高容量硅碳负极新材料走向产业化

本文转自：科技日报

◎本报记者 陈 曦

里程焦虑，一直是电动汽车市场没有拔掉的“刺”。传统电池材料已不能满足锂离子电池高容量化的发展，电池新材料的攻关及产业化进程亟待加快。

天津师范大学物理与材料科学学院研究员张波带领团队，依托该校储能材料表面技术国际联合研究中心，在高容量硅碳负极材料产业化方面进行了10年研发。近日，天津师范大学与江苏贝嘉宁硅业有限公司成功签约，共转让9项发明专利，使科技创新成果从实验室走向企业生产线。

目前，在大规模商业化应用方面，锂离子电池负极材料以人造石墨为主。石墨负极材料的容量已经接近其理论容量，提升空间非常有限。

硅材料的理论容量是石墨的10倍，且硅基负极材料还具有低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点，被视为最具潜力的下一代负极材料。

张波团队早在10年前便把硅碳负极材料的产业应用作为研究方向和开发目标。

“我们在研发的过程中，攻克了硅碳负极材料产业化中的诸多关键问题。”张波说。

在研发初期，科研团队最先遇到的难题就是硅的纳米化。“我们把纳米硅和碳进行复合，但数据结果不理想。国产纳米硅不能满足生产需求，而进口纳米硅价格又十分高昂。”张波说，为此团队进行了大量的实验，从原料的预处理到设备的改造、工艺条件的优化，终于将硅的尺度降低到50纳米以下，解决了硅的纳米化问题。

“我们还实现了纳米硅的有效分散和包覆，并将其与石墨负极材料进行了匹配。这样既可以提升复合材料的比容量，又可以保证硅碳负极较高的库伦效率。”张波介绍，团队制备的硅碳负极材料，相较传统材料，可有效提升锂离子电池容量，使电子产品和电动汽车的续航时间增加20%至30%，同时提升材料稳定性，降低成本，整体工艺利于规模化生产。

除了汽车动力电池外，目前锂离子电池还应用于3C类电子产品和储能电池。这些领域对锂离子电池都有高容量化的需求，但具体要求又不尽相同。

“3C类电子产品已开始采用硅碳负极材料，增加电池的容量提高了电子产品的待机时间。”张波介绍。

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会发布的《2024年中国新型储能产业发展白皮书》显示，预计2025年全球锂离子电池储能累计装机量将超过300GW，其中，中国锂离子电池储能累计装机量将达65—70GW。在动力电池领域，以特斯拉为首的电动汽车企业正在积极导入硅碳负极材料，提升电动汽车的续航里程。

据介绍，按照预测，2025年，硅碳负极材料的市场需求将达到30万吨，产值将达到200亿元—300亿元。纳米硅、硅碳负极材料的市场前景非常广阔。目前，国内外的机构都在积极布局。

“我们研发工作开展得非常早，解决了很多核心问题，尤其是在工程化方面进行了10年的积累，成果优势非常明显。”张波说。

江苏贝嘉宁硅业有限公司对该创新成果的市场前景十分看好。公司相关负责人介绍，面向新材料，他们将持续投资。一期产线建成后，年产值将达到1000万元。在此基础上，二期计划投资1.6亿元，年产值将达到2.5亿元。

张波表示，下一步，他们将继续依托学校和企业研发平台，研发新一代硅碳负极材料，继续优化硅碳材料结构，提升材料的性能，降低材料的成本，提高工艺稳定性和成熟度。