圍繞動(dòng)力電池的競爭仍在內(nèi)卷中進(jìn)行，而一貫講究技術(shù)創(chuàng)新的特斯拉，再次成為了鋰電產(chǎn)業(yè)的 " 福星 "。面對百舸爭流的技術(shù)路線，決定鋰電前途命運(yùn)的關(guān)鍵，就藏在萬眾矚目的 4680 電池之中。
" 累計(jì)產(chǎn)量突破 1000 萬顆!" 這是 6 月 17 日，特斯拉官宣 4680 電池創(chuàng)下的首個(gè)里程碑。電芯產(chǎn)量能滿足 1.2 萬輛 Model Y 的裝機(jī)所需，標(biāo)志著 4680 電池正式進(jìn)入到量產(chǎn)階段。
當(dāng)下鋰電的技術(shù)，已經(jīng)成熟到幾乎挖掘不出任何顛覆式創(chuàng)新。而作為特斯拉的第三代電池，4680 在續(xù)航、快充和安全性等方面堪稱無懈可擊。其性能飛躍，不僅是 " 大電芯 + 全極耳 + 干電池技術(shù) " 的功勞，更在于革命性地使用了硅碳負(fù)極這一新材料，打破了只能使用石墨的桎梏。
相比傳統(tǒng)的石墨類材料，硅碳具有更高的能量密度，能夠讓電池內(nèi)儲(chǔ)存的電荷量增加 10 倍。" 毫不夸張地說，鋰電產(chǎn)業(yè)的榮辱興衰正攥在硅基負(fù)極廠商手里。" 一位業(yè)內(nèi)人士說。
在特斯拉 4680 電池的引領(lǐng)之下，參與新一輪鋰電負(fù)極材料革新的，既有保時(shí)捷和奔馳這樣的巨擎，也不乏一些創(chuàng)新型企業(yè)置身事內(nèi)。其中以美國 Group14 和 Sila 這兩家初創(chuàng)公司為代表，二者正在為接下來硅碳負(fù)極的商業(yè)投產(chǎn)蓄勢。
新一輪投資浪潮也從大洋彼岸席卷而來。從意外爆冷到眾星捧月，硅碳負(fù)極項(xiàng)目只用了半年時(shí)間。曾有投資人感慨，熱門項(xiàng)目甚至火到 " 連創(chuàng)始人微信都加不上 "。
其中，成立于 2017 年的負(fù)極材料企業(yè)天目先導(dǎo)，于去年獲得了多家機(jī)構(gòu)注資后，在今年突然爆紅。有知情人士透露：" 資本追著送錢讓他們 TS 拿到手軟，最新估值漲到了 60 億左右。"
顯然，硅碳負(fù)極重新燃起了 VC 對鋰電賽道的投資熱情。正如某頭部 VC 投資人形容，今天的正極材料工藝就像工廠從生產(chǎn)吉他轉(zhuǎn)型做尤克里里，創(chuàng)新乏善可陳，難以有太多新的市場機(jī)會(huì)。而負(fù)極則像白酒廠轉(zhuǎn)型做紅酒，創(chuàng)業(yè)公司和茅臺同在一個(gè)起點(diǎn)。
隨著 4680 電池的放量，人人都想盡早抓住鋰電產(chǎn)業(yè)僅剩的這波風(fēng)口。
老掉牙的石墨負(fù)極
縱觀鋰電的發(fā)展脈絡(luò)，所有的研發(fā)創(chuàng)新目的只有一個(gè)——解決續(xù)航焦慮。
盡管電池制造商想盡一切辦法提高空間利用效率，來增加整車電池容量，但優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)的思路，顯然不是解決問題的根本之道。材料和工藝創(chuàng)新才是企業(yè)安身立命之本，也是提高電池綜合性能的基本共識。
因此，資本未曾放過產(chǎn)業(yè)鏈涌現(xiàn)出的任何創(chuàng)新型技術(shù)，可唯獨(dú)遺漏了電池負(fù)極。
電池充放電的過程，是鋰離子嵌入與脫出負(fù)極材料的過程?？梢哉f，負(fù)極材料是影響鋰電池能量密度、循環(huán)壽命與倍率性能的重要組成部分。然而，和鈷酸鋰、鎳鈷錳、磷酸鐵鋰等正極材料創(chuàng)新相比，負(fù)極材料似乎只有石墨這個(gè)唯一選項(xiàng)。
可即便如此，產(chǎn)業(yè)內(nèi)曾理所當(dāng)然地認(rèn)為，理想的負(fù)極材料就是石墨。
直到三年前的特斯拉電池日，馬斯克揭開了 4680 電池的神秘面紗，這款大圓柱電池因摒棄了石墨負(fù)極，開創(chuàng)性地選擇了能量密度更高的硅碳負(fù)極，才真正啟明了業(yè)界心智。
