其實，這兩個月“摻硅補鋰”這個技術在頻繁在車企、電池企業(yè)甚至央視新聞報道中出現(xiàn)，只是提法不同：去年12月8日，央視《經(jīng)濟半小時》中提到天目先導的納米硅負極技術；2021年1月8日，國軒高科發(fā)布了一款210Wh／kg的磷酸鐵鋰電池，采用的也是摻硅補鋰技術；1月9日，蔚來發(fā)布的ET7聲稱采用了預鋰化、硅碳負極技術；以及智己汽車的摻硅補鋰。 首先要明確的是，摻硅和補鋰是兩個技術，負極摻硅是為了提升能量密度，補鋰則是為了提升循環(huán)壽命。

 

他們都有助于提升動力電池性能，在較高能量密度的產(chǎn)品上，已經(jīng)廣泛應用。 1硅負極：應用難度大 要提升電池能量密度，正極材料和負極材料的比容量都需要提升。 正極端一般采用高鎳材料，大家熟悉的811就是一種；負極則是采用硅基負極。 之所以選擇硅，是因為硅基負極材料的理論克容量是4200Ah／g，是石墨負極10倍有余。

 

以現(xiàn)在技術水平，要將電池做到300Wh／kg，硅基負極是必不可少的。 （1）膨脹率高 硅基負極材料一般分為兩大類，一種是硅碳負極，即納米硅和石墨摻混使用，理論克容量超過3000mAh／g，但實際剛超2000mAh／g；另一種是硅氧負極，氧化亞硅摻混石墨作為負極，大致克容量為1400－1800mAh／g。 目前來看，兩種負極應用側重點有所不同。國軒高科工程研究總院負極材料技術負責人林少雄對《電動汽車觀察家》介紹說，國內上硅碳負極一般用到3C產(chǎn)品比較多；動力電池方面，一般采用硅氧負極比較多。 所以無論是3C產(chǎn)品還是動力電池，要獲得更高的能量密度，硅負極都是必不可少的。但是硅也存在很大的缺點，其中之一就是膨脹率高。硅負極充放電膨脹可達300％左右，而普通石墨僅為10％左右。

 

硅和石墨在充電嵌鋰的時候膨脹狀態(tài)不一致，電芯膨脹收縮的次數(shù)多了，結構就會坍塌，鋰就沒法進出了。也就是說采用硅后，雖然克容量提升了，但是循環(huán)壽命卻縮短了。 為了通俗理解，可以將石墨和硅想象成兩個顆粒，顆粒剛開始可能粘在一起，但是兩者膨脹收縮比例差別較大，多次收縮膨脹后就會發(fā)生斷裂，電池循環(huán)壽命就會降低。 因此，實際應用中的硅負極材料，硅含量都非常低。天目先導總經(jīng)理羅飛表示，在動力電池領域，一般的情況下會將5％－10％的氧化亞硅和石墨進行復合使用。 可見，硅負極的應用難度非常高。

 

應用難度如此之高的硅基負極到底能為電池能量密度能帶來多大提升呢？ 羅飛告訴《電動汽車觀察家》，采用納米硅以后，電池能量密度可以提升5％－10％。“不要小看這5％，按照傳統(tǒng)鋰電池的發(fā)展規(guī)律來講，每年鋰離子電池能量密度的提升平均在2％左右，但是現(xiàn)在2％已經(jīng)很難實現(xiàn)了，已經(jīng)到瓶頸了。” 由此可見，這5％能量密度提升有多寶貴。 （2）產(chǎn)量低、成本高 硅基負極不僅應用難度大，目前能夠量產(chǎn)的企業(yè)也不多。 根據(jù)高工鋰電的調研，目前國內只有貝特瑞能夠大批量供貨，且已經(jīng)進入了松下的供應鏈，間接供應特斯拉，目前硅基負極產(chǎn)能3000噸。 國際上，上世紀90 年代才開始研發(fā)硅材料以應用于鋰電池負極，直至 2013、2014 年才分別實現(xiàn)硅碳負極、硅氧負極的產(chǎn)業(yè)化。整體來看，硅基負極的真正產(chǎn)業(yè)化歷程相對較短。

 

