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十年磨一劍，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化迎來(lái)關(guān)鍵“賽點(diǎn)”。
2023下半年，硅基負(fù)極作為鋰電上游材料，在新能源汽車(chē)終端中刮起應(yīng)用“風(fēng)潮”，“負(fù)極摻硅”高性能動(dòng)力電池裝車(chē)持續(xù)“升溫”。
在國(guó)內(nèi)，以寧德時(shí)代麒麟電池為代表，繼今年4月量產(chǎn)首發(fā)極氪009之后，麒麟電池5C版本9月初官宣搭載理想MEGA。麒麟電池憑借其長(zhǎng)續(xù)航、快充、熱穩(wěn)定性等性能優(yōu)勢(shì)正在不斷擴(kuò)大裝機(jī)車(chē)型。
在海外， “負(fù)極摻硅”的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)同樣也開(kāi)始摁下快進(jìn)鍵。除特斯拉傾注全力推進(jìn)應(yīng)用硅基負(fù)極的4680電池商用外，奔馳、寶馬、保時(shí)捷、沃爾沃等車(chē)企也在“負(fù)極摻硅”電池裝車(chē)的道路上“高歌猛進(jìn)”。
事實(shí)上，硅基負(fù)極除了在動(dòng)力領(lǐng)域起勢(shì)，憑借其在鋰電應(yīng)用中高能量密度、高倍率等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)工具、消費(fèi)電子等市場(chǎng)，硅基負(fù)極的應(yīng)用已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，如小米、榮耀等手機(jī)品牌在2023年發(fā)布的新品中創(chuàng)新使用了硅碳負(fù)極。
應(yīng)用市場(chǎng)的火熱似乎預(yù)示著，硅基負(fù)極“未來(lái)已來(lái)”。
出貨方面，高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)硅基負(fù)極復(fù)合后出貨量為1.6萬(wàn)噸，隨著數(shù)碼及動(dòng)力領(lǐng)域的帶動(dòng)，有望在未來(lái)保持高增長(zhǎng)勢(shì)頭。
產(chǎn)能方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年硅基負(fù)極規(guī)劃產(chǎn)能超20萬(wàn)噸/年，包括杉杉股份、璞泰來(lái)等石墨頭部負(fù)極企業(yè)。近日，高工鋰電獨(dú)家獲悉，深圳索理德已在江蘇啟動(dòng)建設(shè)硅碳萬(wàn)噸產(chǎn)線，并于年內(nèi)投產(chǎn)。
技術(shù)方面，硅碳材料近期取得了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)進(jìn)展，新技術(shù)路線——多孔硅碳為行業(yè)帶來(lái)解決硅基負(fù)極穩(wěn)定性能與成本問(wèn)題的希望，吸引產(chǎn)業(yè)上下游爭(zhēng)相試水，天目先導(dǎo)、蘭溪致德、索理德等一批聚焦于硅碳材料的創(chuàng)新企業(yè)正在硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化痛點(diǎn)上做著重點(diǎn)攻關(guān)。
一系列產(chǎn)業(yè)變化釋放出信號(hào)，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化競(jìng)賽已經(jīng)來(lái)到賽點(diǎn)。行業(yè)分析認(rèn)為，隨著多孔硅碳的突破性進(jìn)展和應(yīng)用，硅基負(fù)極在動(dòng)力電池的領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)入產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)入快速階段。而率先在該領(lǐng)域前瞻卡位的負(fù)極企業(yè)有望在市場(chǎng)窗口期獲得突破性進(jìn)展，在未來(lái)的負(fù)極競(jìng)爭(zhēng)格局中占領(lǐng)一席之地。
動(dòng)力電池TOP行列，基于硅基負(fù)極開(kāi)啟創(chuàng)新競(jìng)賽
