硅碳負(fù)極成最具前景的下一代鋰電材料，特斯拉、寧德時(shí)代紛紛加碼
近日，由斯坦福大學(xué)華人教授崔屹創(chuàng)立的美國(guó)Amprius公司宣布，將出貨第一批商業(yè)化的450Wh/kg鋰離子電池單元，據(jù)稱(chēng)這是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了100%硅納米線(xiàn)負(fù)極的鋰離子電池（直接替代了常見(jiàn)的石墨負(fù)極材料），也是目前“世界最高密度”的商業(yè)化電池單元，將被用在新一代高空偽衛(wèi)星（HAPS）上。
負(fù)極作為鋰離子電池的重要組成部分，高容量的負(fù)極材料可以有效提升全電池能量密度。負(fù)極在電池里主要充當(dāng)怎樣的角色呢？鋰電池要實(shí)現(xiàn)充放電，實(shí)際上是電子的嵌入和脫出的過(guò)程，負(fù)極材料負(fù)責(zé)在充電過(guò)程中起儲(chǔ)鋰作用，其脫嵌鋰電壓和比容量對(duì)電池能量密度影響較大。優(yōu)異的負(fù)極材料需同時(shí)具備低的脫嵌鋰電壓、高的比容量以及良好的倍率特征和循環(huán)性能。
目前，市面上主流鋰電池的負(fù)極都是采用石墨材料，因?yàn)槭⒂^下具有層狀結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，而且實(shí)際比容量密度可以與理論比容量相接近。但經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，目前最常用的石墨材料實(shí)際比容量已經(jīng)可以達(dá)到360~365mAh/g，十分接近理論比容量（372mAh/g），因而繼續(xù)改善石墨負(fù)極性能對(duì)鋰離子電池性能提升十分有限。問(wèn)題是在石墨負(fù)極中，存儲(chǔ)一個(gè)鋰離子需要６個(gè)碳原子，而每個(gè)硅原子卻可與４個(gè)鋰離子結(jié)合，可以看出，相同體積的硅負(fù)極材料儲(chǔ)存的電荷量是石墨負(fù)極的10倍，換言之，硅負(fù)極能讓電池的能量密度直接提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
相較于石墨材料，硅負(fù)極材料最大的優(yōu)點(diǎn)是其理論容量高達(dá)4200mAh/g，是傳統(tǒng)石墨材料的10倍以上，而且具有較低的充放電平臺(tái)；硅負(fù)極材料與電解液反應(yīng)活性低，不容易促使電池內(nèi)部的固體電解質(zhì)界面膜持續(xù)地生成，相比而言可有效減少電解液的消耗，進(jìn)而減少容量的損耗。以此為基礎(chǔ)，硅負(fù)極電池包容量可以一舉突破100kW·h，甚至在更遠(yuǎn)的將來(lái)也有希望實(shí)現(xiàn)1000kW·h。
同時(shí)，硅材料來(lái)源廣、儲(chǔ)量豐富、本身無(wú)毒及對(duì)環(huán)境友好，并且在太陽(yáng)能領(lǐng)域和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)開(kāi)發(fā)技術(shù)較為成熟，這將很大程度降低其生產(chǎn)成本。因此，硅負(fù)極是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代高比能鋰離子電池負(fù)極材料的首選。
過(guò)去幾年受制于產(chǎn)品售價(jià)較高及配套產(chǎn)業(yè)鏈不成熟等原因，硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展不及預(yù)期。隨著硅碳負(fù)極在消費(fèi)及動(dòng)力電池電池中滲透率的提升，硅碳負(fù)極需求量有望持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，2025年全球硅碳負(fù)極需求量有望達(dá)到20萬(wàn)噸，較2020年約萬(wàn)噸的需求將有明顯提升?？紤]到消費(fèi)用硅碳負(fù)極技術(shù)較成熟，預(yù)計(jì)至2025年滲透率有望達(dá)到50%，對(duì)應(yīng)約7萬(wàn)噸硅碳負(fù)極需求；而對(duì)于動(dòng)力用硅碳負(fù)極，受益于產(chǎn)業(yè)鏈配套的逐步完善，預(yù)計(jì)至2025年硅碳負(fù)極在圓柱動(dòng)力電池、方形動(dòng)力電池中滲透率有望達(dá)到35%、20%，對(duì)應(yīng)約13萬(wàn)噸硅碳負(fù)極需求。
自2021年以來(lái)，特斯拉、比亞迪等企業(yè)相繼開(kāi)始量產(chǎn)使用硅碳負(fù)極的動(dòng)力電池產(chǎn)品，部分負(fù)極企業(yè)也開(kāi)始投資建設(shè)硅碳負(fù)極產(chǎn)線(xiàn)，2022年有望成為硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化元年。2022年2月19日，特斯拉宣布1月份已生產(chǎn)出第100萬(wàn)塊使用硅基負(fù)極的4680電池，同時(shí)本季度德州工廠將交付首批搭載4680電池的ModelY。隨著4680電池良品率的提升，產(chǎn)品將在特斯拉更多車(chē)型中推廣，預(yù)計(jì)2023~2025年特斯拉4680電池需求有望達(dá)到58GW·h、99GW·h、128GW·h。
據(jù)了解，蔚來(lái)預(yù)計(jì)于今年交付的150kW·h電池包，負(fù)極采用了“無(wú)機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)”，單體能量密度可達(dá)350Wh/kg；廣汽集團(tuán)搭載海綿硅負(fù)極電池技術(shù)的AIONLX最高可實(shí)現(xiàn)1000km的綜合續(xù)航能力，其電池組總質(zhì)量只有690kg、電池組總能量為144.4kW·h；小米在電池的負(fù)極添加了納米級(jí)的硅氧化合物，使得其11ultra電池容量高達(dá)5000mAh。
寧德時(shí)代采用“摻硅補(bǔ)鋰”的方式，以提升負(fù)極硅的含量，據(jù)稱(chēng)其最大續(xù)航里程超1000km，并做到20萬(wàn)km零衰減；國(guó)軒高科稱(chēng)通過(guò)“高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)”，也能將磷酸鐵鋰電池能量密度拔高到210Wh/kg。據(jù)比亞迪旗下電池公司“弗迪電池”的相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，“比亞迪在使用硅基材料作為固態(tài)電池的負(fù)極時(shí)，能量密度預(yù)計(jì)能達(dá)到400Wh/kg”?？梢?jiàn)，比亞迪也在研發(fā)硅負(fù)極電池，但是是用于固態(tài)電池，只不過(guò)固態(tài)電池離量產(chǎn)還有很長(zhǎng)一段時(shí)間。
此外，在碳硅負(fù)極上已先行布局的上游材料企業(yè)中，貝特瑞硅基負(fù)極生產(chǎn)線(xiàn)已投產(chǎn)，并已實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極的量產(chǎn)，2020其現(xiàn)有硅碳規(guī)劃產(chǎn)能為3000噸/年；中科電氣對(duì)硅基負(fù)極材料已進(jìn)行多年的持續(xù)研發(fā)投入，對(duì)硅碳和硅氧等硅基負(fù)極材料技術(shù)皆有研究和儲(chǔ)備，目前已建設(shè)完成中試產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)行成品試生產(chǎn)；硅寶科技2019年建成的50噸/年硅碳負(fù)極中試生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)品已通過(guò)數(shù)家電池廠商測(cè)評(píng)并實(shí)現(xiàn)小批量供貨；翔豐華表示，其開(kāi)發(fā)的硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品處于中試階段，已具備產(chǎn)業(yè)化條件。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）