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眾所周知，電動汽車的里程續(xù)航問題一直是消費者迫切關注的痛點，這跟鋰電池的能量密度息息相關，眾電池廠商、車企無不使勁渾身解數(shù)，想要進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)化電池結構、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極的容量在360mAh/g左右，已經非常接近其理論比容量（372mAh/g），因此很難在石墨負極上獲得突破，于是人們將目光轉向硅材料，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，因此硅作為負極可以減少材料用量、提高電池能量密度，是動力電池負極材料接下來的重要發(fā)展方向。

碳材料與硅材料性能對比

硅基負極技術發(fā)展現(xiàn)狀

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

硅碳復合體系中，碳可以改善材料的導電性，緩沖硅的體積變化，避免硅顆粒的團聚等，對硅碳材料的結構進行合理設計可以更好地抑制材料的體積變化，例如可以將硅碳材料設計成核-殼結構、多孔結構等，為體積膨脹預留容納或緩沖空間。

常見的核-殼結構

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

綜上，硅碳負極具有高容量，但是體積膨脹等問題導致其壽命略低，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，并通過補鋰手段提高首效，最大化提高電池能量密度。

硅基負極的產業(yè)化現(xiàn)狀

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

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

國內負極材料巨頭的硅碳負極產業(yè)化現(xiàn)狀

硅基負極的應用現(xiàn)狀

除了應用在三元電池中，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體系中首次成功地應用了硅負極材料。

而目前硅碳負極由于價格太高，主要應用于高端車型。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極

特斯拉一直使用的圓柱型電池結構對硅碳負極體積膨脹的抑制效果較好，從幾年前的Model S和Model X開始，特斯拉就已經在石墨負極中摻雜硅材料，只是當時硅的成分極少。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明確計劃未來將采用硅負極，計劃采用冶金硅作為原料，通過離子導電高分子進行涂覆、以及特殊膠粘劑混合的形式，改善硅負極的性能。

特斯拉的幾代圓柱電池

（2）廣汽埃安——海綿硅負極片電池技術

廣汽埃安今年公布了其自研的海綿硅負極電池技術，該技術包括“納米復合硅技術”“自修復粘結劑技術”“梯度復合涂布技術”等，讓電池內部的硅負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，不會碎裂。同時，也像海綿吸水一樣，讓硅負極發(fā)揮大容量的優(yōu)勢，儲存更多的能量。

通過該技術，可以實現(xiàn)鋰離子電池單體電芯體積減小20%，重量減輕14%；未來會進一步將體積和重量都減小和減輕一半以上。該技術還對延長電池使用壽命、提高鋰離子電池可靠性有明顯的作用。搭載海綿硅負極片電池技術的廣汽埃安AION LX可實現(xiàn)續(xù)航里程超過1000km，有望在今年年內投產。

相關閱讀：廣汽埃安新車續(xù)航突破1000公里，制勝法寶是硅基負極

廣汽埃安AION LX采用三元搭配海綿硅負極

（3）蔚來——硅碳負極+半固態(tài)電解質+高鎳正極

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

蔚來150kWh電池包

（4）智已汽車——“摻硅補鋰”技術

1月份，上汽集團及浦東新區(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，采用了與寧德時代合作的“摻硅補鋰”技術，可以實現(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，該高配版本計劃于2022年上市。

智已汽車聯(lián)手寧德時代

總結

目前商業(yè)化的硅基負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。當前各家電池廠及車廠在下一代電池設計中都已經在大規(guī)模使用硅，硅基負極材料產品也必將呈現(xiàn)高增長的趨勢，鋰電行業(yè)正逐漸迎來硅基負極全面爆發(fā)的時代。

參考來源：

1. 硅負極應用現(xiàn)狀，NE時代；

2. 網絡上各類產業(yè)布局及產品發(fā)布新聞；

粉體圈 小吉

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