芯耀
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十年磨一劍，硅基負極產業(yè)化迎來關鍵“賽點”。
2023下半年，硅基負極作為鋰電上游材料，在新能源汽車終端中刮起應用“風潮”，“負極摻硅”高性能動力電池裝車持續(xù)“升溫”。
在國內，以寧德時代麒麟電池為代表，繼今年4月量產首發(fā)極氪009之后，麒麟電池5C版本9月初官宣搭載理想MEGA。麒麟電池憑借其長續(xù)航、快充、熱穩(wěn)定性等性能優(yōu)勢正在不斷擴大裝機車型。
在海外， “負極摻硅”的產業(yè)化推進同樣也開始摁下快進鍵。除特斯拉傾注全力推進應用硅基負極的4680電池商用外，奔馳、寶馬、保時捷、沃爾沃等車企也在“負極摻硅”電池裝車的道路上“高歌猛進”。
事實上，硅基負極除了在動力領域起勢，憑借其在鋰電應用中高能量密度、高倍率等優(yōu)勢，在電動工具、消費電子等市場，硅基負極的應用已經(jīng)屢見不鮮，如小米、榮耀等手機品牌在2023年發(fā)布的新品中創(chuàng)新使用了硅碳負極。
應用市場的火熱似乎預示著，硅基負極“未來已來”。
出貨方面，高工產業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年我國硅基負極復合后出貨量為1.6萬噸，隨著數(shù)碼及動力領域的帶動，有望在未來保持高增長勢頭。
產能方面，據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年硅基負極規(guī)劃產能超20萬噸/年，包括杉杉股份、璞泰來等石墨頭部負極企業(yè)。近日，高工鋰電獨家獲悉，深圳索理德已在江蘇啟動建設硅碳萬噸產線，并于年內投產。
技術方面，硅碳材料近期取得了實質性的技術進展，新技術路線——多孔硅碳為行業(yè)帶來解決硅基負極穩(wěn)定性能與成本問題的希望，吸引產業(yè)上下游爭相試水，天目先導、蘭溪致德、索理德等一批聚焦于硅碳材料的創(chuàng)新企業(yè)正在硅基負極的產業(yè)化痛點上做著重點攻關。
一系列產業(yè)變化釋放出信號，硅基負極產業(yè)化競賽已經(jīng)來到賽點。行業(yè)分析認為，隨著多孔硅碳的突破性進展和應用，硅基負極在動力電池的領域將進入產業(yè)化導入快速階段。而率先在該領域前瞻卡位的負極企業(yè)有望在市場窗口期獲得突破性進展，在未來的負極競爭格局中占領一席之地。
動力電池TOP行列，基于硅基負極開啟創(chuàng)新競賽
2023年以來，中國電動化滲透率連續(xù)6個月超過30%，面向更深、更廣的電動化市場，續(xù)航、補能依然是制約消費者選擇新能源汽車的關鍵。
續(xù)航方面，現(xiàn)階段主流純電動車型續(xù)航在400-700公里不等，但從車企近期推出的車型來看，車型在續(xù)航里程上越來越“卷”，尤其在高端、旗艦車型，超800公里已不新鮮，900、1000公里才算得上“高端”調性。
補能方面，電池的快充性能從2C走向4C、6C，巨灣技研在6月初發(fā)布的鳳凰電池技術甚至實現(xiàn)了最高8C的水平。
如何破除里程焦慮、補能焦慮？在完善充電基礎設施建設、降低整車電耗的同時，提升電池性能依舊是最見成效的方式之一?；诟吣芰棵芏?、快充性能需求，鋰電負極材料正加速硅基負極滲透。
從鋰電材料體系看來，目前鋰電池負極材料以石墨為主，其雖有高電導率和穩(wěn)定性優(yōu)勢，但在能量密度方面的發(fā)展已接近其理論最大值372mAh/g 。而硅材料的理論容量高達4200mAh/g，可實現(xiàn)對這一限制的超十倍擴容。因其在能量密度上發(fā)展?jié)摿Γ杌摌O被視為下一代理想負極。
