硅負極產業化提速，美企“換道超車”在望？

（文/李沛 編輯/徐喆）進入2024年，硅負極產業化迎來明顯提速。

SNE Research近日發佈的《2024年鋰離子電池硅負極技術現狀與展望》報告顯示，隨着這一新型負極材料應用從3C消費向動力電池領域拓展，預計2024年硅負極的市場滲透率也將突破長期以來1%的封印，步入上升軌道，市場規模將以39%的複合年增長率，一路飆升至2035年的660億美元，整體市場滲透率也將達到10%左右。

在負極材料市場當前陷於嚴重供過於求態勢、石墨負極行情跌跌不休、企業開工率普遍大幅走低的情況下，硅負極堪稱一枝獨秀的需求前景，也自然吸引眾多“殺紅了眼”的負極企業爭相湧入，根據SNE Research梳理，目前涉足硅負極研發的中國、韓國、歐美企業已經增加到70家以上，無外乎有本土企業高管曾感言，硅負極之爭恐怕將“開局即終局”。

對不少普通消費者而言，智能手機是其感知硅負極價值的第一個觸點，目前多家手機品牌已經將負極摻硅量作為一大產品技術亮點進行宣傳，如小米14Ultra的金沙江電池，就採用了6%硅含量的新一代硅碳負極技術，據稱體積同比降低8%，電池容量提升至5300mAh，續航提升17%。

能夠實現更高的能量密度，正是硅負極被視為最有前途的新一代負極材料原因所在，與目前主流的石墨負極相比，作為合金型材料的硅負極具有高出十倍以上的理論比容量和較低的嵌鋰電位（意味着在充電嵌鋰過程中析鋰風險更小），不過硅負極的缺點也同樣明顯，除了硅作為半導體材料自身的電導率較低，首次庫倫效率（ICE）較差，更致命的問題是電化學循環過程中硅材料體積會發生劇烈漲縮，形成的應力足以破壞電池微觀結構，顯著影響循環壽命，實物試驗還顯示，硅碳負極軟包電池熱失控的危害性更大，最高温度、升温速度都高於石墨負極電池，這也使得其應用於動力電池尤其具有挑戰性。

基於這樣的材料特性，此前硅負極主要應用於對循環壽命要求較低的電動工具、無人機等細分市場，並在早期落地過程中探索了納米化與表面包覆等一系列改性手段，形成了硅氧和硅碳兩大主要技術路線，在膨脹、循環性能上儘管尚未臻於最優，但也已經被動力電池廠商認可進入了實用化狀態。

然而有別於石墨負極領域中國廠商幾乎“一統天下”的局面，硅負極的產業化版圖中，美國當前佔據着尤其顯眼的位置，Sila、Group14等知名美國企業摸索的氣相沉積硅碳工藝路線，已經得到產業界廣泛認同與追隨，如我國某家負極材料龍頭企業日前公開的硅碳負極專利中，就基於對Group14的硅烷裂解、沉積過程梳理，在現有技術基礎上進行改進。

當下萬千寵愛集於一身的Group14，在產業化佈局上也已經踩足油門，不僅先後拿到美國能源部1億美元財政補貼和1億美元訂單，還通過併購和合資模式，分別在韓國與德國啓動了產能擴張，其中與SK集團合資的韓國項目已即將建成投產，設計年產能約2000噸，可支撐每年約10GW高端電池產能，號稱“亞洲最大的先進硅電池材料工廠”，至於其位於美國華盛頓州的BAM-2工廠，更是標榜為“世界最大”。

從石墨負極被亞洲供應鏈完全“卡住脖子”，到硅負極產業化一派繁榮，美國人在負極材料領域儼然已經看到了“彎道超車”的曙光。

這樣耐人尋味的變遷，首要原因或許應歸於特斯拉的號召力，該公司2020年公開4680大圓柱電池設計時，所謂的“特斯拉硅”負極就是一大技術亮點，圓柱電池也隨後被公認為與硅負極技術最匹配的電芯結構方案，而在產業配套上，硅負極優選工藝路線所需的高性能氣相沉積（CVD）等關鍵設備還能發揮歐美半導體產業積累的傳統優勢，此外，在對鋰電供應鏈“受制於人”的擔憂下，美國能源部2020年以來在扶持硅負極技術發展上也投入了大量資源，包括捏合橡樹嶺國家實驗室、桑迪亞國家實驗室等頂尖科研機構組成硅聯盟（Silicon Consortium）聯合攻關，闡明硅負極合成、表徵和失效機制，並積極資助Group14、Solid Power、Sila等企業的硅負極應用研究，能源部在負極材料產業化領域授予財政扶持的企業中，更有一半聚焦於硅負極技術路線，足見官方重視程度。

