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硅基负极被认为是下一代锂电池理想的负极材料。近期,众多头部企业密集申请相关专利。据国家知识产权局公告,今年1月,宁德时代公布了一项国际专利申请,专利名为“硅碳复合材料及包含其的负极极片”;亿纬锂能申请了一项名为“一种硅基负极浆料及其制备方法和应用”专利。
而在此之前一个月,比亚迪申请了一项名为“硅负极材料及其制备方法、负极极片、电池和用电设备”专利;德方纳米申请了一项名为“含高熵合金相的硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池”专利。
在众多的新型负极材料中,硅具有超高的理论比容量,高达4200mAh/g,高出传统石墨材料10倍,并且具有较低的脱锂电位,且由于其电压平台与石墨相比较高,在充电时更难引起表面锂离子析出,电池综合安全性能更为出色。
截至目前,国内外车企包括特斯拉、奔驰、蔚来、极氪、智己、广汽埃安等已经或计划搭载硅基负极动力电池。中金公司预计,到2025年全球硅基负极需求量有望达到20万吨,其中消费电池渗透率有望达50%,对应约7万吨硅基负极需求;圆柱和方形动力电池中渗透率分别达到35%和20%,对应约13万吨硅基负极需求。
01
量产装车提速
“目前硅碳复合材料和硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。”业内人士指出,硅碳负极首次充放电效率高,但膨胀较大,循环性能也相对较差。硅氧负极采用氧化亚硅和石墨材料混合,其循环性能得到较大提升,但首效低,成本高。
特斯拉早在2017年搭载2170电池时就已经引入了“掺硅”技术,此后其在发布4680电池时宣称负极要使用硅材料,且相比Model3中2170电池的5%添加量,4680电池中硅基负极的添加量预计增加一倍。该电池正极采用高镍三元材料,搭配硅基负极,使其相对2170电池续航里程提升16%、能量提升5倍,且成本将下降14%。
据电池中国了解,奔驰计划将于2024 年底推出采用负极硅基锂电池的EQG车型。同时,奔驰还将在2025年推出G-Class车型,采用新一代高能量密度电池,通过使用硅基负极,能量密度比石墨负极电池高20%-40%。
除此之外,宝马与Sila Nanotechnologies建立长期合作,共同研发硅基负极电池,通用汽车与OneD Battery Sciences合作研发硅基电池,保时捷与美国Group14 Technologies达成6.5亿美元的供应协议。
国内车企方面,广汽埃安2021年首发续航1000公里的电动车型,使用海绵硅负极电池技术的单体电芯,能量密度超过280Wh/Kg;智己汽车于2022年初宣布使用“掺硅补锂”技术,电池单体能量密度可实现300Wh/kg;蔚来发布的半固态电池,采用超高镍正极材料、硅碳复合负极材料和固液混合电解质,能量密度为360Wh/kg。
电池企业方面,宁德时代2023年3月量产的麒麟电池,采用高镍三元正极和硅碳复合材料,能量密度可达255Wh/kg,目前已经装配极氪、理想、阿维塔、哪吒汽车等多种车型;蜂巢能源从2022年开始给宝马Mini批量供货,产品是高镍正极+硅负极的高能量密度方壳电芯;去年11月,力神电池发布高比能大圆柱电池,采用高镍三元正极搭配硅碳负极,能量密度达280Wh/Kg;今年年初,比克电池宣布其N21700CH-58E高容量电芯量产下线,采用高镍+硅负极体系。
材料企业方面,杉杉股份已实现硅基负极批量供货,并规划了宁波4万吨硅基负极一体化基地项目,项目覆盖原料加工、反应合成、中间品加工、表面改性到成品加工等完整工序,将有利于公司形成硅基负极材料一体化产能规模优势。
中国宝安1月在投资者互动平台表示,贝特瑞现有负极产能49.5万吨/年(其中硅基负极0.5万吨/年)。此外,贝特瑞还规划投资50亿元,将要建设年产4万吨的硅基负极产线,预计到2028年将拥有约5万吨/年的硅基产能。
除此之外、翔丰华、道氏技术、天目先导、胜华新材、天诺新能源、杰瑞股份、中科电气、新安股份等企业也都在积极推进硅碳负极的产业化。
02
大圆柱电池是增长点
大圆柱电池将是未来硅基负极材料应用的主要增长点。
“目前硅基负极材料主要应用于大圆柱电池。全球硅基负极材料在大圆柱电池中已经量产和即将量产的企业,已经有10家以上。”业界人士表示,46系列大圆柱电池未来掺硅比例有望在10%以上,较目前高镍+硅中的5%掺杂量翻倍,将带动硅负极材料需求大增。信达证券也指出,随着特斯拉、宝马、保时捷等车企对大圆柱电池的市场需求增长,将有效推动硅基负极的普及。
不过值得注意的是,大圆柱电池对硅基材料也提出了很高的要求。据业内人士分析,由于圆柱电池成组效率低,因此硅基负极需要更高首效、更高比容量以匹配正极,降低容量损失。同时,大圆柱电池温度和应力分布不均匀,硅基负极需要开发更低膨胀、更加稳定的结构确保最佳性能。
此外,硅负极材料要持续提升性价比,保持长期的应用优势。
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