可提高十倍蓄電能力的硅基鋰電池 - 即將上車

2023上海車展奔馳將在國(guó)內(nèi)展出其電動(dòng)大G-EQG，其將采用四電機(jī)布局，預(yù)計(jì)電動(dòng) G-Wagon 的續(xù)航里程也將超過(guò) 300 英里，相比國(guó)內(nèi)內(nèi)卷的新勢(shì)力高配車，當(dāng)然這個(gè)里程不是特別耀眼。但是有消息稱它很可能與 ICE G-Wagon 共用一個(gè)底盤，也可能是一個(gè)架構(gòu)，那么你可以認(rèn)為他是油改電的產(chǎn)品，考慮到這么大的越野系列，那么其續(xù)航里程以及充電都很亮眼。

有消息稱采用硅基鋰電池，所以續(xù)航里程比同類電池增加 20%，續(xù)航里程最多可增加 100 英里，他還可以顯著縮短電池充電時(shí)間，僅需 20 分鐘即可將電池電量從 10% 充電至 80%——即使您目前的充電時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 60 分鐘。未來(lái)的版本減少到大約 10 分鐘。當(dāng)然這些都是在不犧牲循環(huán)壽命或安全性的情況下實(shí)現(xiàn)的，借助硅基鋰電池，主機(jī)廠可以將電池重量減輕多達(dá) 15%，空間降低 20%，這些都可以大大提高車輛效率并增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)和功能。

我在之前文章《如何看當(dāng)前的汽車動(dòng)力電池》分享過(guò)電動(dòng)車動(dòng)力電池技術(shù)分為材料創(chuàng)新、封裝及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、整車集成創(chuàng)新三部分，而目前汽車動(dòng)力電池創(chuàng)新主要在后面兩個(gè)部分，但此次奔馳EQG采用的動(dòng)力電池為材料創(chuàng)新，所以值得了解。所以本文從以下方面

• 那么硅基鋰電池是什么？
• 為什么采用硅基材料？
• 硅基材料當(dāng)前的難點(diǎn)和缺點(diǎn)？
• 還有哪些汽車主機(jī)廠準(zhǔn)備采用？

去分享硅基電池，希望能夠傳達(dá)一些信息。

硅基鋰電池是什么？

汽車動(dòng)力電池目前主要是鋰電池，鋰電池主要由以下五部分構(gòu)成，

• 正極（陰極）材料，他是鋰電池最為關(guān)鍵的原材料，占鋰電池成本的 30%以上。
• 負(fù)極（陽(yáng)極）材料，目前主要是碳素材料為主，成本比重最低， 在 5-10%左右，但本文主要講的就是硅基就是負(fù)極材料創(chuàng)新。
• 電解液，帶動(dòng)鋰離子流動(dòng)的載體，目前電池創(chuàng)新另外一個(gè)方向就是將電解液固態(tài)化，也就是固態(tài)電池。
• 隔膜，隔膜在成本構(gòu)成上僅次于正極材料，占 20-30%，隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能。
• 包裝材料。其中， 包裝材料和石墨負(fù)極技術(shù)相對(duì)成熟，成本占比不高。

對(duì)于汽車動(dòng)力電池大頭正極材料，目前主要是三元材料（NCM）鋰電池和磷酸鐵鋰（LFP）還有鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO），當(dāng)前主要應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)域的，是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術(shù)路線。

• 三元材料的核心優(yōu)勢(shì)在于能量密度高。同體積、同質(zhì)量下，續(xù)航時(shí)間較其它技術(shù)路線大幅領(lǐng)先。但其缺陷也非常明顯：安全性差，受到?jīng)_擊和處于高溫環(huán)境時(shí)，起火點(diǎn)比較低。
• 磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反，能量密度與續(xù)航均表現(xiàn)一般，但安全性卻十分優(yōu)秀。其晶體結(jié)構(gòu)為獨(dú)特的橄欖石型，空間骨架結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定。

根據(jù)Wood Mackenzie的預(yù)測(cè)未來(lái)磷酸鐵鋰滲透率將持續(xù)攀升，在2030年將三元鋰和磷酸鐵鋰電池將會(huì)各占30%以上，所以正極材料的演化路徑基本確定。

而負(fù)極材料，在動(dòng)力電池方面出現(xiàn)了，硅基化。例如特斯拉以及蔚來(lái)等都宣傳其采用硅作為負(fù)極材料，目前更多屬于添加，添加5-10%左右，但至于多少目前都鮮有透露。

所以，硅基鋰電池是負(fù)極材料采用硅材料而不是石墨的鋰電池。

那為什么負(fù)極材料采用硅基？

當(dāng)前的汽車動(dòng)力電池其實(shí)來(lái)源于3C消費(fèi)的鋰離子，鋰電池最早由日本索尼公司于1990年開(kāi)發(fā)成功。傳統(tǒng)鋰離子電池的正極材料為鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)極材料為石墨(C)，以酯類作為電解液的可充電式電池，由于穩(wěn)定一直沿用至今。

