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眾所周知，電動(dòng)汽車的里程續(xù)航問題一直是消費(fèi)者迫切關(guān)注的痛點(diǎn)，這跟鋰電池的能量密度息息相關(guān)，眾電池廠商、車企無不使勁渾身解數(shù)，想要進(jìn)一步挖掘電池能量密度提升的空間，為此大多采用以下途徑：例如優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高活性材料能量密度、降低非活性材料占比等。

目前商業(yè)化鋰電池廣泛使用的石墨負(fù)極的容量在360mAh/g左右，已經(jīng)非常接近其理論比容量（372mAh/g），因此很難在石墨負(fù)極上獲得突破，于是人們將目光轉(zhuǎn)向硅材料，鋰電池中，硅材料理論比容量為4200mAh/g，且硅的脫鋰電位比較低，因此硅作為負(fù)極可以減少材料用量、提高電池能量密度，是動(dòng)力電池負(fù)極材料接下來的重要發(fā)展方向。

碳材料與硅材料性能對(duì)比

硅基負(fù)極技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

硅作為負(fù)極材料會(huì)產(chǎn)生很大的體積變化，隨充放電發(fā)生的持續(xù)收縮膨脹會(huì)造成材料粉末化，影響電池循環(huán)壽命。目前商業(yè)化的硅材料負(fù)極一般為硅碳復(fù)合體系，有單質(zhì)硅-碳負(fù)極和硅氧化物-碳負(fù)極兩種，相比之下，硅氧化物-碳負(fù)極較單質(zhì)硅-碳負(fù)極體積膨脹更小、倍率性能更佳，但是容量和首循環(huán)庫倫效率較低。

硅碳復(fù)合體系中，碳可以改善材料的導(dǎo)電性，緩沖硅的體積變化，避免硅顆粒的團(tuán)聚等，對(duì)硅碳材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可以更好地抑制材料的體積變化，例如可以將硅碳材料設(shè)計(jì)成核-殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等，為體積膨脹預(yù)留容納或緩沖空間。

常見的核-殼結(jié)構(gòu)

此外，硅碳負(fù)極還有一個(gè)問題引人關(guān)注，由于硅負(fù)極材料表面形成SEI膜需要消耗大量鋰源，降低電池首效，通常采用預(yù)鋰化的方式來解決這一問題。例如，引入鋰箔、鋰粉、預(yù)鋰化添加劑等，通過物理、化學(xué)或電化學(xué)手段提前補(bǔ)充形成SEI膜所需要的鋰源，可有效提高電池首效。

綜上，硅碳負(fù)極具有高容量，但是體積膨脹等問題導(dǎo)致其壽命略低，因此通常搭配循環(huán)壽命同樣較低但比容量高的高鎳NCM正極，并通過補(bǔ)鋰手段提高首效，最大化提高電池能量密度。

硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

硅碳負(fù)極材料在國內(nèi)的發(fā)展處于初期階段。在國內(nèi)，比亞迪、寧德時(shí)代、國軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了對(duì)硅碳負(fù)極材料的布局。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國硅碳負(fù)極材料出貨量為0.9萬噸，僅占負(fù)極材料出貨量的約2%。貝特瑞的產(chǎn)業(yè)化速度為行業(yè)最快，2013年就開始向三星批量供貨，其硅碳負(fù)極材料已打入了特斯拉的供應(yīng)鏈，為松下的動(dòng)力電池電芯配套部分負(fù)極材料；杉杉股份的硅碳負(fù)極材料也已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其高容量硅合金負(fù)極材料可滿足新能源乘用車300wh/kg性能要求，并已對(duì)CATL實(shí)現(xiàn)供貨。

國內(nèi)負(fù)極材料巨頭的硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

硅基負(fù)極的應(yīng)用現(xiàn)狀

除了應(yīng)用在三元電池中，2021年1月，國軒高科正式發(fā)布能量密度為210Wh/kg的軟包磷酸鐵鋰電芯，并聲稱在磷酸鐵鋰化學(xué)體系中首次成功地應(yīng)用了硅負(fù)極材料。

