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硅基负极材料产业的现状与展望 - 乐鱼APP官方网站

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日期:2023-12-28

深圳索理德新材料科技有限公司总裁 王守臣

【摘要】硅基负极材料历经十余年的发展,虽未取得大家所期望的成就,但随着硅碳技术性能的群体突破,及未来2-3年内成本的成倍下降预期,必将做到与石墨一样的单位克容量成本,解决了硅基负极材料发展过程中“性能”与“成本”两大瓶颈。

可以预见,硅基负极产业的春天已经到来。

一、硅基产业的现状

科技发展到今天,不用做实验,从理论上已经可以证明,锂金属是锂电产业最理想的负极材料。

鉴于锂金属使用过程中容易产生枝晶的问题并未找到有效解决方案,预计未来十年内锂金属的规模商用几无可能。

硅基负极材料,理论上是仅次于锂金属的理想锂电负极材料。

与石墨的理论克容量372mAh/g相比,硅的理论克容量可达4200 mAh/g,是石墨克容量的10倍以上。为发挥硅基材料的高能量密度等优势,解决硅基材料使用过程中的膨胀问题,无数精英倾情深耕硅基负极材料产业十余年。

可惜,截止2022年底,硅基负极材料纯料年产值为10.7亿元(出货量为1.5万吨),仅占有了锂电负极材料市场的2%,98%的锂电负极材料市场依然是石墨(石墨负极2022年产值为500亿元,年出货量为156万吨)。

硅基负极产业发展不及预期的主要原因是:

1)硅基负极材料性能达不到动力市场的要求

硅氧产品虽然已经可以成熟商用,但循环次数达不到主要应用行业需求,特别是动力行业循环次数不小于1000周的最低要求。更小于储能行业要求的循环次数不少于5000周。

动力行业应用占了锂电市场的80%,储能行业占了锂电市场的15%。

硅基负极材料目前主要在市场占有率仅有5%的3C市场,如电动工具、无人机、TWS耳机、电子香烟等领域取得了一定的应用。这些应用循环寿命一般要求500次循环之内。

在狭小院子的游泳池中游泳,永远也成为不了世界冠军。

2)硅基负极材料的单位克容量成本远高于石墨。

为了科学比较硅基材料与石墨材料的成本,我们引入“当量单位克容量”的概念。

定义:

当量单位克容量

成本采用归一化处理后,各种材料的成本就具有了可比性。

就像在计算碳排放量时一样,温室气体有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等六种气体,甲烷的温室效应是二氧化碳的28倍,那排放1吨的甲烷就相当于排放了28吨的二氧化碳。把各种温室气体对温室效应的影响按当量折算成二氧化碳,全球的二氧化碳年排放量约为400亿吨,中国占了1/4。

当前92%首效的预锂硅氧产品,每吨价格是石墨20倍,克容量是石墨的4倍,当量克容量成本是石墨的5倍。

按在石墨中掺硅10%计算,电芯的整体成本增加了约5%。这是竞争激烈、成本优先的锂电多数行业所不能承受的。

二、硅基产业的最新进展

十年磨一剑,硅碳产业在2023年上半年取得了群体性突破。

1)硅基材料的膨胀问题得到有效解决,硅碳产品的膨胀性能明显优于硅氧产品,膨胀问题不再是硅基负极材料商用化的瓶颈

就像人的胃,吃了饭就会膨胀一样,负极材料在嵌入锂离子后也必然会发生膨胀。

这样的膨胀,属于本征膨胀。不膨胀就违背了第一性原理。

石墨负极的本征膨胀率大概在10%;混掺10%的硅氧、克容量为450 mAh/g的硅氧负极本征膨胀率大概在30%;同样的,混掺7%硅碳克容量为450 mAh/g的硅碳负极本征膨胀率大概在25%。可见,最新硅碳材料的膨胀有效降低了。

在与头部企业交流中,多数客户也有明确的观点:

硅基材料的膨胀不再是被关注的第一性能,材料的稳定性、可生产性成为第一关注点。“膨胀大”不再是硅基材料得不到规模商用的理由。

再强调一次,最新硅碳材料的膨胀得到了一定解决,现在可以规模商用了。

2)硅碳材料的全电循环次数突破1000+

就像评选世界小姐一样,除了评“三围”,还要看“才华”,评价一款负极材料,通常会从四个维度来评估。

A)单位克容量

每克负极材料能存储多少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

锂电池首次充放电时,放电容量除以充电容量的比值。

这个指标反映了锂离子的有效利用率。

石墨的首效可以做到92%+,现在硅氧、硅碳的首效也可以做到92%以上。

硅基材料与石墨在首效这一维度上,打平。

C)循环寿命

该指标反映了负极材料在整个生命周期内可以用多少次,也就是该负极材料在整个生命周期内可以累积存储多少度电。

针对不同应用场景,石墨开发了不同规格的产品,有循环次数1000+的,也有循环次数10000+的。规格不同,应用场景不同;成本不同,价格也不同。但不同性能、不同价位的石墨,很好地覆盖了锂电产业所有的不同应用场景。

