中國粉體網(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儲存與釋放的作用，對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，長期以來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的廣泛認(rèn)可。然而,，隨著電動汽車,、儲能系統(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)極危機浮現(xiàn)
目前負(fù)極市場主流的石墨類負(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際比容量為360～365mAh/g,。石墨類負(fù)極的能量密度“走到了盡頭”，在過去10年,，為了提高其能量密度可以說是用盡手段：減薄基材,、增加壓實密度、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《中國制造2025》明確規(guī)定,，動力電池能量密度規(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負(fù)極,、高達(dá)4200mAh/g的克容量,，成為理想的動力電池升級的材料突破點。
技術(shù)迭代,，硅基負(fù)極浮出水面
電池新技術(shù)打開硅基負(fù)極應(yīng)用市場,。近年來，多家主流車企逐漸推出搭載摻硅負(fù)極電池的車型，硅基負(fù)極應(yīng)用逐漸拓展至動力電池領(lǐng)域,。2023年以來多孔硅碳技術(shù)路線的出現(xiàn)讓硅碳負(fù)極材料的性能實現(xiàn)了群體性突破,，有望開啟在動力電池領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用,。與此同時,，包括麒麟電池、大圓柱電池,、快充電池,、固態(tài)電池等動力電池新技術(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)在近年來陸續(xù)開啟應(yīng)用放量，也正在加速打開硅基負(fù)極的市場空間,。
硅基負(fù)極在動力電池領(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之地。自2023年下半年以來,，特斯拉,、蔚來,、智已,、廣汽埃安等品牌旗下車型紛紛搭載硅基負(fù)極動力電池，硅基負(fù)極高性能動力電池裝車持續(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。
迭代過程,，道阻且長
盡管被稱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，已經(jīng)解決了許多關(guān)鍵問題,，但是對于動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題,，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開發(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年開始研發(fā)硅碳納米硅的技術(shù)方案，2013年開始逐步出貨海外,。由于該技術(shù)由海外廠商提供,，基本上貝特瑞的硅碳營收來自日韓電動工具電池的應(yīng)用。后來,，國內(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研磨硅的研究,，沿襲貝特瑞研磨硅方案，并迅速搶占國內(nèi)電動工具電池硅負(fù)極市場,。
貝特瑞13年開始研發(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氧原子與硅結(jié)合為納米級別的化合物,，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)不到全電池對負(fù)極材料的要求,。從成本和性能綜合考慮下來,，無法對電池帶來較為明顯的優(yōu)勢。貝特瑞第二代硅氧通過預(yù)鎂方案提升至80%以上,，卻又不可避免地帶來了產(chǎn)品成本過高的問題,。
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)的專利尚未過期,，國內(nèi)廠商難以繞開專利取得產(chǎn)品相似的效果,，因此知名廠商不敢輕易售賣預(yù)鋰化硅氧。目前沒有一家企業(yè)預(yù)鋰化硅氧年出貨產(chǎn)值超過2000萬元,。
2021年之前硅碳迭代不小,，技術(shù)門檻較高,，受到市場較高的認(rèn)可，從微米級別粒徑過渡到百納米級別粒徑,，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，同時生產(chǎn)壁壘不高,，2023年下半年,，眾多廠商硅氧出貨，整個市場殺價較高,，售價已經(jīng)低于10w/t,，但其添加性能不明顯，車廠添加量極低,。預(yù)鋰化硅氧受限其不穩(wěn)定的性能,，一直難以在動力電池批量使用。
2022年底,，美國一家氣相沉積硅公司Group 14產(chǎn)品在國內(nèi)幾家頭部電芯廠測試結(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來說取得了大范圍的提升,，CVD氣相沉積硅碳技術(shù)開始受到廣泛關(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，仍未能實現(xiàn)大規(guī)模的百噸級量產(chǎn),。
小結(jié)
技術(shù)迭代需要時間,，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)步和市場的不斷擴大,，硅基負(fù)極材料有望在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和廣泛應(yīng)用,，為電動汽車、儲能系統(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,。
參考來源：
電池新技術(shù)硅基負(fù)極專題報告：新型負(fù)極材料迭代方向,，前景可期.報告研究所
硅基負(fù)極：新技術(shù)大變天 誰是中國的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)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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