對于汽車動力電池大頭正極材料，目前主要是三元材料（NCM）鋰電池和磷酸鐵鋰（LFP）還有鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO），當前主要應用于電動車領(lǐng)域的，是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術(shù)路線。
三元材料的核心優(yōu)勢在于能量密度高。同體積、同質(zhì)量下，續(xù)航時間較其它技術(shù)路線大幅領(lǐng)先。但其缺陷也非常明顯：安全性差，受到?jīng)_擊和處于高溫環(huán)境時，起火點比較低。
磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反，能量密度與續(xù)航均表現(xiàn)一般，但安全性卻十分優(yōu)秀。其晶體結(jié)構(gòu)為獨特的橄欖石型，空間骨架結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定。
根據(jù)Wood Mackenzie的預測未來磷酸鐵鋰滲透率將持續(xù)攀升，在2030年將三元鋰和磷酸鐵鋰電池將會各占30%以上，所以正極材料的演化路徑基本確定。
而負極材料，在動力電池方面出現(xiàn)了，硅基化。例如特斯拉以及蔚來等都宣傳其采用硅作為負極材料，目前更多屬于添加，添加5-10%左右，但至于多少目前都鮮有透露。
所以，硅基鋰電池是負極材料采用硅材料而不是石墨的鋰電池。
那為什么負極材料采用硅基？
當前的汽車動力電池其實來源于3C消費的鋰離子，鋰電池最早由日本索尼公司于1990年開發(fā)成功。傳統(tǒng)鋰離子電池的正極材料為鈷酸鋰(LiCoO2)，負極材料為石墨(C)，以酯類作為電解液的可充電式電池，由于穩(wěn)定一直沿用至今。
但石墨作為負極最核心的問題是石墨負極材料能量密度的理論上限為372mAh/g，而目前行業(yè)頭部公司的產(chǎn)品已可實現(xiàn)365mAh/g的能量密度，逼近理論極限，未來的提升空間極為有限，所以急需尋找下一代替代品。
新一代的負極材料中，硅基負極是熱門候選者。其具有極高的能量密度，理論容量比可達4200mAh/g，遠超石墨類材料，硅可以容納比石墨多得多的鋰原子。一個硅原子吸收四個鋰原子，而六個石墨原子只能容納一個鋰原子。因此，按重量計算，硅可以容納比石墨多 10 倍的鋰。這允許在電池中使用更小的陽極，為更多陰極材料（更多鋰）開辟更多空間。正是陰極將這種初始鋰帶入電池，因此為陰極提供的空間越大，能量密度就可能越大。
另外硅由于材料來源太廣泛了，芯片也是采用他為材料，所以硅成為電池負極開發(fā)的明星材料。
硅基材料當前的難點和缺點？
但作為負極材料，硅也有嚴重缺陷，鋰離子嵌入會導致嚴重的體積膨脹，硅在充電期間膨脹 300%，在放電期間收縮 300%，而石墨僅變化了約 7%。這種膨脹是危險且不穩(wěn)定的，破壞電池結(jié)構(gòu)，造成電池容量快速下降。目前通行的解決方案之一是使用硅碳復合材料，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲鋰容量，碳顆粒則用來緩沖充放電過程中負極的體積變化，并改善材料的導電性，同時避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團聚。
基于此，硅碳負極材料被認為是前景最佳的技術(shù)路線，逐漸獲得產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)企業(yè)的關(guān)注。特斯拉的Model 3已經(jīng)使用了摻入10%硅基材料的人造石墨負極電池，其能量密度成功實現(xiàn)300wh/kg，大幅領(lǐng)先采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的電池
不過與石墨負極相比，硅碳負極除了加工技術(shù)仍不成熟外，較高的成本也是障礙。當前的硅碳負極材料市場價格超過15萬元/噸，是高端人造石墨負極材料的兩倍。未來量產(chǎn)后，電池制造商也會面臨與正極材料相似的成本控制問題。
哪些汽車主機廠準備采用？
所以目前高比例的硅基電池基本上都屬于豪車使用，例如奔馳采用負極硅基鋰電池的EQG將于 2024 年底推出。電池來自于美國Sila ，當然Sila并不是唯一一家在爭奪硅負（陽）極吹噓權(quán)的公司。保時捷也與美國Group14 Technologies 達成 6.5 億美元的供應協(xié)議，而通用汽車也正在與 oneD Battery Sciences 合作研發(fā)硅基電池。
國內(nèi)汽車有智己以及蔚來喊出過“摻硅補鋰”或者“無機預鋰化碳硅負極”等概念使續(xù)航里程超1000km，其實質(zhì)均為提高負極中硅的含量，同時增加鋰的含量，但目前沒有看到量產(chǎn)上市。
當然還有不少硅基電池例如amprius直接從電動飛機起步，畢竟電動飛機的價格才能用得起價格昂貴的新技術(shù)，當新技術(shù)被市場培育規(guī)模化興起使成本下降之后肯定進入巨量親民市場。
所以硅基電池，將會是短時間內(nèi)激發(fā)汽車動力電池材料應用創(chuàng)新的一個重要方向，未來5-10年會有巨大市場。
參考文章以及圖片
1、Brief overview of electrochemical potential in lithium ion batteriesv- Gao Jian, Shi Si-Qi, Li Hong
2、解析我國鋰電池四大關(guān)鍵材料的發(fā)展水平
3、LFP to overtake NMC as dominant stationary storage chemistry by 2030 - Paul Crompton
4、硅基負極，鋰電材料升級的必經(jīng)之路 - 華安證券
