摘要

通過材料改性及電池體系優化，提升循環壽命及首次效率是硅基材料大規模商業化應用的關鍵。

頭部企業的技術破壁有望推動硅基負極在鋰電池領域的產業化應用。

目前，鋰電池負極商業化以人造/天然石墨為主，但已接近其理論比容量極限（372mAh/g）。

硅理論比容量高達4200mAh/g，是石墨類負極材料的10倍以上，也因此被行業認為是替代石墨的下一代鋰電池負極材料。

然而，由于硅材料在充放電過程中與鋰合金化反應，存在嚴重的體積效應（膨脹率可達300%），導致循環性能及庫倫效率惡化，需改性方能應用。

通過材料改性及電池體系優化，提升循環壽命及首次效率是硅基材料大規模商業化應用的關鍵。

圍繞于此，包括松下、日立Maxell、寧德時代、力神、國軒等一大批國內電池企業都在加大在該領域的研發和產業化投入。同時，特斯拉的進入也正在引發行業的“鯰魚效應”。

在國外，2017年，松下將硅基負極應用于特斯拉的Model3電池中，在傳統石墨負極材料中加入10%的硅，電池容量增加到550mAh/g以上，單體能量密度達300wh/kg以上。

在國內，承接國家科技部300wh/kg高能量密度重大科技專項的寧德時代、力神、國軒高科均已通過項目中期驗收。從寧德時代、力神、比克等廠商規劃來看，已經從2019年開始逐步實現小規模量產。

高工鋰電獲悉，硅基負極改性主要包括納米化、氧化亞硅及碳包覆等三種手段形成硅碳復合材料，以此減小體積效應對硅顆粒及SEI膜破壞。

從商業化的路徑來看，主要以摻混石墨類負極方式應用，主要產品包括硅碳（Si/C）負極材料及硅氧（SiO/C）負極材料兩種。

硅碳負極材料是將納米硅與基體材料通過造粒工藝形成前驅體，然后經表面處理、燒結、粉碎、篩分、除磁等工序制備而成。

目前商業化應用容量在450mAh/g以下，成本較低，雖然首效相對較高，但循環壽命較差，主要用于3C數碼領域。

硅氧負極材料是將純硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧負極材料前驅體，然后經粉碎、分級、表面處理、燒結、篩分、除磁等工序制備而成。

目前商業化應用容量主要在450-500mAh/g，成本較高，雖然首效相對較低，但循環性能相對較好，主要用于動力電池領域，特斯拉即使用硅氧負極摻混人造石墨方式應用。

在硅基負極的產業化上，寧德時代獲得了行業性的突破，其摒棄了傳統碳包覆技術，轉向研究人造電解質界面膜包覆技術。

寧德時代首席科學家吳凱此前介紹，其歷時2年多，將這一技術應用到硅材料制備，開發出具有自主知識產權的新型人造電解質界面膜包覆的硅碳復合負極材料，其循環性能表現顯著優于國外產品。

與碳材料相比，人造電解質界面膜與硅材料的結合作用力更強、彈性更好、不易破碎或粉化，對硅材料起到很好的保護作用，因此能夠在循環中大幅提高硅材料的界面穩定性，從而提升電池的循環壽命。

此外，在國內，包括璞泰來、星城石墨、斯諾、杉杉、正拓等也都在積極推進硅碳負極的產業化。

而在電池體系設計上，行業主要通過粘結劑、電解液、預補鋰等技術開發加強電極體系設計，從而加快其在市場中的應用。

在該領域，最被業內關注的則是特斯拉。

通過合作（與JeffDahn團隊）和并購（收購maxwell），特斯拉完成了從前沿基礎研究到大規模量產所需的工藝和設備的全面布局。新型電池技術預計除了正極、電解液方面的性能優化以外，業內一致認為，其采用干電極+預補鋰技術有望加速硅碳負極的商業化應用。

硅基負極的商業化應用主要問題在于：一是循環壽命短：主要因體積效應造成的硅基負極顆粒破碎、與極片脫離；二是首次庫倫效率低：主要因首次反應導致的鋰離子永久性損失。

對此，干電極技術采用的固體粘接劑PTFE，具備彈性，可有效解決硅基負極膨脹導致與極片脫離的問題，循環壽命將數倍提升。

同時，在濕電極技術下，由于NMP為極性溶劑，與金屬鋰會反應，預補鋰無法實現。

而采用干電極技術無需添加溶劑，預補鋰技術可以順利實施。添加的鋰可以彌補在初始充電時形成 SEI 膜所消耗的鋰，從而提升首次庫倫效率，可提升電池能量密度。

此外，由于在電池充放電過程中，SEI 膜會以微小的速度繼續增長，消耗鋰離子，因此負極補鋰亦可提升電池循環壽命。

根據特斯拉收購的Maxwell干電極技術方案，采用干電極技術電池能量密度有望提升到500Wh/kg，循環壽命將延長1倍，生產效率提升16倍，相比最先進的濕電極技術成本可下降10-20%。Maxwell干電極電池原計劃2022年量產，在被特斯拉收購后，這一時間點有望提前。

高工鋰電認為，國內外電池廠商硅基負極電池產業化穩步推進，疊加特斯拉電池新技術，硅基負極規模化應用有望加速，預計2022年硅基負極市場需求將超3萬噸，市場規模預計超35億。