硅碳负极材料正在走向产业化

1. 为什么需要硅碳负极

众所周知，不断的提高电池能量密度，是锂电产业技术研革所孜孜不倦的方向。在当前的锂电材料体系中，负极材料多为采用石墨材料（以人造石墨和天然石墨为主），在电池理论设计过程中，基本上已经非常充分发挥了其可实现的能量密度，所当前的石墨负极材料在提升电池能量密度方面已经遇到明显的瓶颈。

与石墨负极材料相比，硅基负极材料的能量密度优势明显。石墨的理论能量密度是372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200mAh/g。所以硅碳负极的应用，可以提升电池中活性物质含量，所以能大大提升单体电芯的容量，这也是硅碳负极材料越来越多被锂电领域所关注的重要原因。

2. 什么是硅碳负极

由于硅是半导体结构材料，为了提供锂离子在硅电极材料中的扩散速度，就需要提高硅材料的导电性能，目前产业中所选择的就是成熟的碳材料。利用不同形态的碳材料来复合硅进行改性处理，使其构成均匀的导电网络结构，形成导电性好、附着性好、化学稳定性高的硅碳负极材料。

但是硅碳负极材料是一种使用起来非常困难的材料，其主要有以下两方面：1、在充放电过程中会引起硅体积膨胀100%~300%，而石墨材料只有10%左右，所以硅碳负极的膨胀收缩会导致负极材料的粉末化，从而严重影响电池使用寿命；2、硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低了其首次库伦效率，也就是说会过多电解液和Li+源，其直接效应也是使电池循环寿命变差。

硅碳负极的开发和应用具备较高的技术壁垒。如前文所述，硅碳负极虽然在能量密度方面具有比石墨材料更明显的优势，但是其缺陷也非常显著。所以对于硅碳负极的开发和应用，需要较高的技术要求。当然，对于硅碳负极材料学术性研究已经开展多年，科研人员也提出多种解决方案，目前产业化过程中相对来说比较成熟的，是将硅碳负极纳米化、惰性缓冲以及适度的以及表面包覆，其中表面包覆，一般会通过以球形人造或者天然石墨为基底，在石墨表面钉扎一层Si纳米颗粒，再在其外表包覆一层无定形碳或石墨烯。

3. 硅碳负极的市场空间测算

由于硅碳负极材料的应用开发尚处于初期阶段，所以全球只有少数的电池生产企业将硅碳负极应用于商业化产品，目前硅碳负极在整个锂电负极材料市场中，占比尚处于非常低的水平。

目前，行业中硅碳负极尚未形成广泛推广的成熟方案，主流的电池生产企业对于硅碳负极的使用，也主要是以掺杂到石墨负极材料中使用，各个企业掺杂的比例也存在一定差异。参考当前硅碳负极材料市场售价水平，我们按照负极材料中掺杂10%左右的硅碳负极，预测未来3~5年随着渗透率提升，硅碳负极可拥有的市场空间大约为50亿左右。但需要强调的是，该市场有较高的技术门槛，所以行业集中度将非常高。