每經(jīng)記者 朱成祥    每經(jīng)編輯 文多    

近年來，隨著新能源汽車滲透率的提升，節(jié)假日高速服務(wù)區(qū)排隊(duì)充電的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。然而，隨著快充技術(shù)的進(jìn)步，這一問題有望得到顯著改善。

目前，許多快充技術(shù)已能達(dá)到充電5分鐘，續(xù)航100公里的水平。9月25日，上汽通用汽車宣布，與寧德時(shí)代合作推出了一款6C（倍率）超快充磷酸鐵鋰電池，能夠在充電5分鐘的情況下使續(xù)航里程增加200公里以上，并計(jì)劃于明年起在準(zhǔn)900V高壓電池架構(gòu)中投入使用。此外，據(jù)報(bào)道，輝能科技近日在巴黎車展期間首次展出“100%復(fù)合硅陽極”（即硅基負(fù)極）電池系統(tǒng)，公司稱其充電5分鐘可續(xù)航約300公里。

充電5分鐘，從續(xù)航100公里到200公里，再到300公里，未來電車或?qū)⑴c油車一樣方便地補(bǔ)能。

如何做到快充

從上汽通用的描述看，其與寧德時(shí)代共同推出的6C電池，可能仍屬于石墨負(fù)極體系。上汽通用稱，該電池使用“第二代石墨快離子環(huán)技術(shù)”，搭配多梯度分層極片，搭建起了電流傳導(dǎo)的“高速公路”，顯著縮短了充放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了更高的能量密度和更高的循環(huán)穩(wěn)定性。

相比之下，輝能科技則使用硅基負(fù)極體系。目前，硅基負(fù)極主要分硅碳負(fù)極、硅氧負(fù)極。對于輝能科技使用何種材料體系，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者采訪了TrendForce集邦咨詢分析師曾佑鵬，其表示：“輝能科技推出的100%硅基負(fù)極并非純硅，是高容量（2100~3100mAh/g）的硅氧體系復(fù)合材料”。

輝能科技官網(wǎng)顯示，具體而言，其硅復(fù)合負(fù)極電池充電5分鐘可續(xù)航約300公里，相較業(yè)界快充標(biāo)準(zhǔn)（30分鐘），縮短了83.3%的充電等待時(shí)間，提升了充電周轉(zhuǎn)率，解決了充電站不足與充電時(shí)間過長的困境。

該電池體積能量密度達(dá)到749Wh/L，重量能量密度則達(dá)到321Wh/kg。公司稱，根據(jù)德國萊茵實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)，該電池系統(tǒng)能在充電5分鐘內(nèi)，從5%電量充至60%，充電8.5分鐘則可達(dá)到80%。

不過，輝能科技未說明該電池何時(shí)量產(chǎn)。對此，10月21日，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者試圖通過郵件的方式聯(lián)系輝能科技，但并未成功。

對于硅基材料為何快充性能如此優(yōu)異，曾佑鵬告訴記者，硅基負(fù)極適用快充，主要與其儲鋰機(jī)理有關(guān)，傳統(tǒng)石墨材料主要是通過擴(kuò)散嵌鋰提供容量，石墨材料為層狀結(jié)構(gòu)，充電時(shí)發(fā)生插層反應(yīng)，鋰離子必須從材料的端面嵌入并擴(kuò)散至顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致傳輸路徑較長，嵌鋰過程較慢，限制了其快充性能。

“而硅基負(fù)極主要是通過擴(kuò)散+合金化反應(yīng)提供容量，首先硅材料可從各個(gè)方向提供‘Li+’（鋰陽離子）擴(kuò)散的通道，且Li+與硅的合金化和去合金化反應(yīng)過程較石墨材料中Li+擴(kuò)散脫嵌鋰的反應(yīng)動力學(xué)過程更快，因此可提升電池的快充速度。”曾佑鵬補(bǔ)充表示。

