負(fù)極補(bǔ)鋰工藝在應(yīng)用中起到的作用有哪些？

負(fù)極補(bǔ)鋰工藝是，通過(guò)補(bǔ)鋰設(shè)備直接向負(fù)極極片噴涂金屬鋰粉的方式進(jìn)行補(bǔ)鋰，補(bǔ)充負(fù)極在首次充電過(guò)程中不可逆的容量損失，以此達(dá)到提升首次庫(kù)倫效率、電池容量的目的。

“國(guó)內(nèi)某知名大型動(dòng)力電池企業(yè)的負(fù)極補(bǔ)鋰工藝已經(jīng)成熟應(yīng)用，隨著該條產(chǎn)線電池的市場(chǎng)起量，其他電池企業(yè)將更加重視及跟進(jìn)，預(yù)計(jì)今年年底或明年年初會(huì)是負(fù)極補(bǔ)鋰設(shè)備及補(bǔ)鋰工藝邁向產(chǎn)業(yè)化的重要時(shí)期。”一位業(yè)內(nèi)人士透露。

何謂負(fù)極補(bǔ)鋰工藝？目前研究相較成熟的方法是，通過(guò)補(bǔ)鋰設(shè)備直接向負(fù)極極片噴涂金屬鋰粉的方式進(jìn)行補(bǔ)鋰，補(bǔ)充負(fù)極在首次充電過(guò)程中不可逆的容量損失，以此達(dá)到提升首次庫(kù)倫效率(可提升能量密度)、提高電池容量(可提升續(xù)航里程)的目的。

尤其是對(duì)于采用硅碳材料作為負(fù)極的高能量密度鋰離子電池，由于其首次庫(kù)倫效率較低(硅碳負(fù)極首效在80%左右，石墨負(fù)極首效達(dá)90%以上)，補(bǔ)鋰工藝的應(yīng)用推廣顯得更為重要。

同時(shí)，鋰源的補(bǔ)充還可以除去電解液的水分，抑制HF酸的產(chǎn)生，改變電極材料的電極電位，使得正極在較適合的工作電位下工作，從而保護(hù)正極材料的結(jié)構(gòu)不受破壞，進(jìn)一步提高電池的循環(huán)使用壽命。

佳的自動(dòng)化總經(jīng)理溫在東向高工鋰電表示，目前已經(jīng)有幾家動(dòng)力電池客戶與公司在談自動(dòng)補(bǔ)鋰設(shè)備方案，由于各家工藝有所出入因此需要做不同程度的調(diào)整，目前正處于樣機(jī)制作階段。成熟的設(shè)備方案必然要與客戶聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

除了佳的自動(dòng)化之外，目前包括先導(dǎo)智能、新嘉拓等領(lǐng)先裝備企業(yè)都有涉足補(bǔ)鋰設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)。可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著硅碳動(dòng)力電池市場(chǎng)起量，必將進(jìn)一步帶動(dòng)補(bǔ)鋰設(shè)備的市場(chǎng)需求。

難以繞開(kāi)的補(bǔ)鋰設(shè)備

按照國(guó)內(nèi)在2020年實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量密度達(dá)到300Wh/kg的目標(biāo)，對(duì)于負(fù)極材料而言，采用傳統(tǒng)的石墨幾乎是不可能完成的任務(wù)，因此硅碳材料應(yīng)用是必然出路。

從多方信源獲悉，從2017年下半年開(kāi)始，采用硅碳負(fù)極的鋰電池有少量推向高端數(shù)碼市場(chǎng)，動(dòng)力電池企業(yè)也正在抓緊研發(fā)當(dāng)中，快者處于中試水平。目前主流負(fù)極材料企業(yè)正抓緊擴(kuò)張硅碳材料產(chǎn)能，2018年硅碳材料用量將達(dá)2000-3000噸，同比增長(zhǎng)一倍左右。

一位材料企業(yè)內(nèi)部人士表示，純硅在完全嵌鋰狀態(tài)下，比容量可達(dá)4200mAh/g(Li4.4Si)，但也伴隨著高達(dá)300%的體積膨脹，這會(huì)導(dǎo)致純硅材料在嵌鋰過(guò)程中會(huì)發(fā)生顆粒破碎和分化，負(fù)極掉料，導(dǎo)致材料循環(huán)過(guò)程中容量衰降十分嚴(yán)重。

