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新年伊始，在提升動力電池能量密度的道路上，企業(yè)們就已經(jīng)紛紛“亮劍”。

1月8日，國軒高科(SZ:002074)首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產(chǎn)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(guān)鍵的“高克容量硅負極材料和先進的預(yù)鋰化技術(shù)。”

1月9日，蔚來汽車(NYSE:NIO)發(fā)布了150kWh固態(tài)電池產(chǎn)品。據(jù)悉，該產(chǎn)品采用了“無機預(yù)鋰化硅碳負極技術(shù)”，另外結(jié)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(fā)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(fā)的最前沿電池技術(shù)，首次采用了“摻硅補鋰技術(shù)”，實現(xiàn)電池單體300Wh/kg能量密度。

1月18日，廣汽集團(SH:601238)透露，搭載硅負極電池技術(shù)的車型已按計劃進入實車測試階段，產(chǎn)品計劃今年上市。

據(jù)了解，智己汽車的摻硅補鋰技術(shù)和蔚來汽車介紹的無機預(yù)鋰化硅碳負極技術(shù)并無實質(zhì)的區(qū)別，兩者都是采用“硅負極材料+預(yù)鋰化”技術(shù)。

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(yù)鋰化技術(shù)下手，或表明“硅碳負極、預(yù)鋰化”將正式進入2021年的電池技術(shù)較量之列，并有望在今年開啟產(chǎn)業(yè)規(guī)模化推廣應(yīng)用。

01、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(xù)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(jīng)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(yīng)來看，現(xiàn)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(jīng)做到360mAh/g，接近372mAh/g的理論克容量，想再提升已經(jīng)很難，開發(fā)新型的鋰電負極材料及技術(shù)迫在眉睫。

目前業(yè)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(chǎn)品。數(shù)據(jù)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(zhì)量、高能量密度，并且硅材料環(huán)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(yīng)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(yīng)中體積膨脹率高達320%，遠高于現(xiàn)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(fā)生，會使材料結(jié)構(gòu)的崩塌幾率顯著加大，一旦這種情況發(fā)生就會縮短電池的循環(huán)壽命，從而難以滿足電動汽車的使用需求。

從目前技術(shù)角度來看，純硅負極材料的使用技術(shù)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。

02、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(zhì)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(huán)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(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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(yù)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?cè)萘亢湍芰棵芏取?br />
不過，“補鋰”并不容易。“預(yù)鋰化技術(shù)開發(fā)了很多年，難度非常大，”國軒高科工程研究總院常務(wù)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(fā)鋰金屬的燃燒甚至爆炸，所以，業(yè)內(nèi)對于預(yù)鋰技術(shù)多停留在實驗室階段。”

可以看出，無論是摻硅，還是補鋰，技術(shù)難度都不小，這也是目前硅負極材料一直較少應(yīng)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(fā)布基于硅負極材料的電池或車型，或表明目前業(yè)界或部分企業(yè)已經(jīng)在硅負極/預(yù)鋰化技術(shù)方面有所突破，即將跨越規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵門檻。

值得注意的是，即便是上述幾家企業(yè)，各自基于硅負極材料（摻硅）和預(yù)鋰化產(chǎn)品的電池產(chǎn)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(yù)鋰化技術(shù)的210Wh/kg磷酸鐵鋰電池預(yù)計會很快投產(chǎn)；蔚來汽車表示，“無機預(yù)鋰化硅碳負極技術(shù)”半固態(tài)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(chǎn)品上市，預(yù)計明年會規(guī)模化上市應(yīng)用。

03、市場機會初現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已摩拳擦掌

新技術(shù)的誕生及應(yīng)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(jīng)有不少負極材料企業(yè)在進行技術(shù)儲備和產(chǎn)能試驗布局。

據(jù)悉，目前國內(nèi)只有貝特瑞具備批量生產(chǎn)硅負極材料的能力。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，目前貝特瑞硅負極材料年產(chǎn)能約為3000噸，產(chǎn)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(jīng)建設(shè)了硅負極材料中試線，但多數(shù)仍處于前期技術(shù)驗證階段，尚未大批量生產(chǎn)。

事實上，產(chǎn)能有限，技術(shù)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(shù)電池來說并不可取。未來一段時間內(nèi)，技術(shù)較為成熟的石墨負極材料仍然將是主流。

此外，從預(yù)鋰化技術(shù)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(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)也在積極布局。從申請專利上來看，目前寧德時代在這一領(lǐng)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。但國軒高科表示，其自研的預(yù)鋰化技術(shù)，使得預(yù)鋰化技術(shù)能夠真正進行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，表明其在這一技術(shù)上也已經(jīng)有重大突破。

一個新技術(shù)從提出到應(yīng)用，還需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進，預(yù)計摻硅補鋰技術(shù)的規(guī)?；涞貞?yīng)用也將帶動材料、設(shè)備、制造等多個環(huán)節(jié)的協(xié)同推進，也給整個產(chǎn)業(yè)鏈帶來機會，同時更需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同去降低成本、不斷完善技術(shù)。