高速增長(zhǎng)的鋰電市場(chǎng)前景，使得全產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)高性能鋰電池的技術(shù)探索充滿動(dòng)力。由于石墨負(fù)極材料的比容量已逐步接近理論極限值372mAh/g，理論比容量為4200mAh/g硅登上負(fù)極材料舞臺(tái)。盡管理論比容量更高，但由于硅的物理特性原因，其導(dǎo)電性較弱，體積膨脹率較高（>300%）、進(jìn)而造成更大的應(yīng)力問題、在多次循環(huán)中可能粉末化；同時(shí)，因?yàn)楣璨牧系谋缺砻娣e高于石墨，首次不可逆鋰損耗達(dá) 15%~35%——也因此，硅基負(fù)極材料的技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)工藝主要針對(duì)上述問題進(jìn)行攻克。

 

采用硅碳復(fù)合材料是當(dāng)前抑制膨脹、提高導(dǎo)電性的核心思路，并輔以各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步提高。國內(nèi)外負(fù)極材料及硅料產(chǎn)業(yè)諸多玩家均已紛紛沿著硅氧碳路線、硅碳路線、硅合金化路線進(jìn)行研發(fā)與生產(chǎn)布局；其中國內(nèi)玩家中，負(fù)極材料龍頭貝瑞特已率先于2021-2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其他國內(nèi)玩家主要在中試階段。根據(jù)GGII 統(tǒng)計(jì) 2021年我國硅基負(fù)極出貨量約1.1 萬噸。

 

“當(dāng)硅基負(fù)極材料首效達(dá)到90%以上、循環(huán)次數(shù)在1000次以上、單位生產(chǎn)成本與高端石墨基本持平時(shí)，硅基負(fù)極材料會(huì)存在滲透率的爆發(fā)。低端石墨會(huì)被取代，高端石墨可作為硅基負(fù)極物理摻混或化學(xué)復(fù)合用。當(dāng)前硅基負(fù)極材料主要在3C消費(fèi)類和4680動(dòng)力電池率先產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”昱瓴新能源創(chuàng)始人劉萍博士向36氪分享道。

 

昱瓴新能源于2019年正式運(yùn)營，是專注于高性能鋰電池負(fù)極材料（硅氧碳SiOC、硅碳SiC、多孔硅碳和人造石墨等）研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和解決方案的綜合供應(yīng)商，擁有自主開發(fā)的“低鋰耗”和“多孔硅基復(fù)合”核心技術(shù)，分別解決硅氧碳負(fù)極的首效、循環(huán)問題與硅碳負(fù)極的膨脹問題。

 

行業(yè)其他眾多玩家一般選擇“預(yù)鋰化”工藝來解決硅氧碳負(fù)極材料的首次不可逆鋰損耗問題，即在生產(chǎn)負(fù)極材料時(shí)便預(yù)先補(bǔ)充更多鋰粉或鋰鹽，來應(yīng)對(duì)額外的損耗，但是預(yù)鋰化工藝存在成本及安全性上的短板。隨著全球鋰電需求高速增長(zhǎng)，鋰資源的稀缺性日益逐步加深、鋰成本不斷上揚(yáng)，額外在電池材料中補(bǔ)充更多的鋰離子，也增加了析鋰的可能性、生長(zhǎng)出鋰枝晶導(dǎo)致隔膜破損、進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。

 

昱瓴新能源自主開發(fā)的“低鋰耗”技術(shù)，采用控制含氧量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌為基礎(chǔ)，結(jié)合碳包覆提升電子電導(dǎo)率、穩(wěn)定化學(xué)/電化學(xué)反應(yīng)界面、提升材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而達(dá)到高首效、長(zhǎng)循環(huán)的目的。

 

“以通俗的說法來說，‘低耗鋰’技術(shù)是增強(qiáng)自身“免疫力”，從而達(dá)到較低的鋰損耗；預(yù)補(bǔ)鋰技術(shù)是吃‘補(bǔ)藥’。有電池廠反饋，預(yù)鋰后的硅負(fù)極，漿料會(huì)變成渣子般或果凍般狀態(tài)，且流動(dòng)性不太好，或者伴有產(chǎn)氣現(xiàn)象，如果預(yù)鋰過量的話還會(huì)析鋰。”劉萍博士向36氪介紹。

