刘锴：硅碳复合负极材料与锂离子动力电池

时间:2015-12-30 14:25来源:中国电池联盟作者:西顾

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各位同仁大家好，上次我们已经讲了硅碳复合负极材料，我们有几家生产商，上次也讲过这个事情，我回顾的意思是这样的，在1998年的时候，日本开始考虑负极加入硅，国内要求金属硅直接粉碎，研磨到两百个纳米左右，这个成本大概是多少，研磨下来接近80万到100万吨，价格非常贵，D50就是分子量分母非常宽，根本就不均匀，不均匀以后加入石墨出现一个问题，硅在充放电的时候容易膨胀，是30%左右，后来考虑到硅和碳都是一个族的，碳有的结构，硅也有，碳有石墨烯，硅也有硅烯，我们讲的它有所谓的二维材料，98年那个时候他们最开始也是用金属硅加进去，后来发现膨胀太厉害了，后来考虑其他的，特斯拉定制电池是3400毫安，我们国内做到3000的很少，基本是1800到2000，福斯特是120万支，只做1800毫安，包括容量都很小，我个人认为造成了资源的浪费。

电池负极材料生产商这么多家，都是以石墨为主，我们和日本合作，他提出不用金属硅，在这个基础上大家开始研发，做了2500次实验，逐渐发现硅有特殊结构，理论容量是在6000毫安时，接近石墨的20倍，我们实验结果大概是3000到3300毫安时，也就是能做出十倍左右的石墨的负极材料。我们当时研发基本上完成的时候这个事情就结束了，我就回国，主要搞工艺维护，这个事情就没有再继续做。

到2011年，有人跟我提出来，问我怎么样，按照我自己的理解，我觉得它有一个好处随时充随时换，但是国内的工艺有一个问题，电池的含水量都比日本高，石墨还是没有做好，你要说大家做这个硅，大家不会把这个东西用好，我当时持否定态度，但是那个人特别喜欢研究，说能不能给他做一个，如果你能理解，我就把我整个实验室拉到你的店里，当着你的面做一遍，你看明白了说明你是我的基因，如果你看不明白，你以后帮我找一个投资，把这个东西就给产业化。陈博士也是抱着测试的一个态度，我们也没有想到他后来很激动。我到他那儿就做了两公斤，我说你做多少，两条思路，一条所有的东西都改，因为他的机器也不太好用，后期也是有不少问题，我说成熟的工艺别改，加5%到10%，另外用我的硅碳做一个，按照一千毫安每克，再按三千设计一个，然后试一下。

做完了以后，因为做这个需要的时间很长，三个月以后，12年后半夜打电话，说的确是3300毫安怎么样，我说不可能，然后问他测试情况，做的是不错，但是循环寿命不是很好，含水量也是有问题，水对锂电池循环影响也是最大的，说做5，国内机器做不到5，如果负极5，正极材料不变的情况下，整个电池的体积就会缩小，又问我价格怎么办，一吨九万块，硅烯制作成本多少，按半吨的话一万五千块，韩国人拿了你的东西仿，明年我的价格下降一半，我们都下降一半的话，国内电池的厂家都死完了。比亚迪跟我要，给了五公斤，那天打电话给我撤下来三千，肯定比石墨好，我最低测的是2280，最高3300，你再问就没有意义了，我给郭总也寄了五公斤，不知道验证了没有，也给了邓文浩，这个在18650测试效果非常好，能量密度低，衰减特别快，它是橄榄石结构，回来的时候回不到原来位置，这个时候有了硅以后把橄榄石结构撑住，它不塌陷，锂还能回到原来位置，这个时候防止它出现尘土，现在在验证阶段，从上次我们讲过这个事情以后，到现在为止给大家样品测试，验证下来的结果三千毫安时每克，基本上不用考虑了，绝对是这样的，剩下主要考虑你的工艺，怎么样去配合，细分有两种，一个是不改变原来的工艺，5%到10%，好多小厂都验证了很高兴，提高30%容量，这件事情已经都验证完了。陈博士让我做一吨，我说我这个一次就做一公斤，那我得一千次，当初也有两个院士找我看，我说看懂了没关系，你要是复制不了，找个机会合作。我现在把配方给你，你合成它，至少做五百次实验，那就是两年，所以有的时候大家不太了解，你能做，别人不能做。

