摘要应用端对硅基负极有着迫切的期待，作为与安全性更高的大圆柱相适配的负极材料，随着大圆柱电池“风起”，硅基负极有望在2023年迎来增长拐点。
开年来，动力电池行业集体抱着新期待奋进。而作为动力电池在材料体系方面的重要技术突破点，硅基负极有望在2023年起量。
不同类型负极材料各具优势
作为锂电池的四大关键材料（正极、负极、电解液和隔膜）之一，负极材料在锂电池中作为锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的重要作用，直接影响着锂电池的能量密度、循环寿命、安全性、快充能力等性能，在锂电池成本的占比为5%~15%。
负极材料可分为碳系和非碳系负极材料两大类：碳系负极材料包括石墨、硬碳、软碳和石墨烯等，其中，石墨材料可进一步分为天然石墨、人造石墨和中间相碳微球；非碳系负极材料包括钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物等。
锂电池负极材料分类 来源：鑫椤资讯
目前，天然石墨和人造石墨占据着90%以上的负极材料市场份额。相较于其他材料，人造石墨循环性能好、安全性占优且工艺成熟、原材料易获取，成本较低，是非常理想的选择。石墨负极最核心的问题，则是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g，而行业头部公司的产品已可实现365mAh/g的能量密度，逼近理论极限，未来的提升空间极为有限，急需寻找下一代替代品。
在新一代负极材料中，硅基负极是热门选手。其具有极高的能量密度，理论容量比可达4200mAh/g，远超石墨类材料。尤其随着特斯拉4680大圆柱电池的量产，加速了硅基负极的商业化应用，预计2023年硅基负极材料会有规模级产能释放。但作为负极材料，硅也有严重缺陷，锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，破坏电池结构，造成电池容量快速下降。
目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量，碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化，并改善材料的导电性，同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。
基于此，硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线，逐渐获得产业链内企业的关注。不过与石墨负极相比，硅碳负极除了加工技术仍不成熟外，较高的成本也是障碍。当前的硅碳负极材料市场价格超过15万元/吨，是高端人造石墨负极材料的两倍。未来量产后，电池制造商也会面临与正极材料相似的成本控制问题。
硅基负极有望在2023年起量
去年以来，负极材料现有玩家加速扩产，伴随新进入者与下游企业向产业链上游拓展，锂电池负极材料从业内“最紧环节”演变至“过剩渐显”。
但是，硅基负极材料界却有欣欣向荣之势。
近期，业内硅基负极项目动态不断。
●杉杉股份旗下宁波年产4万吨硅基负极材料一体化项目开工。
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●上海拓米年产360吨硅纳米线负极材料项目落地浙江兰溪，预计总投资10亿元。
●科创新材拟投资建设年产6000吨碳化硅复合材料生产线，项目总投资为1.3亿元。
相比于“碳”，“硅”在负极领域的应用优势在于承载与脱嵌锂离子的能力更强，这一特性可以大幅提升电池能量密度。但落到规模量产，硅基负极发展至今，仍存在产业化难点。硅颗粒在脱嵌锂时会伴随着体积膨胀和收缩，导致颗粒粉化、脱落，造成结构坍塌。
针对此，业界主要存在三条技术路径，一是减小体积，纳米化硅颗粒；二是结构设计，例如硅薄膜、硅纳米线，从结构上对冲体积膨胀变化，三是复合材料，例如通过以碳为基，包覆氧化亚硅。目前，第三种为业内较为成熟方式。
事实上，在应用方面，硅基负极的身影在电池产品中出现的次数越来越频繁。
●被美国《时代》周刊评选为2022年度最佳发明的宁德时代麒麟电池，便是通过使用硅基负极为其高能量密度奠基，搭载麒麟电池的极氪009已创下中大型MPV 822公里的纯电续航全球纪录。
●国轩高科开年后透露，预计在2023年批量交付的半固态电池已使用硅负极，已实现单体能量密度达360Wh/kg。
●欣旺达300Wh/kg电芯产品已使用硅基负极并在电解液中搭配使用硅负极成膜剂。
此外，2022年末，蜂巢能源在电池日上发布为高能量密度电池提出纳米网硅负极技术方案。蜂巢能源为此自主开发了筑网束硅技术、硅碳融合技术、双层包覆技术。
蜂巢能源预计，纳米网硅负极搭配高镍正极将率先在大圆柱电芯上实现应用，实现能量密度≥300Wh/kg。在产能规划上，蜂巢能源表示，公司到2025年搭配纳米网硅负极的高能量密度电芯产能将达到 5GWh。
可以明确的是，应用端对硅基负极有着迫切的期待。尤其是当电池结构强度更大，在一定程度上可抵抗硅基负极的膨胀、保证安全的可能性更高时，应用硅基负极可直接实现电池能量密度的飞跃。
立足于当下，硅基负极产业化不断成熟，企业相继布局硅基负极产能。随着大圆柱电池“风起”，作为与安全性更高的大圆柱电池相适配的负极材料，硅基负极有望在2023年迎来增长拐点。
此外，硅基负极产业化推动的进步意义将延伸至动力电池的未来。目前，行业仍在对具备“本征安全”的固态电池探索之路上。可以预见，当固态电池进展加速，硅基负极将迎来属于自己的全新时代。
来源：高工锂电网，中国化工信息周刊，科创板日报
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