可提高十倍蓄电能力的硅基锂电池 - 即将上车-电子工程世界

2023上海车展奔驰将在国内展出其电动大G-EQG，其将采用四电机布局，预计电动 G-Wagon 的续航里程也将超过 300 英里，相比国内内卷的新势力高配车，当然这个里程不是特别耀眼。但是有消息称它很可能与 ICE G-Wagon 共用一个底盘，也可能是一个架构，那么你可以认为他是油改电的产品，考虑到这么大的越野系列，那么其续航里程以及充电都很亮眼。

有消息称采用硅基锂电池，所以续航里程比同类电池增加 20%，续航里程最多可增加 100 英里，他还可以显著缩短电池充电时间，仅需 20 分钟即可将电池电量从 10% 充电至 80%——即使您目前的充电时间长达 60 分钟。未来的版本减少到大约 10 分钟。当然这些都是在不牺牲循环寿命或安全性的情况下实现的，借助硅基锂电池，主机厂可以将电池重量减轻多达 15%，空间降低 20%，这些都可以大大提高车辆效率并增加创新设计和功能。

我在之前文章《如何看当前的汽车动力电池》分享过电动车动力电池技术分为材料创新、封装及结构创新、整车集成创新三部分，而目前汽车动力电池创新主要在后面两个部分，但此次奔驰EQG采用的动力电池为材料创新，所以值得了解。所以本文从以下方面

那么硅基锂电池是什么？
为什么采用硅基材料？
硅基材料当前的难点和缺点？
还有哪些汽车主机厂准备采用？

去分享硅基电池，希望能够传达一些信息。

硅基锂电池是什么？

汽车动力电池目前主要是锂电池，锂电池主要由以下五部分构成，

正极（阴极）材料，他是锂电池最为关键的原材料，占锂电池成本的 30%以上。
负极（阳极）材料，目前主要是碳素材料为主，成本比重最低，在 5-10%左右，但本文主要讲的就是硅基就是负极材料创新。
电解液，带动锂离子流动的载体，目前电池创新另外一个方向就是将电解液固态化，也就是固态电池。
隔膜，隔膜在成本构成上仅次于正极材料，占 20-30%，隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能。
包装材料。其中，包装材料和石墨负极技术相对成熟，成本占比不高。

对于汽车动力电池大头正极材料，目前主要是三元材料（NCM）锂电池和磷酸铁锂（LFP）还有钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO），当前主要应用于电动车领域的，是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线。

三元材料的核心优势在于能量密度高。同体积、同质量下，续航时间较其它技术路线大幅领先。但其缺陷也非常明显：安全性差，受到冲击和处于高温环境时，起火点比较低。
磷酸铁锂则恰好与三元材料相反，能量密度与续航均表现一般，但安全性却十分优秀。其晶体结构为独特的橄榄石型，空间骨架结构不易发生形变，使其在高温环境下仍能保持稳定。

根据Wood Mackenzie的预测未来磷酸铁锂渗透率将持续攀升，在2030年将三元锂和磷酸铁锂电池将会各占30%以上，所以正极材料的演化路径基本确定。

而负极材料，在动力电池方面出现了，硅基化。例如特斯拉以及蔚来等都宣传其采用硅作为负极材料，目前更多属于添加，添加5-10%左右，但至于多少目前都鲜有透露。

所以，硅基锂电池是负极材料采用硅材料而不是石墨的锂电池。

那为什么负极材料采用硅基？

当前的汽车动力电池其实来源于3C消费的锂离子，锂电池最早由日本索尼公司于1990年开发成功。传统锂离子电池的正极材料为钴酸锂(LiCoO2)，负极材料为石墨(C)，以酯类作为电解液的可充电式电池，由于稳定一直沿用至今。

但石墨作为负极最核心的问题是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g，而目前行业头部公司的产品已可实现365mAh/g的能量密度，逼近理论极限，未来的提升空间极为有限，所以急需寻找下一代替代品。

新一代的负极材料中，硅基负极是热门候选者。其具有极高的能量密度，理论容量比可达4200mAh/g，远超石墨类材料，硅可以容纳比石墨多得多的锂原子。一个硅原子吸收四个锂原子，而六个石墨原子只能容纳一个锂原子。因此，按重量计算，硅可以容纳比石墨多 10 倍的锂。这允许在电池中使用更小的阳极，为更多阴极材料（更多锂）开辟更多空间。正是阴极将这种初始锂带入电池，因此为阴极提供的空间越大，能量密度就可能越大。

另外硅由于材料来源太广泛了，芯片也是采用他为材料，所以硅成为电池负极开发的明星材料。

硅基材料当前的难点和缺点？

但作为负极材料，硅也有严重缺陷，锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，硅在充电期间膨胀 300%，在放电期间收缩 300%，而石墨仅变化了约 7%。这种膨胀是危险且不稳定的，破坏电池结构，造成电池容量快速下降。目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量，碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化，并改善材料的导电性，同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。

基于此，硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线，逐渐获得产业链内企业的关注。特斯拉的Model 3已经使用了掺入10%硅基材料的人造石墨负极电池，其能量密度成功实现300wh/kg，大幅领先采用传统技术路线的电池

不过与石墨负极相比，硅碳负极除了加工技术仍不成熟外，较高的成本也是障碍。当前的硅碳负极材料市场价格超过15万元/吨，是高端人造石墨负极材料的两倍。未来量产后，电池制造商也会面临与正极材料相似的成本控制问题。

哪些汽车主机厂准备采用？

所以目前高比例的硅基电池基本上都属于豪车使用，例如奔驰采用负极硅基锂电池的EQG将于 2024 年底推出。电池来自于美国Sila ，当然Sila并不是唯一一家在争夺硅负（阳）极吹嘘权的公司。保时捷也与美国Group14 Technologies 达成 6.5 亿美元的供应协议，而通用汽车也正在与 OneD Battery Sciences 合作研发硅基电池。