鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:424次 | 2023年01月03日
你的電池,"摻硅補(bǔ)鋰"了嗎?
一個(gè)新技術(shù)從提出到應(yīng)用,是要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)的。
這幾年,汽車行業(yè)玩概念非常厲害。比如,最近的摻硅補(bǔ)鋰。這個(gè)概念是智己汽車在一月十三日的首場公布會(huì)上提出來的。按照智己汽車的說法,通過這個(gè)技術(shù),能實(shí)現(xiàn)電池單體300Wh/kg能量密度,并且電動(dòng)汽車能實(shí)現(xiàn)1000km的續(xù)航里程。
除此之外,一月八日,國軒高科首次亮相了210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品,技術(shù)上,采用了關(guān)鍵的高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)。
一月九日,蔚來汽車公布了150kWh固態(tài)電池,據(jù)稱該產(chǎn)品采用了無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù),另外結(jié)合超高鎳正極,使得電池能量密度或可達(dá)到360Wh/kg。而且,這款電池
而智己公布之后,一月十八日廣汽集團(tuán)透露,搭載硅負(fù)極電池技術(shù)的車型已按計(jì)劃進(jìn)入實(shí)車測試階段,產(chǎn)品計(jì)劃今年上市。一時(shí)間,有關(guān)電池?zé)狒[非凡。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
其實(shí),摻硅補(bǔ)鋰這個(gè)概念是把摻硅和補(bǔ)鋰這兩個(gè)技術(shù)合起來說的,負(fù)極摻硅是為了提升能量密度,補(bǔ)鋰則是為了提升首效和循環(huán)壽命。這兩個(gè)技術(shù)結(jié)合起來的期貨概念,實(shí)際上并不是像固態(tài)電池這樣的顛覆式革新,而是種像CTP相同的優(yōu)化技術(shù)。那么,這個(gè)合體技術(shù),有什么好處呢?以及,是如何達(dá)成這個(gè)技術(shù)的呢?
何謂摻硅?難點(diǎn)在哪里?
我們了解,要提升電池能量密度,電池的正極和負(fù)極材料的比容量(指單位質(zhì)量或體積的電池或活性物質(zhì)所能放出的電量)都要提升。正極材料目前一般采用高鎳,比如我們所說的NCM811電池,而負(fù)極采用石墨負(fù)極。
現(xiàn)在,硅基負(fù)極替代石墨負(fù)極的時(shí)刻即將來臨。而且,隨著TSLA在量產(chǎn)的Model3上對硅碳負(fù)極的成功應(yīng)用,這種示范用途,也使硅基負(fù)極迎來更為廣闊的市場。
之所以選擇硅做負(fù)極,是基于硅基負(fù)極材料的理論克容量是4200mAh/g,高于石墨負(fù)極10倍有余。這是硅基負(fù)極的優(yōu)勢所在。目前來看,有兩種硅基負(fù)極材料。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備
一種是硅碳負(fù)極,即納米硅和石墨摻混使用,理論克容量超過3000mAh/g,但實(shí)際剛超2000mAh/g;另一種是硅氧負(fù)極,氧化亞硅摻混石墨作為負(fù)極,大致克容量為1400-1800mAh/g。
應(yīng)用方面,國內(nèi)3C產(chǎn)品一般用到硅碳負(fù)極比較多。而動(dòng)力鋰電池方面,一般采用硅氧負(fù)極比較多。
實(shí)際上,研發(fā)硅材料以應(yīng)用于鋰電池負(fù)極始自上世紀(jì)90年代,直至2013、2014年才分別實(shí)現(xiàn)硅碳負(fù)極、硅氧負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化。而松下是2017年批量應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池,供應(yīng)TSLA。
