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硅基負極材料產業的現狀與展望

2023-08-17 10:43  來源:深圳索理德新材料科技有限公司  瀏覽:  

深圳索理德新材料科技有限公司總裁 王守臣

【摘要】硅基負極材料歷經十余年的發展,雖未取得大家所期望的成就,但隨著硅碳技術性能的群體突破,及未來2-3年內成本的成倍下降預期,必將做到與石墨一樣的單位克容量成本,解決了硅基負極材料發展過程中“性能”與“成本”兩大瓶頸。

可以預見,硅基負極產業的春天已經到來。

一、硅基產業的現狀

科技發展到今天,不用做實驗,從理論上已經可以證明,鋰金屬是鋰電產業最理想的負極材料。

鑒于鋰金屬使用過程中容易產生枝晶的問題并未找到有效解決方案,預計未來十年內鋰金屬的規模商用幾無可能。

硅基負極材料,理論上是僅次于鋰金屬的理想鋰電負極材料。

與石墨的理論克容量372mAh/g相比,硅的理論克容量可達4200 mAh/g,是石墨克容量的10倍以上。為發揮硅基材料的高能量密度等優勢,解決硅基材料使用過程中的膨脹問題,無數精英傾情深耕硅基負極材料產業十余年。

可惜,截止2022年底,硅基負極材料純料年產值為10.7億元(出貨量為1.5萬噸),僅占有了鋰電負極材料市場的2%,98%的鋰電負極材料市場依然是石墨(石墨負極2022年產值為500億元,年出貨量為156萬噸)。

硅基負極產業發展不及預期的主要原因是:

1)硅基負極材料性能達不到動力市場的要求

硅氧產品雖然已經可以成熟商用,但循環次數達不到主要應用行業需求,特別是動力行業循環次數不小于1000周的最低要求。更小于儲能行業要求的循環次數不少于5000周。

動力行業應用占了鋰電市場的80%,儲能行業占了鋰電市場的15%。

硅基負極材料目前主要在市場占有率僅有5%的3C市場,如電動工具、無人機、TWS耳機、電子香煙等領域取得了一定的應用。這些應用循環壽命一般要求500次循環之內。

在狹小院子的游泳池中游泳,永遠也成為不了世界冠軍。

2)硅基負極材料的單位克容量成本遠高于石墨。

為了科學比較硅基材料與石墨材料的成本,我們引入“當量單位克容量”的概念。

定義:

當量單位克容量

成本采用歸一化處理后,各種材料的成本就具有了可比性。

就像在計算碳排放量時一樣,溫室氣體有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等六種氣體,甲烷的溫室效應是二氧化碳的28倍,那排放1噸的甲烷就相當于排放了28噸的二氧化碳。把各種溫室氣體對溫室效應的影響按當量折算成二氧化碳,全球的二氧化碳年排放量約為400億噸,中國占了1/4。

當前92%首效的預鋰硅氧產品,每噸價格是石墨20倍,克容量是石墨的4倍,當量克容量成本是石墨的5倍。

按在石墨中摻硅10%計算,電芯的整體成本增加了約5%。這是競爭激烈、成本優先的鋰電多數行業所不能承受的。

二、硅基產業的最新進展

十年磨一劍,硅碳產業在2023年上半年取得了群體性突破。

1)硅基材料的膨脹問題得到有效解決,硅碳產品的膨脹性能明顯優于硅氧產品,膨脹問題不再是硅基負極材料商用化的瓶頸

就像人的胃,吃了飯就會膨脹一樣,負極材料在嵌入鋰離子后也必然會發生膨脹。

這樣的膨脹,屬于本征膨脹。不膨脹就違背了第一性原理。

石墨負極的本征膨脹率大概在10%;混摻10%的硅氧、克容量為450 mAh/g的硅氧負極本征膨脹率大概在30%;同樣的,混摻7%硅碳克容量為450 mAh/g的硅碳負極本征膨脹率大概在25%。可見,最新硅碳材料的膨脹有效降低了。

在與頭部企業交流中,多數客戶也有明確的觀點:

硅基材料的膨脹不再是被關注的第一性能,材料的穩定性、可生產性成為第一關注點。“膨脹大”不再是硅基材料得不到規模商用的理由。

再強調一次,最新硅碳材料的膨脹得到了一定解決,現在可以規模商用了。

2)硅碳材料的全電循環次數突破1000+

就像評選世界小姐一樣,除了評“三圍”,還要看“才華”,評價一款負極材料,通常會從四個維度來評估。

A)單位克容量

每克負極材料能存儲多少mAh的能量。

石墨一般是355 mAh/g,硅氧是1400 mAh/g,硅碳是1700 mAh/g。

B)首效

鋰電池首次充放電時,放電容量除以充電容量的比值。

這個指標反映了鋰離子的有效利用率。

石墨的首效可以做到92%+,現在硅氧、硅碳的首效也可以做到92%以上。

硅基材料與石墨在首效這一維度上,打平。

C)循環壽命

該指標反映了負極材料在整個生命周期內可以用多少次,也就是該負極材料在整個生命周期內可以累積存儲多少度電。

針對不同應用場景,石墨開發了不同規格的產品,有循環次數1000+的,也有循環次數10000+的。規格不同,應用場景不同;成本不同,價格也不同。但不同性能、不同價位的石墨,很好地覆蓋了鋰電產業所有的不同應用場景。

