為了解決電動車用戶的里程焦慮問題，勢必要提升電池能量密度，提升電池能量密度有多種途徑，例如優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高活性材料能量密度、降低非活性材料占比等。對于負(fù)極材料來說，目前商業(yè)化鋰電池廣泛使用的石墨負(fù)極的容量在360mAh/g左右，已經(jīng)非常接近其理論比容量（372mAh/g），因此很難在石墨負(fù)極上獲得突破，于是人們將目光轉(zhuǎn)向硅材料，鋰電池中，高溫下硅材料形成Li22Si5，對應(yīng)的比容量為4200mAh/g，室溫下則形成Li15Si4，對應(yīng)的比容量為3579mAh/g，且硅的脫鋰電位比較低，因此硅作為負(fù)極可以減少材料用量、提高電池能量密度，是動力電池負(fù)極材料接下來的重要發(fā)展方向。


硅碳負(fù)極

硅作為負(fù)極材料會產(chǎn)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(fù)極一般為硅碳復(fù)合體系，有單質(zhì)硅-碳負(fù)極和硅氧化物-碳負(fù)極兩種，相比之下，硅氧化物-碳負(fù)極較單質(zhì)硅-碳負(fù)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(fù)合體系中，碳可以改善材料的導(dǎo)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(jié)構(gòu)進行合理設(shè)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(shè)計成核-殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等，為體積膨脹預(yù)留容納或緩沖空間。


此外，硅碳負(fù)極還有一個問題引人關(guān)注，由于硅負(fù)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(yù)鋰化的方式來解決這一問題。例如，引入鋰箔、鋰粉、預(yù)鋰化添加劑等，通過物理、化學(xué)或電化學(xué)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(fù)極具有高容量，但是體積膨脹等問題導(dǎo)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。

行業(yè)發(fā)展處于初期階段

硅碳負(fù)極材料的制備工藝較為復(fù)雜，目前國內(nèi)硅碳負(fù)極材料發(fā)展整體仍處于初期階段。據(jù)估計，2020年中國硅碳負(fù)極材料出貨量為0.9萬噸，僅占負(fù)極材料出貨量的約2%。在負(fù)極材料廠家中，貝特瑞是走得最快的一家，2013年就開始向三星批量供貨，松下也是其顧客（松下為特斯拉電池供應(yīng)商），而目前杉杉股份、正拓能源和國軒高科等負(fù)極龍頭企業(yè)也在加速推進硅碳負(fù)極布局，但尚未實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

除了應(yīng)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(xué)體系中首次成功地應(yīng)用了硅負(fù)極材料。

主要應(yīng)用于高端車型

硅碳負(fù)極能有效提高電池能量密度，增加車輛續(xù)航里程，但價格高于石墨電極（石墨價格約3-7萬元/噸，而硅碳負(fù)極價格則為10-30萬元/噸不等），因此主要應(yīng)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(fù)極電池的車型也開始扎堆出現(xiàn)。

特斯拉——先行者

眾所周知，特斯拉一直使用圓柱型電池，圓柱形電池結(jié)構(gòu)件對硅碳負(fù)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(jīng)在石墨負(fù)極中摻雜硅材料，只是當(dāng)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。

廣汽埃安——海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)

在今年的廣汽科技日上，廣汽埃安公布了其自研的海綿硅負(fù)極電池技術(shù)，該技術(shù)包括“納米復(fù)合硅技術(shù)”“自修復(fù)粘結(jié)劑技術(shù)”“梯度復(fù)合涂布技術(shù)”等，讓電池內(nèi)部的硅負(fù)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(fù)極發(fā)揮大容量的優(yōu)勢，儲存更多的能量。通過該技術(shù)，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(shù)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(fù)極片電池技術(shù)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(nèi)投產(chǎn)。



蔚來——硅碳負(fù)極+半固態(tài)電解質(zhì)+高鎳正極

蔚來于1月份舉辦的NIO Day上宣布預(yù)期于2022年交付150kWh電池包，正極使用納米包覆超高鎳材料，負(fù)極使用預(yù)鋰化硅碳負(fù)極，同時使用半固態(tài)電解質(zhì)，單體能量密度可達350Wh/kg。蔚來ET7將搭載這款電池。

智己——續(xù)航超1000公里

1月份，智己發(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(shù)，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。

但是，據(jù)智己汽車透露，118kWh電池的高配版本計劃于2022年上市，這意味著智己汽車?yán)m(xù)航1000公里的產(chǎn)品最快要到2022年才能交付。

硅碳負(fù)極目前未得到廣泛應(yīng)用的原因除成本外，主要還是在于其體積膨脹、首效低等問題及補鋰技術(shù)的不成熟，雖然目前只有少數(shù)幾款車型搭載了硅碳負(fù)極電池，但這只是一個開始，相信隨著技術(shù)和工藝的升級，這一系列問題都會得到妥善解決，我們也將會在越來越多的車上看到硅碳材料的身影。