此外,三星、LG化學(xué)的硅基負(fù)極,目前重要應(yīng)用于消費(fèi)電池領(lǐng)域。日本GS湯淺的硅基負(fù)極材料鋰電池,應(yīng)用在三菱汽車上。兩家還組建了合資公司。整體而言,硅基負(fù)極的真正產(chǎn)業(yè)化歷程還很短。
但是,硅基材料最大的缺點(diǎn),就是膨脹率高。硅負(fù)極充放電膨脹可達(dá)320%左右,而普通石墨僅為10%左右。電池在正常工作狀態(tài)下極高的膨脹和收縮彈性頻繁發(fā)生,電池的循環(huán)壽命將會(huì)縮減,微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。也就是說,雖然克容量提升,但是循環(huán)壽命卻縮短了,有點(diǎn)得不償失。
此外,硅基負(fù)極不僅應(yīng)用難度大,目前能夠量產(chǎn)的公司也不多。根據(jù)高工鋰電的調(diào)研,目前國內(nèi)只有貝特瑞能夠大批量供貨,并進(jìn)入松下的供應(yīng)鏈,間接供應(yīng)TSLA,目前產(chǎn)量約3000噸。
另外,國內(nèi)還有翔豐華、硅寶科技、杉杉股份、中科電氣等公司,已經(jīng)建設(shè)了硅負(fù)極材料中試線,但多數(shù)仍處于前期技術(shù)驗(yàn)證階段,尚未大批量生產(chǎn)。從這個(gè)情況來看,未來一段時(shí)間內(nèi),石墨負(fù)極材料仍然將是主流。
而從需求來說,根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)前市場需求重要集中在容量為420mAh/g、450mAh/g的兩款硅基負(fù)極材料,更高克容量的硅基負(fù)極的應(yīng)用市場還沒成熟。畢竟,硅基負(fù)極制備工藝復(fù)雜,無標(biāo)準(zhǔn)化工藝,技術(shù)壁壘高(難度重要在于硅材料納米化及和硅碳復(fù)合材料的制備工藝)。
此外,產(chǎn)量少,也就意味著單價(jià)高。根據(jù)國盛證券數(shù)據(jù),最低端的硅基負(fù)極價(jià)格均在10萬元以上。不過,新技術(shù)的誕生及應(yīng)用也意味著新市場的打開。這是鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈公司的期望所在。
而從材料方面來講,按照業(yè)內(nèi)人士的說法,采用納米硅以后,硅基負(fù)極電池能量密度可以提升5~10%。按照目前行業(yè)內(nèi)每年鋰電池能量密度的提升平均在2%左右來算,這5%能量密度提升非常不容易了。
在摻硅方面,專利的競爭也在進(jìn)行中。比如,華為近日公開了一份硅碳復(fù)合材料及其制備方法和鋰電池的發(fā)明專利。據(jù)稱,采用該專利供應(yīng)的硅碳復(fù)合材料的電池循環(huán)500周容量保持率為80%。當(dāng)然,還有更多的國內(nèi)公司也在追趕中。
如何補(bǔ)鋰?
說完摻硅,再說補(bǔ)鋰。一句話,補(bǔ)鋰就是預(yù)鋰化技術(shù)。
這是因?yàn)椋捎霉柝?fù)極后,首次庫倫效率低的問題就比較突出。就是由于硅的膨脹比較大,這讓硅表面的SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜)始終處于破壞-重構(gòu)的動(dòng)態(tài)過程中,最終導(dǎo)致SEI膜厚度持續(xù)新增,界面阻抗升高,活性物質(zhì)消耗,致使容量衰減,首效降低。
而這種首次充電時(shí)的大量鋰損耗,是不可逆的。為了保障電池的容量,就要把損失的鋰補(bǔ)回來,這種技術(shù)就是預(yù)鋰,目的是延長鋰電池的循環(huán)壽命。
那么,石墨負(fù)極和硅負(fù)極首次充放電的鋰損耗各是多少呢?通過研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的石墨材料有5~10%的首次不可逆鋰損耗,而關(guān)于高容量負(fù)極材料,首次鋰損耗甚至更高。而硅材料的不可逆鋰損耗達(dá)15~35%。所以,摻硅和補(bǔ)鋰同時(shí)進(jìn)行就成為必然。
說到補(bǔ)鋰技術(shù),則又分為正極補(bǔ)鋰和負(fù)極補(bǔ)鋰。不過,根據(jù)業(yè)內(nèi)專家的說法,目前公司采用負(fù)極補(bǔ)鋰技術(shù)的較多。方法大致有通過電化學(xué)預(yù)鋰化、直接接觸短路法這樣簡單有效的方式。不過這對環(huán)境的要求高,如無氧、無水、干燥環(huán)境等,是大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)所在。
