中國(guó)粉體網(wǎng)訊 鋰電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜四大關(guān)鍵材料組成。其中負(fù)極材料作為鋰電池最重要的關(guān)鍵原材料之一，占鋰電池總成本的10%-15%，其在鋰電池中起到能量?jī)?chǔ)存與釋放的作用，對(duì)于鋰電池的首次效率、循環(huán)性能、能量密度、充放電倍率以及低溫放電性能等具有較大的影響作用。
碳基負(fù)極材料，尤其是石墨負(fù)極，長(zhǎng)期以來(lái)一直是鋰離子電池負(fù)極的主流選擇，其穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和成本效益均得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。然而，隨著電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域?qū)﹄姵啬芰棵芏纫蟮牟粩嗵嵘蓟?fù)極材料的理論比容量極限逐漸成為制約電池性能進(jìn)一步提升的瓶頸。
性能極限，碳基負(fù)極危機(jī)浮現(xiàn)
目前負(fù)極市場(chǎng)主流的石墨類(lèi)負(fù)極材料，在鋰電池中的理論比容量只有372mAh/g，商業(yè)化高端石墨材料的實(shí)際比容量為360～365mAh/g。石墨類(lèi)負(fù)極的能量密度“走到了盡頭”，在過(guò)去10年，為了提高其能量密度可以說(shuō)是用盡手段：減薄基材、增加壓實(shí)密度、增加工作電壓、提高石墨的首效等。但是這些手段是有邊界的，目前都到了他們的天花板。
并且《中國(guó)制造2025》明確規(guī)定，動(dòng)力電池能量密度規(guī)劃為：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。僅僅靠碳基負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是不可能的，硅基負(fù)極材料以其十倍于石墨類(lèi)負(fù)極、高達(dá)4200mAh/g的克容量，成為理想的動(dòng)力電池升級(jí)的材料突破點(diǎn)。
技術(shù)迭代，硅基負(fù)極浮出水面
電池新技術(shù)打開(kāi)硅基負(fù)極應(yīng)用市場(chǎng)。近年來(lái)，多家主流車(chē)企逐漸推出搭載摻硅負(fù)極電池的車(chē)型，硅基負(fù)極應(yīng)用逐漸拓展至動(dòng)力電池領(lǐng)域。2023年以來(lái)多孔硅碳技術(shù)路線(xiàn)的出現(xiàn)讓硅碳負(fù)極材料的性能實(shí)現(xiàn)了群體性突破，有望開(kāi)啟在動(dòng)力電池領(lǐng)域的規(guī)�；瘧�(yīng)用。與此同時(shí)，包括麒麟電池、大圓柱電池、快充電池、固態(tài)電池等動(dòng)力電池新技術(shù)持續(xù)迭代發(fā)展，尤其是“高鎳三元+硅基負(fù)極”為大圓柱電池最適配方案。電池新技術(shù)更適配硅基負(fù)極，隨著電池新技術(shù)在近年來(lái)陸續(xù)開(kāi)啟應(yīng)用放量，也正在加速打開(kāi)硅基負(fù)極的市場(chǎng)空間。
硅基負(fù)極在動(dòng)力電池領(lǐng)域逐步走向產(chǎn)業(yè)化。硅基負(fù)極的應(yīng)用正在成為電池性能差異化的必爭(zhēng)之地。自2023年下半年以來(lái)，特斯拉、蔚來(lái)、智已、廣汽埃安等品牌旗下車(chē)型紛紛搭載硅基負(fù)極動(dòng)力電池，硅基負(fù)極高性能動(dòng)力電池裝車(chē)持續(xù)升溫。頭部電池企業(yè)率先布局硅基負(fù)極電池產(chǎn)能，主流負(fù)極材料企業(yè)積極建設(shè)硅基負(fù)極材料產(chǎn)能。2023年硅基負(fù)極材料出貨量增長(zhǎng)明顯，滲透率進(jìn)一步提升。隨著硅基負(fù)極逐漸接替石墨作為電池負(fù)極的重要材料，以及硅基負(fù)極材料在技術(shù)、成本方面的進(jìn)一步突破，硅基負(fù)極逐步走向產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。
迭代過(guò)程，道阻且長(zhǎng)
盡管被稱(chēng)為最值得期待的下一代電池材料，主要的硅基材料的制備方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)解決了許多關(guān)鍵問(wèn)題，但是對(duì)于動(dòng)力電池所需要的高能量密度的要求還遠(yuǎn)未達(dá)到，并且硅基負(fù)極的關(guān)鍵問(wèn)題——膨脹仍是目前亟待解決的難題。
為解決硅基負(fù)極所面臨的膨脹等問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開(kāi)發(fā)了多種硅基負(fù)極改性方式，主要包括硅氧化、納米化、復(fù)合化、多孔化、合金化、預(yù)鋰化、預(yù)鎂化等等。
