新年伊始，在提升動(dòng)力電池能量密度的道路上，企業(yè)們就已經(jīng)紛紛“亮劍”。

1月8日，國(guó)軒高科首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品。國(guó)軒高科表示，將磷酸鐵鋰能量密度拔高到210Wh/kg，離不開關(guān)鍵的“高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)。”

1月9日，蔚來汽車發(fā)布了150kWh固態(tài)電池產(chǎn)品。據(jù)悉，該產(chǎn)品采用了“無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)”，另外結(jié)合超高鎳正極，使得電池能量密度或可達(dá)到360Wh/kg。

1月13日，智己汽車發(fā)布了首款新車。智己汽車表示，新車搭載了公司與寧德時(shí)代共同開發(fā)的最前沿電池技術(shù)，首次采用了“摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)電池單體300Wh/kg能量密度。

1月18日，廣汽集團(tuán)透露，搭載硅負(fù)極電池技術(shù)的車型已按計(jì)劃進(jìn)入實(shí)車測(cè)試階段，產(chǎn)品計(jì)劃今年上市。

據(jù)了解，智己汽車的摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)和蔚來汽車介紹的無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)并無實(shí)質(zhì)的區(qū)別，兩者都是采用“硅負(fù)極材料+預(yù)鋰化”技術(shù)。

2021年剛開始，國(guó)軒高科、寧德時(shí)代、蔚來汽車、智己汽車、廣汽集團(tuán)等不約而同地都對(duì)硅負(fù)極材料、預(yù)鋰化技術(shù)下手，或表明“硅碳負(fù)極、預(yù)鋰化”將正式進(jìn)入2021年的電池技術(shù)較量之列，并有望在今年開啟產(chǎn)業(yè)規(guī)模化推廣應(yīng)用。

為何是硅負(fù)極材料？

從目前情況來看，動(dòng)力電池的能量密度還未完全解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的焦慮，同時(shí)隨著未來電動(dòng)汽車智能化功能的滲透，車輛用電仍然較大。

從電池本身來看，提升電池能量密度無外乎從正極、負(fù)極、電解液、隔膜等幾種材料上下功夫。

正極材料已經(jīng)從磷酸鐵鋰迭代到NCM333，再到NCM523、622、811。如果按照“木桶原理”的短板效應(yīng)來看，現(xiàn)階段負(fù)極似乎成了提升能量密度的“短板”。目前動(dòng)力電池負(fù)極材料普遍采用石墨材料，但是當(dāng)前石墨負(fù)極材料克容量已經(jīng)做到360mAh/g，接近372mAh/g的理論克容量，想再提升已經(jīng)很難，開發(fā)新型的鋰電負(fù)極材料及技術(shù)迫在眉睫。

目前業(yè)界的普遍共識(shí)是，硅負(fù)極材料是石墨負(fù)極材料的鋰想替代產(chǎn)品。數(shù)據(jù)顯示，硅材料的理論克容量高達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨材料的372mAh/g，是目前已知能用于負(fù)極的材料中理論克容量最高的材料。

此外，其低嵌鋰電位、低原子質(zhì)量、高能量密度，并且硅材料環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富、成本較低等也給其加分不少。

這么好的材料一直沒有應(yīng)用到電池材料中，自然也有其“短板”。

硅負(fù)極材料最突出的缺點(diǎn)就是在電化學(xué)反應(yīng)中體積膨脹率高達(dá)320%，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的石墨材料10%左右的膨脹率。極高的膨脹和收縮彈性頻繁發(fā)生，會(huì)使材料結(jié)構(gòu)的崩塌幾率顯著加大，一旦這種情況發(fā)生就會(huì)縮短電池的循環(huán)壽命，從而難以滿足電動(dòng)汽車的使用需求。

從目前技術(shù)角度來看，純硅負(fù)極材料的使用技術(shù)瓶頸還沒有突破，因而科研人員目前都是嘗試“摻硅”，通過摻入一定比例的硅負(fù)極材料，達(dá)到能量密度提升與壽命不衰減的某種平衡。

硅負(fù)極材料更需“補(bǔ)鋰”

硅負(fù)極的第二個(gè)“短板”是首充效率低（65%-85%）。研究顯示，在鋰離子電池首次充電過程中，有機(jī)電解液會(huì)在負(fù)極表面還原分解，形成固體電解質(zhì)相界面（SEI）膜，不可逆地消耗大量來自正極的鋰離子，造成首次循環(huán)的庫侖效率（ICE）偏低，降低了鋰離子電池的容量和能量密度。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆鋰損耗，而硅材料的表面積高于石墨，首次鋰不可逆損耗達(dá)15%～35%。

