近日，由斯坦福大學華人教授崔屹創(chuàng)立的美國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)稱這是世界上第一個實現(xiàn)了100%硅納米線負極的鋰離子電池（直接替代了常見的石墨負極材料），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。
負極作為鋰離子電池的重要組成部分，高容量的負極材料可以有效提升全電池能量密度。負極在電池里主要充當怎樣的角色呢？鋰電池要實現(xiàn)充放電，實際上是電子的嵌入和脫出的過程，負極材料負責在充電過程中起儲鋰作用，其脫嵌鋰電壓和比容量對電池能量密度影響較大。優(yōu)異的負極材料需同時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極都是采用石墨材料，因為石墨微觀下具有層狀結構，性能穩(wěn)定，而且實際比容量密度可以與理論比容量相接近。但經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，目前最常用的石墨材料實際比容量已經(jīng)可以達到360~365mAh/g，十分接近理論比容量（372mAh/g），因而繼續(xù)改善石墨負極性能對鋰離子電池性能提升十分有限。問題是在石墨負極中，存儲一個鋰離子需要６個碳原子，而每個硅原子卻可與４個鋰離子結合，可以看出，相同體積的硅負極材料儲存的電荷量是石墨負極的10倍，換言之，硅負極能讓電池的能量密度直接提高一個數(shù)量級。
相較于石墨材料，硅負極材料最大的優(yōu)點是其理論容量高達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；硅負極材料與電解液反應活性低，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，進而減少容量的損耗。以此為基礎，硅負極電池包容量可以一舉突破100kW·h，甚至在更遠的將來也有希望實現(xiàn)1000kW·h。
同時，硅材料來源廣、儲量豐富、本身無毒及對環(huán)境友好，并且在太陽能領域和半導體產(chǎn)業(yè)已得到廣泛應用，相關開發(fā)技術較為成熟，這將很大程度降低其生產(chǎn)成本。因此，硅負極是行業(yè)內(nèi)公認的下一代高比能鋰離子電池負極材料的首選。
過去幾年受制于產(chǎn)品售價較高及配套產(chǎn)業(yè)鏈不成熟等原因，硅碳負極產(chǎn)業(yè)化進展不及預期。隨著硅碳負極在消費及動力電池電池中滲透率的提升，硅碳負極需求量有望持續(xù)增長。據(jù)業(yè)內(nèi)預計，2025年全球硅碳負極需求量有望達到20萬噸，較2020年約萬噸的需求將有明顯提升?？紤]到消費用硅碳負極技術較成熟，預計至2025年滲透率有望達到50%，對應約7萬噸硅碳負極需求；而對于動力用硅碳負極，受益于產(chǎn)業(yè)鏈配套的逐步完善，預計至2025年硅碳負極在圓柱動力電池、方形動力電池中滲透率有望達到35%、20%，對應約13萬噸硅碳負極需求。
自2021年以來，特斯拉、比亞迪等企業(yè)相繼開始量產(chǎn)使用硅碳負極的動力電池產(chǎn)品，部分負極企業(yè)也開始投資建設硅碳負極產(chǎn)線，2022年有望成為硅碳負極產(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100萬塊使用硅基負極的4680電池，同時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型中推廣，預計2023~2025年特斯拉4680電池需求有望達到58GW·h、99GW·h、128GW·h。
據(jù)了解，蔚來預計于今年交付的150kW·h電池包，負極采用了“無機預鋰化硅碳負極技術”，單體能量密度可達350Wh/kg；廣汽集團搭載海綿硅負極電池技術的AIONLX最高可實現(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；小米在電池的負極添加了納米級的硅氧化合物，使得其11ultra電池容量高達5000mAh。
寧德時代采用“摻硅補鋰”的方式，以提升負極硅的含量，據(jù)稱其最大續(xù)航里程超1000km，并做到20萬km零衰減；國軒高科稱通過“高克容量硅負極材料和先進的預鋰化技術”，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”的相關負責人透露，“比亞迪在使用硅基材料作為固態(tài)電池的負極時，能量密度預計能達到400Wh/kg”?？梢?，比亞迪也在研發(fā)硅負極電池，但是是用于固態(tài)電池，只不過固態(tài)電池離量產(chǎn)還有很長一段時間。
此外，在碳硅負極上已先行布局的上游材料企業(yè)中，貝特瑞硅基負極生產(chǎn)線已投產(chǎn)，并已實現(xiàn)了硅碳負極的量產(chǎn)，2020其現(xiàn)有硅碳規(guī)劃產(chǎn)能為3000噸/年；中科電氣對硅基負極材料已進行多年的持續(xù)研發(fā)投入，對硅碳和硅氧等硅基負極材料技術皆有研究和儲備，目前已建設完成中試產(chǎn)線，進行成品試生產(chǎn)；硅寶科技2019年建成的50噸/年硅碳負極中試生產(chǎn)線，產(chǎn)品已通過數(shù)家電池廠商測評并實現(xiàn)小批量供貨；翔豐華表示，其開發(fā)的硅碳負極材料產(chǎn)品處于中試階段，已具備產(chǎn)業(yè)化條件。
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