鋰電池硅基材料研發

負極材料的升級既是市場的需求，也是國家新能源發展戰略規劃支持的技術創新焦點，得到“十三五”新能源汽車試點專項的關鍵技術類研究項目“高比能量鋰離子電池技術”的專業支持。

拓米研究院鋰電池硅基材料項目就是在此背景之下成立的。本項目從成立以來，聚集了數名專家博士，致力于鋰電池硅基材料的研發。本項目意在采用一種簡單的工藝及設備在低成本的前提下制備出高比容量、高首效以及優異循環性能的硅基負極材料，同時，在此基礎上制備出適用于硅負極材料的新型粘結劑、電解液等材料，從而有效克服硅材料的體積膨脹問題，大大提升循環性能。

拓米(成都)應用技術研究院有限公司自2018年5月3日成立以來，本項目先后引進了數名專家博士，形成了一個多元化的高尖端研發團隊，共同致力于新能源硅基電池材料的研發。經過了一系列的實驗研究，項目團隊對硅基負極材料有了相當深厚的基礎，積累了許多寶貴的知識經驗。在此基礎上，歷經數年時間，取得了優異的成績，解決了硅負極循環性能差的國際性技術難題，已申請了多篇中國發明專利，覆蓋創新制造方法和特殊創新產品，將擁有自我知識產權。

01 項目實施前景

鋰離子電池由正極材料、負極材料、隔膜及電解液四大關鍵材料組成。近幾年來，我國負極材料產量呈現逐年增長的趨勢，2019年負極材料產量達25萬噸。

鋰電池關鍵材料市場占比

2011-2019年中國鋰電池負極材料產量統計及增長情況

近年來硅碳負極材料成為研發熱點，2019年負極材料需求量為23.31萬噸，其中硅碳負極2.2萬噸，預計2020年負極材料需求量30.22萬噸，其中硅碳負極4.5萬噸。到2025年，負極材料需求為87萬噸，其中硅碳負極達31.3萬噸。

 2019-2025年全球負極材料和硅碳負極材料需求量預測情況（單位：萬噸）

隨著特斯拉新型電池技術（干電極+預補鋰）逐漸應用成熟，硅基負極的循環壽命短和首次效率低的問題得到有效解決，將加速硅基負極的商業化應用，市場規模潛力巨大。業界預測在電池材料實現高能量密度產品的趨勢下，2022年硅基負極市場需求將是現有規模的10倍、超3萬噸，在動力電池負極材料中的滲透率將達40%，預測未來3~5年硅基負極可擁有的市場空間大約為50億左右。

02 對行業、產業的影響

目前，新能源汽車廠商均采用人造石墨作為鋰電池負極材料，但石墨類負極的克容量開發已近頂棚372mAh/g，即便搭配目前市場已有的高鎳正極材料NCM811，電池能量密度仍難超290Wh/kg，無法達到300-350 Wh/kg的國家電池能量密度規劃。目前，市場上新能源車動力電池的能量密度60%集中于160Wh/kg以下區域，對電池能量的可商業化應用升級需求迫切，空間巨大。由于正極產品的研發略滯后，負極受到更多關注，其中硅基負極材料以其十倍于石墨類負極、高達4200 mAh/g的克容量，不存在析鋰隱患，安全性好于石墨類負極材料，且儲量豐富，成本低廉，成為理想的動力電池升級的材料突破點。

我國硅基負極材料的應用尚處于發展初期，實際應用還比較小眾，大部分企業處于送樣測試階段，發展相對緩慢。盡管硅基負極容量已超過目前主流的石墨類負極材料所能達到的最大極限，但大規模使用尚存在障礙，其中最大的障礙在于充放電過程中與鋰合金化反應，產生嚴重的體積膨脹效應，高達300%左右的膨脹率導致電池循環性能及首次效率（代表充放電性能）較差。一旦在這方面突破技術瓶頸，將意味著硅基負極實現真正的規?；a，硅基負極將取代石墨類負極，成為新能源汽車電池的不二之選。這對電池行業，新能源汽車行業都有著不可估量的影響。

03 項目計劃及進度

• 硅負極較低的導電性

• 硅負極嚴重的體積膨脹（＞300%）

• 硅負極首效低的問題

• 硅負極較差的循環性能

• ①高性能硅基負極材料

  
  

• ②硅基負極材料適用的特殊粘結劑的制造

  
  

• ③硅基負極材料適用的特殊電解液的制造

  
  

• ④高能量密度鋰離子電池

  
  

• ⑤全固態鋰離子電池

  
  

• ⑥高能量密度硅-鋰硫電池的研發

• 知識產權保障

拓米集團公司已完成知識產權管理體系認證和項目管理體系建設，知識產權內審員2名，申請專利115件，已授權專利43項。

• 設施條件

04 預期目標

總體目標與規劃：鋰電池硅基材料放電克容量>3000mAh/g; 首次庫倫效率>88% ；充放循環與人造石墨類負極相當；產品綜合性能指標達到世界領先水準。預計在2020～2023年實現硅基負極材料的量產，高能量密度鋰離子電池的生產。

技術創新目標：采用一種簡單的工藝及設備在低成本的前提下制備出高比容量、高首效以及優異循環性能的硅基負極材料。

成果產出目標：申請鋰電池硅基負極材料發明專利，覆蓋創新制造方法和特殊創新產品，擁有自我知識產權。