一般而言，理想的負(fù)極材料需具備對鋰電位低、高比容量、高導(dǎo)電率、原材料易獲得、與電解質(zhì)相兼容的特點(diǎn)。一位行業(yè)人士告訴虎嗅，正是具備上述這些條件，加之成本低、工藝成熟，石墨才能牢牢占據(jù)市場主導(dǎo)地位，并形成了一定程度上的路徑依賴。
但時(shí)至今日，石墨負(fù)極已逼近 372mAh/g 的理論比容量(單位重量活性物質(zhì)所能放出的電量)極限，無法滿足市場對于高比能鋰電的需求?；谙M(fèi)市場對續(xù)航性能的渴望，鋰電行業(yè)迫切需要使用更優(yōu)異的負(fù)極材料，擺脫石墨負(fù)極的掣肘。而硅基負(fù)極則是目前理論效率最高且距離產(chǎn)業(yè)化最近的材料。
事實(shí)上，在特斯拉發(fā)布 4680 電池之前，Model3 搭載的 21700 電池就在負(fù)極添加了 5% 的硅基材料。如今，行業(yè)也已探明，硅基是目前容量最高的電池負(fù)極材料，理論值高達(dá) 4200mAh/g，是石墨負(fù)極理論極限的近 12 倍。
即便是目前小規(guī)模應(yīng)用的硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極材料，比容量也分別達(dá)到了 450mAh/g 和 450-500mAh/g。當(dāng)然，資本押注的不是現(xiàn)在，而是可期的未來。" 就像光伏轉(zhuǎn)化效率逐年提高那樣，硅基負(fù)極的潛能同樣值得期待。" 負(fù)極材料商載馳科技創(chuàng)始人汪煒如是說。
因此，在特斯拉率先垂范，證明了硅基負(fù)極材料與大圓柱電池適配之后，各大負(fù)極廠商均把硅基負(fù)極材料作為重點(diǎn)研究的對象。在負(fù)極材料加入硅，成為目前車企提高續(xù)航的重要手段和必然選擇。
采用硅碳負(fù)極的特斯拉 4680 電池，使用硅基材料比例是 21700 電池的兩倍。特斯拉聲稱，其能量密度達(dá)到了 300Wh/kg，是 21700 電池的 5 倍，整車?yán)m(xù)航里程也因此提高了 16%。
而硅基負(fù)極并不是特斯拉獨(dú)占，這項(xiàng)技術(shù)的開創(chuàng)者——美國國家科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)終身教授崔屹 2008 年創(chuàng)辦了 Amprius 公司時(shí)，就基于自研的納米技術(shù)開發(fā)了采用硅基負(fù)極電池，能量密度高達(dá) 450Wh/kg。
憑借性能更好、更便宜的硅碳復(fù)合負(fù)極，去年 9 月，這家總部位于美國加利福尼亞州弗里蒙特的電池制造商，在紐交所敲鐘上市，風(fēng)光無垠。
多位行業(yè)人士告訴虎嗅，硅基負(fù)極之所以得到電池廠商的青睞，除了續(xù)航大幅提升，另一大優(yōu)勢則在于高倍率的快充效率—— 6 分鐘之內(nèi)充滿 80%，這是石墨負(fù)極望塵莫及的。
汪煒解釋，由于石墨的電位比較低，鋰離子很容易在負(fù)極表面沉積，形成析鋰。這種情況通常會(huì)在低溫、快充、過充等過程中出現(xiàn)。一旦析鋰反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，就會(huì)生長成像樹枝狀的金屬鋰(也被稱為鋰枝晶)，刺破隔膜，最終導(dǎo)致電池起火爆炸。
為了遏制石墨負(fù)極對鋰電安全性、低溫性能、倍率性能造成的負(fù)面影響，電池廠商只能讓電池管理系統(tǒng) ( BMS ) 發(fā)揮保護(hù)屏障的作用，禁止在低溫環(huán)境下大倍率的充放電。
相比之下，硅基負(fù)極的電壓比石墨要高，在快充場景下不會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶，能夠很好地規(guī)避石墨負(fù)極的上述痛點(diǎn)。
眼下，作為硅基負(fù)極電池的出貨主力，松下、LG 等海外電池廠商在今年啟動(dòng) 4680 電池的量產(chǎn)。而諸如寧德時(shí)代、億緯鋰能、蔚藍(lán)等國內(nèi)知名電池廠商，亦在通過布局國產(chǎn) 4680 電池項(xiàng)目，加速硅基負(fù)極的落地和普及。
