深圳索理德新材料科技有限公司總裁 王守臣
【摘要】硅基負極材料歷經(jīng)十余年的發(fā)展，雖未取得大家所期望的成就，但隨著硅碳技術性能的群體突破，及未來2-3年內(nèi)成本的成倍下降預期，必將做到與石墨一樣的單位克容量成本，解決了硅基負極材料發(fā)展過程中“性能”與“成本”兩大瓶頸。
可以預見，硅基負極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來。
一、硅基產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀
科技發(fā)展到今天，不用做實驗，從理論上已經(jīng)可以證明，鋰金屬是鋰電產(chǎn)業(yè)最理想的負極材料。
鑒于鋰金屬使用過程中容易產(chǎn)生枝晶的問題并未找到有效解決方案，預計未來十年內(nèi)鋰金屬的規(guī)模商用幾無可能。
硅基負極材料，理論上是僅次于鋰金屬的理想鋰電負極材料。
與石墨的理論克容量372mAh/g相比，硅的理論克容量可達4200 mAh/g，是石墨克容量的10倍以上。為發(fā)揮硅基材料的高能量密度等優(yōu)勢，解決硅基材料使用過程中的膨脹問題，無數(shù)精英傾情深耕硅基負極材料產(chǎn)業(yè)十余年。
可惜，截止2022年底，硅基負極材料純料年產(chǎn)值為10.7億元(出貨量為1.5萬噸)，僅占有了鋰電負極材料市場的2%，98%的鋰電負極材料市場依然是石墨(石墨負極2022年產(chǎn)值為500億元，年出貨量為156萬噸)。
硅基負極產(chǎn)業(yè)發(fā)展不及預期的主要原因是：
1)硅基負極材料性能達不到動力市場的要求
硅氧產(chǎn)品雖然已經(jīng)可以成熟商用，但循環(huán)次數(shù)達不到主要應用行業(yè)需求，特別是動力行業(yè)循環(huán)次數(shù)不小于1000周的最低要求。更小于儲能行業(yè)要求的循環(huán)次數(shù)不少于5000周。
動力行業(yè)應用占了鋰電市場的80%，儲能行業(yè)占了鋰電市場的15%。
硅基負極材料目前主要在市場占有率僅有5%的3C市場，如電動工具、無人機、TWS耳機、電子香煙等領域取得了一定的應用。這些應用循環(huán)壽命一般要求500次循環(huán)之內(nèi)。
在狹小院子的游泳池中游泳，永遠也成為不了世界冠軍。
2)硅基負極材料的單位克容量成本遠高于石墨。
為了科學比較硅基材料與石墨材料的成本，我們引入“當量單位克容量”的概念。
定義：
當量單位克容量
成本采用歸一化處理后，各種材料的成本就具有了可比性。
就像在計算碳排放量時一樣，溫室氣體有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等六種氣體，甲烷的溫室效應是二氧化碳的28倍，那排放1噸的甲烷就相當于排放了28噸的二氧化碳。把各種溫室氣體對溫室效應的影響按當量折算成二氧化碳，全球的二氧化碳年排放量約為400億噸，中國占了1/4。
當前92%首效的預鋰硅氧產(chǎn)品，每噸價格是石墨20倍，克容量是石墨的4倍，當量克容量成本是石墨的5倍。
按在石墨中摻硅10%計算，電芯的整體成本增加了約5%。這是競爭激烈、成本優(yōu)先的鋰電多數(shù)行業(yè)所不能承受的。
二、硅基產(chǎn)業(yè)的最新進展
十年磨一劍，硅碳產(chǎn)業(yè)在2023年上半年取得了群體性突破。
1)硅基材料的膨脹問題得到有效解決，硅碳產(chǎn)品的膨脹性能明顯優(yōu)于硅氧產(chǎn)品，膨脹問題不再是硅基負極材料商用化的瓶頸
就像人的胃，吃了飯就會膨脹一樣，負極材料在嵌入鋰離子后也必然會發(fā)生膨脹。
這樣的膨脹，屬于本征膨脹。不膨脹就違背了第一性原理。
石墨負極的本征膨脹率大概在10%;混摻10%的硅氧、克容量為450 mAh/g的硅氧負極本征膨脹率大概在30%;同樣的，混摻7%硅碳克容量為450 mAh/g的硅碳負極本征膨脹率大概在25%。可見，最新硅碳材料的膨脹有效降低了。
在與頭部企業(yè)交流中，多數(shù)客戶也有明確的觀點：
硅基材料的膨脹不再是被關注的第一性能，材料的穩(wěn)定性、可生產(chǎn)性成為第一關注點。“膨脹大”不再是硅基材料得不到規(guī)模商用的理由。
再強調(diào)一次，最新硅碳材料的膨脹得到了一定解決，現(xiàn)在可以規(guī)模商用了。
2)硅碳材料的全電循環(huán)次數(shù)突破1000+
就像評選世界小姐一樣，除了評“三圍”，還要看“才華”，評價一款負極材料，通常會從四個維度來評估。
A)單位克容量
每克負極材料能存儲多少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
鋰電池首次充放電時，放電容量除以充電容量的比值。
這個指標反映了鋰離子的有效利用率。
石墨的首效可以做到92%+，現(xiàn)在硅氧、硅碳的首效也可以做到92%以上。
硅基材料與石墨在首效這一維度上，打平。
C)循環(huán)壽命
