一、负极材料亟需创新突破，硅基负极可提升锂电性能
负极是锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的能量密度、充放电倍率、循环寿命等性能指标均有较大影响。从电池工作原理来讲，电池充电过程中，负极材料捕获电解液中的游离锂离子，实现能量的转化与储存；放电过程中，锂离子由负极材料中脱出，经由电解液嵌入正极材料，产生电流，从而实现锂离子电池的充放电循环。理论上，电池正负极可脱出、嵌入的离子数量越多，电池的容量就越高。
图1 电池工作原理
近年来，随着锂离子电池技术的迅速发展，传统石墨负极的能量密度几乎达到理论上限（372 mAh/g），而下游车企对动力电池性能的需求仍在不断提高，如特斯拉主推的4680大圆柱电池、宁德时代的麒麟电池等，纷纷倾向更高的能量密度，而传统工艺开发到一定程度后，边际效益递减，因此需要材料创新以带来更高性能的电池产品。此时，硅基负极渐入人们的视野，成为一条可行的技术路径。硅基负极能量密度的理论上限为4200mAh/g，是石墨负极的十倍以上，允许更大的电池容量，或将推动锂离子电池迈向更高的性能阶梯。
二、石墨掺硅是针对目前硅基负极研发瓶颈的解决方案
目前的主流锂电池负极材料分为碳材料与非碳材料，其中碳材料包括：石墨类、石墨烯与无序碳；非碳材料主要包括：硅基、锡基、钛酸锂材料等，各类负极有所差异，应用于不同场景，目前最为广泛应用的是石墨类负极材料。
作为一种新型材料，虽硅基负极在能量密度方面大大超过目前主流的碳类负极，但硅基负极的缺陷同样明显。当硅负极与锂离子发生合金化反应时，硅的体积会迅速膨胀至二到四倍，严重影响了电池的使用寿命与安全性。此外，由于硅材料的表面积大于石墨，硅负极首次充电不可逆锂损耗高达15%~35%，远超于石墨材料5%~15%。介于硅负极的高能量密度上限和石墨负极的稳定、安全性，现阶段的硅基负极应用主要是在石墨负极中掺杂10%左右的硅基材料，使电池在保证原有良好性能基础上拥有更大的能量密度，4680大圆柱电池就是硅碳负极电池的典型代表产品。
表1 负极材料性能对比
三、头部企业纷纷布局应对潜在硅基负极电池需求
硅基负极材料的产业化进程与下游动力电池行业的变化趋势息息相关，随着终端客户续航需求的不断提升，高能量密度电池成为行业趋势。《中国制造2025》明确提出了2025年电池能量密度达到400Wh/kg，2030年电池能量密度达到500Wh/kg的远景目标，未来硅基负极有望提高在三元电池体系中的渗透率。
随着特斯拉4680电池实现量产，带动锂离子电池主辅材向高能量密度方向加速升级，头部电池厂商纷纷跟进量产。国内方面，宁德时代已规划了8条4680产线，年产能12GWh；亿纬锂能计划在荆门投建年产能20Gwh乘用车用大圆柱电池生产基地；比克动力于2019年开始研发大圆柱电池，预计2023年量产；海外方面，除特斯拉在美国德州、德国的超级工厂外，松下、LG化学等企业积极推动4680大圆柱电池配套设施建设。
现阶段，硅基负极被认为是未来新的发展方向，面对潜在的旺盛需求，负极制造厂商也积极应对、顺应潮流，国内负极龙头企业贝瑞特和杉杉股份分别在今年4月和6月投建硅基负极生产基地，预计产能在2023年底前后释放。
四、变数仍存，硅基负极能否大规模应用还需观望
与动力电池市场一超多强的格局不同，国内负极材料头部企业差距并不明显，中国负极行业前三甲贝特瑞、璞泰来和杉杉股份2021年负极相关产品收入分别为65亿元、51亿元和41亿元，而硅基负极能否成为行业龙头拉开差距的分水岭则并不明朗，硅基负极产业化进程上仍存在诸多变量。首先，硅基负极仅是未来动力电池技术发展路径之一，潜在的市场需求尚未兑现，众多负极厂商不敢“加码重注”。其次，与杉杉股份等企业相对激进的扩产行为不同，一些企业更加现实，选择将更多资金投入到有效的市场里，发展造粒、炭化等石墨负极核心技术兼顾硅基负极的小规模试产，一旦后续硅基负极需求上涨，产能也可以快速匹配。总的来说，硅基负极离真正实现产业化仍有一段距离，可能还需要一些新的契机，如硅基负极技术迭代升级、国家政策支持、下游产品放量等。