基于此優(yōu)勢，特斯拉4680、寧德時代麒麟電池等新電池都將硅基負極應用作為電池材料創(chuàng)新的核心亮點。全球動力電池企業(yè)正蓄勢待發(fā)，圍繞硅基負極材料進行密集電池創(chuàng)新。
據(jù)高工鋰電不完全梳理，寧德時代、億緯鋰能、蜂巢能源等頭部電池企業(yè)已憑借其硅基負極的性能優(yōu)勢，落地高能量密度電池產能，搶占市場。
電池企業(yè)對硅基負極的探索向上游材料企業(yè)釋放出重要信號：
一、大圓柱電池將成為硅基負極在動力領域應用的關鍵突破口
實現(xiàn)量產并進入裝車階段的“負極摻硅”電池能量密度已超250Wh/kg，且隨著大圓柱產業(yè)化成熟，300Wh/kg或將成為應用硅基負極電池的門檻性指標。如何適配大圓柱電池結構是硅基負極材料企業(yè)眼下應考慮的關鍵。
二、應用端對硅基負極的性能潛力開發(fā)將延續(xù)到半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)等未來新型電池領域
硅基負極將貫穿鋰電池半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)等未來新領域，硅基負極的產業(yè)化與創(chuàng)新迭代將貫穿鋰電池的可見未來。
動力領域呼吁迫切，硅基負極廠家沖刺關鍵“賽點”
至今，硅基負極在商業(yè)化落地的道路上已走了數(shù)十年。
回顧其商用歷程，硅基負極切入動力市場晚于消費電子、電動工具等市場，究其原因是動力電池對循環(huán)有大于1000次的高門檻要求，這對易膨脹、不穩(wěn)定的硅基負極的性能突破需要更長的時間。
目前，材料整體各項性能指標大體穩(wěn)定，基本滿足動力領域的應用要求，隨著動力需求的上升與產業(yè)化進程提速，GGII預計2023年硅基負極復合后出貨有望超2.7萬噸，同比增速有望超65%，未來3年內復合增長率有望超60%。
2023年初，硅基負極產業(yè)化提速現(xiàn)“曙光”，多孔硅碳技術路線的出現(xiàn)讓硅碳負極材料的性能實現(xiàn)了群體性突破，國外的如Group14，國內的如天目先導、蘭溪致德、索理德等都達到了以下性能：
●循環(huán)次數(shù)1000次以上；●首效90%以上；
●克容量1800mAh/g。
尤其是循環(huán)次數(shù)突破1000次，已滿足動力市場對循環(huán)性能的基本要求，使硅基負極材料在動力電池的規(guī)模應用成為可能。
從負極材料廠家到電芯廠家，業(yè)界已經(jīng)達成普遍共識：多孔硅碳將是硅基負極材料未來的主流方向。
理論上，多孔硅碳負極能在電池應用中打破安全、性能與成本的“不可能三角”。
高工鋰電了解到，從業(yè)內對多孔硅碳樣品的測試情況來看，多孔硅碳克容量、首效、循環(huán)次數(shù)、倍率等多個維度性能表現(xiàn)優(yōu)異。并且在生產方面，多孔硅碳硅基負極可減少預鋰、預鎂，相比于硅氧路線具有大幅降本的潛力。
盡管在膨脹方面，多孔硅碳還不能與石墨相比，但已經(jīng)處于可商用的狀態(tài)。
硅碳負極的主流廠家，正在解決多孔硅碳的可生產性問題，提升材料性能，加快多孔硅碳的商用化進程。
天目先導低膨脹、高容量、長循環(huán)方面表現(xiàn)更好的三代硅碳已進入中試階段，并在持續(xù)提升1-10nm的硅在導電介質中的均勻分散性。
蘭溪致德的核心優(yōu)勢則在設備、原材料的一體化集成，其自研設備打破海外龍頭硬件壟斷，實現(xiàn)低成本生產的同時硅基負極性能達到全球領先水平。
索理德則采用自研的“包覆自修復”專利技術，實現(xiàn)硅碳材料的穩(wěn)定成型，對硅碳材料的首效、庫倫效率、不產氣的可生產性做了進一步提升。在多孔硅碳技術路線的基礎上，包覆方案對充放電循環(huán)過程中形成的SEI膜，能有效地抑制SEI的生長以及材料的粉化，進一步減少對電解液中鋰離子的消耗，實現(xiàn)對電芯整體成本的降低。