2023年以來(lái)，中國(guó)電動(dòng)化滲透率連續(xù)6個(gè)月超過(guò)30%，面向更深、更廣的電動(dòng)化市場(chǎng)，續(xù)航、補(bǔ)能依然是制約消費(fèi)者選擇新能源汽車(chē)的關(guān)鍵。
續(xù)航方面，現(xiàn)階段主流純電動(dòng)車(chē)型續(xù)航在400-700公里不等，但從車(chē)企近期推出的車(chē)型來(lái)看，車(chē)型在續(xù)航里程上越來(lái)越“卷”，尤其在高端、旗艦車(chē)型，超800公里已不新鮮，900、1000公里才算得上“高端”調(diào)性。
補(bǔ)能方面，電池的快充性能從2C走向4C、6C，巨灣技研在6月初發(fā)布的鳳凰電池技術(shù)甚至實(shí)現(xiàn)了最高8C的水平。
如何破除里程焦慮、補(bǔ)能焦慮？在完善充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、降低整車(chē)電耗的同時(shí)，提升電池性能依舊是最見(jiàn)成效的方式之一?；诟吣芰棵芏?、快充性能需求，鋰電負(fù)極材料正加速硅基負(fù)極滲透。
從鋰電材料體系看來(lái)，目前鋰電池負(fù)極材料以石墨為主，其雖有高電導(dǎo)率和穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，但在能量密度方面的發(fā)展已接近其理論最大值372mAh/g 。而硅材料的理論容量高達(dá)4200mAh/g，可實(shí)現(xiàn)對(duì)這一限制的超十倍擴(kuò)容。因其在能量密度上發(fā)展?jié)摿?，硅基?fù)極被視為下一代理想負(fù)極。
基于此優(yōu)勢(shì)，特斯拉4680、寧德時(shí)代麒麟電池等新電池都將硅基負(fù)極應(yīng)用作為電池材料創(chuàng)新的核心亮點(diǎn)。全球動(dòng)力電池企業(yè)正蓄勢(shì)待發(fā)，圍繞硅基負(fù)極材料進(jìn)行密集電池創(chuàng)新。
據(jù)高工鋰電不完全梳理，寧德時(shí)代、億緯鋰能、蜂巢能源等頭部電池企業(yè)已憑借其硅基負(fù)極的性能優(yōu)勢(shì)，落地高能量密度電池產(chǎn)能，搶占市場(chǎng)。
電池企業(yè)對(duì)硅基負(fù)極的探索向上游材料企業(yè)釋放出重要信號(hào)：
一、大圓柱電池將成為硅基負(fù)極在動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵突破口
實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并進(jìn)入裝車(chē)階段的“負(fù)極摻硅”電池能量密度已超250Wh/kg，且隨著大圓柱產(chǎn)業(yè)化成熟，300Wh/kg或?qū)⒊蔀閼?yīng)用硅基負(fù)極電池的門(mén)檻性指標(biāo)。如何適配大圓柱電池結(jié)構(gòu)是硅基負(fù)極材料企業(yè)眼下應(yīng)考慮的關(guān)鍵。
二、應(yīng)用端對(duì)硅基負(fù)極的性能潛力開(kāi)發(fā)將延續(xù)到半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)等未來(lái)新型電池領(lǐng)域
硅基負(fù)極將貫穿鋰電池半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)等未來(lái)新領(lǐng)域，硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化與創(chuàng)新迭代將貫穿鋰電池的可見(jiàn)未來(lái)。
動(dòng)力領(lǐng)域呼吁迫切，硅基負(fù)極廠家沖刺關(guān)鍵“賽點(diǎn)”
至今，硅基負(fù)極在商業(yè)化落地的道路上已走了數(shù)十年。
回顧其商用歷程，硅基負(fù)極切入動(dòng)力市場(chǎng)晚于消費(fèi)電子、電動(dòng)工具等市場(chǎng)，究其原因是動(dòng)力電池對(duì)循環(huán)有大于1000次的高門(mén)檻要求，這對(duì)易膨脹、不穩(wěn)定的硅基負(fù)極的性能突破需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