硅基負極應用中，國際廠商相對領先，松下2017年已批量應用于動力電池，供應特斯拉。三星、LG 化學硅基負極，目前主要應用于消費電池領域。日本 GS 湯淺推出硅基負極材料的鋰電池，應用在三菱汽車上。 整體來看，硅基負極制備工藝復雜，無標準化工藝，技術壁壘高，難度主要在于硅材料納米化及與硅碳復合材料的制備工藝，屬于各企業(yè)的核心技術。

 

 

 

 

產(chǎn)量少，也就意味著單價高。

 

國盛證券數(shù)據(jù)顯示，最低端的硅基負極價格均在10萬以上，毛利率40％以上，單價、盈利能力均高于目前的石墨類負極材料。 2補鋰：安全和技術成熟度是瓶頸 補鋰技術就是預鋰化技術。 之所以要補鋰，這主要是由于硅負極材料第二大缺點——首效低。 （1）補鋰延長循環(huán)壽命 一般來說，鋰離子電池首次充電時，會造成大量鋰損耗，且是不可逆的。

 

為了保障電池的容量，就需要把損失的鋰補回來一些，這種技術就是預鋰，目的是補償鋰損耗，延長循環(huán)壽命，從而達到減緩衰減的作用。 采用硅后，首效低的問題就比較突出。這是由于硅膨脹比較大，容易導致負極表面的SEI膜（固體電解質界面膜）破碎，而在放電過程中SEI膜重新形成。

 

因此硅表面的SEI膜始終處于破壞－重構的動態(tài)過程中，最終導致SEI膜厚度持續(xù)增加，界面阻抗升高，活性物質消耗，致使容量衰減，首效降低。

 

 

石墨負極和硅負極首周充放電的鋰損耗各是多少？ 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，而對于高容量負極材料，首次鋰損耗甚至更高；硅的不可逆容量損失達15％～35％。 （2）補鋰技術不太成熟 補鋰技術分為正極補鋰和負極補鋰。 

 

一位業(yè)內專家告訴《電動汽車觀察家》，正極補鋰相對會簡單一些，以磷酸鐵鋰電池為例，通過提高正極材料中鋰的比例達到預鋰化目的，但問題是會破壞正極結構，技術成熟度較低。 上述專家表示，目前企業(yè)采用負極補鋰技術的較多。例如，采用電化學預鋰化、直接接觸短路法是簡單有效的方式，可以有效緩減高容量碳材料、合金負極以及轉換材料的首次不可逆損失，優(yōu)點是預鋰化量精確控制和穩(wěn)定性好，但對環(huán)境的要求高，如無氧、無水、干燥環(huán)境等，是大規(guī)模應用的難點所在。

 

此外，采用金屬鋰粉進行預鋰化是負極預鋰的一種，也是目前商業(yè)化最有效、最直接的方法。但是，其對環(huán)境的生產(chǎn)環(huán)境的要求非常之高，需要研發(fā)密閉的混漿設備，避免高速攪拌帶來電極材料、導電劑等燃燒的安全隱患，在制程上的風險極大。 所以整體看，預鋰化的產(chǎn)業(yè)化難度很大。 不過，目前很多企業(yè)都官宣摻硅補鋰技術可以看出，兩種技術的產(chǎn)業(yè)化難點應該得到一定程度上的解決。或許近兩年內，采用摻硅補鋰技術的電池產(chǎn)品將會大規(guī)模上市，同時也是300Wh／kg電池產(chǎn)品的普及階段。

 

總體而言，摻硅和補鋰，是基于現(xiàn)有材料技術路線的優(yōu)化，而不是材料的完全替換。無論三元還是磷酸鐵鋰，都能借此提高能量密度。它能帶來的效果有限，但在目前材料體系能量密度已經(jīng)接近瓶頸時，非常珍貴。在海外領先動力電池企業(yè)而言，已經(jīng)是早已商業(yè)應用的技術。

對于國內企業(yè)，則還處在開始量產(chǎn)應用的階段。它最終應用到整車上，如果達到車規(guī)級的安全性和可靠性，當然能給消費者帶來更好的續(xù)航體驗。目前看，高端的三元和磷酸鐵鋰先用，如果成熟度好，再廣泛應用，各層級電動汽車消費者都將受益。