硅基材料進(jìn)入量產(chǎn)階段

既然硅基負(fù)極材料的快充性能如此優(yōu)異，為何目前仍沒有大規(guī)模應(yīng)用？硅基負(fù)極材料又存在哪些問題？

對此，沙利文大中華區(qū)執(zhí)行總監(jiān)向威力認(rèn)為，硅基負(fù)極材料存在體積膨脹、電導(dǎo)率降低以及內(nèi)部應(yīng)力這三大問題。

向威力回復(fù)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者稱：“硅作為電池負(fù)極時(shí)，在充電時(shí)會經(jīng)歷顯著的體積膨脹（最高可達(dá)300%），這可能導(dǎo)致電池材料的結(jié)構(gòu)被破壞，影響循環(huán)穩(wěn)定性和電池壽命；膨脹和收縮會導(dǎo)致活性材料的電導(dǎo)率降低，從而影響電池的整體性能和充放電效率；重復(fù)的膨脹和收縮會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而可能導(dǎo)致電極的剝離或裂紋，增加安全隱患。在極端情況下，由于硅材料的膨脹，可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路或熱失控，從而影響電池的安全性。這種現(xiàn)象在極端情況下可能導(dǎo)致起火或爆炸。”

曾佑鵬也認(rèn)為：“由于體積變化大，硅基負(fù)極在充放電過程中，固體電解質(zhì)界面膜（SEI）會不斷形成和破壞，SEI膜的反復(fù)形成和破壞，將造成電池容量衰減快，循環(huán)壽命短。”

那么，硅基材料的體積膨脹與收縮問題，又該如何解決？

曾佑鵬認(rèn)為：“一方面可通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減輕硅的體積膨脹，如使用硅納米顆粒、硅納米線和硅納米片等納米結(jié)構(gòu)材料；另一方面是通過引入碳基材料來改善硅基負(fù)極材料的性能，包括設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃結(jié)構(gòu)、多孔型結(jié)構(gòu)和嵌入型結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料。”

可以看出，硅基負(fù)極材料存在的問題，也有明確的解決方案。當(dāng)下，硅基負(fù)極材料體系的電池，量產(chǎn)進(jìn)度如何？

向威力介紹，國內(nèi)企業(yè)的硅基材料電池系統(tǒng)主要集中在硅碳復(fù)合、硅氧復(fù)合等負(fù)極材料技術(shù)方面。國內(nèi)硅基材料電池系統(tǒng)的出貨量呈現(xiàn)快速增長并逐漸商業(yè)化的態(tài)勢，核心企業(yè)主要包括貝特瑞、杉杉股份、璞泰來等，致力于產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)能擴(kuò)張、制造等方面。

其舉例稱，貝特瑞是國內(nèi)最早量產(chǎn)硅基負(fù)極材料的企業(yè)之一，其中硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)至第五代，比容量達(dá)2000mAh/g以上，截至2023年末，硅基負(fù)極材料產(chǎn)能達(dá)5000噸/年。

杉杉股份早前在互動平臺以及公司公告中表示，公司突破了硅基負(fù)極材料前驅(qū)體的批量合成核心技術(shù)、預(yù)鋰化硅材料嵌入均勻性方面的技術(shù)瓶頸。公司已領(lǐng)先布局寧波4萬噸一體化硅基負(fù)極產(chǎn)能基地，其中一期產(chǎn)能建設(shè)中，預(yù)計(jì)2024年年底“投試產(chǎn)”。

璞泰來于2023年7月設(shè)立“安徽紫宸”，啟動年產(chǎn)1.2萬噸硅基負(fù)極材料（單體）的項(xiàng)目建設(shè)，計(jì)劃2025年開始逐步分期投產(chǎn)。

向威力總結(jié)稱，目前國內(nèi)外有超40家廠商布局硅基材料電池系統(tǒng)，行業(yè)進(jìn)入商業(yè)化量產(chǎn)階段。