該指標反映了負極材料在整個生命周期內(nèi)可以用多少次，也就是該負極材料在整個生命周期內(nèi)可以累積存儲多少度電。
針對不同應用場景，石墨開發(fā)了不同規(guī)格的產(chǎn)品，有循環(huán)次數(shù)1000+的，也有循環(huán)次數(shù)10000+的。規(guī)格不同，應用場景不同;成本不同，價格也不同。但不同性能、不同價位的石墨，很好地覆蓋了鋰電產(chǎn)業(yè)所有的不同應用場景。
“總有一款適合你”，是石墨在鋰電行業(yè)中規(guī)模應用的根因之一。
硅氧450容量產(chǎn)品的循環(huán)次數(shù)普遍在800周左右。同比條件下膨脹性能及成本一直未能突破，錯失最低循環(huán)次數(shù)要求1000+、市占率80%+的動力行業(yè)市場。
這是硅氧產(chǎn)品未獲得規(guī)模商用的根本原因。
硅碳材料在2023年上半年，循環(huán)次數(shù)首次突破1200+。
不是個例，而是群體。
再強調(diào)一次，是群體性突破。
使硅碳材料進入市占率80%的動力行業(yè)市場成為可能。這得益于長期的技術積累與硅碳生產(chǎn)設備的突破，降低了硅碳廠家提升性能的難度。
群體突破會進一步帶來成本的下降，這將解決硅基材料規(guī)模發(fā)展的第二個瓶頸——“成本”。
D)倍率性能
一般情況下納米負極材料的倍率性好于微米級負極材料，所以通常認為納米硅碳的倍率性更優(yōu)異。
這也是硅基材料首先在對倍率性能要求高的電動工具行業(yè)取得規(guī)模突破的根本原因。
我們把以上性能闡述做成如下一張圖，就會發(fā)現(xiàn)硅碳產(chǎn)品的性能指標全部超越硅氧產(chǎn)品性能大幅提升。
硅碳產(chǎn)業(yè)的“性能”瓶頸被有效攻克了。
3)硅碳產(chǎn)品的當量單位克容量成本，在未來3年內(nèi)將做到石墨同一水平
石墨是由碳組成的，硅碳是由碳與硅組成的。
碳就是媒，硅就是石頭，煤與石頭相比，地球上哪一個元素多?哪一個材料的成本低?
索理德已經(jīng)找到一套系統(tǒng)化方法，在3年內(nèi)，把當量單位克容量成本做到石墨同一水平。
這將解決影響硅基材料規(guī)模發(fā)展的第二個瓶頸——“成本”。
綜上所述，限制硅基負極材料大發(fā)展的兩個瓶頸——性能與成本，都得到了有效解決，硅基負極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來。
硅基負極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來。
三、不得不說的“索理德”
為什么不得不說“索理德”呢?
因為我是索理德的一名員工。
索理德，是為硅基負極材料商用化砥礪前行的奮斗者們的一個縮影。
如果說索理德最近對產(chǎn)業(yè)還有所貢獻的話，那就是，通過采用索理德的“包覆自修復”專利技術，將：
1)首效提升了1%，與業(yè)界最佳比
2)循環(huán)庫侖效率提升了0.5%，與業(yè)界最佳比
3)提升了漿料不產(chǎn)氣的可生產(chǎn)性
四、以促進硅基產(chǎn)業(yè)發(fā)展為己任，為國家雙碳戰(zhàn)略做貢獻
大家有注意到嗎?
近年的自然災害明顯增多了。尤其是2023年極端氣候事件頻發(fā)，前所未有。
中國長江流域多省份汛期返枯，山火頻發(fā)。
巴基斯坦約1200人在夏季洪水中喪生，超過3300萬人受到洪水影響。
美國肯塔基州東部7月遭受歷史性洪水襲擊，導致數(shù)十人死亡，數(shù)百人流離失所。
歐洲多地遭受熱浪襲擊，整個地區(qū)的氣溫持續(xù)創(chuàng)下歷史新高，造成至少1,500人喪生。
……
這些都是地球氣候變暖的帶來的后果。
地球是全人類賴以生存和發(fā)展的共同家園，控制碳排放以減緩全球氣候變暖，是促進人類社會健康發(fā)展的重要全球性議題之一。
雙碳戰(zhàn)略實施的核心是大力發(fā)展清潔能源，儲能大發(fā)展又是清潔能源能夠規(guī)模應用的最核心技術。
人生不過百年，正如美學之父朱光潛先生所言：人除溫飽之外，別無高尚需求。
我們是幸運的一代，享受了國家最高端的教育資源，趕上了國家經(jīng)濟大發(fā)展的四十年，身心得到了充分的溫飽，現(xiàn)在到了該回饋社會的時候。
我們，
硅基負極材料的從業(yè)者們，有幸處于人類命運的關鍵節(jié)點上。
讓我們，
團結起來，
成立硅基負極產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，
共享技術進步與產(chǎn)業(yè)信息，
以促進硅基產(chǎn)業(yè)發(fā)展為己任，
為國家雙碳戰(zhàn)略做貢獻。
王守臣簡介：
1998年于浙江大學獲博士學位，同年加入中興通訊。2001年-2017年任中興通訊副總裁，先后兼任小靈通、3G、4G、南美片區(qū)總經(jīng)理。
2017起開始個人創(chuàng)業(yè)，先后任派微電子、電瓦特總裁。
2022起，任深圳索理德總裁。
著名個人天使投資人。