可以預(yù)見的是，特斯拉 4680 電池已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，有望引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革。中信證券研報(bào)認(rèn)為，2023 年是 4680 電池放量元年。根據(jù)車企的車型及產(chǎn)能規(guī)劃，預(yù)計(jì)到 2025 年，4680 電池需求將超過 100GWh，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件需求達(dá) 37 億元。
另據(jù)第三方研究機(jī)構(gòu)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院報(bào)告，隨著 2022 年特斯拉 4680 大圓柱的量產(chǎn)，硅碳負(fù)極市場將迎來爆發(fā)增長，預(yù)計(jì) 2025 年特斯拉 4680 驅(qū)動(dòng)的硅碳負(fù)極市場空間將達(dá)到 183.7 億元。硅基負(fù)極也將從 2023 年起逐步應(yīng)用在除特斯拉之外的其他動(dòng)力電池市場中，2025 年除特斯拉外其他動(dòng)力用硅碳負(fù)極市場空間將達(dá)到 67.7 億元。
不過，盡管硅基材料被市場認(rèn)為是未來最可能大規(guī)模應(yīng)用的新型負(fù)極材料，但包括人造石墨和天然石墨在 2021 年占據(jù)了所有負(fù)極材料出貨量的 98%，包括硅基負(fù)極在內(nèi)的其他負(fù)極材料，出貨量僅有 2%。這場負(fù)極材料革新才剛剛開始。
硅碳才是鋰電的未來
" 三點(diǎn)鐘又有一個(gè)投資團(tuán)隊(duì)要過來，已經(jīng)約了快一個(gè)月了。"
在硅基負(fù)極最火的時(shí)候，載馳科技創(chuàng)始人汪煒一天要見好幾波投資人。這與 2017 年公司剛成立那會(huì)兒，鮮有人知道什么是硅基負(fù)極相比，反差強(qiáng)烈。
今年 4 月，CNBC 采訪了美國三家研發(fā)硅負(fù)極技術(shù)的公司—— Sila、Amprius 和 Group14，了解這種新材料將如何改變電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。這則報(bào)道迅速傳至國內(nèi)，在硅基負(fù)極創(chuàng)業(yè)者中間引發(fā)了關(guān)注和討論。
在這一領(lǐng)域深耕了 20 多年的汪煒，經(jīng)歷了幾輪行業(yè)起伏和技術(shù)變遷之后，認(rèn)為技術(shù)路線是否具有通向商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的能力至關(guān)重要，" 只有做到低成本、大規(guī)模量產(chǎn)，才能更好服務(wù)客戶，也更符合商業(yè)邏輯。"
然而，目前硅基負(fù)極滲透率只有不到 2%，制約其大規(guī)模進(jìn)入市場的，主要是過高的體積膨脹率和導(dǎo)電性欠佳等先天性 " 硬傷 "。
和石墨負(fù)極 12% 的膨脹率相比，硅基負(fù)極材料的充放電膨脹率為 320%。雖然硅基負(fù)極電池理論上屬于高壽命電池，但在充放電過程中，由于首次充放電效率低，再加上過高的膨脹率導(dǎo)致硅顆?？赡芷屏巡⒃斐呻姌O失效，引起鋰離子迅速衰減，影響電池循環(huán)性能和使用壽命。
虎嗅從行業(yè)人士了解到，國內(nèi)硅基負(fù)極目前的循環(huán)壽命普遍在 500-600 次，遠(yuǎn)低于石墨負(fù)極電池 1000 次以上的水平，甚至達(dá)不到國標(biāo)的上車要求。這些技術(shù)問題，仍需一定的時(shí)間來解決。
為了抑制膨脹，行業(yè)最早試圖通過硅氧負(fù)極材料來解決問題。汪煒介紹，硅氧負(fù)極是氧化亞硅與石墨材料的復(fù)合物，在循環(huán)性能和倍率性能方面有出色表現(xiàn)，但硅氧負(fù)極的工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，而且首次效率低，需要在材料端或電池端進(jìn)行預(yù)鋰化處理。
