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    锂电池硅基材料研发

    发布时间:2021-07-08发布部门:新能源材料开发部

    负极材料的升级既是市场的需求,也是国家新能源发展战略规划支持的技术创新焦点,得到“十三五”新能源汽车试点专项的关键技术类研究项目“高比能量锂离子电池技术”的专业支持。


    拓米研究院锂电池硅基材料项目就是在此背景之下成立的。本项目从成立以来,聚集了数名专家博士,致力于锂电池硅基材料的研发。本项目意在采用一种简单的工艺及设备在低成本的前提下制备出高比容量、高首效以及优异循环性能的硅基负极材料,同时,在此基础上制备出适用于硅负极材料的新型粘结剂、电解液等材料,从而有效克服硅材料的体积膨胀问题,大大提升循环性能。


    拓米(成都)应用技术研究院有限公司自2018年5月3日成立以来,本项目先后引进了数名专家博士,形成了一个多元化的高尖端研发团队,共同致力于新能源硅基电池材料的研发。经过了一系列的实验研究,项目团队对硅基负极材料有了相当深厚的基础,积累了许多宝贵的知识经验。在此基础上,历经数年时间,取得了优异的成绩,解决了硅负极循环性能差的国际性技术难题,已申请了多篇中国发明专利,覆盖创新制造方法和特殊创新产品,将拥有自我知识产权。







    01 项目实施前景

    锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜及电解液四大关键材料组成。近几年来,我国负极材料产量呈现逐年增长的趋势,2019年负极材料产量达25万吨。


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    锂电池关键材料市场占比


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    2011-2019年中国锂电池负极材料产量统计及增长情况


    近年来硅碳负极材料成为研发热点,2019年负极材料需求量为23.31万吨,其中硅碳负极2.2万吨,预计2020年负极材料需求量30.22万吨,其中硅碳负极4.5万吨。到2025年,负极材料需求为87万吨,其中硅碳负极达31.3万吨。


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     2019-2025年全球负极材料和硅碳负极材料需求量预测情况(单位:万吨)


    随着特斯拉新型电池技术(干电极+预补锂)逐渐应用成熟,硅基负极的循环寿命短和首次效率低的问题得到有效解决,将加速硅基负极的商业化应用,市场规模潜力巨大。业界预测在电池材料实现高能量密度产品的趋势下,2022年硅基负极市场需求将是现有规模的10倍、超3万吨,在动力电池负极材料中的渗透率将达40%,预测未来3~5年硅基负极可拥有的市场空间大约为50亿左右。



    02

    02 对行业、产业的影响


    目前,新能源汽车厂商均采用人造石墨作为锂电池负极材料,但石墨类负极的克容量开发已近顶棚372mAh/g,即便搭配目前市场已有的高镍正极材料NCM811,电池能量密度仍难超290Wh/kg,无法达到300-350 Wh/kg的国家电池能量密度规划。目前,市场上新能源车动力电池的能量密度60%集中于160Wh/kg以下区域,对电池能量的可商业化应用升级需求迫切,空间巨大。由于正极产品的研发略滞后,负极受到更多关注,其中硅基负极材料以其十倍于石墨类负极、高达4200 mAh/g的克容量,不存在析锂隐患,安全性好于石墨类负极材料,且储量丰富,成本低廉,成为理想的动力电池升级的材料突破点。


    我国硅基负极材料的应用尚处于发展初期,实际应用还比较小众,大部分企业处于送样测试阶段,发展相对缓慢。尽管硅基负极容量已超过目前主流的石墨类负极材料所能达到的最大极限,但大规模使用尚存在障碍,其中最大的障碍在于充放电过程中与锂合金化反应,产生严重的体积膨胀效应,高达300%左右的膨胀率导致电池循环性能及首次效率(代表充放电性能)较差。一旦在这方面突破技术瓶颈,将意味着硅基负极实现真正的规模化生产,硅基负极将取代石墨类负极,成为新能源汽车电池的不二之选。这对电池行业,新能源汽车行业都有着不可估量的影响。






    03 项目计划及进度


    01

    通过实施项目解决的主要问题


    • 硅负极较低的导电性

    • 硅负极严重的体积膨胀(>300%)

    • 硅负极首效低的问题

    • 硅负极较差的循环性能


    02

    内部研究


    • ①高性能硅基负极材料


    • ②硅基负极材料适用的特殊粘结剂的制造


    • ③硅基负极材料适用的特殊电解液的制造


    • ④高能量密度锂离子电池


    • ⑤全固态锂离子电池


    • ⑥高能量密度硅-锂硫电池的研发


    03

    配套情况和保障措施


    • 知识产权保障

    拓米集团公司已完成知识产权管理体系认证和项目管理体系建设,知识产权内审员2名,申请专利115件,已授权专利43项。


    • 设施条件

    目前项目具有锂电池材料实验室、分析实验室、中试实验车间、软包电池实验室。





    04 预期目标


    总体目标与规划:锂电池硅基材料放电克容量>3000mAh/g; 首次库伦效率>88% ;充放循环与人造石墨类负极相当;产品综合性能指标达到世界领先水准。预计在2020~2023年实现硅基负极材料的量产,高能量密度锂离子电池的生产。


    技术创新目标:采用一种简单的工艺及设备在低成本的前提下制备出高比容量、高首效以及优异循环性能的硅基负极材料。

    成果产出目标:申请锂电池硅基负极材料发明专利,覆盖创新制造方法和特殊创新产品,拥有自我知识产权。



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