負極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能等關(guān)鍵指標(biāo)。隨著新能源汽車在實際應(yīng)用中對續(xù)航里程要求的不斷提高，動力電池相關(guān)材料也向著提供更高能量密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負極已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，高能量密度負極材料成為企業(yè)追逐的新熱點。硅基材料負極由于豐富的儲量和超高的理論比容量正逐漸成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負極的最優(yōu)先選擇，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。
瑕不掩瑜 硅碳負極優(yōu)勢明顯
硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極，一是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質(zhì)。
在負極材料中，硅材料主要以納米硅的形式進行應(yīng)用。納米硅指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。納米硅與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負極材料，能夠大幅提高鋰離子電池的容量。
目前市場上鋰電池使用的多為石墨負極材料，從石墨的克容量和壓實密度看，負極材料的能量密度很難再得到提高。此外，石墨片還存在易發(fā)生剝離、循環(huán)性能不理想等問題。
與石墨負極材料相比，硅基負極材料的能量密度優(yōu)勢明顯。石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mAh/g。硅碳復(fù)合材料能大大提升單體電芯的容量，有效緩解業(yè)內(nèi)對電動汽車續(xù)航里程的擔(dān)憂。
當(dāng)然，硅基材料也存在較為明顯的缺點，主要有以下兩方面：1、在充放電過程中會引起硅體積膨脹100%~300%，巨大的體積效應(yīng)及較低的電導(dǎo)率將限制硅負極技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。2、硅為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性比石墨差很多，導(dǎo)致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，進一步降低了其首次庫倫效率。
產(chǎn)業(yè)狀況 多家企業(yè)抓緊布局
2016年，韓國一家研究所通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法，有效解決了硅體積膨脹的問題，將有助于推動碳-納米硅-石墨復(fù)合負極材料大規(guī)模生產(chǎn)。
目前，國內(nèi)前幾大負極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對硅碳負極材料進行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負極材料產(chǎn)品，上海杉杉正處于硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化進程中，星城石墨已將硅碳新型負極材料作為未來產(chǎn)品研發(fā)方向。
2016年11月國軒高科發(fā)布公告，擬募資不超過36億元用于動力電池相關(guān)項目建設(shè)，其中包括5000噸硅基負極材料項目。浙江湖州創(chuàng)亞動力電池材料有限公司（簡稱湖州創(chuàng)亞）總經(jīng)理胡博也在接受媒體采訪時表示:“湖州創(chuàng)亞硅負極能量密度可以做到1300-1400mAh/g，硅碳負極材料可以達到600mAh/g。2017上半年將進入中試量產(chǎn)。”此外，國內(nèi)電池企業(yè)中，BYD、CATL、力神、萬向A123、微宏動力等都展開了對硅碳負極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。
放眼海外，目前特斯拉通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，已在Model 3上采用硅碳負極作為動力電池新材料，電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度可達300wh/kg。 日本GS湯淺公司推出硅基負極材料鋰電池，并成功應(yīng)用在三菱汽車上；日立麥克賽爾則宣布已開發(fā)出可實現(xiàn)高電流容量硅負極鋰電池。
從目前已產(chǎn)品化的硅碳負極材料性能來看，相比于石墨負極材料而言，硅碳負極材料最大的優(yōu)勢在于比容量的提升。硅碳負極材料的最低比容量一般都超過石墨負極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負極材料比容量的3倍，性能大幅度地提高。
硅碳材料產(chǎn)業(yè)化是一個綜合的過程，一方面要求負極材料企業(yè)不斷提高產(chǎn)品自身的性能，另一方面還要做好與其它材料的配合，以及與電芯企業(yè)、PACK企業(yè)共同謀求鋰電池封裝工藝的升級。相信隨著鋰電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，負極材料企業(yè)產(chǎn)業(yè)化步伐實施的加快，硅碳負極材料的春天就要來了。
