【原】你的電池，“摻硅補鋰”了嗎？

這幾年，汽車行業(yè)“玩概念”非常厲害。比如，最近的“摻硅補鋰”。這個概念是智己汽車在1月13日的首場發(fā)布會上提出來的。按照智己汽車的說法，通過這個技術，能實現(xiàn)電池單體300Wh/kg能量密度，并且電動車能實現(xiàn)1000km的續(xù)航里程。

除此之外，1月8日，國軒高科首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產品，技術上，采用了關鍵的“高克容量硅負極材料和先進的預鋰化技術。”

1月9日，蔚來汽車發(fā)布了150kWh“固態(tài)電池”，據(jù)稱該產品采用了“無機預鋰化硅碳負極技術”，另外結合超高鎳正極，使得電池能量密度或可達到360Wh/kg。而且，這款電池

而智己發(fā)布之后，1月18日廣汽集團透露，搭載硅負極電池技術的車型已按計劃進入實車測試階段，產品計劃今年上市。一時間，關于電池熱鬧非凡。

其實，“摻硅補鋰”這個概念是把摻硅和補鋰這兩個技術合起來說的，負極摻硅是為了提升能量密度，補鋰則是為了提升首效和循環(huán)壽命。這兩個技術結合起來的期貨概念，實際上并不是像“固態(tài)電池”這樣的顛覆式革新，而是種像CTP一樣的優(yōu)化技術。那么，這個合體技術，有什么好處呢？以及，是如何達成這個技術的呢？

 何謂“摻硅”？難點在哪里？

我們知道，要提升電池能量密度，電池的正極和負極材料的比容量（指單位質量或體積的電池或活性物質所能放出的電量）都需要提升。正極材料目前一般采用高鎳，比如我們所說的NCM811電池，而負極采用石墨負極。

現(xiàn)在，硅基負極替代石墨負極的時刻即將來臨。而且，隨著特斯拉在量產的 Model 3上對硅碳負極的成功應用，這種示范作用，也使硅基負極迎來更為廣闊的市場。

之所以選擇硅做負極，是基于硅基負極材料的理論克容量是4200mAh/g，高于石墨負極10倍有余。這是硅基負極的優(yōu)勢所在。目前來看，有兩種硅基負極材料。

一種是硅碳負極，即納米硅和石墨摻混使用，理論克容量超過3000mAh/g，但實際剛超2000mAh/g；另一種是硅氧負極，氧化亞硅摻混石墨作為負極，大致克容量為1400-1800mAh/g。

應用方面，國內3C產品一般用到硅碳負極比較多。而動力電池方面，一般采用硅氧負極比較多。

實際上，研發(fā)硅材料以應用于鋰電池負極始自上世紀90年代，直至2013、2014年才分別實現(xiàn)硅碳負極、硅氧負極的產業(yè)化。而松下是2017年批量應用于動力電池，供應特斯拉。

此外，三星、LG化學的硅基負極，目前主要應用于消費電池領域。日本GS湯淺的硅基負極材料鋰電池，應用在三菱汽車上。兩家還組建了合資公司。整體而言，硅基負極的真正產業(yè)化歷程還很短。

但是，硅基材料最大的缺點，就是膨脹率高。硅負極充放電膨脹可達320%左右，而普通石墨僅為10%左右。電池在正常工作狀態(tài)下極高的膨脹和收縮彈性頻繁發(fā)生，電池的循環(huán)壽命將會縮減，微觀結構就會坍塌。也就是說，雖然克容量提升，但是循環(huán)壽命卻縮短了，有點得不償失。

此外，硅基負極不僅應用難度大，目前能夠量產的企業(yè)也不多。根據(jù)高工鋰電的調研，目前國內只有貝特瑞能夠大批量供貨，并進入松下的供應鏈，間接供應特斯拉，目前產能約3000噸。

另外，國內還有翔豐華、硅寶科技、杉杉股份、中科電氣等企業(yè)，已經建設了硅負極材料中試線，但多數(shù)仍處于前期技術驗證階段，尚未大批量生產。從這個情況來看，未來一段時間內，石墨負極材料仍然將是主流。

而從需求來說，根據(jù)高工產研鋰電研究所(GGII)統(tǒng)計分析，當前市場需求主要集中在容量為420mAh/g、450mAh/g的兩款硅基負極材料，更高克容量的硅基負極的應用市場還沒成熟。畢竟，硅基負極制備工藝復雜，無標準化工藝，技術壁壘高（難度主要在于硅材料納米化及與硅碳復合材料的制備工藝）。

此外，產量少，也就意味著單價高。根據(jù)國盛證券數(shù)據(jù)，最低端的硅基負極價格均在10萬元以上。不過，新技術的誕生及應用也意味著新市場的打開。這是鋰電池產業(yè)鏈企業(yè)的期望所在。

而從材料方面來講，按照業(yè)內人士的說法，采用納米硅以后，硅基負極電池能量密度可以提升5~10%。按照目前行業(yè)內每年鋰電池能量密度的提升平均在2%左右來算，這5%能量密度提升非常不容易了。