貝特瑞2011年開(kāi)始研發(fā)硅碳納米硅的技術(shù)方案，2013年開(kāi)始逐步出貨海外。由于該技術(shù)由海外廠(chǎng)商提供，基本上貝特瑞的硅碳營(yíng)收來(lái)自日韓電動(dòng)工具電池的應(yīng)用。后來(lái)，國(guó)內(nèi)知名中科院孵化的硅負(fù)極創(chuàng)業(yè)公司憑借該科研院所對(duì)研磨硅的研究，沿襲貝特瑞研磨硅方案，并迅速搶占國(guó)內(nèi)電動(dòng)工具電池硅負(fù)極市場(chǎng)。
貝特瑞13年開(kāi)始研發(fā)第一代硅氧，15年完成產(chǎn)品出貨。硅氧解決膨脹方案主要通過(guò)氧原子與硅結(jié)合為納米級(jí)別的化合物，能抑制硅在充放電的體積變化，提升循環(huán)壽命。但是，氧含量的提升導(dǎo)致導(dǎo)致Li+與氧原子反應(yīng)生成氧化鋰和鋰硅酸鹽，導(dǎo)致鋰離子消耗，不可逆容量損失首效降低，僅為75%左右，相比石墨的95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到全電池對(duì)負(fù)極材料的要求。從成本和性能綜合考慮下來(lái)，無(wú)法對(duì)電池帶來(lái)較為明顯的優(yōu)勢(shì)。貝特瑞第二代硅氧通過(guò)預(yù)鎂方案提升至80%以上，卻又不可避免地帶來(lái)了產(chǎn)品成本過(guò)高的問(wèn)題。
而且早在2019年，信越化學(xué)就推出可以商用的預(yù)鋰化硅氧產(chǎn)品，首效提升至85%以上，循環(huán)超1000次。信越化學(xué)的專(zhuān)利尚未過(guò)期，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商難以繞開(kāi)專(zhuān)利取得產(chǎn)品相似的效果，因此知名廠(chǎng)商不敢輕易售賣(mài)預(yù)鋰化硅氧。目前沒(méi)有一家企業(yè)預(yù)鋰化硅氧年出貨產(chǎn)值超過(guò)2000萬(wàn)元。
2021年之前硅碳迭代不小，技術(shù)門(mén)檻較高，受到市場(chǎng)較高的認(rèn)可，從微米級(jí)別粒徑過(guò)渡到百納米級(jí)別粒徑，但百尺竿頭難以更進(jìn)一步，技術(shù)迭代陷入一定的停滯。2021年下半年至2022年底，則是屬于一代硅氧和預(yù)鋰化硅氧的天下。一代硅氧的成本較低，同時(shí)生產(chǎn)壁壘不高，2023年下半年，眾多廠(chǎng)商硅氧出貨，整個(gè)市場(chǎng)殺價(jià)較高，售價(jià)已經(jīng)低于10w/t，但其添加性能不明顯，車(chē)廠(chǎng)添加量極低。預(yù)鋰化硅氧受限其不穩(wěn)定的性能，一直難以在動(dòng)力電池批量使用。
2022年底，美國(guó)一家氣相沉積硅公司Group 14產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)幾家頭部電芯廠(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，其全電的內(nèi)阻、循環(huán)、首效、克容量、膨脹率較硅氧和研磨硅相對(duì)來(lái)說(shuō)取得了大范圍的提升，CVD氣相沉積硅碳技術(shù)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。
但是，目前硅基負(fù)極可以大規(guī)模生產(chǎn)的制備方案仍在開(kāi)發(fā)中，即便是在氣相沉積硅碳領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者Group 14公司，仍未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的百?lài)嵓?jí)量產(chǎn)。
小結(jié)
技術(shù)迭代需要時(shí)間，不是一蹴而就。從碳基負(fù)極到硅基負(fù)極的迭代，不僅是電池材料技術(shù)的一次重大突破，也是新能源產(chǎn)業(yè)邁向更高層次的重要一步。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，硅基負(fù)極材料有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，為電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域提供更加高效、可靠的能源解決方案。
參考來(lái)源：
電池新技術(shù)硅基負(fù)極專(zhuān)題報(bào)告：新型負(fù)極材料迭代方向，前景可期.報(bào)告研究所
硅基負(fù)極：新技術(shù)大變天 誰(shuí)是中國(guó)的G14.千乘資本
2023年有望成為硅基負(fù)極材料爆發(fā)元年！.粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn)）
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