目前，材料整體各項(xiàng)性能指標(biāo)大體穩(wěn)定，基本滿足動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用要求，隨著動(dòng)力需求的上升與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速，GGII預(yù)計(jì)2023年硅基負(fù)極復(fù)合后出貨有望超2.7萬(wàn)噸，同比增速有望超65%，未來(lái)3年內(nèi)復(fù)合增長(zhǎng)率有望超60%。
2023年初，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化提速現(xiàn)“曙光”，多孔硅碳技術(shù)路線的出現(xiàn)讓硅碳負(fù)極材料的性能實(shí)現(xiàn)了群體性突破，國(guó)外的如Group14，國(guó)內(nèi)的如天目先導(dǎo)、蘭溪致德、索理德等都達(dá)到了以下性能：
●循環(huán)次數(shù)1000次以上；●首效90%以上；
●克容量1800mAh/g。
尤其是循環(huán)次數(shù)突破1000次，已滿足動(dòng)力市場(chǎng)對(duì)循環(huán)性能的基本要求，使硅基負(fù)極材料在動(dòng)力電池的規(guī)模應(yīng)用成為可能。
從負(fù)極材料廠家到電芯廠家，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成普遍共識(shí)：多孔硅碳將是硅基負(fù)極材料未來(lái)的主流方向。
理論上，多孔硅碳負(fù)極能在電池應(yīng)用中打破安全、性能與成本的“不可能三角”。
高工鋰電了解到，從業(yè)內(nèi)對(duì)多孔硅碳樣品的測(cè)試情況來(lái)看，多孔硅碳克容量、首效、循環(huán)次數(shù)、倍率等多個(gè)維度性能表現(xiàn)優(yōu)異。并且在生產(chǎn)方面，多孔硅碳硅基負(fù)極可減少預(yù)鋰、預(yù)鎂，相比于硅氧路線具有大幅降本的潛力。
盡管在膨脹方面，多孔硅碳還不能與石墨相比，但已經(jīng)處于可商用的狀態(tài)。
硅碳負(fù)極的主流廠家，正在解決多孔硅碳的可生產(chǎn)性問(wèn)題，提升材料性能，加快多孔硅碳的商用化進(jìn)程。
天目先導(dǎo)低膨脹、高容量、長(zhǎng)循環(huán)方面表現(xiàn)更好的三代硅碳已進(jìn)入中試階段，并在持續(xù)提升1-10nm的硅在導(dǎo)電介質(zhì)中的均勻分散性。
蘭溪致德的核心優(yōu)勢(shì)則在設(shè)備、原材料的一體化集成，其自研設(shè)備打破海外龍頭硬件壟斷，實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)的同時(shí)硅基負(fù)極性能達(dá)到全球領(lǐng)先水平。
索理德則采用自研的“包覆自修復(fù)”專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硅碳材料的穩(wěn)定成型，對(duì)硅碳材料的首效、庫(kù)倫效率、不產(chǎn)氣的可生產(chǎn)性做了進(jìn)一步提升。在多孔硅碳技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，包覆方案對(duì)充放電循環(huán)過(guò)程中形成的SEI膜，能有效地抑制SEI的生長(zhǎng)以及材料的粉化，進(jìn)一步減少對(duì)電解液中鋰離子的消耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯整體成本的降低。
頭部企業(yè)集中發(fā)力，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化星辰大海
在性能上，硅基負(fù)極已達(dá)到動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用的門(mén)檻性要求，隨著相關(guān)設(shè)備、技術(shù)逐漸成熟、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展加快，硅基負(fù)極估計(jì)有望打開(kāi)鋰電池新時(shí)代。
除了性能達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)硅基負(fù)極規(guī)?；逃玫牧硪淮箨P(guān)鍵則為成本控制，這也是此前導(dǎo)致硅基負(fù)極商用遲滯的原因之一。
為了比較硅基材料與石墨材料的成本，從當(dāng)量單位克容量的角度比較兩者應(yīng)是更為“公平”的方式。（當(dāng)量單位克容量= 材料的成本/材料的克容量）