反觀國內，不同於仍以三元體系主導的海外市場，目前我國動力電池領域佔據主要裝機量份額的還是磷酸鐵鋰產品，其材料體系具有高首效、低成本、長循環壽命、中低能量密度的特點，大幹快上硅負極的確缺乏商業合理性，現有石墨材料迭代足以應對，而在知識產權佈局上，根據中國科學院寧波材料技術與工程研究所評估，我國於硅合金、硅氧化物、電解液、粘結劑和集流體領域又面臨着較高專利侵權風險，這意味着硅負極材料產量高了鐵鋰電芯企業用不起，進入海外市場還可能招惹專利侵權官司，更何況當下的慘烈行情中，負極材料企業普遍利潤收窄，影響研發投入和優質產能建設，企業自身很難激發起堅決押注硅負極的決心。

儘管這樣的產業化落差有其現實合理性，但展望未來，鋰電創新仍然繞不開硅負極、鋰金屬負極等關鍵技術，除了硅負極之外，美國能源部已斥資1億美元用於資助先進預鋰化和鋰金屬負極產業化項目，實施主體赫然是大名鼎鼎的應用材料公司，官方公告顯示應材已開發出一種可大批量製造的卷對卷工藝，而該公司此前還參與了鋰金屬領域當紅企業SES融資，顯示出這家老牌半導體設備巨頭對鋰電技術演進的評估及謀算，如果鋰金屬負極的技術成熟度達標，則其甚至有可能超越硅負極，加速鋰-硫、鋰-空氣等超高能二次電池的實用化進程。

值得重視的是，站在美國產業界視角，隨着其在下一代乃至下兩代負極技術上打開局面，一眾新型負極材料企業在對鋰電技術未來路線圖的認知上與國內也出現了微妙差異，例如國內津津樂道的固態電池技術，近期就遭到不少美國企業質疑，認為負極材料創新足以開闢更具商業可行性的技術軌道，如Sila聯合創始人、特斯拉早期員工吉恩·貝爾迪切夫斯基 (Gene Berdichevsky) 近期就公開表示，相比能夠兼容現有鋰電製造流程的負極材料革新，“固態技術就像燃料電池汽車，我們會在路上放一些。從全球產能來看，這毫無意義”，他還頗為促狹地將固態電池與曾經的薄膜光伏技術明星企業Solyndra進行了類比，後者的技術看似更具顛覆性，卻在商業落地中難以抗衡晶硅電池的規模經濟優勢，最終於2011年申請破產。

“歷史並不總是重演，但在技術開發方面，它確實非常押韻。”

上文提到的鋰金屬負極明星企業SES，其創始人也在近日發佈了題為《揭穿固態電池神話》的博文，直言不諱表示固態電池的“聖盃”頭銜名不副實，固體比液體電解質更安全不過是一個人云亦云的迷信，正是認清了這一點，該公司字號才從最初的SolidEnergy改為SES，“電解質造成了不必要的偏見，限制了我們的創新能力。真正的聖盃應該是鋰金屬，因為它給我們帶來了令人印象深刻的能量密度增益，固態沒有什麼本質上的優越性，同時液體也沒有什麼本質上的缺陷，業界根據電解質的固態或液態來區分電池是不合適的”。

無論這樣的觀點是否正確，亦或硅、鋰負極技術路線未來怎樣競合，一個不爭的事實是，在鋰電材料、器件、工藝演進中，負極材料換代都是難以繞開的關口，為了避免被難以事先預計的“顛覆式創新”傷害，我們除了奮起直追別無選擇，與其等到海外供應鏈成型、股東其新的商業風潮後再疲於追趕，當下的果斷佈局無疑更具性價比。

在充分認識必要性與緊迫性的基礎上，硅負極技術攻關與產業落地，或許可充分借鑑不久前備受關注的全固態電池產學研協同創新平台（CASIP）模式，由行業泰斗牽頭，搭建產學研用各方技術交流和協同攻關的高能級支撐平台，有效整合各方資源，問題導向、應用牽引、風險共擔、成果共享，加速硅負極產業化進程。當然在這一過程中，中國產業界也大可不必太過妄自菲薄，事實上，杉杉股份、貝特瑞、璞泰來等巨頭，均已官宣萬噸級硅基負極材料量產項目，在產業鏈上游，中國企業的影響力同樣巨大，如硅碳材料製備所需的高純度硅烷氣體，目前中國產能就佔據全球相當大份額，相比之下，Group14、Sila等企業則對其本土硅烷供應商REC Silicon的服務頗多抱怨，由此可見，只要我國鋰電產業鏈資源有效調動起來，在硅負極領域完全能夠大有作為。