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新年伊始，在提升動(dòng)力鋰離子電池能量密度的道路上，公司們就已經(jīng)紛紛“亮劍”。

一月八日，國(guó)軒高科(SZ:002074)首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰離子電池產(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(kāi)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)?！?/p>

一月九日，蔚來(lái)汽車(chē)(NYSE:NIO)公布了150kWh固態(tài)電池產(chǎn)品。據(jù)悉，該產(chǎn)品采用了“無(wú)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。

一月十三日，智己汽車(chē)公布了首款新車(chē)。智己汽車(chē)表示，新車(chē)搭載了公司與寧德時(shí)代共同開(kāi)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。

一月十八日，廣汽集團(tuán)(SH:601238)透露，搭載硅負(fù)極電池技術(shù)的車(chē)型已按計(jì)劃進(jìn)入實(shí)車(chē)測(cè)試階段，產(chǎn)品計(jì)劃今年上市。

據(jù)了解，智己汽車(chē)的摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)和蔚來(lái)汽車(chē)介紹的無(wú)機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)并無(wú)實(shí)質(zhì)的差別，兩者都是采用“硅負(fù)極材料+預(yù)鋰化”技術(shù)。

2021年剛開(kāi)始，國(guó)軒高科、寧德時(shí)代、蔚來(lái)汽車(chē)、智己汽車(chē)、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(kāi)啟產(chǎn)業(yè)規(guī)模化推廣應(yīng)用。

01、為何是硅負(fù)極材料？

從目前情況來(lái)看，動(dòng)力鋰離子電池的能量密度還未完全解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航的焦慮，同時(shí)隨著未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)智能化功能的滲透，車(chē)輛用電仍然較大。

從電池本身來(lái)看，提升電池能量密度無(wú)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。假如按照“木桶原理”的短板效應(yīng)來(lái)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)力鋰離子電池負(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(kāi)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(méi)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(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的使用需求。

從目前技術(shù)角度來(lái)看，純硅負(fù)極材料的使用技術(shù)瓶頸還沒(méi)有突破，因而科研人員目前都是嘗試“摻硅”，通過(guò)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。

02、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(guò)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(lái)自正極的鋰離子，造成首次循環(huán)的庫(kù)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(guò)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(guò)，“補(bǔ)鋰”并不容易?！邦A(yù)鋰化技術(shù)開(kāi)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(wú)向電池我國(guó)解釋稱(chēng)，“因?yàn)殇嚱饘偈亲罨顫姷慕饘僦?，空氣中的微量水分，都可能引發(fā)鋰金屬的燃燒甚至爆炸，所以，業(yè)內(nèi)有關(guān)預(yù)鋰技術(shù)多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。”

可以看出，無(wú)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)用到電池中的重要原因。

不過(guò)，今年年初，國(guó)軒高科、蔚來(lái)汽車(chē)、智己汽車(chē)不約而同地公布基于硅負(fù)極材料的電池或車(chē)型，或表明目前業(yè)界或部分公司已經(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)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵門(mén)檻。

值得注意的是，即便是上述幾家公司，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(chē)仍要“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磷酸鐵鋰離子電池預(yù)計(jì)會(huì)很快投產(chǎn)；蔚來(lái)汽車(chē)表示，“無(wú)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(kāi)始裝車(chē)；智己汽車(chē)表示，搭載“摻硅補(bǔ)鋰”電池的車(chē)輛有望在今年年底上市。在小編看來(lái)，“摻硅補(bǔ)鋰”電池仍然是“期貨”，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)?；鲜袘?yīng)用。

03、市場(chǎng)機(jī)會(huì)初現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈公司已摩拳擦掌

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

在硅負(fù)極材料方面，近些年已經(jīng)有不少負(fù)極材料公司在進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)量試驗(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)量約為3000噸，產(chǎn)品重要供給寧德時(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(xiàn)，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)量有限，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，有關(guān)多數(shù)電池來(lái)說(shuō)并不可取。未來(lái)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(lái)看，包括寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、萬(wàn)向一二三、微宏動(dòng)力、天津巴莫等眾多產(chǎn)業(yè)鏈公司也在積極布局。從申請(qǐng)專(zhuān)利上來(lái)看，目前寧德時(shí)代在這一領(lǐng)域的專(zhuān)利數(shù)量最多，智己汽車(chē)搭載的“摻硅補(bǔ)鋰”電池正是來(lái)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(lái)機(jī)會(huì)，同時(shí)更要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同去降低成本、不斷完善技術(shù)。