[电池完全征服]⑪电动车“5分钟充满”的梦想，将由硅负极材料实现

by Kang Heejong

Published 18 Nov.2023 08:00(KST)

Updated 20 Nov.2023 10:08(KST)

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编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有领域都在使用电池。[电池完全征服]栏目面向想了解电池的一般读者、学生以及关注电池产业和相关企业的投资者，旨在以通俗易懂的方式介绍电池基础知识与生态体系、企业信息、产业走势与前景。我们将于每周六与各位见面。

瑞典电动车品牌Polestar在本月9日（当地时间）举行的“Polestar Day”活动上表示，将在Polestar 5车型上试点搭载一款可在5分钟内补能100英里（约160公里）续航里程的电池。这款电池采用的是以色列初创企业StoreDot的“XFC（极快充电）”技术。XFC电池在负极材料中应用了硅。该公司提出的目标是，将100英里续航里程的充电时间在2028年缩短至3分钟、2032年缩短至2分钟。韩国本土电池材料企业大宙电子材料于本月14日宣布，向SK On供应硅负极材料。这是该公司继向LG能源解决方案供货之后，第二次供应硅负极材料。

与过去相比，电动车虽然已大幅普及，但仍有许多人对购买心存顾虑。最大原因在于充电不便，而且单次充电的续航里程与传统内燃机汽车相比仍难令人满意。作为破解这两大难题的关键方案，硅负极材料正备受关注。

在电池中，负极材料在充电时起到吸附并释放锂离子和电子的作用，可以视为一种“储存仓”。根据这一储存仓的性能，电池的充电速度和寿命得以决定。

迄今为止，锂离子电池为扩大充电容量，一直侧重于正极材料的开发。通过提高镍含量来提升容量的高镍电池开发就是典型案例。目前，镍含量达到80%的NCM811（镍·钴·锰比例为8:1:1）电池已实现商业化，镍含量90%的技术也在开发中。仅靠正极材料进一步扩大电池容量已接近极限。

为此，电池行业开始集中提升负极材料性能。负极材料主要使用石墨（Graphite）。天然石墨和人造石墨具有稳定储存锂离子的优点。作为可替代石墨的下一代负极材料，硅、氧化锡、铝等正处于研究中，其中最受瞩目的便是硅。随着中国自2023年12月1日起实施石墨出口管制，作为替代方案的硅负极材料更受关注。

储存容量提升10倍……克服“膨胀”现象成课题

硅（Si，硅素）在自然界中极易获取。硅占地壳构成物质的28%，是仅次于氧（46%）的第二大丰富元素。石墨由6个碳原子储存1个锂离子，而硅则是4个硅原子可储存15个锂离子。从理论上看，硅负极材料单位质量的能量容量最高可达4200毫安时（mAh）/g，约为石墨理论能量容量（372mAh/g）的10倍。

如果提升负极材料的储存能力，就可以提高充电速度。同时，由于可以用更少的负极材料储存同样数量的锂离子，电池的重量（体积）也可随之降低。也就是说，单位重量（体积）能量储存容量增加，从而提升能量密度（Wh/kg 或 Wh/L）。

然而，作为负极材料的硅也存在致命弱点，即在充电时会发生体积膨胀的“膨胀（swelling）”现象。石墨在充电时膨胀约10%，而硅的膨胀率却高达300%~400%。在不断充放电过程中，体积膨胀与收缩反复出现，最终会产生裂纹，导致电池失效。

与石墨相比，硅负极材料可以储存更多锂离子，但在充电时会出现膨胀（鼓胀）现象。若反复经历膨胀和收缩，表面会产生裂纹，电池将无法继续使用。（图片来源 Nexxeon官网）

因此，目前的硅负极材料主要以在现有石墨中少量掺入硅的方式实现商业化。受技术限制，目前掺入比例仅为5%~10%。据悉，在掺入5%硅时，相比传统石墨负极材料，能量密度可提升约10%~15%。电池行业从中长期来看，以掺入25%~30%为目标。

与传统石墨相比，硅负极材料还存在初始库仑效率（ICE，Initial Coulombic Efficiency）较低的缺点。初始库仑效率是指首次充电容量中可放电容量的比例（放电容量/充电容量×100），也称初始充放电效率。例如，首次充电实现500mAh/g容量，而放电容量为450mAh/g，则初始库仑效率为90%。石墨负极材料的ICE约为95%，而硅负极材料则仅处于70%~80%区间。

硅负极材料初始库仑效率偏低的原因在于，与石墨负极材料相比，其SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面）膜形成得更不规则。SEI是指电池生产后首次充电时在负极材料表面生成的一层薄固体膜。如果这层SEI不均匀，就会阻碍锂离子迁移，导致充放电效率下降。

硅负极材料相较石墨价格更高，这一点也亟待解决。为克服硅的技术问题，需要采用涂覆或加入添加剂等工艺，而在这一过程中成本随之上升。

目前已商业化的硅负极材料主要分为两大类：氧化硅（SiOx）体系和硅-碳复合体（Si-C）体系。部分企业也在开发只使用硅的“纯硅（Pure Silicon）”技术，但尚未进入商业化阶段。

SiOx是通过将纳米（Nano）化的硅颗粒以氧化硅进行包覆制成；Si-C则是通过硅与碳的机械结合制造而成。与Si-C相比，SiOx的体积膨胀较小，但初始库仑效率（ICE）偏低被视为短板；Si-C的初始库仑效率较高，但在体积膨胀方面处于不利位置。材料企业正分别强化自身优势、弥补弱点，开发多种工艺。

