美國(guó)硅基負(fù)極電池公司匯總
今年5月份佛羅里達(dá)電池大會(huì)上，“硅負(fù)極技術(shù)正快速成熟”成為最突出的主題之一，Amprius 憑借高能量圓柱電池榮獲“最佳展品獎(jiǎng)”；Coreshell、Nanograf、LeydenJar、GDI、Blue Current、Paraclete、Sionic、Enovix 和 Anthro 等公司均展示了推動(dòng)硅基負(fù)極技術(shù)進(jìn)展的最新成果，主流解決方案包括：構(gòu)筑特殊硅微結(jié)構(gòu)、聚合物或其他材料的包覆保護(hù)，以及 Si-C 等復(fù)合體系。
Coreshell
Coreshell 首席技術(shù)官 Roger Basu 從成本角度闡述硅負(fù)極的重要性：美國(guó)電動(dòng)車均價(jià)已超 4 萬(wàn)美元，而主流購(gòu)車區(qū)間在 2.5–3 萬(wàn)美元。通過純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)交通電氣化是最大幅度削減排放的最快路徑，他說，但成本是障礙，而電池是主要因素。
Coreshell 的目標(biāo)是利用冶金級(jí)硅降低成本，Basu 表示其成本僅為石墨的一半，比容量卻是石墨的 10 倍。
為說明立場(chǎng)，Basu 給出假設(shè)場(chǎng)景：每年將美國(guó) 10 % 的車輛電動(dòng)化——他認(rèn)為這是激進(jìn)的目標(biāo)。按每輛車 70 kWh 計(jì)算，這些電動(dòng)車每年需 2 TWh 以上電池產(chǎn)能。若由石墨承擔(dān)增量，“美國(guó)本土產(chǎn)量需擴(kuò)大 10 倍才能滿足需求”，他補(bǔ)充說，多數(shù)需為人造石墨（成本提升 2–3 倍），因北美天然石墨極少。據(jù)他計(jì)算，若采用金屬鋰負(fù)極，鋰金屬產(chǎn)量需增加 200 倍。“在我們看來(lái)，金屬鋰電池若要面向大眾市場(chǎng)，只能走無(wú)負(fù)極路線，即負(fù)極零過量鋰。”他說。
相比之下，他說硅是唯一美國(guó)本土產(chǎn)量已超需求的負(fù)極材料；若用 SiO 或硅烷，也需 200 倍增產(chǎn)。因此，Coreshell 采用冶金級(jí)硅，Basu 表示通過其合作伙伴 Ferroglobe 從 98 % 微提純至約 99.9 %，“成本極低——約每公斤 1 美元”。
Coreshell 技術(shù)的核心是一種專有涂層，涂覆在僅研磨至微米級(jí)的冶金硅上，Basu 強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步納米化會(huì)使成本過高。
Coreshell 目前的目標(biāo)配方是 80 % 硅 + 10 % 石墨，計(jì)劃本十年末完全去除石墨。他們主要與 LFP 正極配對(duì)，因其每 kWh 成本最低，且供應(yīng)鏈安全優(yōu)于 NMC。羅蘭伯格的成本分析顯示，該冶金硅電芯比石墨-LFP 方形動(dòng)力電池便宜 17 %，比石墨-NMC 4680 便宜 25 %。
Coreshell 計(jì)劃今年送樣 60 Ah 硅-LFP 電芯，能量密度約 250 Wh/kg——Basu 所知全球最高 LFP。他展示了 5 Ah 軟包數(shù)據(jù)：470 次循環(huán)（對(duì)稱 C/2 充放，<20 psi 可壓縮泡沫）后容量保持 92.4 %。
GDI
GDI 也在負(fù)極中使用純硅，其技術(shù)是在高抗拉強(qiáng)度銅箔上用 PECVD 連續(xù)沉積約 15 微米的多孔非晶硅層。CEO Robert Anstey 表示，這層面容量可達(dá) 7 mAh/cm²，相當(dāng)于需 35 微米金屬鋰或 100 微米石墨無(wú)法達(dá)到的水平。沉積技術(shù)由旭硝子開發(fā)，后者以摩天大樓規(guī)模鍍膜建筑玻璃。Anstey 的報(bào)告顯示，他們對(duì)這種含至少 40 % 非晶硅的多孔儲(chǔ)鋰層擁有專利保護(hù)。
