對于動力電池來說,“摻硅補(bǔ)鋰”的作用和必要性何在?

由上汽集團(tuán)、張江高科和阿里巴巴集團(tuán)共同打造的智己汽車將于今日13：30發(fā)布高端智能純電動汽車品牌，并全球首發(fā)兩款量產(chǎn)定型車。

新車將搭載上汽與寧德時代共同開發(fā)的采用“摻硅補(bǔ)鋰電芯”技術(shù)的電池，最大續(xù)航里程超1000公里，新車預(yù)計今年四季度實現(xiàn)量產(chǎn)交付。

雖然“摻硅補(bǔ)鋰”聽起來有些陌生，但同時包含“硅”和“鋰”兩大關(guān)鍵詞的電芯工藝，幾天前已在蔚來的固態(tài)電池中出現(xiàn)過，即“無機(jī)預(yù)鋰化碳硅負(fù)極”。再追溯至去年特斯拉前夕，眾多機(jī)構(gòu)和業(yè)內(nèi)人士均推測特斯拉將推出“預(yù)鋰化”技術(shù)以及“碳硅負(fù)極”。

那么，“摻硅補(bǔ)鋰”到底是什么？對于動力電池來說，“摻硅補(bǔ)鋰”的作用和必要性何在？在受到巨頭矚目后，這一工藝是否將成為未來動力電池發(fā)展的一大主要方向？又會給產(chǎn)業(yè)鏈和相關(guān)公司帶來什么樣的巨大改變？

為什么要“摻硅”？

從定義來說，此次智已汽車推出的“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)與蔚來固態(tài)電池所用的“無機(jī)預(yù)鋰化碳硅負(fù)極”并無本質(zhì)上的差異，其實質(zhì)均為提高負(fù)極中硅的含量，同時增加鋰的含量，來彌補(bǔ)因硅含量提升而導(dǎo)致的電池在充放電過程中鋰損耗的提高。

為了更好地解釋其中的技術(shù)邏輯，我們首先回到最源頭的問題，為什么負(fù)極一定要“摻硅”？

據(jù)了解，鋰離子電池容量取決于正極材料的活性鋰離子以及負(fù)極材料的可嵌脫鋰能力?；谒暗亩贪逍?yīng)，過去提升鋰電池體系整體能量密度的研發(fā)方向集中在正極材料的攻關(guān)，隨著NCM、NCA等正極材料普及應(yīng)用，以及特斯拉對于無鈷的不倦追求，正極材料的能量密度有了長足的提升。

與此相對的是，目前商用化更為普遍的、采用碳（石墨）為主要材料的負(fù)極，其比容量已經(jīng)接近極限，為了滿足新能源汽車高續(xù)航里程要求，提高電池的整體能量密度，開發(fā)新型的鋰電負(fù)極技術(shù)迫在眉睫。在這其中，硅材料脫穎而出，被認(rèn)為是碳負(fù)極材料的理想替代產(chǎn)品。

資料顯示，硅材料的質(zhì)量比容量最高可達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于負(fù)極的材料中理論比容最高的材料。同時因其低嵌鋰電位、低原子質(zhì)量、高能量密度，并且硅材料環(huán)境友好、儲量豐富、成本較低。

為什么要“補(bǔ)鋰”？

第二個問題，為什么一定要“補(bǔ)鋰”？事實上，“補(bǔ)鋰”的必要性正是建立“摻硅”的基礎(chǔ)上，與硅材料作為鋰電池負(fù)極應(yīng)用中出現(xiàn)的先天缺陷及實際應(yīng)用瓶頸有著密切的關(guān)系：

第一，硅材料在反應(yīng)中體積變化高達(dá)320%，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的碳材料12%的體積變化，這種嚴(yán)重的體積膨脹和收縮，會造成材料結(jié)構(gòu)的破壞和機(jī)械粉碎，導(dǎo)致在循環(huán)過程中電極材料粉化、活性物質(zhì)與集流體之間失去電接觸，引起容量快速衰減，電極表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能；

第二，在鋰離子電池首次充電過程中，有機(jī)電解液會在負(fù)極表面還原分解，形成固體電解質(zhì)相界面（SEI）膜，永久地消耗大量來自正極的鋰離子，造成首次循環(huán)的庫侖效率（ICE）偏低，降低了鋰離子電池的容量和能量密度，而硅材料的表面積高于石墨，會損失更多的鋰離子（15%-35%）。