從當(dāng)量單位克容量上看，以目前技術(shù)較為成熟的硅氧產(chǎn)品為例，當(dāng)量單位克容量成本是石墨當(dāng)量單位克容量成本的5倍。按在石墨中摻硅10%計(jì)算，電芯的整體成本增加了約5%。在對(duì)利潤(rùn)空間愈發(fā)敏感的電池產(chǎn)業(yè)，下一步，通過(guò)規(guī)?；⒐こ袒芰?shí)現(xiàn)性能與降本的極致平衡或?qū)⒊蔀殛P(guān)鍵。
在此背景下，下游電池企業(yè)以及車(chē)企，對(duì)理論上有大幅降本空間且兼顧性能優(yōu)勢(shì)的多孔硅碳技術(shù)路線表現(xiàn)出了濃厚興趣。吉利8月底投資項(xiàng)目資金便用于多孔硅碳負(fù)極的產(chǎn)能投建。此外，電池端國(guó)軒高科已分享在多孔硅碳路線上的最新進(jìn)展，比克電池也公開(kāi)表示對(duì)多孔硅碳路線的關(guān)注。
在多孔硅碳的產(chǎn)品構(gòu)成中，硅烷氣體占了總成本的50%，多孔硅碳前驅(qū)體多孔炭占了總成本超35%。硅烷氣體屬于危險(xiǎn)氣體，運(yùn)費(fèi)成本占了硅烷氣體成本的30%。
為降低這兩種核心原材料的成本，主流硅基負(fù)極廠家都在積極探索不同的降成本路徑：
天目先導(dǎo)與硅烷科技合作，在河南襄城縣建設(shè)萬(wàn)噸硅碳生產(chǎn)基地，以期降低主材料硅烷氣體的成本。
蘭溪致德自建硅烷生產(chǎn)線和多孔炭生產(chǎn)線。
索理德采用與硅烷氣體廠家深度合作及其它方式系統(tǒng)化降低成本。索理德總裁王守臣博士今年8月公開(kāi)表示，索理德已經(jīng)找到一條系統(tǒng)化、工程化的方法，在未來(lái)2～3年，把硅碳量產(chǎn)成本降到當(dāng)前成本的1/3以下，達(dá)到與石墨一樣的當(dāng)量單位克容量成本水平。
整體看來(lái)，硅基負(fù)極步入產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵期，賽道涌入新老選手，他們或有創(chuàng)新技術(shù)或有長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)業(yè)化摸索經(jīng)驗(yàn)，手握各自的底牌，將下一代理想負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化賽程推入深度角力，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化來(lái)到“賽點(diǎn)”。
一個(gè)明顯的變化是，近期包括天目先導(dǎo)、蘭溪致德、索理德等硅基負(fù)極企業(yè)都在持續(xù)加碼硅碳路線。
天目先導(dǎo)硅碳產(chǎn)品穩(wěn)定性、批次重復(fù)性、工程化能力等方面目前走在行業(yè)前列。據(jù)悉，2023年底，天目先導(dǎo)一期10000噸硅碳負(fù)極項(xiàng)目將全部建成。
蘭溪致德產(chǎn)品技術(shù)、性能?chē)?guó)內(nèi)領(lǐng)先。2022年硅碳負(fù)極產(chǎn)能超2000噸，在建一體化硅碳負(fù)極項(xiàng)目一期8000噸，此外配套原材料硅烷規(guī)劃產(chǎn)能達(dá)5000噸。
索理德“包覆自修復(fù)”專利技術(shù)正獲產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注，通過(guò)該技術(shù)使多孔硅碳的首效、庫(kù)侖效率、循環(huán)性能等都有所提升。索理德的萬(wàn)噸多孔硅碳產(chǎn)線，將于2023年底投入使用。
硅基負(fù)極在長(zhǎng)時(shí)的發(fā)展中，近期再次受到產(chǎn)業(yè)上下游以及資本的集中關(guān)注，這也從側(cè)面印證著，動(dòng)力電池從有到好的發(fā)展已經(jīng)來(lái)到臨界點(diǎn)，急需推動(dòng)如硅基負(fù)極一類的變革性創(chuàng)新材料產(chǎn)業(yè)化，為電池迭代升級(jí)注入新動(dòng)能。
受快充、高比能等高性能動(dòng)力電池需求的增長(zhǎng)，硅基負(fù)極有望在現(xiàn)階段乘上大圓柱電池產(chǎn)業(yè)化的東風(fēng)起量，未來(lái)的半固態(tài)、凝聚態(tài)、固態(tài)電池時(shí)代，在永續(xù)的鋰電池技術(shù)發(fā)展中，硅基負(fù)極將持續(xù)保持生命力。
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