“總有一款適合你”,是石墨在鋰電行業中規模應用的根因之一。

硅氧450容量產品的循環次數普遍在800周左右。同比條件下膨脹性能及成本一直未能突破,錯失最低循環次數要求1000+、市占率80%+的動力行業市場。

這是硅氧產品未獲得規模商用的根本原因。

硅碳材料在2023年上半年,循環次數首次突破1200+。

不是個例,而是群體。

再強調一次,是群體性突破。

使硅碳材料進入市占率80%的動力行業市場成為可能。這得益于長期的技術積累與硅碳生產設備的突破,降低了硅碳廠家提升性能的難度。

群體突破會進一步帶來成本的下降,這將解決硅基材料規模發展的第二個瓶頸——“成本”。

D)倍率性能

一般情況下納米負極材料的倍率性好于微米級負極材料,所以通常認為納米硅碳的倍率性更優異。

這也是硅基材料首先在對倍率性能要求高的電動工具行業取得規模突破的根本原因。

我們把以上性能闡述做成如下一張圖,就會發現硅碳產品的性能指標全部超越硅氧產品性能大幅提升。

硅碳產業的“性能”瓶頸被有效攻克了。

3)硅碳產品的當量單位克容量成本,在未來3年內將做到石墨同一水平

石墨是由碳組成的,硅碳是由碳與硅組成的。

碳就是媒,硅就是石頭,煤與石頭相比,地球上哪一個元素多?哪一個材料的成本低?

索理德已經找到一套系統化方法,在3年內,把當量單位克容量成本做到石墨同一水平。

這將解決影響硅基材料規模發展的第二個瓶頸——“成本”。

綜上所述,限制硅基負極材料大發展的兩個瓶頸——性能與成本,都得到了有效解決,硅基負極產業的春天已經到來。

硅基負極產業的春天已經到來。

三、不得不說的“索理德”

為什么不得不說“索理德”呢?

因為我是索理德的一名員工。

索理德,是為硅基負極材料商用化砥礪前行的奮斗者們的一個縮影。

如果說索理德最近對產業還有所貢獻的話,那就是,通過采用索理德的“包覆自修復”專利技術,將:

1)首效提升了1%,與業界最佳比

2)循環庫侖效率提升了0.5%,與業界最佳比

3)提升了漿料不產氣的可生產性

四、以促進硅基產業發展為己任,為國家雙碳戰略做貢獻

大家有注意到嗎?

近年的自然災害明顯增多了。尤其是2023年極端氣候事件頻發,前所未有。

中國長江流域多省份汛期返枯,山火頻發。

巴基斯坦約1200人在夏季洪水中喪生,超過3300萬人受到洪水影響。

美國肯塔基州東部7月遭受歷史性洪水襲擊,導致數十人死亡,數百人流離失所。

歐洲多地遭受熱浪襲擊,整個地區的氣溫持續創下歷史新高,造成至少1,500人喪生。

……

這些都是地球氣候變暖的帶來的后果。

地球是全人類賴以生存和發展的共同家園,控制碳排放以減緩全球氣候變暖,是促進人類社會健康發展的重要全球性議題之一。

雙碳戰略實施的核心是大力發展清潔能源,儲能大發展又是清潔能源能夠規模應用的最核心技術。

人生不過百年,正如美學之父朱光潛先生所言:人除溫飽之外,別無高尚需求。

我們是幸運的一代,享受了國家最高端的教育資源,趕上了國家經濟大發展的四十年,身心得到了充分的溫飽,現在到了該回饋社會的時候。

我們,

硅基負極材料的從業者們,有幸處于人類命運的關鍵節點上。

讓我們,

團結起來,

成立硅基負極產業聯盟,

共享技術進步與產業信息,

以促進硅基產業發展為己任,

為國家雙碳戰略做貢獻。

王守臣簡介:

1998年于浙江大學獲博士學位,同年加入中興通訊。2001年-2017年任中興通訊副總裁,先后兼任小靈通、3G、4G、南美片區總經理。

2017起開始個人創業,先后任派微電子、電瓦特總裁。

2022起,任深圳索理德總裁。

著名個人天使投資人。

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