可令人意想不到的是，2021 年鋰鹽價(jià)格開始從 3 萬元 / 噸一路狂飆。面對上游原材料的成本高企，任何材料廠商都不愿從腰包里掏出高昂的補(bǔ)鋰費(fèi)用。在 " 去鋰化 " 的呼聲中，尚未形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢的硅氧負(fù)極賽道開始暗淡了下來。" 到 2021 年之后，所有的人都覺得硅氧沒法再做了。取而代之的，則是 4680 電池采用的硅碳負(fù)極路線。" 汪煒如是說。
相較于硅氧技術(shù)路線，由于不需要補(bǔ)鋰，硅碳具有不可比擬的性能與成本優(yōu)勢。中國化工經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中心(CNCET)預(yù)計(jì)，2023 年中國硅碳負(fù)極材料產(chǎn)量及消費(fèi)量將達(dá)到 6 萬噸，未來硅碳負(fù)極市場前景巨大，市場滲透率正在逐步提升，預(yù)計(jì)市場規(guī)模在千億級別。
硅碳全稱為納米硅碳，是納米硅和石墨的結(jié)合體。Sila、Amprius 和 Group14，都堅(jiān)定地選擇了納米硅碳的技術(shù)路線。作為納米硅碳的核心材料，誰掌握了納米硅誰就掌握了納米硅碳。
和氧化亞硅相比，" 納米碳的痛點(diǎn)在于工藝，而不在于材料。" 汪煒表示，同樣是負(fù)極膨脹的問題，他們利用了物理學(xué)的尺度效應(yīng)，把納米硅碳的粒徑減小十倍，使其體積縮小為原來的千分之一，極大程度上解決了膨脹帶來的一系列問題。
創(chuàng)立之初，載馳科技就作為貝特瑞的獨(dú)家供應(yīng)商，向其提供納米硅原料。后者是負(fù)極材料的龍頭企業(yè)，2022 年以 22% 的市占率居首，材料業(yè)務(wù)收入達(dá) 146.3 億元，同時(shí)也成功躋身特斯拉的產(chǎn)業(yè)鏈，向下游客戶之一的松下動(dòng)力電池提供硅碳負(fù)極材料。
眼下，在硅基負(fù)極市場中，最具增長潛力的當(dāng)屬硅碳負(fù)極。但由于工藝創(chuàng)新難度大，國內(nèi)硅碳負(fù)極材料制造商仍然處在攻堅(jiān)階段。目前硅基負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化還在初期階段，面臨大規(guī)模量產(chǎn)和成本的挑戰(zhàn)。此前據(jù)高工鋰電統(tǒng)計(jì)，硅碳負(fù)極材料價(jià)格超過 12 萬元 / 噸，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極材料。
為了制備高性能、低成本納米硅材料，載馳科技采用的技術(shù)路線不同于傳統(tǒng)的濕法砂磨及硅烷裂解法，而是使用了一種更安全、低碳及規(guī)?；纳a(chǎn)方式。截至目前，其研發(fā)的硅碳負(fù)極材料經(jīng)過三次迭代，已經(jīng)陸續(xù)向動(dòng)力電池廠商送樣測試。
不過，短時(shí)的技術(shù)瓶頸，并不能阻止投資人把熱錢撒向這個(gè)賽道。作為行業(yè)篤定的下一代新型鋰電負(fù)極材料，不少硅碳負(fù)極項(xiàng)目甚至出現(xiàn)被投資人 " 排隊(duì)送錢 " 的盛況。例如天目先導(dǎo)、蘭溪致德、碳什科技、碳一新能源、索理德等負(fù)極材料企業(yè)，背后的資本陣容非常豪華。由于項(xiàng)目的相對稀缺，客觀上導(dǎo)致不少投資機(jī)構(gòu)只能看運(yùn)氣搶 " 候補(bǔ)票 "。
截至目前，絕大多數(shù)硅碳負(fù)極材料企業(yè)處于布局、中試或研發(fā)階段。隨著各電池企業(yè)開始加速布局 4680 大圓柱電池，為提升能量密度，大概率會(huì)增加以硅碳為代表的負(fù)極材料使用。進(jìn)而帶動(dòng)市場對于負(fù)極新材料的需求。
待硅碳技術(shù)瓶頸的攻克以及成本下降，這種高能量密度的材料一旦大規(guī)模量產(chǎn)，動(dòng)力電池市場的格局或?qū)⒈贿M(jìn)一步重塑。
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