 

從昱瓴新能源向36氪展示的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，采用“低鋰耗”技術(shù)的硅氧碳前驅(qū)體容量1600~1700mAh/g，設(shè)計(jì)成450mAh/g硅氧碳復(fù)合負(fù)極材料，摻混比例約8%，首次效率約90.5%；采用“預(yù)鋰化”技術(shù)的硅氧碳前驅(qū)體容量1300~1400mAh/g，設(shè)計(jì)成的450mAh/g硅氧碳復(fù)合負(fù)極材料，摻混比例約10%，首次效率91.5~92.0%?？梢姷弯嚭募夹g(shù)的首效已與預(yù)鋰技術(shù)非常接近。

 

在首效基本持平的情況下，低鋰耗技術(shù)擁有較大的成本優(yōu)勢(shì)。預(yù)鋰化技術(shù)一般分為材料端的預(yù)鋰化，由負(fù)極材料廠商執(zhí)行；以及工藝端的預(yù)鋰化，由電池廠執(zhí)行。前者的預(yù)鋰成本將轉(zhuǎn)嫁至電池廠承擔(dān)，后者成本轉(zhuǎn)嫁至下游車廠。根據(jù)昱瓴新能源提供的成本信息，昱瓴新能源的硅氧碳前驅(qū)體成本較國內(nèi)玩家預(yù)鋰化硅氧碳前驅(qū)成本低約40%-55%，較日本廠商的預(yù)鋰化硅氧碳前驅(qū)體成本低約70%-85%。

 

除“低鋰耗”硅氧碳負(fù)極材料主打產(chǎn)品外，多孔硅碳負(fù)極材料作為昱瓴新能源另一項(xiàng)自主研發(fā)產(chǎn)品。其三維多孔結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的快速傳輸，并提供一定的空間來緩沖活性物質(zhì)在嵌/脫鋰過程中的體積變化，釋放應(yīng)力/應(yīng)變，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；并進(jìn)一步通過復(fù)合金屬元素或石墨烯來提高多孔硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性能。

 

“多孔硅碳復(fù)合負(fù)極材料PSC1000，電化學(xué)性能測(cè)試在0.1C時(shí)比容量1172.1mAh/g，首次效率90.1%，0.5C循環(huán)100周容量保持率為94.5%。全電測(cè)試500周循環(huán)保持率在80%以上。這款產(chǎn)品的容量比較高，后續(xù)會(huì)從制備和電池體系兩方面進(jìn)一步優(yōu)化提高綜合性能。”劉萍博士介紹道。

 

高端人造石墨負(fù)極材料是馬上可以起量的正現(xiàn)金流項(xiàng)目以及硅基負(fù)極材料的基材項(xiàng)目，昱瓴新能源通過對(duì)人造石墨核心工藝優(yōu)化，簡(jiǎn)化了部分傳統(tǒng)工藝步驟，減少了全流程的損耗，從而提高了得料率。其中對(duì)石墨化工藝進(jìn)行大幅提效，通過與設(shè)備廠聯(lián)合開發(fā)連續(xù)石墨化設(shè)備，減少了工藝成本。"核心設(shè)備專用化也是昱瓴的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。"

 

此外，昱瓴新能源研發(fā)儲(chǔ)備了針對(duì)柔性鋰電池及固態(tài)電池使用的快充型多孔硅基薄膜負(fù)極，比容量為2000mAh/g，固態(tài)電池客戶測(cè)試反饋這種快充型多孔硅基薄膜負(fù)極具有良好的機(jī)械柔韌性、連續(xù)彎折穩(wěn)定性和強(qiáng)度，能滿足3C~4C快充要求，能量密度可達(dá)到800Wh/L。

 

“當(dāng)前昱瓴新能源硅基負(fù)極材料中試產(chǎn)能為20噸，但是已開始在安徽蚌埠建設(shè)1萬噸/年的硅基復(fù)合負(fù)極材料生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)最快2023年6-7月投產(chǎn)；在客戶拓展方面，主打的硅基負(fù)極材料產(chǎn)品已在各大客戶測(cè)評(píng)過程中，部分客戶測(cè)試已通過。”劉萍博士向36氪介紹。