深圳索理德新材料科技有限公司總裁 王守臣
【摘要】硅基負(fù)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(shù)性能的群體突破，及未來(lái)2-3年內(nèi)成本的成倍下降預(yù)期，必將做到與石墨一樣的單位克容量成本，解決了硅基負(fù)極材料發(fā)展過程中“性能”與“成本”兩大瓶頸。
可以預(yù)見，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來(lái)。
一、硅基產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀
科技發(fā)展到今天，不用做實(shí)驗(yàn)，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(fù)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(yù)計(jì)未來(lái)十年內(nèi)鋰金屬的規(guī)模商用幾無(wú)可能。
硅基負(fù)極材料，理論上是僅次于鋰金屬的理想鋰電負(fù)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(dá)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(shì)，解決硅基材料使用過程中的膨脹問題，無(wú)數(shù)精英傾情深耕硅基負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)十余年。
可惜，截止2022年底，硅基負(fù)極材料純料年產(chǎn)值為10.7億元(出貨量為1.5萬(wàn)噸)，僅占有了鋰電負(fù)極材料市場(chǎng)的2%，98%的鋰電負(fù)極材料市場(chǎng)依然是石墨(石墨負(fù)極2022年產(chǎn)值為500億元，年出貨量為156萬(wàn)噸)。
硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)發(fā)展不及預(yù)期的主要原因是：
1)硅基負(fù)極材料性能達(dá)不到動(dòng)力市場(chǎng)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(dá)不到主要應(yīng)用行業(yè)需求，特別是動(dòng)力行業(yè)循環(huán)次數(shù)不小于1000周的最低要求。更小于儲(chǔ)能行業(yè)要求的循環(huán)次數(shù)不少于5000周。
動(dòng)力行業(yè)應(yīng)用占了鋰電市場(chǎng)的80%，儲(chǔ)能行業(yè)占了鋰電市場(chǎng)的15%。
硅基負(fù)極材料目前主要在市場(chǎng)占有率僅有5%的3C市場(chǎng)，如電動(dòng)工具、無(wú)人機(jī)、TWS耳機(jī)、電子香煙等領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用。這些應(yīng)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(yuǎn)也成為不了世界冠軍。
2)硅基負(fù)極材料的單位克容量成本遠(yuǎn)高于石墨。
為了科學(xué)比較硅基材料與石墨材料的成本，我們引入“當(dāng)量單位克容量”的概念。
定義：
當(dāng)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(jì)算碳排放量時(shí)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(yīng)是二氧化碳的28倍，那排放1噸的甲烷就相當(dāng)于排放了28噸的二氧化碳。把各種溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)的影響按當(dāng)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(guó)占了1/4。
當(dāng)前92%首效的預(yù)鋰硅氧產(chǎn)品，每噸價(jià)格是石墨20倍，克容量是石墨的4倍，當(dāng)量克容量成本是石墨的5倍。
按在石墨中摻硅10%計(jì)算，電芯的整體成本增加了約5%。這是競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)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(fù)極材料商用化的瓶頸
就像人的胃，吃了飯就會(huì)膨脹一樣，負(fù)極材料在嵌入鋰離子后也必然會(huì)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(fù)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(fù)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(fù)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(diǎn)：
硅基材料的膨脹不再是被關(guān)注的第一性能，材料的穩(wěn)定性、可生產(chǎn)性成為第一關(guān)注點(diǎn)。“膨脹大”不再是硅基材料得不到規(guī)模商用的理由。
再?gòu)?qiáng)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(píng)選世界小姐一樣，除了評(píng)“三圍”，還要看“才華”，評(píng)價(jià)一款負(fù)極材料，通常會(huì)從四個(gè)維度來(lái)評(píng)估。
A)單位克容量
每克負(fù)極材料能存儲(chǔ)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(shí)，放電容量除以充電容量的比值。
