对于动力电池来说,“掺硅补锂”的作用和必要性何在?

由上汽集团、张江高科和阿里巴巴集团共同打造的智己汽车将于今日13：30发布高端智能纯电动汽车品牌，并全球首发两款量产定型车。

新车将搭载上汽与宁德时代共同开发的采用“掺硅补锂电芯”技术的电池，最大续航里程超1000公里，新车预计今年四季度实现量产交付。

虽然“掺硅补锂”听起来有些陌生，但同时包含“硅”和“锂”两大关键词的电芯工艺，几天前已在蔚来的固态电池中出现过，即“无机预锂化碳硅负极”。再追溯至去年特斯拉前夕，众多机构和业内人士均推测特斯拉将推出“预锂化”技术以及“碳硅负极”。

那么，“掺硅补锂”到底是什么？对于动力电池来说，“掺硅补锂”的作用和必要性何在？在受到巨头瞩目后，这一工艺是否将成为未来动力电池发展的一大主要方向？又会给产业链和相关公司带来什么样的巨大改变？

为什么要“掺硅”？

从定义来说，此次智已汽车推出的“掺硅补锂”技术与蔚来固态电池所用的“无机预锂化碳硅负极”并无本质上的差异，其实质均为提高负极中硅的含量，同时增加锂的含量，来弥补因硅含量提升而导致的电池在充放电过程中锂损耗的提高。

为了更好地解释其中的技术逻辑，我们首先回到最源头的问题，为什么负极一定要“掺硅”？

据了解，锂离子电池容量取决于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力。基于水桶的短板效应，过去提升锂电池体系整体能量密度的研发方向集中在正极材料的攻关，随着NCM、NCA等正极材料普及应用，以及特斯拉对于无钴的不倦追求，正极材料的能量密度有了长足的提升。

与此相对的是，目前商用化更为普遍的、采用碳（石墨）为主要材料的负极，其比容量已经接近极限，为了满足新能源汽车高续航里程要求，提高电池的整体能量密度，开发新型的锂电负极技术迫在眉睫。在这其中，硅材料脱颖而出，被认为是碳负极材料的理想替代产品。

资料显示，硅材料的质量比容量最高可达4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于负极的材料中理论比容最高的材料。同时因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，并且硅材料环境友好、储量丰富、成本较低。

为什么要“补锂”？

第二个问题，为什么一定要“补锂”？事实上，“补锂”的必要性正是建立“掺硅”的基础上，与硅材料作为锂电池负极应用中出现的先天缺陷及实际应用瓶颈有着密切的关系：

第一，硅材料在反应中体积变化高达320%，远大于现有的碳材料12%的体积变化，这种严重的体积膨胀和收缩，会造成材料结构的破坏和机械粉碎，导致在循环过程中电极材料粉化、活性物质与集流体之间失去电接触，引起容量快速衰减，电极表现出较差的循环性能；

第二，在锂离子电池首次充电过程中，有机电解液会在负极表面还原分解，形成固体电解质相界面（SEI）膜，永久地消耗大量来自正极的锂离子，造成首次循环的库仑效率（ICE）偏低，降低了锂离子电池的容量和能量密度，而硅材料的表面积高于石墨，会损失更多的锂离子（15%-35%）。

正是为了解决碳负极材料SEI膜造成的容量损失，目前通行的方法是通过负极材料的预锂化，简单来说，就是通过预锂化对电极材料进行提前补锂，抵消形成SEI膜所造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。

目前行业重点发展的是采用锂箔补锂和金属锂粉（SLMP）补锂。其中金属锂箔的效果则更加突出，预锂化后可以将硅碳负极的首次库伦效率从73.6%提升至94.9%，也就是降低了80.7%的负极首次不可逆容量，可能成为未来主要的预锂化方式。

而SLMP是用碳酸锂等对锂粉进行钝化处理后的粉末，对负极进行预锂化处理后，可以降低 40%的负极首次不可逆容量。值得一提的是，特斯拉此前收购的Maxwell公司，其干电极生产工艺理论上非常适合SLMP预锂化，从而有望促进硅碳负极材料产业化进程。

产业链两大环节将受益

最后，也是投资者最为关心的问题？“掺硅补锂”究竟会给产业带来什么样的影响？又有哪些公司会因此受益？

光大证券分析师李伟峰2020年4月10日报告认为，超高镍化三元材料+硅碳负极将成为锂电池未来发展主流方向。安信证券分析师齐丁2021年1月11日报告也指出，蔚来“半固态电解质”的应用，将强化硅碳负极预锂化甚至金属锂负极的应用趋势，以及高镍化趋势。

产业链角度，李伟峰认为，硅碳负极材料商业化将提升金属锂的需求预期。另据天风证券分析师杨诚笑2020年3月1日报告测算，若预锂化在动力电池中渗透率达到100%，则每年动力电池的需求中8%-15%需要以金属锂的方式提供。

此外，在碳硅负极上已先行布局的负极相关公司，也有望受益于“掺硅补锂”技术的发展。《科创板日报》结合券商研报，并通过投资者互动对产业链相关公司及其碳硅负极研发情况整理如下：

中国宝安（000009）：子公司贝特瑞现有硅基负极生产线已投产，属于行业内最早将硅碳负极材料实现商业化的企业之一，截至2020年4月现有硅碳规划产能为3000吨/年，将根据市场情况和客户需求安排产能。 公司客户包括宁德时代。

中科电气 （300035）：公司在硅基负极材料已进行多年的持续研发投入，对硅碳和硅氧等硅基负极材料技术皆有研究和储备，目前已建设完成中试产线，进行成品试生产。

翔丰华 （300890）：公司硅碳负极处于中试阶段，并已具备了产业化基本条件，产品性能指标已达到行业内龙头企业的水平。

硅宝科技 （300019）：2019年，公司完成中试放大并建成产能50吨/年的硅碳负极材料中试生产线，同时，公司“高比容量锂离子电池硅/碳复合负极材料”通过四川省经济和信息化厅组织的成果鉴定，鉴定结论为国际先进水平。公司作为锂电负极材料行业的新进者，瞄准行业高端的硅碳负极材料。目前，公司已送样多家电池厂商进行共同开发，将根据与厂商的合作进度放量生产。

杉杉股份（600884）：公司目前已建成一条中试产线。受下游市场导入和需求发展尚需一定过程影响，2019年出货占比不高，对公司业绩无重大影响。
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