Anstey 說，該方法有效是因?yàn)樵诨蛇^程中硅膨脹“自建成一座城市”，形成孔道“道路”；收縮時(shí)則“為自己留出可呼吸的空間”。他表示其負(fù)極支持 10 C 充放，全電池能量密度超 300 Wh/kg 和 900 Wh/L，已由第三方實(shí)驗(yàn)室在無(wú)外加壓力下證實(shí)。
初期應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療器械和無(wú)人機(jī)，這些場(chǎng)景通常不允許深度放電，因此可循環(huán)約 500 次后才降至 80 % 容量。Anstey 還展示了 5.5 Ah、>270 Wh/kg 電芯在 4 C 充電 / C/3 放電工況下循環(huán) 300 次，對(duì)應(yīng) 500 英里續(xù)航。“這證明高能量與極速快充可在同一電芯實(shí)現(xiàn)。”Anstey 說。
GDI 租用 AGC 廠房并安裝設(shè)備，計(jì)劃 2027 年擴(kuò)至 25–100 MWh，2028–2029 年達(dá)到 1 GWh。Anstey 表示，該技術(shù)在 GWh 規(guī)模下可將負(fù)極材料成本降至 <$15/kWh，并引述 REC Silicon 稱其過剩硅烷足以生產(chǎn)逾 50 GWh 負(fù)極材料。
LeydenJar
總部位于荷蘭的 LeydenJar 專注于純硅負(fù)極，主攻消費(fèi)電子——手機(jī)、筆記本、可穿戴設(shè)備。他們?cè)O(shè)想這些設(shè)備因 AI 算力提升而需更大電量。其主打產(chǎn)品是一種自帶孔隙的硅箔負(fù)極，像海綿一樣吸鋰，避免膨脹。高級(jí)商務(wù)開發(fā) Tim Aanhane 表示，在 5 Ah 軟包中，其方案比現(xiàn)有市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)體積能量密度高 50 %，達(dá) 900 Wh/L；進(jìn)一步改進(jìn)可達(dá) 1250 Wh/L，500 次循環(huán)后容量保持 80 %，無(wú)需外部壓力。
LeydenJar 與 GDI 一樣采用 PECVD 直接在銅箔上沉積硅顆粒，但設(shè)備自研。“我們?cè)诠柚鶅?nèi)部及柱間留孔隙，供硅膨脹。”Aanhane 解釋。
整個(gè)過程干燥，“無(wú)需涂布、輥壓、加熱或干燥”。他們現(xiàn)有 1 MWh 中試線，計(jì)劃 2029 年擴(kuò)至 1 GWh。盡管目前聚焦消費(fèi)電子，Aanhane 表示 GWh 級(jí)后將考慮汽車應(yīng)用。
Paraclete
Paraclete 企業(yè)戰(zhàn)略副總裁 Paul Jones 介紹了最新 SILO 負(fù)極技術(shù)。他大膽宣稱，該負(fù)極將真正顛覆市場(chǎng)——續(xù)航翻倍、極速充電且成本更低。“該產(chǎn)品將最終兌現(xiàn)硅負(fù)極在鋰電池中的承諾，并重新點(diǎn)燃消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)車的熱情。”Jones 說。
Paraclete 從包括冶金級(jí)在內(nèi)的多種硅源出發(fā)，Jones 表示他們將硅研磨至中位粒徑約 150 nm，再以雙層聚合物基體包覆。第一層非常柔韌但無(wú)彈性；第二層則柔韌、多孔且彈性十足，SEI 形成于最外層。Jones 解釋，充電時(shí)硅納米顆粒膨脹 300–400 %，如同預(yù)期，但聚合物層有效吸收膨脹，對(duì) SEI 影響極小。該設(shè)計(jì)使其硅含量可達(dá) 80 %，能量密度“為石墨 240 %，且超過最接近的硅負(fù)極競(jìng)爭(zhēng)者逾 50 %”。示意圖顯示能量密度 520 Wh/kg，但未展示相應(yīng)循環(huán)數(shù)據(jù)。CEO Jeff Norris 在 2023 年佛羅里達(dá)電池大會(huì)上曾展示 1000 次循環(huán) 80 % 保持率。此前版本的負(fù)極亦用于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究，顯示在 8 C 快充下容量保持提升。