但石墨作為負(fù)極最核心的問(wèn)題是石墨負(fù)極材料能量密度的理論上限為372mAh/g，而目前行業(yè)頭部公司的產(chǎn)品已可實(shí)現(xiàn)365mAh/g的能量密度，逼近理論極限，未來(lái)的提升空間極為有限，所以急需尋找下一代替代品。

新一代的負(fù)極材料中，硅基負(fù)極是熱門候選者。其具有極高的能量密度，理論容量比可達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)超石墨類材料，硅可以容納比石墨多得多的鋰原子。一個(gè)硅原子吸收四個(gè)鋰原子，而六個(gè)石墨原子只能容納一個(gè)鋰原子。因此，按重量計(jì)算，硅可以容納比石墨多 10 倍的鋰。這允許在電池中使用更小的陽(yáng)極，為更多陰極材料（更多鋰）開(kāi)辟更多空間。正是陰極將這種初始鋰帶入電池，因此為陰極提供的空間越大，能量密度就可能越大。

另外硅由于材料來(lái)源太廣泛了，芯片也是采用他為材料，所以硅成為電池負(fù)極開(kāi)發(fā)的明星材料。

硅基材料當(dāng)前的難點(diǎn)和缺點(diǎn)？

但作為負(fù)極材料，硅也有嚴(yán)重缺陷，鋰離子嵌入會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的體積膨脹，硅在充電期間膨脹 300%，在放電期間收縮 300%，而石墨僅變化了約 7%。這種膨脹是危險(xiǎn)且不穩(wěn)定的，破壞電池結(jié)構(gòu)，造成電池容量快速下降。目前通行的解決方案之一是使用硅碳復(fù)合材料，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲(chǔ)鋰容量，碳顆粒則用來(lái)緩沖充放電過(guò)程中負(fù)極的體積變化，并改善材料的導(dǎo)電性，同時(shí)避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚。

基于此，硅碳負(fù)極材料被認(rèn)為是前景最佳的技術(shù)路線，逐漸獲得產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)企業(yè)的關(guān)注。特斯拉的Model 3已經(jīng)使用了摻入10%硅基材料的人造石墨負(fù)極電池，其能量密度成功實(shí)現(xiàn)300wh/kg，大幅領(lǐng)先采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的電池

不過(guò)與石墨負(fù)極相比，硅碳負(fù)極除了加工技術(shù)仍不成熟外，較高的成本也是障礙。當(dāng)前的硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)價(jià)格超過(guò)15萬(wàn)元/噸，是高端人造石墨負(fù)極材料的兩倍。未來(lái)量產(chǎn)后，電池制造商也會(huì)面臨與正極材料相似的成本控制問(wèn)題。

哪些汽車主機(jī)廠準(zhǔn)備采用？

所以目前高比例的硅基電池基本上都屬于豪車使用，例如奔馳采用負(fù)極硅基鋰電池的EQG將于 2024 年底推出。電池來(lái)自于美國(guó)Sila ，當(dāng)然Sila并不是唯一一家在爭(zhēng)奪硅負(fù)（陽(yáng)）極吹噓權(quán)的公司。保時(shí)捷也與美國(guó)Group14 Technologies 達(dá)成 6.5 億美元的供應(yīng)協(xié)議，而通用汽車也正在與 OneD Battery Sciences 合作研發(fā)硅基電池。

國(guó)內(nèi)汽車有智己以及蔚來(lái)喊出過(guò)“摻硅補(bǔ)鋰”或者“無(wú)機(jī)預(yù)鋰化碳硅負(fù)極”等概念使續(xù)航里程超1000km，其實(shí)質(zhì)均為提高負(fù)極中硅的含量，同時(shí)增加鋰的含量，但目前沒(méi)有看到量產(chǎn)上市。

當(dāng)然還有不少硅基電池例如amprius直接從電動(dòng)飛機(jī)起步，畢竟電動(dòng)飛機(jī)的價(jià)格才能用得起價(jià)格昂貴的新技術(shù)，當(dāng)新技術(shù)被市場(chǎng)培育規(guī)模化興起使成本下降之后肯定進(jìn)入巨量親民市場(chǎng)。

所以硅基電池，將會(huì)是短時(shí)間內(nèi)激發(fā)汽車動(dòng)力電池材料應(yīng)用創(chuàng)新的一個(gè)重要方向，未來(lái)5-10年會(huì)有巨大市場(chǎng)。

參考文章以及圖片

Brief overview of electrochemical potential in lithium ion batteriesv- Gao Jian, Shi Si-Qi, Li Hong

解析我國(guó)鋰電池四大關(guān)鍵材料的發(fā)展水平

LFP to overtake NMC as dominant stationary storage chemistry by 2030 - Paul Crompton

硅基負(fù)極，鋰電材料升級(jí)的必經(jīng)之路 - 華安證券