“总有一款适合你”,是石墨在锂电行业中规模应用的根因之一。

硅氧450容量产品的循环次数普遍在800周左右。同比条件下膨胀性能及成本一直未能突破,错失最低循环次数要求1000+、市占率80%+的动力行业市场。

这是硅氧产品未获得规模商用的根本原因。

硅碳材料在2023年上半年,循环次数首次突破1200+。

不是个例,而是群体。

再强调一次,是群体性突破。

使硅碳材料进入市占率80%的动力行业市场成为可能。这得益于长期的技术积累与硅碳生产设备的突破,降低了硅碳厂家提升性能的难度。

群体突破会进一步带来成本的下降,这将解决硅基材料规模发展的第二个瓶颈——“成本”。

D)倍率性能

一般情况下纳米负极材料的倍率性好于微米级负极材料,所以通常认为纳米硅碳的倍率性更优异。

这也是硅基材料首先在对倍率性能要求高的电动工具行业取得规模突破的根本原因。

我们把以上性能阐述做成如下一张图,就会发现硅碳产品的性能指标全部超越硅氧产品性能大幅提升。

硅碳产业的“性能”瓶颈被有效攻克了。

3)硅碳产品的当量单位克容量成本,在未来3年内将做到石墨同一水平

石墨是由碳组成的,硅碳是由碳与硅组成的。

碳就是媒,硅就是石头,煤与石头相比,地球上哪一个元素多?哪一个材料的成本低?

索理德已经找到一套系统化方法,在3年内,把当量单位克容量成本做到石墨同一水平。

这将解决影响硅基材料规模发展的第二个瓶颈——“成本”。

综上所述,限制硅基负极材料大发展的两个瓶颈——性能与成本,都得到了有效解决,硅基负极产业的春天已经到来。

硅基负极产业的春天已经到来。

三、不得不说的“索理德”

为什么不得不说“索理德”呢?

因为我是索理德的一名员工。

索理德,是为硅基负极材料商用化砥砺前行的奋斗者们的一个缩影。

如果说索理德最近对产业还有所贡献的话,那就是,通过采用索理德的“包覆自修复”专利技术,将:

1)首效提升了1%,与业界最佳比

2)循环库仑效率提升了0.5%,与业界最佳比

3)提升了浆料不产气的可生产性

四、以促进硅基产业发展为己任,为国家双碳战略做贡献

大家有注意到吗?

近年的自然灾害明显增多了。尤其是2023年极端气候事件频发,前所未有。

中国长江流域多省份汛期返枯,山火频发。

巴基斯坦约1200人在夏季洪水中丧生,超过3300万人受到洪水影响。

美国肯塔基州东部7月遭受历史性洪水袭击,导致数十人死亡,数百人流离失所。

欧洲多地遭受热浪袭击,整个地区的气温持续创下历史新高,造成至少1,500人丧生。

……

这些都是地球气候变暖的带来的后果。

地球是全人类赖以生存和发展的共同家园,控制碳排放以减缓全球气候变暖,是促进人类社会健康发展的重要全球性议题之一。

双碳战略实施的核心是大力发展清洁能源,储能大发展又是清洁能源能够规模应用的最核心技术。

人生不过百年,正如美学之父朱光潜先生所言:人除温饱之外,别无高尚需求。

我们是幸运的一代,享受了国家最高端的教育资源,赶上了国家经济大发展的四十年,身心得到了充分的温饱,现在到了该回馈社会的时候。

我们,

硅基负极材料的从业者们,有幸处于人类命运的关键节点上。

让我们,

团结起来,

成立硅基负极产业联盟,

共享技术进步与产业信息,

以促进硅基产业发展为己任,

为国家双碳战略做贡献。

王守臣简介:

1998年于浙江大学获博士学位,同年加入中兴通讯。2001年-2017年任中兴通讯副总裁,先后兼任小灵通、3G、4G、南美片区总经理。

2017起开始个人创业,先后任派微电子、电瓦特总裁。

2022起,任深圳索理德总裁。

著名个人天使投资人。

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