此外,還有一種采用金屬鋰粉進(jìn)行預(yù)鋰化的方法,也是目前商業(yè)化最有效、最直接的方法。不過,這種工藝關(guān)于生產(chǎn)環(huán)境的要求非常之高,要研發(fā)密閉的混漿設(shè)備,而且要防止高速攪拌帶來電極材料、導(dǎo)電劑等燃燒的安全隱患。
可以這么說,預(yù)鋰化的產(chǎn)業(yè)化難度極大。難點(diǎn)在于,就像國軒高科工程研究總院常務(wù)副院長徐興無說的,鋰金屬是最活潑的金屬之一,空氣中的微量水分,都可能引發(fā)鋰金屬的燃燒甚至爆炸。所以,業(yè)內(nèi)關(guān)于預(yù)鋰技術(shù)多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
當(dāng)然,由于預(yù)鋰化的好處是顯而易見的,目前包括CATL、國軒高科、萬向一二三、微宏動(dòng)力、天津巴莫等公司也都在積極布局,尋求突破。
從申請專利上來看,目前CATL在這一領(lǐng)域的專利數(shù)量最多,智己汽車搭載的摻硅補(bǔ)鋰電池正是來自CATL。此外,還有國軒高科表示其自研的預(yù)鋰化技術(shù),已經(jīng)能夠真正進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用,在這一技術(shù)上有了重大突破。這種你爭我奪的態(tài)勢,應(yīng)該會(huì)成為一種常態(tài)。
踏實(shí)才是正道
不過記者在此要說一句,一個(gè)新技術(shù)從提出到應(yīng)用,是要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)的,包括材料、設(shè)備、制造等多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同推進(jìn),甚至要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的精進(jìn),一起協(xié)同去降低成本、不斷完善技術(shù)。
摻硅補(bǔ)鋰的用途有目共睹,不過,我們也要了解,通過預(yù)鋰化技術(shù)來解決氧化亞硅材料首效低的問題,是國外廠商率先采用的。國內(nèi)的公司相比于日韓公司仍然有一定的差距,當(dāng)然,這種差距正在不斷縮小,甚至在某些指標(biāo)上國內(nèi)公司做到了一定的優(yōu)勢。
而在硅碳負(fù)極方面的研發(fā)和應(yīng)用方面,我們還面對著較高的技術(shù)壁壘。國外,目前日立化成是全球最大的硅碳負(fù)極供應(yīng)商,TSLA使用的硅碳負(fù)極材料就由其供應(yīng)。另外日本信越、吳宇化學(xué)、美國安普瑞斯等也可供應(yīng)硅碳負(fù)極產(chǎn)品。國內(nèi)的情況,前面也說了,只有內(nèi)特瑞能量產(chǎn)??梢哉f,差距還是很明顯的。
但是,國內(nèi)摻硅補(bǔ)鋰這個(gè)技術(shù)在頻繁在車企、電池公司甚至央視新聞報(bào)道中出現(xiàn),說到底是宣傳的用途大于實(shí)際。別的不說,蔚來提固態(tài)電池這個(gè)概念,講法就很不嚴(yán)謹(jǐn)。這款電池只是利用無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù),離真正的固態(tài)電池還很遠(yuǎn)。
而且,摻硅和補(bǔ)鋰,都是基于現(xiàn)有材料和技術(shù)的優(yōu)化,并不是達(dá)成材料的革命性變化。當(dāng)然,無論三元還是磷酸鐵鋰,通過摻硅補(bǔ)鋰能提高部分能量密度,有實(shí)際應(yīng)用的積極意義。在目前材料體系下能量密度已經(jīng)接近瓶頸時(shí),是比較可行的技術(shù),值得稱贊。
然而,關(guān)于國內(nèi)公司來說,摻硅補(bǔ)鋰還處在剛開始量產(chǎn)應(yīng)用的階段。能不能達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度,各車企都還在探索,這跟前年熱炒的CTP是一個(gè)道理,真正應(yīng)用是有個(gè)過程,我們要戒驕戒躁,沉下心來做事。最要不得的,就是只是想吸引資本注意。