“即使采用硅的氧化物(SiOX)作為負(fù)極材料，由于SiOX首次嵌鋰的過(guò)程中會(huì)生成金屬鋰氧化物L(fēng)iXO，經(jīng)過(guò)諸多技術(shù)改進(jìn)，首次效率也僅能達(dá)到80%左右。因此需要借助補(bǔ)鋰工藝，補(bǔ)充首次嵌鋰過(guò)程中不可逆的容量損失?！鄙鲜鋈耸繌?qiáng)調(diào)，三元電池應(yīng)用硅碳負(fù)極是趨勢(shì)，而硅碳首效損失較大，因此補(bǔ)鋰工藝很難繞過(guò)去。

溫在東也證實(shí)，補(bǔ)鋰工藝對(duì)硅碳負(fù)極的效果最大，通過(guò)形成SEI膜消耗的活性鋰給補(bǔ)回來(lái)，從而提升一定的能量密度。由于各家工藝不同，能量密度能提高20%-25%左右。”

“由于各家工藝不同，對(duì)于補(bǔ)鋰要求的厚度也不盡相同，這主要跟材料體系和涂布厚度有關(guān)，如何精準(zhǔn)控制鋰源補(bǔ)給量尤為重要。另外，設(shè)備企業(yè)還要根據(jù)各家極片面密度變化、均勻度以及來(lái)料的幅寬進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)還要保證與生產(chǎn)線速度高度一致。這對(duì)于設(shè)備企業(yè)而言都是極大的挑戰(zhàn)?！睖卦跂|強(qiáng)調(diào)。

值得一提的是，由于石墨負(fù)極的首效已較高，補(bǔ)鋰工藝對(duì)于其提升能量密度效果不大，但是對(duì)于循環(huán)壽命的提升效果仍是極佳。部分企業(yè)在考慮到未來(lái)動(dòng)力電池的梯次利用，也在考慮補(bǔ)鋰工藝的應(yīng)用。

在爭(zhēng)議中前行

對(duì)于補(bǔ)鋰工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，硬幣的一面是可促成電池能量密度、續(xù)航里程、循環(huán)壽命的提高，而另一面則是安全性較難保證，材料及設(shè)備改造成本較高。因此補(bǔ)鋰工藝在應(yīng)用推廣過(guò)程中也存在諸多質(zhì)疑。

據(jù)了解，作為補(bǔ)鋰原料，金屬鋰是高反應(yīng)活性的堿金屬，能夠與水劇烈反應(yīng)，因此金屬鋰對(duì)環(huán)境的要求十分高，這就使得負(fù)極補(bǔ)鋰工藝的應(yīng)用需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造，采購(gòu)費(fèi)用較高的補(bǔ)鋰設(shè)備，同時(shí)為了保證補(bǔ)鋰效果，有可能需要對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整。

一位不愿具姓名業(yè)內(nèi)人士透露，硅碳電池用補(bǔ)鋰方式確實(shí)是不錯(cuò)，但是怎么補(bǔ)，怎么控制一致性，怎么防止膨脹，這都是亟待解決的問(wèn)題。

部分從業(yè)者也向高工鋰電表示，補(bǔ)鋰工藝最大的瓶頸是對(duì)環(huán)境要求特別苛刻，金屬鋰粉是很危險(xiǎn)的物品，用不好會(huì)著火和爆炸，沒(méi)有足夠研發(fā)能力的企業(yè)不一定敢去做這個(gè)東西。

“從補(bǔ)鋰方式說(shuō)，撒鋰粉，由于鋰粉比表面積大，容易飄，有被人體吸入風(fēng)險(xiǎn)，不安全；鋰帶，壓不了那么薄，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)鋰過(guò)量，長(zhǎng)期使用存在安全隱患；電化學(xué)補(bǔ)鋰，效率又太低?！鄙鲜鋈耸勘硎尽?/p>

不過(guò)根據(jù)ATL此前申請(qǐng)的“一種向鋰離子電池負(fù)極片補(bǔ)充鋰粉的裝置”專利來(lái)看，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)改變收放卷機(jī)構(gòu)的牽引速度和電場(chǎng)強(qiáng)度的控制，可以使負(fù)極片分散的鋰粉的量得到精確控制，克服金屬鋰粉在空氣中的漂浮，使鋰粉準(zhǔn)確、定量、均勻地分散在負(fù)極片表面，而且不會(huì)擠壓鋰粉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)極片的補(bǔ)鋰操作。

ATL表示，整個(gè)制備過(guò)程工序簡(jiǎn)單、成本低，尤其當(dāng)采用可編程邏輯控制器時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，使該方法適合于量產(chǎn)，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。