硅负极产业化提速,美企“换道超车”在望?

来源:观察者网

2024-03-04 17:57

(文/李沛 编辑/徐喆)进入2024年,硅负极产业化迎来明显提速。

SNE Research近日发布的《2024年锂离子电池硅负极技术现状与展望》报告显示,随着这一新型负极材料应用从3C消费向动力电池领域拓展,预计2024年硅负极的市场渗透率也将突破长期以来1%的封印,步入上升轨道,市场规模将以39%的复合年增长率,一路飙升至2035年的660亿美元,整体市场渗透率也将达到10%左右。

在负极材料市场当前陷于严重供过于求态势、石墨负极行情跌跌不休、企业开工率普遍大幅走低的情况下,硅负极堪称一枝独秀的需求前景,也自然吸引众多“杀红了眼”的负极企业争相涌入,根据SNE Research梳理,目前涉足硅负极研发的中国、韩国、欧美企业已经增加到70家以上,无外乎有本土企业高管曾感言,硅负极之争恐怕将“开局即终局”。

对不少普通消费者而言,智能手机是其感知硅负极价值的第一个触点,目前多家手机品牌已经将负极掺硅量作为一大产品技术亮点进行宣传,如小米14Ultra的金沙江电池,就采用了6%硅含量的新一代硅碳负极技术,据称体积同比降低8%,电池容量提升至5300mAh,续航提升17%。

能够实现更高的能量密度,正是硅负极被视为最有前途的新一代负极材料原因所在,与目前主流的石墨负极相比,作为合金型材料的硅负极具有高出十倍以上的理论比容量和较低的嵌锂电位(意味着在充电嵌锂过程中析锂风险更小),不过硅负极的缺点也同样明显,除了硅作为半导体材料自身的电导率较低,首次库伦效率(ICE)较差,更致命的问题是电化学循环过程中硅材料体积会发生剧烈涨缩,形成的应力足以破坏电池微观结构,显著影响循环寿命,实物试验还显示,硅碳负极软包电池热失控的危害性更大,最高温度、升温速度都高于石墨负极电池,这也使得其应用于动力电池尤其具有挑战性。

基于这样的材料特性,此前硅负极主要应用于对循环寿命要求较低的电动工具、无人机等细分市场,并在早期落地过程中探索了纳米化与表面包覆等一系列改性手段,形成了硅氧和硅碳两大主要技术路线,在膨胀、循环性能上尽管尚未臻于最优,但也已经被动力电池厂商认可进入了实用化状态。

然而有别于石墨负极领域中国厂商几乎“一统天下”的局面,硅负极的产业化版图中,美国当前占据着尤其显眼的位置,Sila、Group14等知名美国企业摸索的气相沉积硅碳工艺路线,已经得到产业界广泛认同与追随,如我国某家负极材料龙头企业日前公开的硅碳负极专利中,就基于对Group14的硅烷裂解、沉积过程梳理,在现有技术基础上进行改进。

当下万千宠爱集于一身的Group14,在产业化布局上也已经踩足油门,不仅先后拿到美国能源部1亿美元财政补贴和1亿美元订单,还通过并购和合资模式,分别在韩国与德国启动了产能扩张,其中与SK集团合资的韩国项目已即将建成投产,设计年产能约2000吨,可支撑每年约10GW高端电池产能,号称“亚洲最大的先进硅电池材料工厂”,至于其位于美国华盛顿州的BAM-2工厂,更是标榜为“世界最大”。

从石墨负极被亚洲供应链完全“卡住脖子”,到硅负极产业化一派繁荣,美国人在负极材料领域俨然已经看到了“弯道超车”的曙光。

这样耐人寻味的变迁,首要原因或许应归于特斯拉的号召力,该公司2020年公开4680大圆柱电池设计时,所谓的“特斯拉硅”负极就是一大技术亮点,圆柱电池也随后被公认为与硅负极技术最匹配的电芯结构方案,而在产业配套上,硅负极优选工艺路线所需的高性能气相沉积(CVD)等关键设备还能发挥欧美半导体产业积累的传统优势,此外,在对锂电供应链“受制于人”的担忧下,美国能源部2020年以来在扶持硅负极技术发展上也投入了大量资源,包括捏合橡树岭国家实验室、桑迪亚国家实验室等顶尖科研机构组成硅联盟(Silicon Consortium)联合攻关,阐明硅负极合成、表征和失效机制,并积极资助Group14、Solid Power、Sila等企业的硅负极应用研究,能源部在负极材料产业化领域授予财政扶持的企业中,更有一半聚焦于硅负极技术路线,足见官方重视程度。

