硅基负极材料因其高比容量、快充等优势,被业界一致视作理想的下一代锂电池负极材料,目前已经在一些场景逐步开启规模级应用,市场空间加速打开。
在消费电子领域,各大手机厂商包括小米、华为等品牌的旗舰机型,均搭载了硅基负极技术的电池。在新能源车领域,包括特斯拉、比亚迪、蔚来、极氪、奔驰等众多车企,都已经开始或即将在部分车型上搭载硅基负极动力电池。此外,在电动飞机、机器人等高性能需求场景中,硅基负极亦具有广阔应用前景。
目前,采用高镍三元正极和硅基负极材料,电池能量密度已经可以达到300Wh/kg以上。比如蔚来汽车发布150kWh电池包,采用无机预锂化硅碳负极技术,电芯能量密度达到360Wh/kg;正力新能的双重半固态超长续航大圆柱电池正力骐龙,采用超高镍正极+高硅负极材料体系,电芯能量密度达306Wh/kg。
随着技术的加速成熟,硅基负极有望释放潜力,市场空间非常广阔。据业内研究机构预计,到2028年全球硅基负极材料(纯品)用量将达到约9万吨,对应市场空间228亿元;其中动力电池用量约7.8万吨,对应市场空间192亿元。
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众玩家争相布局
负极材料作为电池的重要材料之一,虽然成本占比较小,但对电池性能的影响很大。目前,石墨负极材料已接近其理论比容量的最高值372mAh/g。因此为提升锂电池的能量密度,需开发更高比容量的负极材料。硅基负极理论容量达石墨负极的10倍之多,达到4200mAh/g,可显著提升电池能量密度。
不仅如此,在高倍率快速充电的场景下,硅基负极材料的安全性也优于当前市场主流的石墨负极材料。同时,硅基负极还具有环境友好性,在生产和使用过程中对环境的影响较小。
据有关国际机构统计,目前全球涉足硅基负极材料研发的中国、韩国、欧美企业,已经增加到70家以上。目前宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、孚能科技、力神电池、欣旺达等电池厂商,都在积极引入硅基负极,贝特瑞、杉杉股份、翔丰华、中科电气等材料厂商都在大力布局。
今年4月初,国家知识产权局信息显示,亿纬锂能申请了一项名为“改性硅负极材料、改性硅负极材料的制备方法、负极片和电池”的专利,能够有效改善硅负极材料膨胀率大的问题。在此之前,亿纬锂能公布的一项专利,提供了一种创新的快充硅负极材料及其制备方法,该材料在保持高能量密度的同时,还能在6C快充下展现出卓越的性能。
欣旺达近期在互动平台表示,该公司有硅碳负极电池生产工艺,目前已大规模应用于消费电子领域。消费电子类产品的国家补贴政策,对该公司将起到积极的作用。孚能科技透露,该公司目前半固态电池已迭代至第五代硅碳负极,在内部体系验证和供应商配套上都十分成熟,在全固态电池大规模应用之前,硅碳负极仍将是该公司主流选择。
在材料厂商方面,贝特瑞的硅碳负极材料已经开发至第五代产品,比容量达2000Ah/g以上,硅氧负极材料已完成多款氧化亚硅产品的技术开发和量产工作,比容量达到1500Ah/g以上。杉杉股份自2009年就开始硅基负极的研发,目前已实现产品批量供应,并布局宁波4万吨/年一体化硅基负极产能基地。
据了解,联创锂能2024年硅碳负极材料产品供货已扩至吨级。翔丰华表示,该公司硅碳负极产品已移交多家电池厂商进行客户测试。道氏技术表示,该公司硅碳负极材料具备首效高、快充放性能、低膨胀和优异循环性能,目前已送样相关下游厂商,部分产品已实现销售。
“硅碳负极因其高能量密度等性能优势,在固态电池当中具有较好的应用前景。”中科电气表示,该公司对硅基类负极(包括面向固态电池的硅碳负极)有持续投入,目前已建设完成中试产线,且有产品进入多家客户测评和平台开发阶段。
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赛道进入关键阶段
硅碳和硅氧是硅基负极材料的两个主要技术方向。碳氧负极以氧化亚硅为核心材料,目前技术路线较为成熟,主要局限在于首次充放电效率低以及克容量的上限相对较低,单体容量范围为1300至1700mAh/g。而首效高的硅碳负极是电池厂中长期的选择方向,其技术迭代主要聚焦于防止SEI膜形成和降低膨胀。
“宁德时代从中长期提升能量密度的角度,鼓励材料厂商发展硅碳负极,尤其是化学气相沉积法。”据业内人士透露。硅碳负极主要有机械球磨法和气相沉积法(CVD法)两种工艺,CVD法硅碳负极通过多孔碳骨架来储硅,膨胀率低,循环优异,并且碳骨架本身密度小质量轻,使得材料能量密度更高,性能潜力大,预计将成为下一代硅碳主流路线。
值得注意的是,相较于已大规模应用多年的石墨负极,当前CVD沉积硅碳负极材料工艺技术仍然较为复杂、产品稳定性要求高,以及原材料尚未大规模生产等原因,导致其具有较高的门槛和成本。
不过从整体来看,硅碳负极赛道已进入“专利卡位+产能赛跑”的关键阶段,具备持续创新能力与量产经验的龙头企业将主导价值分配。未来几年,硅碳负极的出货量增长主要由消费类电子产品及电动车贡献,其它领域包括像低空经济、人形机器人等新兴市场,也将贡献增量。


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