Jones 聲稱，基于 SILO 負(fù)極的 LFP 電池成本 $35/kWh，遠(yuǎn)低于石墨-LFP 的 $53/kWh，續(xù)航提升 2.5 倍，且 7.5 分鐘可充至 80 %。
Blue Current
Blue Current 專注固態(tài)電池，目標(biāo)最小化或消除壓力需求。電池研發(fā)高級(jí)經(jīng)理 Priyanka Bhattacharya 表示，他們?cè)谪?fù)極中使用“全干法”自有彈性復(fù)合電解質(zhì)，并于 2018 年全面轉(zhuǎn)向硅負(fù)極。這些材料“可實(shí)現(xiàn)極高硅含量的硅負(fù)極，通常為傳統(tǒng)液態(tài)鋰電的 10 倍。”她解釋。
他們將該負(fù)極與復(fù)合聚合物-硫化物無(wú)機(jī)電解質(zhì)隔膜及 NMC622（及更高鎳）正極配對(duì)，并輔以全干復(fù)合電解質(zhì)。
Bhattacharya 展示了小軟包數(shù)據(jù)：預(yù)計(jì) 1500 次循環(huán)（C/5 充放，2.5 MPa 壓力）后容量保持 80 %；2 C 充放可保持 C/5 容量的 93 %。她表示，有望在 <1 MPa 壓力下實(shí)現(xiàn) 1000 次循環(huán) 80 % 保持率，且模型分析表明，只要能量密度 >650 Wh/L，該壓力在電動(dòng)車模組中可接受。圖示顯示，當(dāng)前 10 Ah 軟包能量密度約 950 Wh/L，他們計(jì)劃通過減薄隔膜進(jìn)一步突破 1000 Wh/L。
Amprius
Amprius 首席技術(shù)官 Ionel Stefan 表示，他們有兩條產(chǎn)品線：SiMaxx（純硅納米線負(fù)極）和 SiCore（SiO）。SiMaxx 能量密度最高，商業(yè)版達(dá) 1100 Wh/L 或 450 Wh/kg，開發(fā)版達(dá) 1300 Wh/L 和 500 Wh/kg，但循環(huán)壽命僅約 150 次，且需光伏行業(yè)改造設(shè)備與其他電池設(shè)備對(duì)接。
Stefan 解釋，真正將新技術(shù)推向市場(chǎng)需低成本、高產(chǎn)能，并兼容現(xiàn)有設(shè)備，從實(shí)驗(yàn)室到 GWh 規(guī)模每一步需數(shù)年。“這就是固態(tài)電池永遠(yuǎn)‘十年之后’的原因，現(xiàn)在可能還是。”他打趣道。
因此，SiCore 方案帶來(lái)若干優(yōu)勢(shì)。Stefan 表示，該納米結(jié)構(gòu) SiO 材料為“受保護(hù)、穩(wěn)定化材料，可直接摻入石墨混合物”，無(wú)需新設(shè)備，可直插現(xiàn)有超級(jí)工廠。相比 SiMaxx，SiCore 能量密度略低——商業(yè)版最高 400 Wh/kg 或 875 Wh/L——但循環(huán)壽命提升。Stefan 展示，在 90 % DOD 下可循環(huán) 1000 次以上。
此外，SiCore 進(jìn)入 18650 和 21700 圓柱電芯，Stefan 稱其在微出行領(lǐng)域需求旺盛。SiCore 支持更高功率倍率；原型顯示“10 C 連續(xù)放電，15 C 帶冷卻”及更高脈沖功率，循環(huán)降至 200–300 次，適用于無(wú)人機(jī)。
他們還開發(fā)了 70+ Ah SiCore 原型軟包，可用于電動(dòng)車，但主要面向超跑或電動(dòng)垂直起降（eVTOL）應(yīng)用。全系列約 20 種設(shè)計(jì)，針對(duì)不同功率、能量或平衡需求，特別適用于無(wú)人機(jī)、偽衛(wèi)星及 eVTOL。
更多 SiO 與 Si-C 方案……
Nanograf