如果这个东西要生产了，做硅碳就是三千，这个是这些公司14年上半年市场占有率，这是紫宸，它是人造石墨，这个没有什么意思，这个活是脏活，现在做这个的越来越多，紫宸卖的好。国外是日立化成，三菱化学，JFE化学、东海碳素等，我们现在这样的情况，做了一个很漂亮的动力电池，如果是我的负极达到三千毫安时每科，可以做到一千瓦时每升，看你有没有勇气改，包括比亚迪在内，我说就等你的老板有没有雄心壮志，有没有决策力，把这个事情改了，其他东西都不用改，现在达到一千瓦时每升，我告诉你现在的车立刻做到跑一千，你说几分钟充好不可能，一般都是慢充，要达到快充的话结构要做一些改变。

硅烯，硅笼，但是你得把它提出来，它能吸收很多，它的好处是什么，可以把好多东西吸进去再放出来，这两天他们做什么材料，一摩尔硅笼和四摩尔氢，我现在的财力已经不能支持它。这是扫描电镜下的硅烯结构，这个是在5ц的下面做的，实际上是球状的。这个是硅微粉和硅烯复合材料的对比，讲一下硅烯测的结果，比亚迪惠州厂、ATL宁德厂等都做了。极片含水量280，测下来什么问题没有，最大的问题水太多了，循环有问题。我说必须干到40，这是做的几个循环效率，首效94%没问题，81.6%，这个大家都做了。当时做安全动力电池66穿刺实验也没有问题。

我们做这个东西解决一个问题就是电池均衡问题，每个电池都不一样容量，这是日本松下的工厂，误差都在千分之一范围内，我们国家在1%、3%，电池做的哪一个都不一样，你说BMS均衡，你说要写多少编程，你要从物理上就要解决这个问题。第二图部，好多电池炸，比亚迪炸了，什么炸了，图完了拆了，就是发热点上，这个就是铁锹，就是机器加工的铁，这个点就是电池爆炸的罪魁祸首，当时就把电池拆完，这个虽然有看不到，但是在好多电池厂发生过，这个具有普遍性，一看是机器加工下来的铁锹，这个是经常会发生的。但是我们在做电池的时候，必须避免这个东西。

电池在搅拌的时候有微气泡，后来去德国因为了德国的脱泡系统，它这个太科学了，把微气泡压在铜体，搞不出来，德国是双罐系统，下边有一个搅拌，两个罐都是真空管，这个下边出来经过一个帘，在抽真空的时候，气泡就在帘上，它就很快把这个气泡抽走了。再经过搅拌，这个就到涂布去了，这种叫双罐除气泡系统非常科学，可以100%的把里面的空气除掉。

另外做了一个实验，空气重新被吸收进去，吸到罐里边是多长时间，我们测完12个小时也达不到，我们充完泡了在空气放着，这个可以完全做到。还有锂电池干燥效率，速度提高80到100米的速度。我们去德国跟他们进行半个月的交流，这是他们的设计，这是他们的流道设计，这是模头（音）设计，这个是当场做的也可以看一下，美国EBA做的头，号称很好，但是误差正负27%，德国是多少，正负1%，什么概念？根本不在一个数量级上，我们锂电池要做好，你的均衡程度和涂布能力、涂布精度是绝对相关的。

这是德国和三菱模头的对比，三菱最高的内压达到两个八，德国可以达到十个八，十个八的压力可以做高速涂布，现在速度只有20米到30米，做到50米很难，德国做到80米是没有问题的。这个是one for all，调浆料可以任何黏度调。我们把这个结构给了麦科（音），华为发了一个快速充电的消息，我们充电过程当中是电磁波的传播过程，电磁波是有形状的，我要在印刷的时候可以节省30%的充电时间，我们测试一下是30%，但是再多可能要改材料了，现在只是改变印刷，基本可以做到这一条。这个东西叫狄拉克锥，是导致目前快速充电的根本原因，你要做这个都可以达到，如果不做它，你做的那个就不是。这个是全部验证过的，这是个录像，用蒸镀的办法，容量也提高了。

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