貝特瑞副董事長(zhǎng)任建國(guó)：大圓柱電池市場(chǎng)應(yīng)用放量，硅負(fù)極加速滲透
“鋰離子電池正朝著高能量密度方向發(fā)展;未來(lái)幾年，高能量密度電池體系，仍將以三元正極/硅負(fù)極體系為主。”在日前舉行的第十屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2025)上，貝特瑞副董事長(zhǎng)任建國(guó)在主題演講中表示。
圖為貝特瑞副董事長(zhǎng)任建國(guó)作主題演講
從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)前各主流廠商電池能量密度，已普遍可以達(dá)到300Wh/kg。任建國(guó)指出，未來(lái)若要實(shí)現(xiàn)400Wh/kg或500Wh/kg的能量密度目標(biāo)，可能需要依賴新型電池體系的突破;但在350Wh/kg以下的應(yīng)用中，負(fù)極材料預(yù)計(jì)仍將以硅基負(fù)極為主導(dǎo)技術(shù)路線。
01
硅負(fù)極材料加速應(yīng)用
硅負(fù)極材料在鋰電池中的首次批量應(yīng)用，可追溯至2013年。任建國(guó)回顧，當(dāng)時(shí)韓國(guó)三星為電動(dòng)工具配套的圓柱電池，率先采用了硅碳負(fù)極材料。2017年，特斯拉Model 3(美國(guó)版)開(kāi)始搭載松下提供的含硅氧負(fù)極電池，標(biāo)志著硅基負(fù)極在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，開(kāi)始有較大規(guī)模的應(yīng)用。
再后來(lái)，特斯拉2020年在其電池日上，首次發(fā)布了4680大圓柱電池，同樣采用硅基負(fù)極技術(shù);2021年，廣汽埃安發(fā)布海綿硅負(fù)極電池;2022年，寶馬與寧德時(shí)代、億緯鋰能等企業(yè)達(dá)成合作，在46系列大圓柱動(dòng)力電池中，采用“三元正極+硅基負(fù)極”的技術(shù)路線，進(jìn)一步推動(dòng)硅基材料在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
大圓柱電池，是推動(dòng)硅負(fù)極材料應(yīng)用的主力。截至目前，寧德時(shí)代、億緯鋰能、比克動(dòng)力、松下、三星SDI、LG新能源等眾多國(guó)內(nèi)外電池廠商，都已經(jīng)布局大圓柱電池。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球采用硅基負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的電池企業(yè)超過(guò)20家，其中圓柱電池廠家占比達(dá)三分之二。
02
硅負(fù)極和圓柱電池雙向奔赴
“硅負(fù)極和圓柱電池是雙向奔赴，因?yàn)樵陔姵匦吞?hào)里面，采用硅負(fù)極的主要是圓柱電池。”任建國(guó)這樣描述目前硅負(fù)極材料的應(yīng)用格局。
從形態(tài)本身來(lái)看，圓柱、方形和軟包電池各有優(yōu)劣。但任建國(guó)指出，圓柱電池內(nèi)部的應(yīng)力、電流、溫度分布，更利于硅基材料性能的發(fā)揮。而且，圓柱電池單體能量密度低，更需要硅負(fù)極的加入，以提升其能量密度。
行業(yè)周知，硅負(fù)極材料最大的問(wèn)題是體積膨脹，膨脹就會(huì)帶來(lái)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。任建國(guó)分析，大圓柱電池的強(qiáng)剛性結(jié)構(gòu)，可抵御硅基負(fù)極產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，有效抑制電極開(kāi)裂、改善界面阻抗、提升電化學(xué)性能。
不僅如此，在同樣的材料和體系下，圓柱電池的倍率性能，要比軟包電池更優(yōu)，“主要還是不同形態(tài)的電池內(nèi)阻和溫度的差異所導(dǎo)致”。而且，大圓柱電池散熱面積小，溫度易集中在內(nèi)部，有利于硅材料各向同性膨脹，減少開(kāi)裂，提升穩(wěn)定性。
“對(duì)于含硅的體系(以正極NCM523，負(fù)極Si+Gr實(shí)驗(yàn)檢測(cè))，圓柱電池的儲(chǔ)存性能以及循環(huán)，均優(yōu)于軟包電池;圓柱硬質(zhì)外殼，可以很好適應(yīng)硅的體積膨脹。”任建國(guó)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出如是描述。
據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)，2030年全球硅負(fù)極需求量將達(dá)到2.5萬(wàn)噸，將在圓柱、軟包、方形電池中全面鋪開(kāi)。目前，硅負(fù)極在圓柱電池中的滲透率比較高，占比約40%，不過(guò)圓柱電池在整體電池市場(chǎng)的占比很小，不足1%;未來(lái)隨著“46”系列大圓柱電池的放量，將帶動(dòng)硅基負(fù)極市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。
軟包電池中，目前硅基負(fù)極滲透率僅次于圓柱電池。任建國(guó)認(rèn)為，隨著3C數(shù)碼搭硅電池下沉中低端市場(chǎng)，需求量也會(huì)進(jìn)一步增加。方形電池目前在市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，雖然硅負(fù)極滲透率較低，但隨著寧德時(shí)代等頭部企業(yè)含硅電池的量產(chǎn)，需求量會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。
03
讓硅負(fù)極更貼合大圓柱電池需求
雖然是黃金搭檔，但目前硅基材料在圓柱電池中的應(yīng)用，也面臨一些問(wèn)題，需要采取相應(yīng)的解決策略。
比如，硅負(fù)極材料首效較低，導(dǎo)致首次充放電時(shí)，不可逆容量損失較大，難以與高首效正極材料形成有效匹配;硅的理論比容量雖遠(yuǎn)超石墨，但高硅含量會(huì)加劇材料膨脹與結(jié)構(gòu)破壞;硅嵌鋰時(shí)體積膨脹率高達(dá)300%，導(dǎo)致電極粉化、活性物質(zhì)脫落，進(jìn)而縮短循環(huán)壽命。
任建國(guó)給出的思路是，通過(guò)采取對(duì)硅材料多元化的設(shè)計(jì)，以及搭配石墨的精細(xì)化設(shè)計(jì)等，使硅負(fù)極能夠更加貼合大圓柱電池的要求，解決它首效的問(wèn)題、比容量的問(wèn)題、膨脹的問(wèn)題，以及和石墨相匹配的問(wèn)題，從而加速硅負(fù)極在鋰電池當(dāng)中的滲透率。
當(dāng)下大圓柱電池憑借高能量密度、快充能力及高安全性，正從新能源汽車領(lǐng)域，快速拓展至無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、儲(chǔ)能等更多領(lǐng)域。“這種多元化的應(yīng)用，會(huì)加速大圓柱電池市場(chǎng)空間的持續(xù)擴(kuò)展，也會(huì)加速硅負(fù)極在整個(gè)市場(chǎng)的使用。”任建國(guó)總結(jié)說(shuō)。
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