一、电池创新技术及成本结构

锂电池技术创新可分为电池结构技术创新和电池材料技术创新，负极材料硅基负极路径比较明确。

负极主要由碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成，涂抹于铜箔的两侧，后经干燥、滚压等工序加工完成。在锂电池充放电过程中，受电极电压作用，正极中的锂离子发生“嵌入”和“脱嵌”电化学反应，负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。成本约占锂电池制造成本 8%左右。

二、锂电负极介绍

石墨为嵌入式的典型代表，嵌入的Li插在层状石墨层间，形成不同的“阶”结构。随着Li的嵌入量增加，最终形成1阶结构，对应石墨的理论容量为372mAh/g，目前已达340-360 mAh/g。

锂电池的质量能量密度主要由正极克容量、负极克容量以及正负极电势差决定。 实验室测试显示， 电池比容量随着正极材料比容量的上升而显著提高， 而在正极材料比容量一定的条件下，负极材料比容量对电池的比容量的提升并非线性关系，在负极材料300mAh/g~1200mAh/g 阶段，电池比容量提升效果显著。

快充技术的发展需要电芯材料的革新相匹配。 快充技术也是锂电池技术进步的方向，石墨材料由于其层状结构决定锂离子必须从材料的端面嵌入，然后扩散至颗粒内部，致使传输路径较长，嵌锂过程较慢限制了锂离子电池的快充应用，同时其对锂电位（ 0.05V）过低也致使在大电流充电过程中发生锂沉积副反应造成析锂，析出的锂金属以枝晶的形式生长，有可能会刺穿隔膜，危害电池安全。

二、硅基负极潜力巨大，产业化应用逐步成熟

特斯拉 2020 年发布的 4680 电池采用硅基负极，能量密度达到 300Wh/kg。目前用户对能量密度需求越来越高，在石墨负极逐渐难以满足更高能量需求情况下，使用其他负极成为一种选择， 4680 电池作为特斯拉追求高能量密度的一种设计方案， 使用硅基负极，或将引领硅基负极应用趋势。

硅基负极理论容量高，石墨负极已逼近理论上限。 目前石墨负极材料的可逆比容量已接近理论比容量 372 mAh/g。因此为提升锂电池的能量密度，需开发更高比容量的负极材料。硅负极材料储锂机理与石墨负极材料不同，其主要是通过与锂形成 Li12Si7、 Li13Si4、 Li7Si3、 Li22Si5 等多种合金相，其中最高锂含量的合金相为 Li22Si5，硅和锂完成合金化反应，一个硅原子可以和4.4个锂进行合金化，其理论比容量高达 4200 mAh/g，是石墨负极 10 倍左右，是目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料。采用硅基负极材料的锂电池质量能量密度可以提升 8%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少 3%。

硅基负极安全性能更佳。硅基负极材料具有较低的脱嵌锂电位（~0.4V vs. Li/Li+），略高于石墨（~0.05V vs. Li/Li+），在充电时可以避免表面的析锂现象，而石墨负极电压平台接近锂的析出电位，易产生锂枝晶，枝晶刺破隔膜，将导致电池短路，威胁电池安全。

三、硅基负极产业化的挑战

硅在锂化时的严重体积效应是硅基材料商业化的最大限制。 硅在完全锂化时，硅的体积会发生超过 300%的膨胀，巨大的体积变化会带来一系列问题。 1）体积效应导致电池内部应力大，容易挤压极片，造成硅负极材料产生裂纹直至粉化。 2）体积膨胀效应使得电极材料容易失去与集流体的接触，使得活性材料从极片上脱离，引起电池容量的快速衰减。 3）体积膨胀效应容易形成不稳定的固体电解质界面膜 SEI 膜，由于硅体积发生变化 SEI 会随之破裂，新暴露在表面的硅会生产新的 SEI 膜，同时会不断消耗电解液中的锂离子，导致不可逆的容量损失和低初始充电效率，并且 SEI 厚度会随着电化学循环不断增加，过厚的 SEI 层阻碍电子转移和 Li+离子扩散，导致阻抗增大。

其次，随着硅含量的提升，首次库伦效率会越来越低。硅材料的首次充电不可逆循环损耗最高达到 30%（石墨为 5-10%）。 电解液溶剂和锂盐发生副反应，会在锂离子电池的负极形成一层固体电解质相界面(SEI)膜，该反应会消耗锂。 体积变化使得 SEI 不能在 Si 电极表面稳定生成，SEI 层反复破裂，消耗大量 Li+离子；同时 SEI 厚度随着电化学循环不断增加，过厚的 SEI 层阻碍电子转移和 Li+离子扩散，阻抗增大，极化增加。