反观国内,不同于仍以三元体系主导的海外市场,目前我国动力电池领域占据主要装机量份额的还是磷酸铁锂产品,其材料体系具有高首效、低成本、长循环寿命、中低能量密度的特点,大干快上硅负极的确缺乏商业合理性,现有石墨材料迭代足以应对,而在知识产权布局上,根据中国科学院宁波材料技术与工程研究所评估,我国于硅合金、硅氧化物、电解液、粘结剂和集流体领域又面临着较高专利侵权风险,这意味着硅负极材料产量高了铁锂电芯企业用不起,进入海外市场还可能招惹专利侵权官司,更何况当下的惨烈行情中,负极材料企业普遍利润收窄,影响研发投入和优质产能建设,企业自身很难激发起坚决押注硅负极的决心。

尽管这样的产业化落差有其现实合理性,但展望未来,锂电创新仍然绕不开硅负极、锂金属负极等关键技术,除了硅负极之外,美国能源部已斥资1亿美元用于资助先进预锂化和锂金属负极产业化项目,实施主体赫然是大名鼎鼎的应用材料公司,官方公告显示应材已开发出一种可大批量制造的卷对卷工艺,而该公司此前还参与了锂金属领域当红企业SES融资,显示出这家老牌半导体设备巨头对锂电技术演进的评估及谋算,如果锂金属负极的技术成熟度达标,则其甚至有可能超越硅负极,加速锂-硫、锂-空气等超高能二次电池的实用化进程。

值得重视的是,站在美国产业界视角,随着其在下一代乃至下两代负极技术上打开局面,一众新型负极材料企业在对锂电技术未来路线图的认知上与国内也出现了微妙差异,例如国内津津乐道的固态电池技术,近期就遭到不少美国企业质疑,认为负极材料创新足以开辟更具商业可行性的技术轨道,如Sila联合创始人、特斯拉早期员工吉恩·贝尔迪切夫斯基 (Gene Berdichevsky) 近期就公开表示,相比能够兼容现有锂电制造流程的负极材料革新,“固态技术就像燃料电池汽车,我们会在路上放一些。从全球产能来看,这毫无意义”,他还颇为促狭地将固态电池与曾经的薄膜光伏技术明星企业Solyndra进行了类比,后者的技术看似更具颠覆性,却在商业落地中难以抗衡晶硅电池的规模经济优势,最终于2011年申请破产。

“历史并不总是重演,但在技术开发方面,它确实非常押韵。”

上文提到的锂金属负极明星企业SES,其创始人也在近日发布了题为《揭穿固态电池神话》的博文,直言不讳表示固态电池的“圣杯”头衔名不副实,固体比液体电解质更安全不过是一个人云亦云的迷信,正是认清了这一点,该公司字号才从最初的SolidEnergy改为SES,“电解质造成了不必要的偏见,限制了我们的创新能力。真正的圣杯应该是锂金属,因为它给我们带来了令人印象深刻的能量密度增益,固态没有什么本质上的优越性,同时液体也没有什么本质上的缺陷,业界根据电解质的固态或液态来区分电池是不合适的”。

无论这样的观点是否正确,亦或硅、锂负极技术路线未来怎样竞合,一个不争的事实是,在锂电材料、器件、工艺演进中,负极材料换代都是难以绕开的关口,为了避免被难以事先预计的“颠覆式创新”伤害,我们除了奋起直追别无选择,与其等到海外供应链成型、股东其新的商业风潮后再疲于追赶,当下的果断布局无疑更具性价比。

在充分认识必要性与紧迫性的基础上,硅负极技术攻关与产业落地,或许可充分借鉴不久前备受关注的全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)模式,由行业泰斗牵头,搭建产学研用各方技术交流和协同攻关的高能级支撑平台,有效整合各方资源,问题导向、应用牵引、风险共担、成果共享,加速硅负极产业化进程。当然在这一过程中,中国产业界也大可不必太过妄自菲薄,事实上,杉杉股份、贝特瑞、璞泰来等巨头,均已官宣万吨级硅基负极材料量产项目,在产业链上游,中国企业的影响力同样巨大,如硅碳材料制备所需的高纯度硅烷气体,目前中国产能就占据全球相当大份额,相比之下,Group14、Sila等企业则对其本土硅烷供应商REC Silicon的服务颇多抱怨,由此可见,只要我国锂电产业链资源有效调动起来,在硅负极领域完全能够大有作为。

责任编辑:李沛
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