硅负极应用现状

为了解决电动车用户的里程焦虑问题，势必要提升电池能量密度，提升电池能量密度有多种途径，例如优化电池结构、提高活性材料能量密度、降低非活性材料占比等。对于负极材料来说，目前商业化锂电池广泛使用的石墨负极的容量在360mAh/g左右，已经非常接近其理论比容量（372mAh/g），因此很难在石墨负极上获得突破，于是人们将目光转向硅材料，锂电池中，高温下硅材料形成Li22Si5，对应的比容量为4200mAh/g，室温下则形成Li15Si4，对应的比容量为3579mAh/g，且硅的脱锂电位比较低，因此硅作为负极可以减少材料用量、提高电池能量密度，是动力电池负极材料接下来的重要发展方向。

硅碳负极

硅作为负极材料会产生很大的体积变化，随充放电发生的持续收缩膨胀会造成材料粉末化，影响电池循环寿命。目前商业化的硅材料负极一般为硅碳复合体系，有单质硅-碳负极和硅氧化物-碳负极两种，相比之下，硅氧化物-碳负极较单质硅-碳负极体积膨胀更小、倍率性能更佳，但是容量和首循环库伦效率较低。

硅碳复合体系中，碳可以改善材料的导电性，缓冲硅的体积变化，避免硅颗粒的团聚等，对硅碳材料的结构进行合理设计可以更好地抑制材料的体积变化，例如可以将硅碳材料设计成核-壳结构、多孔结构等，为体积膨胀预留容纳或缓冲空间。

来源：中国粉体网

此外，硅碳负极还有一个问题引人关注，由于硅负极材料表面形成SEI膜需要消耗大量锂源，降低电池首效，通常采用预锂化的方式来解决这一问题。例如，引入锂箔、锂粉、预锂化添加剂等，通过物理、化学或电化学手段提前补充形成SEI膜所需要的锂源，可有效提高电池首效。

综上，硅碳负极具有高容量，但是体积膨胀等问题导致其寿命略低，因此通常搭配循环寿命同样较低但比容量高的高镍NCM正极，并通过补锂手段提高首效，最大化提高电池能量密度。

行业发展处于初期阶段

硅碳负极材料的制备工艺较为复杂，目前国内硅碳负极材料发展整体仍处于初期阶段。据估计，2020年中国硅碳负极材料出货量为0.9万吨，仅占负极材料出货量的约2%。在负极材料厂家中，贝特瑞是走得最快的一家，2013年就开始向三星批量供货，松下也是其顾客（松下为特斯拉电池供应商），而目前杉杉股份、正拓能源和国轩高科等负极龙头企业也在加速推进硅碳负极布局，但尚未实现大批量生产。

除了应用在三元电池中，2021年1月，国轩高科正式发布能量密度为210Wh/kg的软包磷酸铁锂电芯，并声称在磷酸铁锂化学体系中首次成功地应用了硅负极材料。

主要应用于高端车型

硅碳负极能有效提高电池能量密度，增加车辆续航里程，但价格高于石墨电极（石墨价格约3-7万元/吨，而硅碳负极价格则为10-30万元/吨不等），因此主要应用于高端车型。今年来，随着车企在高端市场的竞争加剧，搭载硅碳负极电池的车型也开始扎堆出现。

特斯拉——先行者

众所周知，特斯拉一直使用圆柱型电池，圆柱形电池结构件对硅碳负极体积膨胀的抑制效果较好，从几年前的 Model S 和 Model X 开始，特斯拉就已经在石墨负极中掺杂硅材料，只是当时硅的成分极少。到了Model 3阶段，特斯拉使用的21700电池中硅的比例再次得到提升，其能量密度较上一代18650电池提升了约20%，达到300Wh/kg，目前 Model 3 的续航里程在 500-600 公里左右。

广汽埃安——海绵硅负极片电池技术

在今年的广汽科技日上，广汽埃安公布了其自研的海绵硅负极电池技术，该技术包括“纳米复合硅技术”“自修复粘结剂技术”“梯度复合涂布技术”等，让电池内部的硅负极片像海绵一样柔软有弹性，使硅在充放电过程中的膨胀和收缩被限制和缓冲，不会碎裂。同时，也像海绵吸水一样，让硅负极发挥大容量的优势，储存更多的能量。通过该技术，可以实现锂离子电池单体电芯体积减小20%，重量减轻14%；未来会进一步将体积和重量都减小和减轻一半以上。该技术还对延长电池使用寿命、提高锂离子电池可靠性有明显的作用。搭载海绵硅负极片电池技术的广汽埃安AION LX可实现续航里程超过1000km，有望在今年年内投产。

蔚来——硅碳负极+半固态电解质+高镍正极

蔚来于1月份举办的NIO Day上宣布预期于2022年交付150kWh电池包，正极使用纳米包覆超高镍材料，负极使用预锂化硅碳负极，同时使用半固态电解质，单体能量密度可达350Wh/kg。蔚来ET7将搭载这款电池。

智己——续航超1000公里

1月份，智己发布了首款车型——智己L7，它的118kWh电池的高配版本，采用了与宁德时代合作的“掺硅补锂”技术，可以实现单体300Wh/kg能量密度，将NEDC续航提升到1000km，而且具有20万公里零衰减和“永不自燃”的特性。

但是，据智己汽车透露，118kWh电池的高配版本计划于2022年上市，这意味着智己汽车续航1000公里的产品最快要到2022年才能交付。

硅碳负极目前未得到广泛应用的原因除成本外，主要还是在于其体积膨胀、首效低等问题及补锂技术的不成熟，虽然目前只有少数几款车型搭载了硅碳负极电池，但这只是一个开始，相信随着技术和工艺的升级，这一系列问题都会得到妥善解决，我们也将会在越来越多的车上看到硅碳材料的身影。