頭部企業(yè)集中發(fā)力，硅基負極產業(yè)化星辰大海
在性能上，硅基負極已達到動力領域應用的門檻性要求，隨著相關設備、技術逐漸成熟、產業(yè)化進展加快，硅基負極估計有望打開鋰電池新時代。
除了性能達標，實現(xiàn)硅基負極規(guī)模化商用的另一大關鍵則為成本控制，這也是此前導致硅基負極商用遲滯的原因之一。
為了比較硅基材料與石墨材料的成本，從當量單位克容量的角度比較兩者應是更為“公平”的方式。（當量單位克容量= 材料的成本/材料的克容量）
從當量單位克容量上看，以目前技術較為成熟的硅氧產品為例，當量單位克容量成本是石墨當量單位克容量成本的5倍。按在石墨中摻硅10%計算，電芯的整體成本增加了約5%。在對利潤空間愈發(fā)敏感的電池產業(yè)，下一步，通過規(guī)?；⒐こ袒芰崿F(xiàn)性能與降本的極致平衡或將成為關鍵。
在此背景下，下游電池企業(yè)以及車企，對理論上有大幅降本空間且兼顧性能優(yōu)勢的多孔硅碳技術路線表現(xiàn)出了濃厚興趣。吉利8月底投資項目資金便用于多孔硅碳負極的產能投建。此外，電池端國軒高科已分享在多孔硅碳路線上的最新進展，比克電池也公開表示對多孔硅碳路線的關注。
在多孔硅碳的產品構成中，硅烷氣體占了總成本的50%，多孔硅碳前驅體多孔炭占了總成本超35%。硅烷氣體屬于危險氣體，運費成本占了硅烷氣體成本的30%。
為降低這兩種核心原材料的成本，主流硅基負極廠家都在積極探索不同的降成本路徑：
天目先導與硅烷科技合作，在河南襄城縣建設萬噸硅碳生產基地，以期降低主材料硅烷氣體的成本。
蘭溪致德自建硅烷生產線和多孔炭生產線。
索理德采用與硅烷氣體廠家深度合作及其它方式系統(tǒng)化降低成本。索理德總裁王守臣博士今年8月公開表示，索理德已經(jīng)找到一條系統(tǒng)化、工程化的方法，在未來2～3年，把硅碳量產成本降到當前成本的1/3以下，達到與石墨一樣的當量單位克容量成本水平。
整體看來，硅基負極步入產業(yè)化的關鍵期，賽道涌入新老選手，他們或有創(chuàng)新技術或有長時間的產業(yè)化摸索經(jīng)驗，手握各自的底牌，將下一代理想負極的產業(yè)化賽程推入深度角力，硅基負極產業(yè)化來到“賽點”。
一個明顯的變化是，近期包括天目先導、蘭溪致德、索理德等硅基負極企業(yè)都在持續(xù)加碼硅碳路線。
天目先導硅碳產品穩(wěn)定性、批次重復性、工程化能力等方面目前走在行業(yè)前列。據(jù)悉，2023年底，天目先導一期10000噸硅碳負極項目將全部建成。
蘭溪致德產品技術、性能國內領先。2022年硅碳負極產能超2000噸，在建一體化硅碳負極項目一期8000噸，此外配套原材料硅烷規(guī)劃產能達5000噸。
索理德“包覆自修復”專利技術正獲產業(yè)密切關注，通過該技術使多孔硅碳的首效、庫侖效率、循環(huán)性能等都有所提升。索理德的萬噸多孔硅碳產線，將于2023年底投入使用。
硅基負極在長時的發(fā)展中，近期再次受到產業(yè)上下游以及資本的集中關注，這也從側面印證著，動力電池從有到好的發(fā)展已經(jīng)來到臨界點，急需推動如硅基負極一類的變革性創(chuàng)新材料產業(yè)化，為電池迭代升級注入新動能。
受快充、高比能等高性能動力電池需求的增長，硅基負極有望在現(xiàn)階段乘上大圓柱電池產業(yè)化的東風起量，未來的半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)電池時代，在永續(xù)的鋰電池技術發(fā)展中，硅基負極將持續(xù)保持生命力。
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