中国粉体网讯 锂电池主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大关键材料组成。其中负极材料作为锂电池最重要的关键原材料之一，占锂电池总成本的10%-15%，其在锂电池中起到能量储存与释放的作用，对于锂电池的首次效率、循环性能、能量密度、充放电倍率以及低温放电性能等具有较大的影响作用。
碳基负极材料，尤其是石墨负极，长期以来一直是锂离子电池负极的主流选择，其稳定性、导电性和成本效益均得到了市场的广泛认可。然而，随着电动汽车、储能系统和便携式电子设备等领域对电池能量密度要求的不断提升，碳基负极材料的理论比容量极限逐渐成为制约电池性能进一步提升的瓶颈。
性能极限，碳基负极危机浮现
目前负极市场主流的石墨类负极材料，在锂电池中的理论比容量只有372mAh/g，商业化高端石墨材料的实际比容量为360～365mAh/g。石墨类负极的能量密度“走到了尽头”，在过去10年，为了提高其能量密度可以说是用尽手段：减薄基材、增加压实密度、增加工作电压、提高石墨的首效等。但是这些手段是有边界的，目前都到了他们的天花板。
并且《中国制造2025》明确规定，动力电池能量密度规划为：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。仅仅靠碳基负极材料实现这一目标是不可能的，硅基负极材料以其十倍于石墨类负极、高达4200mAh/g的克容量，成为理想的动力电池升级的材料突破点。
技术迭代，硅基负极浮出水面
电池新技术打开硅基负极应用市场。近年来，多家主流车企逐渐推出搭载掺硅负极电池的车型，硅基负极应用逐渐拓展至动力电池领域。2023年以来多孔硅碳技术路线的出现让硅碳负极材料的性能实现了群体性突破，有望开启在动力电池领域的规模化应用。与此同时，包括麒麟电池、大圆柱电池、快充电池、固态电池等动力电池新技术持续迭代发展，尤其是“高镍三元+硅基负极”为大圆柱电池最适配方案。电池新技术更适配硅基负极，随着电池新技术在近年来陆续开启应用放量，也正在加速打开硅基负极的市场空间。
硅基负极在动力电池领域逐步走向产业化。硅基负极的应用正在成为电池性能差异化的必争之地。自2023年下半年以来，特斯拉、蔚来、智已、广汽埃安等品牌旗下车型纷纷搭载硅基负极动力电池，硅基负极高性能动力电池装车持续升温。头部电池企业率先布局硅基负极电池产能，主流负极材料企业积极建设硅基负极材料产能。2023年硅基负极材料出货量增长明显，渗透率进一步提升。随着硅基负极逐渐接替石墨作为电池负极的重要材料，以及硅基负极材料在技术、成本方面的进一步突破，硅基负极逐步走向产业化的发展趋势。
迭代过程，道阻且长
尽管被称为最值得期待的下一代电池材料，主要的硅基材料的制备方案与结构设计，已经解决了许多关键问题，但是对于动力电池所需要的高能量密度的要求还远未达到，并且硅基负极的关键问题——膨胀仍是目前亟待解决的难题。
为解决硅基负极所面临的膨胀等问题，学术界和产业界开发了多种硅基负极改性方式，主要包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化、预镁化等等。
贝特瑞2011年开始研发硅碳纳米硅的技术方案，2013年开始逐步出货海外。由于该技术由海外厂商提供，基本上贝特瑞的硅碳营收来自日韩电动工具电池的应用。后来，国内知名中科院孵化的硅负极创业公司凭借该科研院所对研磨硅的研究，沿袭贝特瑞研磨硅方案，并迅速抢占国内电动工具电池硅负极市场。
贝特瑞13年开始研发第一代硅氧，15年完成产品出货。硅氧解决膨胀方案主要通过氧原子与硅结合为纳米级别的化合物，能抑制硅在充放电的体积变化，提升循环寿命。但是，氧含量的提升导致导致Li+与氧原子反应生成氧化锂和锂硅酸盐，导致锂离子消耗，不可逆容量损失首效降低，仅为75%左右，相比石墨的95%，远远达不到全电池对负极材料的要求。从成本和性能综合考虑下来，无法对电池带来较为明显的优势。贝特瑞第二代硅氧通过预镁方案提升至80%以上，却又不可避免地带来了产品成本过高的问题。
而且早在2019年，信越化学就推出可以商用的预锂化硅氧产品，首效提升至85%以上，循环超1000次。信越化学的专利尚未过期，国内厂商难以绕开专利取得产品相似的效果，因此知名厂商不敢轻易售卖预锂化硅氧。目前没有一家企业预锂化硅氧年出货产值超过2000万元。
2021年之前硅碳迭代不小，技术门槛较高，受到市场较高的认可，从微米级别粒径过渡到百纳米级别粒径，但百尺竿头难以更进一步，技术迭代陷入一定的停滞。2021年下半年至2022年底，则是属于一代硅氧和预锂化硅氧的天下。一代硅氧的成本较低，同时生产壁垒不高，2023年下半年，众多厂商硅氧出货，整个市场杀价较高，售价已经低于10w/t，但其添加性能不明显，车厂添加量极低。预锂化硅氧受限其不稳定的性能，一直难以在动力电池批量使用。
2022年底，美国一家气相沉积硅公司Group 14产品在国内几家头部电芯厂测试结果显示，其全电的内阻、循环、首效、克容量、膨胀率较硅氧和研磨硅相对来说取得了大范围的提升，CVD气相沉积硅碳技术开始受到广泛关注。
但是，目前硅基负极可以大规模生产的制备方案仍在开发中，即便是在气相沉积硅碳领域的领导者Group 14公司，仍未能实现大规模的百吨级量产。
小结
技术迭代需要时间，不是一蹴而就。从碳基负极到硅基负极的迭代，不仅是电池材料技术的一次重大突破，也是新能源产业迈向更高层次的重要一步。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，硅基负极材料有望在未来几年内实现大规模量产和广泛应用，为电动汽车、储能系统和便携式电子设备等领域提供更加高效、可靠的能源解决方案。
参考来源：
电池新技术硅基负极专题报告：新型负极材料迭代方向，前景可期.报告研究所
硅基负极：新技术大变天 谁是中国的G14.千乘资本
2023年有望成为硅基负极材料爆发元年！.粉体网
（中国粉体网编辑整理/苏简）
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