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头部企业领衔 “掺硅补锂”将成今年新风向?



  1月8日,国轩高科首次亮相了210Wh/kg磷酸铁锂电池产品。国轩高科表示,将磷酸铁锂能量密度拔高到210Wh/kg,离不开关键的“高克容量硅负极材料和先进的预锂化技术。”

  1月9日,蔚来汽车发布了150kWh固态电池产品。据悉,该产品采用了“无机预锂化硅碳负极技术”,另外结合超高镍正极,使得电池能量密度或可达到360Wh/kg。

  1月13日,智己汽车发布了首款新车。智己汽车表示,新车搭载了公司与宁德时代共同开发的最前沿电池技术,首次采用了“掺硅补锂技术”,实现电池单体300Wh/kg能量密度。

  1月18日,广汽集团透露,搭载硅负极电池技术的车型已按计划进入实车测试阶段,产品计划今年上市。

  据了解,智己汽车的掺硅补锂技术和蔚来汽车介绍的无机预锂化硅碳负极技术并无实质的区别,两者都是采用“硅负极材料+预锂化”技术。

  2021年刚开始,国轩高科、宁德时代、蔚来汽车、智己汽车、广汽集团等不约而同地都对硅负极材料、预锂化技术下手,或表明“硅碳负极、预锂化”将正式进入2021年的电池技术较量之列,并有望在今年开启产业规模化推广应用。

  从目前情况来看,动力电池的能量密度还未完全解决电动汽车续航的焦虑,同时随着未来电动汽车智能化功能的渗透,车辆用电仍然较大。

  从电池本身来看,提升电池能量密度无外乎从正极、负极、电解液、隔膜等几种材料上下功夫。

  正极材料已经从磷酸铁锂迭代到NCM333,再到NCM523、622、811。如果按照“木桶原理”的短板效应来看,现阶段负极似乎成了提升能量密度的“短板”。目前动力电池负极材料普遍采用石墨材料,但是当前石墨负极材料克容量已经做到360mAh/g,接近372mAh/g的理论克容量,想再提升已经很难,开发新型的锂电负极材料及技术迫在眉睫。

  目前业界的普遍共识是,硅负极材料是石墨负极材料的锂想替代产品。数据显示,硅材料的理论克容量高达4200mAh/g,远高于石墨材料的372mAh/g,是目前已知能用于负极的材料中理论克容量最高的材料。

  此外,其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度,并且硅材料环境友好、储量丰富、成本较低等也给其加分不少。

  硅负极材料最突出的缺点就是在电化学反应中体积膨胀率高达320%,远高于现有的石墨材料10%左右的膨胀率。极高的膨胀和收缩弹性频繁发生,会使材料结构的崩塌几率显著加大,一旦这种情况发生就会缩短电池的循环寿命,从而难以满足电动汽车的使用需求。

  从目前技术角度来看,纯硅负极材料的使用技术瓶颈还没有突破,因而科研人员目前都是尝试“掺硅”,通过掺入一定比例的硅负极材料,达到能量密度提升与寿命不衰减的某种平衡。

  硅负极的第二个“短板”是首充效率低(65%-85%)。研究显示,在锂离子电池首次充电过程中,有机电解液会在负极表面还原分解,形成固体电解质相界面(SEI)膜,不可逆地消耗大量来自正极的锂离子,造成首次循环的库仑效率(ICE)偏低,降低了锂离子电池的容量和能量密度。研究发现,现有的石墨材料有5%~10%的首次不可逆锂损耗,而硅材料的表面积高于石墨,首次锂不可逆损耗达15%~35%。

  “预锂化”正是通过对负极或正极材料提前进行“补锂”,以抵消形成SEI膜所造成的不可逆锂损耗,进而保证电池的总容量和能量密度。

  不过,“补锂”并不容易。“预锂化技术开发了很多年,难度非常大,”国轩高科工程研究总院常务副院长徐兴无向电池中国解释称,“因为锂金属是最活泼的金属之一,空气中的微量水分,都可能引发锂金属的燃烧甚至爆炸,所以,业内对于预锂技术多停留在实验室阶段。”

  可以看出,无论是掺硅,还是补锂,技术难度都不小,这也是目前硅负极材料一直较少应用到电池中的主要原因。

  不过,今年年初,国轩高科、蔚来汽车、智己汽车不约而同地发布基于硅负极材料的电池或车型,或表明目前业界或部分企业已经在硅负极/预锂化技术方面有所突破,即将跨越规模化应用的关键门槛。

  值得注意的是,即便是上述几家企业,各自基于硅负极材料(掺硅)和预锂化产品的电池产品上市或装车仍需要“等一等”。

  国轩高科透露,基于硅负极和预锂化技术的210Wh/kg磷酸铁锂电池预计会很快投产;蔚来汽车表示,“无机预锂化硅碳负极技术”半固态电池将于2022年四季度开始装车;智己汽车表示,搭载“掺硅补锂”电池的车辆有望在今年年底上市。在小编看来,“掺硅补锂”电池仍然是“期货”,需要等待一段时间,今年可能只会有部分产品上市,预计明年会规模化上市应用。

  在硅负极材料方面,近些年已经有不少负极材料企业在进行技术储备和产能试验布局。

  据悉,目前国内只有贝特瑞具备批量生产硅负极材料的能力。调研数据显示,目前贝特瑞硅负极材料年产能约为3000吨,产品主要供给宁德时代和松下电池。

  另外,翔丰华、硅宝科技、杉杉股份、中科电气也已经建设了硅负极材料中试线,但多数仍处于前期技术验证阶段,尚未大批量生产。

  事实上,产能有限,技术仍然待完善也表明硅负极材料在成本上仍然较为昂贵,对于多数电池来说并不可取。未来一段时间内,技术较为成熟的石墨负极材料仍然将是主流。

  此外,从预锂化技术上来看,包括宁德时代、国轩高科、万向一二三、微宏动力、天津巴莫等众多产业链企业也在积极布局。从申请专利上来看,目前宁德时代在这一领域的专利数量最多,智己汽车搭载的“掺硅补锂”电池正是来自宁德时代。但国轩高科表示,其自研的预锂化技术,使得预锂化技术能够真正进行大规模的生产应用,表明其在这一技术上也已经有重大突破。

  一个新技术从提出到应用,还需要整个产业链的协同推进,预计掺硅补锂技术的规模化落地应用也将带动材料、设备、制造等多个环节的协同推进,也给整个产业链带来机会,同时更需要产业链协同去降低成本、不断完善技术。来源:网络

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