负极补锂工艺在应用中起到的作用有哪些？

负极补锂工艺是，通过补锂设备直接向负极极片喷涂金属锂粉的方式进行补锂，补充负极在首次充电过程中不可逆的容量损失，以此达到提升首次库伦效率、电池容量的目的。

“国内某知名大型动力电池企业的负极补锂工艺已经成熟应用，随着该条产线电池的市场起量，其他电池企业将更加重视及跟进，预计今年年底或明年年初会是负极补锂设备及补锂工艺迈向产业化的重要时期。”一位业内人士透露。

何谓负极补锂工艺？目前研究相较成熟的方法是，通过补锂设备直接向负极极片喷涂金属锂粉的方式进行补锂，补充负极在首次充电过程中不可逆的容量损失，以此达到提升首次库伦效率(可提升能量密度)、提高电池容量(可提升续航里程)的目的。

尤其是对于采用硅碳材料作为负极的高能量密度锂离子电池，由于其首次库伦效率较低(硅碳负极首效在80%左右，石墨负极首效达90%以上)，补锂工艺的应用推广显得更为重要。

同时，锂源的补充还可以除去电解液的水分，抑制HF酸的产生，改变电极材料的电极电位，使得正极在较适合的工作电位下工作，从而保护正极材料的结构不受破坏，进一步提高电池的循环使用寿命。

佳的自动化总经理温在东向高工锂电表示，目前已经有几家动力电池客户与公司在谈自动补锂设备方案，由于各家工艺有所出入因此需要做不同程度的调整，目前正处于样机制作阶段。成熟的设备方案必然要与客户联合开发。

除了佳的自动化之外，目前包括先导智能、新嘉拓等领先装备企业都有涉足补锂设备的研发生产。可以预见的是，随着硅碳动力电池市场起量，必将进一步带动补锂设备的市场需求。

难以绕开的补锂设备

按照国内在2020年实现动力电池能量密度达到300Wh/kg的目标，对于负极材料而言，采用传统的石墨几乎是不可能完成的任务，因此硅碳材料应用是必然出路。

从多方信源获悉，从2017年下半年开始，采用硅碳负极的锂电池有少量推向高端数码市场，动力电池企业也正在抓紧研发当中，快者处于中试水平。目前主流负极材料企业正抓紧扩张硅碳材料产能，2018年硅碳材料用量将达2000-3000吨，同比增长一倍左右。

一位材料企业内部人士表示，纯硅在完全嵌锂状态下，比容量可达4200mAh/g(Li4.4Si)，但也伴随着高达300%的体积膨胀，这会导致纯硅材料在嵌锂过程中会发生颗粒破碎和分化，负极掉料，导致材料循环过程中容量衰降十分严重。

“即使采用硅的氧化物(SiOX)作为负极材料，由于SiOX首次嵌锂的过程中会生成金属锂氧化物LiXO，经过诸多技术改进，首次效率也仅能达到80%左右。因此需要借助补锂工艺，补充首次嵌锂过程中不可逆的容量损失。”上述人士强调，三元电池应用硅碳负极是趋势，而硅碳首效损失较大，因此补锂工艺很难绕过去。

温在东也证实，补锂工艺对硅碳负极的效果最大，通过形成SEI膜消耗的活性锂给补回来，从而提升一定的能量密度。由于各家工艺不同，能量密度能提高20%-25%左右。”

“由于各家工艺不同，对于补锂要求的厚度也不尽相同，这主要跟材料体系和涂布厚度有关，如何精准控制锂源补给量尤为重要。另外，设备企业还要根据各家极片面密度变化、均匀度以及来料的幅宽进行调整，同时还要保证与生产线速度高度一致。这对于设备企业而言都是极大的挑战。”温在东强调。

值得一提的是，由于石墨负极的首效已较高，补锂工艺对于其提升能量密度效果不大，但是对于循环寿命的提升效果仍是极佳。部分企业在考虑到未来动力电池的梯次利用，也在考虑补锂工艺的应用。

在争议中前行

对于补锂工艺的产业化应用，硬币的一面是可促成电池能量密度、续航里程、循环寿命的提高，而另一面则是安全性较难保证，材料及设备改造成本较高。因此补锂工艺在应用推广过程中也存在诸多质疑。

据了解，作为补锂原料，金属锂是高反应活性的碱金属，能够与水剧烈反应，因此金属锂对环境的要求十分高，这就使得负极补锂工艺的应用需要对生产线进行改造，采购费用较高的补锂设备，同时为了保证补锂效果，有可能需要对现有的生产工艺进行调整。

一位不愿具姓名业内人士透露，硅碳电池用补锂方式确实是不错，但是怎么补，怎么控制一致性，怎么防止膨胀，这都是亟待解决的问题。

部分从业者也向高工锂电表示，补锂工艺最大的瓶颈是对环境要求特别苛刻，金属锂粉是很危险的物品，用不好会着火和爆炸，没有足够研发能力的企业不一定敢去做这个东西。

“从补锂方式说，撒锂粉，由于锂粉比表面积大，容易飘，有被人体吸入风险，不安全；锂带，压不了那么薄，会导致补锂过量，长期使用存在安全隐患；电化学补锂，效率又太低。”上述人士表示。

不过根据ATL此前申请的“一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置”专利来看，已经可以实现改变收放卷机构的牵引速度和电场强度的控制，可以使负极片分散的锂粉的量得到精确控制，克服金属锂粉在空气中的漂浮，使锂粉准确、定量、均匀地分散在负极片表面，而且不会挤压锂粉，从而实现对负极片的补锂操作。

ATL表示，整个制备过程工序简单、成本低，尤其当采用可编程逻辑控制器时，还能实现自动化生产，使该方法适合于量产，提升生产效率，降低生产成本。