而目前硅碳負(fù)極由于價(jià)格太高，主要應(yīng)用于高端車型。今年來，隨著車企在高端市場的競爭加劇，搭載硅碳負(fù)極電池的車型也開始扎堆出現(xiàn)。

（1）特斯拉：從摻硅到直接采用硅負(fù)極

特斯拉一直使用的圓柱型電池結(jié)構(gòu)對(duì)硅碳負(fù)極體積膨脹的抑制效果較好，從幾年前的Model S和Model X開始，特斯拉就已經(jīng)在石墨負(fù)極中摻雜硅材料，只是當(dāng)時(shí)硅的成分極少。到了Model 3階段，特斯拉使用的21700電池中硅的比例再次得到提升，其能量密度較上一代18650電池提升了約20%，達(dá)到300Wh/kg，目前Model 3的續(xù)航里程在500-600公里左右。

在2020年9月22日“電池日”，Tesla明確計(jì)劃未來將采用硅負(fù)極，計(jì)劃采用冶金硅作為原料，通過離子導(dǎo)電高分子進(jìn)行涂覆、以及特殊膠粘劑混合的形式，改善硅負(fù)極的性能。

特斯拉的幾代圓柱電池

（2）廣汽埃安——海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)

廣汽埃安今年公布了其自研的海綿硅負(fù)極電池技術(shù)，該技術(shù)包括“納米復(fù)合硅技術(shù)”“自修復(fù)粘結(jié)劑技術(shù)”“梯度復(fù)合涂布技術(shù)”等，讓電池內(nèi)部的硅負(fù)極片像海綿一樣柔軟有彈性，使硅在充放電過程中的膨脹和收縮被限制和緩沖，不會(huì)碎裂。同時(shí)，也像海綿吸水一樣，讓硅負(fù)極發(fā)揮大容量的優(yōu)勢，儲(chǔ)存更多的能量。

通過該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池單體電芯體積減小20%，重量減輕14%；未來會(huì)進(jìn)一步將體積和重量都減小和減輕一半以上。該技術(shù)還對(duì)延長電池使用壽命、提高鋰離子電池可靠性有明顯的作用。搭載海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)的廣汽埃安AION LX可實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程超過1000km，有望在今年年內(nèi)投產(chǎn)。

相關(guān)閱讀：廣汽埃安新車?yán)m(xù)航突破1000公里，制勝法寶是硅基負(fù)極

廣汽埃安AION LX采用三元搭配海綿硅負(fù)極

（3）蔚來——硅碳負(fù)極+半固態(tài)電解質(zhì)+高鎳正極

蔚來于1月份舉辦的NIO Day上宣布預(yù)期于2022年交付150kWh電池包，采用原位固化固液電解質(zhì)、無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極、納米級(jí)包覆超高鎳正極，單體能量密度可達(dá)360Wh/kg，蔚來ET7將搭載這款電池。

蔚來150kWh電池包

（4）智已汽車——“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)

1月份，上汽集團(tuán)及浦東新區(qū)、阿里巴巴的智己汽車發(fā)布了首款車型——智己L7，它的118kWh電池的高配版本，采用了與寧德時(shí)代合作的“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單體300Wh/kg能量密度，將NEDC續(xù)航提升到1000km，而且具有20萬公里零衰減和“永不自燃”的特性，該高配版本計(jì)劃于2022年上市。

智已汽車聯(lián)手寧德時(shí)代

總結(jié)

目前商業(yè)化的硅基負(fù)極材料主要包括碳包覆氧化亞硅、納米硅碳、無定型硅合金、硅納米線四種，其中碳包覆氧化亞硅、納米硅碳商業(yè)化程度最高。當(dāng)前各家電池廠及車廠在下一代電池設(shè)計(jì)中都已經(jīng)在大規(guī)模使用硅，硅基負(fù)極材料產(chǎn)品也必將呈現(xiàn)高增長的趨勢，鋰電行業(yè)正逐漸迎來硅基負(fù)極全面爆發(fā)的時(shí)代。

參考來源：

1. 硅負(fù)極應(yīng)用現(xiàn)狀，NE時(shí)代；

2. 網(wǎng)絡(luò)上各類產(chǎn)業(yè)布局及產(chǎn)品發(fā)布新聞；

粉體圈 小吉

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