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硅負極材料市場機會初現,國軒高科、寧德時代等產業鏈企業摩拳擦掌

2021/1/28 9:59:50??????點擊:
新年伊始,在提升動力電池能量密度的道路上,企業們就已經紛紛“亮劍”。

1月8日,國軒高科首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產品。國軒高科表示,將磷酸鐵鋰能量密度拔高到210Wh/kg,離不開關鍵的“高克容量硅負極材料和先進的預鋰化技術。”

1月9日,蔚來汽車發布了150kWh固態電池產品。據悉,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。

1月13日,智己汽車發布了首款新車。智己汽車表示,新車搭載了公司與寧德時代共同開發的最前沿電池技術,首次采用了“摻硅補鋰技術”,實現電池單體300Wh/kg能量密度。

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。

據了解,智己汽車的摻硅補鋰技術和蔚來汽車介紹的無機預鋰化硅碳負極技術并無實質的區別,兩者都是采用“硅負極材料+預鋰化”技術。

2021年剛開始,國軒高科、寧德時代、蔚來汽車、智己汽車、廣汽集團等不約而同地都對硅負極材料、預鋰化技術下手,或表明“硅碳負極、預鋰化”將正式進入2021年的電池技術較量之列,并有望在今年開啟產業規模化推廣應用。



為何是硅負極材料?


從目前情況來看,動力電池的能量密度還未完全解決電動汽車續航的焦慮,同時隨著未來電動汽車智能化功能的滲透,車輛用電仍然較大。

從電池本身來看,提升電池能量密度無外乎從正極、負極、電解液、隔膜等幾種材料上下功夫。

正極材料已經從磷酸鐵鋰迭代到NCM333,再到NCM523、622、811。如果按照“木桶原理”的短板效應來看,現階段負極似乎成了提升能量密度的“短板”。目前動力電池負極材料普遍采用石墨材料,但是當前石墨負極材料克容量已經做到360mAh/g,接近372mAh/g的理論克容量,想再提升已經很難,開發新型的鋰電負極材料及技術迫在眉睫。

目前業界的普遍共識是,硅負極材料是石墨負極材料的鋰想替代產品。數據顯示,硅材料的理論克容量高達4200mAh/g,遠高于石墨材料的372mAh/g,是目前已知能用于負極的材料中理論克容量最高的材料。

此外,其低嵌鋰電位、低原子質量、高能量密度,并且硅材料環境友好、儲量豐富、成本較低等也給其加分不少。

這么好的材料一直沒有應用到電池材料中,自然也有其“短板”。

硅負極材料最突出的缺點就是在電化學反應中體積膨脹率高達320%,遠高于現有的石墨材料10%左右的膨脹率。極高的膨脹和收縮彈性頻繁發生,會使材料結構的崩塌幾率顯著加大,一旦這種情況發生就會縮短電池的循環壽命,從而難以滿足電動汽車的使用需求。

從目前技術角度來看,純硅負極材料的使用技術瓶頸還沒有突破,因而科研人員目前都是嘗試“摻硅”,通過摻入一定比例的硅負極材料,達到能量密度提升與壽命不衰減的某種平衡。


硅負極材料更需“補鋰”


硅負極的第二個“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程中,有機電解液會在負極表面還原分解,形成固體電解質相界面(SEI)膜,不可逆地消耗大量來自正極的鋰離子,造成首次循環的庫侖效率(ICE)偏低,降低了鋰離子電池的容量和能量密度。研究發現,現有的石墨材料有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15%~35%。

“預鋰化”正是通過對負極或正極材料提前進行“補鋰”,以抵消形成SEI膜所造成的不可逆鋰損耗,進而保證電池的總容量和能量密度。

不過,“補鋰”并不容易。“預鋰化技術開發了很多年,難度非常大,”國軒高科工程研究總院常務副院長徐興無向電池中國解釋稱,“因為鋰金屬是最活潑的金屬之一,空氣中的微量水分,都可能引發鋰金屬的燃燒甚至爆炸,所以,業內對于預鋰技術多停留在實驗室階段。”

可以看出,無論是摻硅,還是補鋰,技術難度都不小,這也是目前硅負極材料一直較少應用到電池中的主要原因。

不過,今年年初,國軒高科、蔚來汽車、智己汽車不約而同地發布基于硅負極材料的電池或車型,或表明目前業界或部分企業已經在硅負極/預鋰化技術方面有所突破,即將跨越規模化應用的關鍵門檻。

值得注意的是,即便是上述幾家企業,各自基于硅負極材料(摻硅)和預鋰化產品的電池產品上市或裝車仍需要“等一等”。

國軒高科透露,基于硅負極和預鋰化技術的210Wh/kg磷酸鐵鋰電池預計會很快投產;蔚來汽車表示,“無機預鋰化硅碳負極技術”半固態電池將于2022年四季度開始裝車;智己汽車表示,搭載“摻硅補鋰”電池的車輛有望在今年年底上市。在小編看來,“摻硅補鋰”電池仍然是“期貨”,需要等待一段時間,今年可能只會有部分產品上市,預計明年會規模化上市應用。


市場機會初現 產業鏈企業已摩拳擦掌


新技術的誕生及應用往往意味著新市場的打開。

在硅負極材料方面,近些年已經有不少負極材料企業在進行技術儲備和產能試驗布局。

據悉,目前國內只有貝特瑞具備批量生產硅負極材料的能力。調研數據顯示,目前貝特瑞硅負極材料年產能約為3000噸,產品主要供給寧德時代和松下電池。

另外,翔豐華、硅寶科技、杉杉股份、中科電氣也已經建設了硅負極材料中試線,但多數仍處于前期技術驗證階段,尚未大批量生產。

事實上,產能有限,技術仍然待完善也表明硅負極材料在成本上仍然較為昂貴,對于多數電池來說并不可取。未來一段時間內,技術較為成熟的石墨負極材料仍然將是主流。

此外,從預鋰化技術上來看,包括寧德時代、國軒高科、萬向一二三、微宏動力、天津巴莫等眾多產業鏈企業也在積極布局。從申請專利上來看,目前寧德時代在這一領域的專利數量最多,智己汽車搭載的“摻硅補鋰”電池正是來自寧德時代。但國軒高科表示,其自研的預鋰化技術,使得預鋰化技術能夠真正進行大規模的生產應用,表明其在這一技術上也已經有重大突破。

一個新技術從提出到應用,還需要整個產業鏈的協同推進,預計摻硅補鋰技術的規模化落地應用也將帶動材料、設備、制造等多個環節的協同推進,也給整個產業鏈帶來機會,同時更需要產業鏈協同去降低成本、不斷完善技術。
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