硅基负极材料行业报告：高能量密度锂离子电池（18页）

行业报告下载 2020年07月09日 07:00 管理员

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。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）。2019 年动力电池用负极材料中石墨负极材料的出货量占比达 97%以上。

锂离子电池的能量密度不断提升。1991 年索尼公司第一批商业化锂离子电池能量密度相对较低(能量密度 80 Wh/kg 或 200 Wh/L)，现在先进的高能量密度锂离子电池可以实现 300 Wh/kg 或 720 Wh/L。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 10 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 280Wh/kg 以上时，就必须使用硅基负极。

硅是通过合金化储存锂，合金化反应伴随巨大的体积变化。在充电时，硅被锂化，Si 和 Li+产生一系列的反应，并且体积变化不断增大。首先，硅颗粒外层出现非晶态的 LixSi，内层依然保持晶态硅。随着锂化程度的加大，硅完全锂化生成 Li22Si5 时，其理论容量将达到 4200 mAh/g ，体积膨胀 320%，而碳材料只有 16%。放电时，Li22Si5 会分解成 Li+和 Si，体积随之变小。