這個(gè)指標(biāo)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(biāo)反映了負(fù)極材料在整個(gè)生命周期內(nèi)可以用多少次，也就是該負(fù)極材料在整個(gè)生命周期內(nèi)可以累積存儲(chǔ)多少度電。
針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)景不同;成本不同，價(jià)格也不同。但不同性能、不同價(jià)位的石墨，很好地覆蓋了鋰電產(chǎn)業(yè)所有的不同應(yīng)用場(chǎng)景。
“總有一款適合你”，是石墨在鋰電行業(yè)中規(guī)模應(yīng)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(cuò)失最低循環(huán)次數(shù)要求1000+、市占率80%+的動(dòng)力行業(yè)市場(chǎng)。
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(gè)例，而是群體。
再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，是群體性突破。
使硅碳材料進(jìn)入市占率80%的動(dòng)力行業(yè)市場(chǎng)成為可能。這得益于長(zhǎng)期的技術(shù)積累與硅碳生產(chǎn)設(shè)備的突破，降低了硅碳廠家提升性能的難度。
群體突破會(huì)進(jìn)一步帶來(lái)成本的下降，這將解決硅基材料規(guī)模發(fā)展的第二個(gè)瓶頸——“成本”。
D)倍率性能
一般情況下納米負(fù)極材料的倍率性好于微米級(jí)負(fù)極材料，所以通常認(rèn)為納米硅碳的倍率性更優(yōu)異。
這也是硅基材料首先在對(duì)倍率性能要求高的電動(dòng)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(huì)發(fā)現(xiàn)硅碳產(chǎn)品的性能指標(biāo)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(dāng)量單位克容量成本，在未來(lái)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(gè)元素多?哪一個(gè)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(dāng)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(gè)瓶頸——“成本”。
綜上所述，限制硅基負(fù)極材料大發(fā)展的兩個(gè)瓶頸——性能與成本，都得到了有效解決，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來(lái)。
硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)的春天已經(jīng)到來(lái)。
三、不得不說的“索理德”
為什么不得不說“索理德”呢?
因?yàn)槲沂撬骼淼碌囊幻麊T工。
索理德，是為硅基負(fù)極材料商用化砥礪前行的奮斗者們的一個(gè)縮影。
如果說索理德最近對(duì)產(chǎn)業(yè)還有所貢獻(xiàn)的話，那就是，通過采用索理德的“包覆自修復(fù)”專利技術(shù)，將：
1)首效提升了1%，與業(yè)界最佳比
2)循環(huán)庫(kù)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(jìn)硅基產(chǎn)業(yè)發(fā)展為己任，為國(guó)家雙碳戰(zhàn)略做貢獻(xiàn)
大家有注意到嗎?
近年的自然災(zāi)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(guó)長(zhǎng)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(wàn)人受到洪水影響。
美國(guó)肯塔基州東部7月遭受歷史性洪水襲擊，導(dǎo)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(gè)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(lái)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(jìn)人類社會(huì)健康發(fā)展的重要全球性議題之一。
雙碳戰(zhàn)略實(shí)施的核心是大力發(fā)展清潔能源，儲(chǔ)能大發(fā)展又是清潔能源能夠規(guī)模應(yīng)用的最核心技術(shù)。
人生不過百年，正如美學(xué)之父朱光潛先生所言：人除溫飽之外，別無(wú)高尚需求。
我們是幸運(yùn)的一代，享受了國(guó)家最高端的教育資源，趕上了國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(huì)的時(shí)候。
我們，
硅基負(fù)極材料的從業(yè)者們，有幸處于人類命運(yùn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上。
讓我們，
團(tuán)結(jié)起來(lái)，
成立硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，
共享技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)信息，
以促進(jìn)硅基產(chǎn)業(yè)發(fā)展為己任，
為國(guó)家雙碳戰(zhàn)略做貢獻(xiàn)。
王守臣簡(jiǎn)介：
1998年于浙江大學(xué)獲博士學(xué)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(gè)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(gè)人天使投資人。