单壁碳纳米管结构（来源 LG能源解决方案提供）

为减轻膨胀现象，也会同时使用碳纳米管（CNT）材料作为导电剂。导电剂与正极或负极材料一同使用，起到促进电子流动的作用。特别是向硅负极材料中添加CNT导电剂，可以在一定程度上抑制体积膨胀。CNT导电剂由6个碳原子相互连接并卷曲成圆筒形结构组成。

用于硅负极材料的CNT导电剂主要采用单层结构的单壁碳纳米管（SWCNT）。SWCNT曾由俄罗斯企业OCSiAL独家生产，但随着日本Zeon以及韩国NanoNewMaterial、Cubon、J-O等企业相继进入市场，竞争格局正在形成。

特斯拉有望用于4680电池……通用·大众也表现出兴趣

尽管存在技术难题，电池行业普遍认为硅负极材料终将实现普及。特斯拉正推进在4680圆柱形电池中应用硅负极材料的方案。向特斯拉供应电池的松下公司今年7月宣布，将从英国初创企业Nexeon采购硅负极材料。松下计划自2025年起，在堪萨斯工厂生产采用Nexeon负极材料的锂离子电池。Nexeon曾因SKC在2021年向其投资8000万美元（约1042亿韩元）而备受关注。

除特斯拉外，通用汽车（General Motors，GM）、福特（Ford）、BMW等整车企业也已搭载或计划搭载硅负极电池。韩国本土代表性硅负极材料企业大宙电子材料向SK On供应硅负极材料，也进一步提升了市场期待。大宙电子材料自2019年起便向LG能源解决方案供应硅负极材料。LG能源解决方案的这款电池已应用于保时捷Taycan电动车。大众汽车在2021年的“Power Day”活动上曾表示，将为提升能量密度和缩短充电时间而扩大硅负极材料的应用。

BMW在电动车新款i7车型上搭载了三星SDI的P5（原Gen5）电池，该电池采用高镍正极材料和硅负极材料。三星SDI应用了其自有技术“SCN（Silicon Carbon Nanocomposite，硅碳纳米复合体）”。通用汽车于2022年9月宣布，将与位于美国帕洛阿尔托的硅负极开发初创企业OneD Battery Science开展合作。通用汽车旗下GM Ventures还向该公司投资了2500万美元（约325亿韩元）。

浦项制铁·SK·乐天·Hansol等大企业也宣布入局

材料企业的动作同样频繁。全球范围内，硅负极材料领军企业包括中国的BTR（贝特瑞）和日本信越化学（Shin Etsu）。在韩国，大宙电子材料率先实现硅负极材料商业化。该公司截至2023年的产能约为3000吨（t），计划在2024年扩至1万吨、2025年扩至2万吨。

浦项制铁集团、SK集团等大企业也竞相投入硅负极材料开发。

浦项制铁控股公司于2022年7月收购掌握SiOx技术的Terra Technos，并将其更名为Posco Silicon Solution，纳入子公司体系。该公司正在浦项迎日湾工业园区建设年产450吨规模的一期工厂。生产石墨负极材料的Posco Future M也在开发基于SiOx和Si-C的负极材料，目标在2026年实现量产。Posco Future M还在开发由100%硅构成的纯硅负极材料。

SK Materials于2021年与美国电池材料企业Group14合资成立了SK Materials Group14。该公司于2023年在庆北尚州建成年产2000吨规模的硅负极材料工厂。对英国Nexeon进行股权投资并签订许可协议的SKC，则设立了硅负极材料子公司Ultimus。该公司计划利用Nexeon技术，自明年1月起试生产硅负极材料。

Lottematerials于2023年7月与掌握硅负极技术的法国初创企业Enwires签署股权投资协议，计划自2027年起进入量产阶段。Hansol Chemical则投资850亿韩元，在全北益山推进SiC体系硅负极材料的量产准备。LG化学也在推进纯硅材料的开发。

Enervate正在开发的硅负极电池（图片由Enervate提供）

海外企业的动作同样活跃。位于美国加利福尼亚州尔湾的Enevate迄今已获得由雷诺-日产-三菱联盟成立的Alliance Ventures、LG化学以及三星风险投资等机构共计约1.91亿美元投资。该公司正在开发一款可在5分钟内补能400公里续航里程的硅负极电池。该公司表示，在负极活性物质中使用了70%的纯硅，实现了3000mAh/g的能量密度，初始库仑效率超过90%。但据悉尚未进入商业化阶段。今年9月，该公司宣布与美国电池企业NantG签署合作伙伴关系协议，共同生产下一代高性能电池。

另一家美国初创企业Amprius也在开发纯硅技术。该公司表示，正与合作伙伴测试一款单位质量能量密度为450Wh/kg、可在6分钟内充至80%的硅负极电池。Hyundai Engineering于2021年曾向Amprius投资约140万美元股权。

<参考文献>

Digital Daily，《特斯拉4680电池推进应用“硅负极材料”》，2023.5.4
CeanTechnica，《Panasonic To Produce Higher-Energy-Density Batteries In USA With Silicon From Nexeon》，2023.7.25
Techcrunch，《GM partners with and invests in OneD Battery Sciences in quest for cheap, energy-dense EV batteries》，2022.9.29
新韩投资证券，《二次电池材料下一步是Si+ CNT》，2023.3.15
Hana证券，《硅负极材料及CNT导电剂市场分析》，2023.6.5
Enevate官网
Amprius官网

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。