中国粉体网讯 近日，由斯坦福大学华人教授崔屹创立的美国Amprius公司宣布，将出货第一批商业化的450Wh/kg锂离子电池单元，据称这是世界上第一个实现了100%硅纳米线负极的锂离子电池（直接替代了常见的石墨负极材料），也是目前“世界最高密度”的商业化电池单元，将被用在新一代高空伪卫星（HAPS）上。
负极作为锂离子电池的重要组成部分，高容量的负极材料可以有效提升全电池能量密度。负极在电池里主要充当怎样的角色呢？锂电池要实现充放电，实际上是电子的嵌入和脱出的过程，负极材料负责在充电过程中起储锂作用，其脱嵌锂电压和比容量对电池能量密度影响较大。优异的负极材料需同时具备低的脱嵌锂电压、高的比容量以及良好的倍率特征和循环性能。
目前，市面上主流锂电池的负极都是采用石墨材料，因为石墨微观下具有层状结构，性能稳定，而且实际比容量密度可以与理论比容量相接近。但经过数十年发展，目前最常用的石墨材料实际比容量已经可以达到360~365mAh/g，十分接近理论比容量（372mAh/g），因而继续改善石墨负极性能对锂离子电池性能提升十分有限。问题是在石墨负极中，存储一个锂离子需要６个碳原子，而每个硅原子却可与４个锂离子结合，可以看出，相同体积的硅负极材料储存的电荷量是石墨负极的10倍，换言之，硅负极能让电池的能量密度直接提高一个数量级。
相较于石墨材料，硅负极材料最大的优点是其理论容量高达4200mAh/g，是传统石墨材料的10倍以上，而且具有较低的充放电平台；硅负极材料与电解液反应活性低，不容易促使电池内部的固体电解质界面膜持续地生成，相比而言可有效减少电解液的消耗，进而减少容量的损耗。以此为基础，硅负极电池包容量可以一举突破100kW·h，甚至在更远的将来也有希望实现1000kW·h。
同时，硅材料来源广、储量丰富、本身无毒及对环境友好，并且在太阳能领域和半导体产业已得到广泛应用，相关开发技术较为成熟，这将很大程度降低其生产成本。因此，硅负极是行业内公认的下一代高比能锂离子电池负极材料的首选。
过去几年受制于产品售价较高及配套产业链不成熟等原因，硅碳负极产业化进展不及预期。随着硅碳负极在消费及动力电池电池中渗透率的提升，硅碳负极需求量有望持续增长。据业内预计，2025年全球硅碳负极需求量有望达到20万吨，较2020年约万吨的需求将有明显提升。考虑到消费用硅碳负极技术较成熟，预计至2025年渗透率有望达到50%，对应约7万吨硅碳负极需求；而对于动力用硅碳负极，受益于产业链配套的逐步完善，预计至2025年硅碳负极在圆柱动力电池、方形动力电池中渗透率有望达到35%、20%，对应约13万吨硅碳负极需求。
自2021年以来，特斯拉、比亚迪等企业相继开始量产使用硅碳负极的动力电池产品，部分负极企业也开始投资建设硅碳负极产线，2022年有望成为硅碳负极产业化元年。2022年2月19日，特斯拉宣布1月份已生产出第100万块使用硅基负极的4680电池，同时本季度德州工厂将交付首批搭载4680电池的ModelY。随着4680电池良品率的提升，产品将在特斯拉更多车型中推广，预计2023~2025年特斯拉4680电池需求有望达到58GW·h、99GW·h、128GW·h。
据了解，蔚来预计于今年交付的150kW·h电池包，负极采用了“无机预锂化硅碳负极技术”，单体能量密度可达350Wh/kg；广汽集团搭载海绵硅负极电池技术的AIONLX最高可实现1000km的综合续航能力，其电池组总质量只有690kg、电池组总能量为144.4kW·h；小米在电池的负极添加了纳米级的硅氧化合物，使得其11ultra电池容量高达5000mAh。
宁德时代采用“掺硅补锂”的方式，以提升负极硅的含量，据称其最大续航里程超1000km，并做到20万km零衰减；国轩高科称通过“高克容量硅负极材料和先进的预锂化技术”，也能将磷酸铁锂电池能量密度拔高到210Wh/kg。据比亚迪旗下电池公司“弗迪电池”的相关负责人透露，“比亚迪在使用硅基材料作为固态电池的负极时，能量密度预计能达到400Wh/kg”。可见，比亚迪也在研发硅负极电池，但是是用于固态电池，只不过固态电池离量产还有很长一段时间。
此外，在碳硅负极上已先行布局的上游材料企业中，贝特瑞硅基负极生产线已投产，并已实现了硅碳负极的量产，2020其现有硅碳规划产能为3000吨/年；中科电气对硅基负极材料已进行多年的持续研发投入，对硅碳和硅氧等硅基负极材料技术皆有研究和储备，目前已建设完成中试产线，进行成品试生产；硅宝科技2019年建成的50吨/年硅碳负极中试生产线，产品已通过数家电池厂商测评并实现小批量供货；翔丰华表示，其开发的硅碳负极材料产品处于中试阶段，已具备产业化条件。
（中国粉体网编辑整理/文正）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
