什么是硅基锂电池?目前硅基材料的难点和缺点?

2023上海车展奔驰将在中国展出其电动G-EQG，它将采用四电机布局，预计电动 G-Wagon 续航里程也将超过 300 当然，与国内卷的新势力高配车相比，英里的里程并不是特别耀眼。但有消息称，它很可能与之相关 ICE G-Wagon 共享一个底盘，也可能是一个架构，所以你可以认为它是一个从油到电的产品。考虑到如此大的越野系列，它的里程和充电都非常明亮。

有报道称使用硅基锂电池，因此续航里程比同类电池增加 20%的续航里程最多可以增加 100 只要英里，他也可以显著缩短电池充电时间 20 电池的电量可以在几分钟内从几分钟内就可以了 10% 充电至 80%——即使你目前的充电时间很长 60 分钟。未来版本将减少到大约 10 分钟。当然，这些都是在不牺牲循环寿命或安全性的情况下实现的。在硅基锂电池的帮助下，主机厂可以减轻电池的重量 空间降低15% 20%，可以大大提高车辆效率，增加创新设计和功能。

我在前一篇文章《如何看待当前的汽车动力电池》中分享了电动汽车动力电池技术分为三个部分：材料创新、包装和结构创新、汽车集成创新。目前，汽车动力电池创新主要在后两部分，但梅赛德斯-奔驰EQG采用的动力电池是材料创新，值得理解。因此，本文从以下几个方面进行了探讨

那什么是硅基锂电池呢？

为什么使用硅基材料？目前硅基材料的难点和缺点？

还有哪些汽车主机厂准备采用？

分享硅基电池，希望能传达一些信息。

什么是硅基锂电池？

目前汽车动力电池以锂电池为主，锂电池主要由以下五部分组成，

正极(阴极)材料是锂电池最关键的原料，占锂电池的成本 30%以上。

目前负极(阳极)材料主要是碳素材料，成本比例最低。 在 5-10%左右，但本文主要讲的是硅基是负极材料创新。

电解液是驱动锂离子流动的载体。目前，电池创新的另一个方向是固化电解液，即固态电池。

隔膜在成本构成上仅次于正极材料，占 隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环和安全性能。

包装材料。包装材料和石墨负极技术相对成熟，成本比例不高。

目前，汽车动力电池的主要正极材料主要是三元材料（NCM）锂电池和磷酸铁锂（LFP）还有钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO），目前主要用于电动汽车领域，有三元材料和磷酸铁锂两条技术路线。

三元材料的核心优点是能量密度高。在相同的体积和质量下，耐久性明显领先于其他技术路线。但其缺陷也很明显：安全性差，冲击和高温环境，火灾点相对较低。

磷酸铁锂与三元材料正好相反。能量密度和耐久性一般，但安全性很好。其晶体结构为独特的橄榄石型，空间骨架结构不易变形，在高温环境下保持稳定。

根据Wood Mackenzie预测，未来磷酸铁锂的渗透率将继续上升。2030年，三元锂和磷酸铁锂电池将占30%以上，因此基本确定了正极材料的演变路径。

负极材料出现在动力电池中，硅基化。例如，特斯拉和威来都宣传硅被用作负极材料。目前，它们被添加到5-10%左右，但目前很少披露。

因此，硅基锂电池是一种负极材料，使用硅材料而不是石墨。

那为什么硅基用于负极材料呢？

目前的汽车动力电池实际上来自3C消耗的锂离子，日本索尼公司于1990年首次成功开发锂电池。钴酸锂(LiCoo2)是传统锂离子电池的正极材料，石墨是负极材料(C)，由于稳定性，以酯类为电解液的可充电电池一直在使用。

但石墨作为负极的核心问题是，石墨负极材料的能量密度理论上限为372mah/g，目前行业龙头公司的产品能量密度达到365mah/g，接近理论极限，未来改进空间极其有限，迫切需要寻找下一代替代品。

硅基负极是新一代负极材料中的热门候选人。能量密度极高，理论容量比可达4200mah/hg，硅能容纳比石墨多得多的锂原子，远远超过石墨材料。硅原子吸收四个锂原子，而六个石墨原子只能容纳一个锂原子。因此，按重量计算，硅可以容纳比石墨更多的硅 10 倍的锂。这允许在电池中使用更小的阳极，为更多的阴极材料(更多的锂)开辟更多的空间。正是阴极将这种初始锂带入电池，所以阴极提供的空间越大，能量密度就越大。

此外，由于硅的材料来源太广，芯片也以其为材料，因此硅已成为电池负极开发的明星材料。

目前硅基材料的难点和缺点？

但作为负极材料，硅也有严重的缺陷，锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，硅在充电过程中膨胀 放电期间收缩300% 石墨只变了300%左右 7%。这种膨胀是危险和不稳定的，破坏了电池结构，导致电池容量迅速下降。目前常用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，提供锂储存容量，碳颗粒用于缓冲充放电过程中的负体积变化，提高材料的导电性，避免硅颗粒在充放电循环中的团聚。

基于此，硅碳负极材料被认为是最有前途的技术路线，逐渐引起了产业链企业的关注。特斯拉的Model 3.人造石墨负极电池与10%硅基材料混合，能量密度成功达到300wh/kg，采用传统技术路线的电池大幅领先

然而，与石墨负极相比，硅碳负极的高成本也是一个障碍，除了加工技术仍然不成熟。目前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。未来批量生产后，电池制造商也将面临类似正极材料的成本控制问题。

哪些汽车主机厂准备采用？

因此，目前高比例的硅基电池基本上属于豪华车。例如，梅赛德斯-奔驰将使用负极硅基锂电池EQG 2024 年底推出。来自美国的Sila电池 ，当然，Sila并不是唯一一家争夺硅负(阳)吹嘘权的公司。保时捷和美国Group14 Technologies 达成 6.5 供应协议为1亿美元，通用汽车也在与通用汽车达成协议 OneD Battery Sciences 硅基电池的合作研发。

国内汽车有智己和蔚来“掺硅补锂”或者“无机预锂化碳硅负极”其他概念使续航里程超过1000公里，本质上是提高负极中硅的含量，同时增加锂的含量，但目前尚未看到大规模生产上市。

当然，有许多硅基电池，如amprius，直接从电动飞机开始。毕竟，电动飞机的价格可以负担得起昂贵的新技术。当新技术大规模上升，降低成本时，它们肯定会进入巨大的人性化市场。

因此，硅基电池将是短时间内激发汽车动力电池材料应用创新的重要方向，未来5-10年将有巨大的市场。

参考文章和图片

1、Brief overview of electrochemical potential in lithium ion batteriesv- Gao Jian, Shi Si-Qi, Li Hong

2、分析我国锂电池四大关键材料的发展水平

3、LFP to overtake NMC as dominant stationary storage chemistry by 2030 – Paul Crompton

4、硅基负极是升级锂电池材料的唯一途径 – 华安证券

*未经许可，严禁转载和摘录