“預(yù)鋰化”正是通過對(duì)負(fù)極或正極材料提前進(jìn)行“補(bǔ)鋰”，以抵消形成SEI膜所造成的不可逆鋰損耗，進(jìn)而保證電池的總?cè)萘亢湍芰棵芏取?/p>

不過，“補(bǔ)鋰”并不容易。“預(yù)鋰化技術(shù)開發(fā)了很多年，難度非常大，”國(guó)軒高科工程研究總院常務(wù)副院長(zhǎng)徐興無向電池中國(guó)解釋稱，“因?yàn)殇嚱饘偈亲罨顫姷慕饘僦唬諝庵械奈⒘克郑伎赡芤l(fā)鋰金屬的燃燒甚至爆炸，所以，業(yè)內(nèi)對(duì)于預(yù)鋰技術(shù)多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。”

可以看出，無論是摻硅，還是補(bǔ)鋰，技術(shù)難度都不小，這也是目前硅負(fù)極材料一直較少應(yīng)用到電池中的主要原因。

不過，今年年初，國(guó)軒高科、蔚來汽車、智己汽車不約而同地發(fā)布基于硅負(fù)極材料的電池或車型，或表明目前業(yè)界或部分企業(yè)已經(jīng)在硅負(fù)極/預(yù)鋰化技術(shù)方面有所突破，即將跨越規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵門檻。

值得注意的是，即便是上述幾家企業(yè)，各自基于硅負(fù)極材料（摻硅）和預(yù)鋰化產(chǎn)品的電池產(chǎn)品上市或裝車仍需要“等一等”。

國(guó)軒高科透露，基于硅負(fù)極和預(yù)鋰化技術(shù)的210Wh/kg磷酸鐵鋰電池預(yù)計(jì)會(huì)很快投產(chǎn)；蔚來汽車表示，“無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)”半固態(tài)電池將于2022年四季度開始裝車；智己汽車表示，搭載“摻硅補(bǔ)鋰”電池的車輛有望在今年年底上市。在小編看來，“摻硅補(bǔ)鋰”電池仍然是“期貨”，需要等待一段時(shí)間，今年可能只會(huì)有部分產(chǎn)品上市，預(yù)計(jì)明年會(huì)規(guī)模化上市應(yīng)用。

市場(chǎng)機(jī)會(huì)初現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已摩拳擦掌

新技術(shù)的誕生及應(yīng)用往往意味著新市場(chǎng)的打開。

在硅負(fù)極材料方面，近些年已經(jīng)有不少負(fù)極材料企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)能試驗(yàn)布局。

據(jù)悉，目前國(guó)內(nèi)只有貝特瑞具備批量生產(chǎn)硅負(fù)極材料的能力。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，目前貝特瑞硅負(fù)極材料年產(chǎn)能約為3000噸，產(chǎn)品主要供給寧德時(shí)代和松下電池。

另外，翔豐華、硅寶科技、杉杉股份、中科電氣也已經(jīng)建設(shè)了硅負(fù)極材料中試線，但多數(shù)仍處于前期技術(shù)驗(yàn)證階段，尚未大批量生產(chǎn)。

事實(shí)上，產(chǎn)能有限，技術(shù)仍然待完善也表明硅負(fù)極材料在成本上仍然較為昂貴，對(duì)于多數(shù)電池來說并不可取。未來一段時(shí)間內(nèi)，技術(shù)較為成熟的石墨負(fù)極材料仍然將是主流。

此外，從預(yù)鋰化技術(shù)上來看，包括寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、萬向一二三、微宏動(dòng)力、天津巴莫等眾多產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)也在積極布局。從申請(qǐng)專利上來看，目前寧德時(shí)代在這一領(lǐng)域的專利數(shù)量最多，智己汽車搭載的“摻硅補(bǔ)鋰”電池正是來自寧德時(shí)代。但國(guó)軒高科表示，其自研的預(yù)鋰化技術(shù)，使得預(yù)鋰化技術(shù)能夠真正進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，表明其在這一技術(shù)上也已經(jīng)有重大突破。

一個(gè)新技術(shù)從提出到應(yīng)用，還需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)，預(yù)計(jì)摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)的規(guī)模化落地應(yīng)用也將帶動(dòng)材料、設(shè)備、制造等多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同推進(jìn)，也給整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來機(jī)會(huì)，同時(shí)更需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同去降低成本、不斷完善技術(shù)。