正是為了解決碳負(fù)極材料SEI膜造成的容量損失，目前通行的方法是通過負(fù)極材料的預(yù)鋰化，簡單來說，就是通過預(yù)鋰化對電極材料進(jìn)行提前補(bǔ)鋰，抵消形成SEI膜所造成的不可逆鋰損耗，以提高電池的總?cè)萘亢湍芰棵芏取?/p>

目前行業(yè)重點發(fā)展的是采用鋰箔補(bǔ)鋰和金屬鋰粉（SLMP）補(bǔ)鋰。其中金屬鋰箔的效果則更加突出，預(yù)鋰化后可以將硅碳負(fù)極的首次庫倫效率從73.6%提升至94.9%，也就是降低了80.7%的負(fù)極首次不可逆容量，可能成為未來主要的預(yù)鋰化方式。

而SLMP是用碳酸鋰等對鋰粉進(jìn)行鈍化處理后的粉末，對負(fù)極進(jìn)行預(yù)鋰化處理后，可以降低 40%的負(fù)極首次不可逆容量。值得一提的是，特斯拉此前收購的Maxwell公司，其干電極生產(chǎn)工藝?yán)碚撋戏浅＿m合SLMP預(yù)鋰化，從而有望促進(jìn)硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

產(chǎn)業(yè)鏈兩大環(huán)節(jié)將受益

最后，也是投資者最為關(guān)心的問題？“摻硅補(bǔ)鋰”究竟會給產(chǎn)業(yè)帶來什么樣的影響？又有哪些公司會因此受益？

光大證券分析師李偉峰2020年4月10日報告認(rèn)為，超高鎳化三元材料+硅碳負(fù)極將成為鋰電池未來發(fā)展主流方向。安信證券分析師齊丁2021年1月11日報告也指出，蔚來“半固態(tài)電解質(zhì)”的應(yīng)用，將強(qiáng)化硅碳負(fù)極預(yù)鋰化甚至金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用趨勢，以及高鎳化趨勢。

產(chǎn)業(yè)鏈角度，李偉峰認(rèn)為，硅碳負(fù)極材料商業(yè)化將提升金屬鋰的需求預(yù)期。另據(jù)天風(fēng)證券分析師楊誠笑2020年3月1日報告測算，若預(yù)鋰化在動力電池中滲透率達(dá)到100%，則每年動力電池的需求中8%-15%需要以金屬鋰的方式提供。

此外，在碳硅負(fù)極上已先行布局的負(fù)極相關(guān)公司，也有望受益于“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)的發(fā)展。《科創(chuàng)板日報》結(jié)合券商研報，并通過投資者互動對產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司及其碳硅負(fù)極研發(fā)情況整理如下：

中國寶安（000009）：子公司貝特瑞現(xiàn)有硅基負(fù)極生產(chǎn)線已投產(chǎn)，屬于行業(yè)內(nèi)最早將硅碳負(fù)極材料實現(xiàn)商業(yè)化的企業(yè)之一，截至2020年4月現(xiàn)有硅碳規(guī)劃產(chǎn)能為3000噸/年，將根據(jù)市場情況和客戶需求安排產(chǎn)能。 公司客戶包括寧德時代。

中科電氣 （300035）：公司在硅基負(fù)極材料已進(jìn)行多年的持續(xù)研發(fā)投入，對硅碳和硅氧等硅基負(fù)極材料技術(shù)皆有研究和儲備，目前已建設(shè)完成中試產(chǎn)線，進(jìn)行成品試生產(chǎn)。

翔豐華 （300890）：公司硅碳負(fù)極處于中試階段，并已具備了產(chǎn)業(yè)化基本條件，產(chǎn)品性能指標(biāo)已達(dá)到行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)的水平。

硅寶科技 （300019）：2019年，公司完成中試放大并建成產(chǎn)能50噸/年的硅碳負(fù)極材料中試生產(chǎn)線，同時，公司“高比容量鋰離子電池硅/碳復(fù)合負(fù)極材料”通過四川省經(jīng)濟(jì)和信息化廳組織的成果鑒定，鑒定結(jié)論為國際先進(jìn)水平。公司作為鋰電負(fù)極材料行業(yè)的新進(jìn)者，瞄準(zhǔn)行業(yè)高端的硅碳負(fù)極材料。目前，公司已送樣多家電池廠商進(jìn)行共同開發(fā)，將根據(jù)與廠商的合作進(jìn)度放量生產(chǎn)。

杉杉股份（600884）：公司目前已建成一條中試產(chǎn)線。受下游市場導(dǎo)入和需求發(fā)展尚需一定過程影響，2019年出貨占比不高，對公司業(yè)績無重大影響。
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