從碳基到硅基的迭代，負極材料經歷了什么？

鋰電池主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜四大關鍵材料組成。其中負極材料作為鋰電池最重要的關鍵原材料之一，占鋰電池總成本的10%-15%，其在鋰電池中起到能量儲存與釋放的作用，對于鋰電池的首次效率、循環性能、能量密度、充放電倍率以及低溫放電性能等具有較大的影響作用。

碳基負極材料，尤其是石墨負極，長期以來一直是鋰離子電池負極的主流選擇，其穩定性、導電性和成本效益均得到了市場的廣泛認可。然而，隨著電動汽車、儲能系統和便攜式電子設備等領域對電池能量密度要求的不斷提升，碳基負極材料的理論比容量極限逐漸成為制約電池性能進一步提升的瓶頸。

性能極限，碳基負極危機浮現

目前負極市場主流的石墨類負極材料，在鋰電池中的理論比容量只有372mAh/g，商業化高端石墨材料的實際比容量為360～365mAh/g。石墨類負極的能量密度“走到了盡頭”，在過去10年，為了提高其能量密度可以說是用盡手段：減薄基材、增加壓實密度、增加工作電壓、提高石墨的首效等。但是這些手段是有邊界的，目前都到了他們的天花板。

并且《中國制造2025》明確規定，動力電池能量密度規劃為：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。僅僅靠碳基負極材料實現這一目標是不可能的，硅基負極材料以其十倍于石墨類負極、高達4200mAh/g的克容量，成為理想的動力電池升級的材料突破點。

技術迭代，硅基負極浮出水面

電池新技術打開硅基負極應用市場。近年來，多家主流車企逐漸推出搭載摻硅負極電池的車型，硅基負極應用逐漸拓展至動力電池領域。2023年以來多孔硅碳技術路線的出現讓硅碳負極材料的性能實現了群體性突破，有望開啟在動力電池領域的規模化應用。與此同時，包括麒麟電池、大圓柱電池、快充電池、固態電池等動力電池新技術持續迭代發展，尤其是“高鎳三元+硅基負極”為大圓柱電池最適配方案。電池新技術更適配硅基負極，隨著電池新技術在近年來陸續開啟應用放量，也正在加速打開硅基負極的市場空間。

硅基負極在動力電池領域逐步走向產業化。硅基負極的應用正在成為電池性能差異化的必爭之地。自2023年下半年以來，特斯拉、蔚來、智已、廣汽埃安等品牌旗下車型紛紛搭載硅基負極動力電池，硅基負極高性能動力電池裝車持續升溫。頭部電池企業率先布局硅基負極電池產能，主流負極材料企業積極建設硅基負極材料產能。2023年硅基負極材料出貨量增長明顯，滲透率進一步提升。隨著硅基負極逐漸接替石墨作為電池負極的重要材料，以及硅基負極材料在技術、成本方面的進一步突破，硅基負極逐步走向產業化的發展趨勢。

迭代過程，道阻且長

盡管被稱為最值得期待的下一代電池材料，主要的硅基材料的制備方案與結構設計，已經解決了許多關鍵問題，但是對于動力電池所需要的高能量密度的要求還遠未達到，并且硅基負極的關鍵問題——膨脹仍是目前亟待解決的難題。

為解決硅基負極所面臨的膨脹等問題，學術界和產業界開發了多種硅基負極改性方式，主要包括硅氧化、納米化、復合化、多孔化、合金化、預鋰化、預鎂化等等。

貝特瑞2011年開始研發硅碳納米硅的技術方案，2013年開始逐步出貨海外。由于該技術由海外廠商提供，基本上貝特瑞的硅碳營收來自日韓電動工具電池的應用。后來，國內知名中科院孵化的硅負極創業公司憑借該科研院所對研磨硅的研究，沿襲貝特瑞研磨硅方案，并迅速搶占國內電動工具電池硅負極市場。

貝特瑞13年開始研發第一代硅氧，15年完成產品出貨。硅氧解決膨脹方案主要通過氧原子與硅結合為納米級別的化合物，能抑制硅在充放電的體積變化，提升循環壽命。但是，氧含量的提升導致導致Li⁺與氧原子反應生成氧化鋰和鋰硅酸鹽，導致鋰離子消耗，不可逆容量損失首效降低，僅為75%左右，相比石墨的95%，遠遠達不到全電池對負極材料的要求。從成本和性能綜合考慮下來，無法對電池帶來較為明顯的優勢。貝特瑞第二代硅氧通過預鎂方案提升至80%以上，卻又不可避免地帶來了產品成本過高的問題。

而且早在2019年，信越化學就推出可以商用的預鋰化硅氧產品，首效提升至85%以上，循環超1000次。信越化學的專利尚未過期，國內廠商難以繞開專利取得產品相似的效果，因此知名廠商不敢輕易售賣預鋰化硅氧。目前沒有一家企業預鋰化硅氧年出貨產值超過2000萬元。

2021年之前硅碳迭代不小，技術門檻較高，受到市場較高的認可，從微米級別粒徑過渡到百納米級別粒徑，但百尺竿頭難以更進一步，技術迭代陷入一定的停滯。2021年下半年至2022年底，則是屬于一代硅氧和預鋰化硅氧的天下。一代硅氧的成本較低，同時生產壁壘不高，2023年下半年，眾多廠商硅氧出貨，整個市場殺價較高，售價已經低于10w/t，但其添加性能不明顯，車廠添加量極低。預鋰化硅氧受限其不穩定的性能，一直難以在動力電池批量使用。

2022年底，美國一家氣相沉積硅公司Group 14產品在國內幾家頭部電芯廠測試結果顯示，其全電的內阻、循環、首效、克容量、膨脹率較硅氧和研磨硅相對來說取得了大范圍的提升，CVD氣相沉積硅碳技術開始受到廣泛關注。

但是，目前硅基負極可以大規模生產的制備方案仍在開發中，即便是在氣相沉積硅碳領域的領導者Group 14公司，仍未能實現大規模的百噸級量產。

小結

技術迭代需要時間，不是一蹴而就。從碳基負極到硅基負極的迭代，不僅是電池材料技術的一次重大突破，也是新能源產業邁向更高層次的重要一步。隨著技術的不斷進步和市場的不斷擴大，硅基負極材料有望在未來幾年內實現大規模量產和廣泛應用，為電動汽車、儲能系統和便攜式電子設備等領域提供更加高效、可靠的能源解決方案。

參考來源：

電池新技術硅基負極專題報告：新型負極材料迭代方向，前景可期.報告研究所

硅基負極：新技術大變天 誰是中國的G14.千乘資本

2023年有望成為硅基負極材料爆發元年！.粉體網

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