在“摻硅”方面，專利的競爭也在進行中。比如，華為近日公開了一份“硅碳復合材料及其制備方法和鋰離子電池”的發(fā)明專利。據(jù)稱，采用該專利提供的硅碳復合材料的電池循環(huán)500周容量保持率為80%。當然，還有更多的國內企業(yè)也在追趕中。

 如何補鋰？

說完摻硅，再說補鋰。一句話，補鋰就是預鋰化技術。

這是因為，采用硅負極后，首次庫倫效率低的問題就比較突出。就是由于硅的膨脹比較大，這讓硅表面的SEI膜（固體電解質界面膜）始終處于“破壞-重構”的動態(tài)過程中，最終導致SEI膜厚度持續(xù)增加，界面阻抗升高，活性物質消耗，致使容量衰減，首效降低。

而這種首次充電時的大量鋰損耗，是不可逆的。為了保障電池的容量，就需要把損失的鋰補回來，這種技術就是預鋰，目的是延長鋰電池的循環(huán)壽命。

那么，石墨負極和硅負極首次充放電的鋰損耗各是多少呢？通過研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的石墨材料有5~10%的首次不可逆鋰損耗，而對于高容量負極材料，首次鋰損耗甚至更高。而硅材料的不可逆鋰損耗達15~35%。所以，摻硅和補鋰同時進行就成為必然。

說到補鋰技術，則又分為正極補鋰和負極補鋰。不過，根據(jù)業(yè)內專家的說法，目前企業(yè)采用負極補鋰技術的較多。方法大致有通過電化學預鋰化、直接接觸短路法這樣簡單有效的方式。不過這對環(huán)境的要求高，如無氧、無水、干燥環(huán)境等，是大規(guī)模應用的難點所在。

此外，還有一種采用金屬鋰粉進行預鋰化的方法，也是目前商業(yè)化最有效、最直接的方法。不過，這種工藝對于生產環(huán)境的要求非常之高，需要研發(fā)密閉的混漿設備，而且要避免高速攪拌帶來電極材料、導電劑等燃燒的安全隱患。

可以這么說，預鋰化的產業(yè)化難度極大。難點在于，就像國軒高科工程研究總院常務副院長徐興無說的，“鋰金屬是最活潑的金屬之一，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)內對于預鋰技術多停留在實驗室階段。”

當然，由于預鋰化的好處是顯而易見的，目前包括寧德時代、國軒高科、萬向一二三、微宏動力、天津巴莫等企業(yè)也都在積極布局，尋求突破。

從申請專利上來看，目前寧德時代在這一領域的專利數(shù)量最多，智己汽車搭載的“摻硅補鋰”電池正是來自寧德時代。此外，還有國軒高科表示其自研的預鋰化技術，已經能夠真正進行大規(guī)模的生產應用，在這一技術上有了重大突破。這種你爭我奪的態(tài)勢，應該會成為一種常態(tài)。

 踏實才是正道

不過記者在此要說一句，一個新技術從提出到應用，是需要整個產業(yè)鏈的協(xié)同推進的，包括材料、設備、制造等多個環(huán)節(jié)的協(xié)同推進，甚至需要整個產業(yè)鏈的精進，一起協(xié)同去降低成本、不斷完善技術。

“摻硅補鋰”的作用有目共睹，不過，我們也要知道，通過預鋰化技術來解決氧化亞硅材料首效低的問題，是國外廠家率先采用的。國內的企業(yè)相比于日韓企業(yè)仍然有一定的差距，當然，這種差距正在不斷縮小，甚至在某些指標上國內企業(yè)做到了一定的優(yōu)勢。

而在硅碳負極方面的研發(fā)和應用方面，我們還面臨著較高的技術壁壘。國外，目前日立化成是全球最大的硅碳負極供應商，特斯拉使用的硅碳負極材料就由其供應。另外日本信越、吳宇化學、美國安普瑞斯等也可提供硅碳負極產品。國內的情況，前面也說了，只有內特瑞能量產。可以說，差距還是很明顯的。

但是，國內“摻硅補鋰”這個技術在頻繁在車企、電池企業(yè)甚至央視新聞報道中出現(xiàn)，說到底是宣傳的作用大于實際。別的不說，蔚來提“固態(tài)電池”這個概念，講法就很不嚴謹。這款電池只是利用“無機預鋰化硅碳負極技術”，離真正的固態(tài)電池還很遠。

而且，摻硅和補鋰，都是基于現(xiàn)有材料和技術的優(yōu)化，并不是達成材料的革命性變化。當然，無論三元還是磷酸鐵鋰，通過“摻硅補鋰”能提高部分能量密度，有實際應用的積極意義。在目前材料體系下能量密度已經接近瓶頸時，是比較可行的技術，值得稱贊。

然而，對于國內企業(yè)來說，“摻硅補鋰”還處在剛開始量產應用的階段。能不能達到廣泛應用的程度，各車企都還在探索，這跟前年熱炒的CTP是一個道理，真正應用是有個過程，我們需要戒驕戒躁，沉下心來做事。最要不得的，就是只是想吸引資本注意。

｜王小西｜

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