 劑的合理選擇,可以保證活動(dòng)物質(zhì)制漿時(shí)的均勻性和安全性,提高電池的循環(huán)性能和快速 充放能力。


按照分散介質(zhì)不同,粘結(jié)劑可以分為水性粘結(jié)劑和油性粘結(jié)劑。其中油性粘結(jié)劑的分 散介質(zhì)為有機(jī)溶劑,水性粘結(jié)劑分散介質(zhì)為水。按照粘結(jié)劑在電極中的分散情況可以分為 點(diǎn)型、線性和三維網(wǎng)絡(luò)三類。

硅材料高膨脹率高,要求粘結(jié)劑具有更好的粘結(jié)性能。相比于其他材料,硅基負(fù)極對(duì) 于粘結(jié)劑的要求更高,主要是由于: 硅材料膨脹率高,對(duì)于粘結(jié)劑的粘附性要求更高; 硅材料收縮過(guò)程中容易脫離極片,導(dǎo)致周圍導(dǎo)電劑流失。

主流硅基負(fù)極粘結(jié)劑包括 CMC、PAA、PI 等。PVDF(聚偏氟乙烯)是鋰電池中最 常用的油性粘結(jié)劑,主要用于電池正極,在負(fù)極中也有使用。SBR(丁苯橡膠)是應(yīng)用最 為廣泛的水性粘結(jié)劑,主要用于電池負(fù)極。PVDF 雖具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定窗 口,但是其柔韌性較差,不能有效地抑制硅基材料的體積膨脹,不適合作為硅基負(fù)極用粘 結(jié)劑。而 SBR 的彈性較好,能夠改善極片的柔韌性,因此石墨負(fù)極中廣使用 SBR 乳液與 CMC(羧甲基纖維素鈉)共混形成的粘結(jié)劑,在硅基負(fù)極中,SBR 乳液也被越來(lái)越多的 嘗試,除此之外,PAA(聚丙烯酸)、PI(聚酰亞胺)等粘結(jié)劑也是硅基負(fù)極的選擇。


新型粘結(jié)劑材料不斷出現(xiàn),性能不斷提升。新型硅基負(fù)極用粘結(jié)劑主要包括兩種研發(fā) 思路,第一是在傳統(tǒng) SBR、CMC 等材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),第二是研發(fā)新型粘結(jié)劑材料, 目前兩個(gè)方向均有較多成果涌現(xiàn)。

國(guó)際巨頭壟斷粘結(jié)劑市場(chǎng),SBR 國(guó)產(chǎn)替代加速。在負(fù)極粘結(jié)劑市場(chǎng)上,以日本瑞翁、 A&L、JRS 為代表的國(guó)外企業(yè)在技術(shù)和產(chǎn)品方面都大幅領(lǐng)先。近年來(lái),晶瑞電材等自主企 業(yè)加速國(guó)產(chǎn)替代,根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),2021 年晶瑞電材負(fù)極粘結(jié)劑市占率已超過(guò) 40%。

晶瑞電材新型負(fù)極粘結(jié)劑有所突破,技術(shù)研發(fā)仍需追趕國(guó)際先進(jìn)水平。2020 年,晶 瑞電材實(shí)現(xiàn)了 CMCLi 粘結(jié)劑的規(guī)模量產(chǎn),年產(chǎn)量達(dá)千噸以上,已成功進(jìn)入數(shù)碼及動(dòng)力電 池客戶并被硅基負(fù)極體系成功采用。該產(chǎn)品性能優(yōu)于 CMCNa,打破了國(guó)外廠商對(duì)高端粘 結(jié)劑的壟斷。此外,晶瑞新材在丙烯酸粘結(jié)劑技術(shù)方面也取得了突破。在硅基負(fù)極用新型 負(fù)極粘合劑領(lǐng)域,自主企業(yè)起步較晚,需通過(guò)持續(xù)研發(fā)打破國(guó)際巨頭的技術(shù)壁壘,才可實(shí) 現(xiàn)彎道超車。

 

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