Nanograf 采用“摻鋰專有金屬摻雜氧化亞硅”（SiO）負(fù)極。商務(wù)副總裁 Tim Porcelli 重點(diǎn)介紹 m38 3.8 Ah 18650 電芯，優(yōu)化低溫性能，符合美國(guó)國(guó)家安全指令，已可商業(yè)采購(gòu)。
“目前我們是美國(guó)唯一大規(guī)模生產(chǎn)電池級(jí)氧化亞硅的公司。”Porcelli 說。他提到獲能源部 6000 萬(wàn)美元撥款，在密歇根 Flint 建設(shè) 1.75 億美元工廠，年產(chǎn) 2500 噸硅負(fù)極，計(jì)劃 2027 Q4 投產(chǎn)，最終擴(kuò)至 11.5 GWh 原材料供應(yīng)。
該項(xiàng)目源于軍方需求，提供更高能量、更長(zhǎng)續(xù)航 18650 電芯，產(chǎn)品較現(xiàn)役電池“戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)背包輕 23 %、續(xù)航多 8 小時(shí)”。該電芯體積能量密度 790 Wh/L。Porcelli 強(qiáng)調(diào)其低溫性能：-30 ℃ 容量保持 71 %，而競(jìng)品僅 25 %。
其最新負(fù)極材料代號(hào) Onyx。以冶金硅為原料，經(jīng)升華、摻鋰、表面包覆、噴霧干燥制得電池級(jí)材料。Porcelli 對(duì)比 Si-C 需多步制備硅烷再高溫 CVD 的工藝，稱 Onyx 可直接用于現(xiàn)有超級(jí)工廠，規(guī)模化后與石墨“每 kWh 相對(duì)價(jià)格持平”。
該材料首效 92 %，用于電動(dòng)車可提升續(xù)航約 30 %。
Sionic
Sionic 在 Group14 硅-碳復(fù)合材料上施加導(dǎo)電保護(hù)層，并調(diào)配先進(jìn)電解液、粘結(jié)劑與添加劑。CTO Karthik Ramaswami 表示：“我們只做授權(quán)，不建 GWh 工廠。”
他們兼容任何正極與 Si-C 材料，且無(wú)需壓力。對(duì)比聚丙烯酸基電解液，Sionic 電解液使循環(huán)壽命提升 2–3 倍（約 1200 次），能量密度提升 12 %，6 C 快充能力提升 33 %。Ramaswami 展示了 10 Ah 軟包：化成膨脹 10 %，后續(xù)循環(huán) <2 %。Gen3 設(shè)計(jì)達(dá) 1000 Wh/L 和 370 Wh/kg，10 及 20 Ah 軟包可實(shí)現(xiàn) 10–15 分鐘充至 80–90 %。
Enovix
Enovix 客戶應(yīng)用工程副總裁 Jerry Hallmark 指出，AI 驅(qū)動(dòng)的消費(fèi)電子急需更高能量。其技術(shù)通過激光圖案化構(gòu)建 3D 架構(gòu) Si-C/SiO 電極，水平堆疊 50–200 層正負(fù)極，并以不銹鋼上下約束封裝。EX-2M 手機(jī)電池能量密度較傳統(tǒng)石墨提升 30 %，循環(huán) 1000 次，支持快充；用于 AR 眼鏡可提升 57 %。樣品現(xiàn)已可送。
Anthro Energy
最后，Anthro Energy 公司的CEO David Mackanic 展示了一種液態(tài)電解質(zhì)，其在化成時(shí)原位聚合，“兼具傳統(tǒng)固態(tài)電池諸多優(yōu)勢(shì)”。該電解質(zhì)兼容任意正負(fù)極，案例顯示用于硅負(fù)極。以 2.5 Ah NMC811||Gr+SiC（硅為主，電極級(jí) 1000 mAh/g）軟包對(duì)比：傳統(tǒng)電解液 400 次循環(huán)容量降至 80 %，無(wú)壓條件下 Anthro 電解液 400 次保持 93 %，且整體膨脹降低約 50 %。
Mackanic 解釋，電解質(zhì)將各層粘結(jié)，并在硅顆粒周圍形成彈性網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)不燃、柔韌，可提升安全并支持特殊形狀應(yīng)用。
CONTACT US
ICC APP
