近日,新疆晶碩新材料有限公司(以下簡稱“晶碩新材料”)新型鋰電負極氧化亞矽材料300噸/年的小型生產線順利投產運行,與此同時該公司5000噸/年氧化亞矽項目已正式啟動,預計2021年下半年建成。這樣一來,不僅能確保我國動力電池高端矽氧負極材料的供應,而且還可以降低我國對日韓進口產品的依賴,甚至實現徹底擺脫。
據悉,含有晶碩氧化亞矽負極材料的電池的可逆容量超過1500mAh/g,且在0.005-1.5V的電壓下,電池的首次庫存效率可超過74%,解決了以純矽作為負極材料的電池迴圈穩定性差的問題。
作為主要的負極材料,石墨類負極的應用已經非常廣泛,但其實際容量已做到了360 mAh/g,已接近372mAh/g的理論克容量,若想再提升它的空間已經很難實現了。而矽與碳的化學性質相近,但具有超過石墨10倍的高理論比容量和大的體積能量密度,在地殼元素中儲量非常豐富,成本低,環境友好,因而在負極領域備受關注。
矽在鋰離子電池中應用時不會引起表面析鋰現象,有著良好的安全性,且相對于其他高比容量材料有著明顯的優勢。但是,純矽作為負極材料時體積膨脹非常大(約300%),多次充放電會引起顆粒粉化,而SEI膜重複生長會不斷消耗電解液,最終影響電池的迴圈穩定性。
目前,具有商業化應用前景的矽負極材料主要有兩種:(1)納米矽碳複合材料;(2)氧化亞矽材料。
氧化亞矽是一種具有較高比容量的負極材料,相較於矽,其在充放電過程中體積變化較小,這是由於在首次嵌鋰過程中,氧化亞矽鋰化生成單質矽、氧化鋰和矽酸鋰。而原位生成的單質矽彌散分佈在氧化鋰-矽酸鋰無定形基體中,這樣的結構可以緩衝活性矽脫嵌鋰過程產生的體積變化。同時,氧的引入有利於降低氧化亞矽在脫嵌鋰過程中的體積變化。此外,氧化亞矽還具有工作電壓低,安全性好、原料來源廣泛等優點,因而成為近年來研究人員們關注的熱點。
但是,氧化亞矽也存在著首次效率低的不足,由於氧化亞矽材料在嵌鋰的過程中會生成Li2O和Li4SiO4非活性產物,從而導致部分Li失去活性,因此SiOx材料的首次效率一般僅為70%左右。即便如此,具有更小的體積膨脹和更好的迴圈穩定性對於動力電池更為重要,各大材料廠家紛紛轉而開始研究迴圈性能更好的SiOx材料,目前市場上的矽負極材料也大部分都是氧化亞矽材料,因此SiOx材料更具發展前景。如貝特瑞、杉杉、特斯拉的動力電池皆選擇矽氧負極作為方向。
晶碩新材料是國家高新技術企業,主要從事高端粉體和陶瓷製品的研製,是國內第一家可以實現氨解法生產氮化矽粉的企業,是少數能批量生產85W/m·K以上熱導率基板的企業之一,還是國內光伏產業氮化矽陶瓷結構件最大的生產廠家。
近年來,隨著鋰電產業研究和應用技術的發展,矽氧負極方面的研究和產業化興起,晶碩新材料也從2017年開始氧化亞矽材料規模化生產的技術開發,這既是氧化亞矽傳統應用的突破,也是晶碩新材料先進陶瓷業務領域的突破。