1硅基负极潜力巨大，产业化应用逐步成熟
高能量密度成发展趋势，4680圆柱电池引领行业前沿。从目前动力电池发展情况来看，电池能 量密度呈现增长趋势，终端用户对电池续航时间、里程等要求越来越高，轻量化、高能量密度
需求的电池发展方向。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。
我们认为，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。
图表：2016-2020动力电池单体及系统能量密度变化趋势（元/Kh）
圆柱三元单体圆柱三元系统方形三元单体方形三元系统软包三元单体软包三元系统
2017 215 140 190-210130-150210-240140-170 2018 250 140-150220-230135-155220-260140-160 2019 260-280140-170230-260150-180240-280150-170
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硅基负极理论容量高，石墨负极已逼近理论上限。石墨负极虽有高电导率和稳定性的优势，但
目前商品化的锂离子电池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
世界杯直播在哪里观看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，其理论比容量高达4200 mAh/g，是石墨负极10倍左右，目前已知
比容量最高的锂离子电池负极材料。并且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%。
温州水上乐园门票多少钱图表：石墨与硅单质性能对比
脱锂电位（V）
密度（g/cm3）嵌锂相质量比容量
（mAh/g）
石墨 2.25 LiC5372 0.05
硅 2.33 Li4.4Si 4200 0.4
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
玉龙雪山在丽江吗析出电位，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。
亚美尼亚位置地图图表：不同形貌的锂沉积图图表：锂枝晶刺破隔膜示意图
图表：石墨负极与硅基负极对比
开封游玩攻略一日游类型天然石墨负极材料人造石墨负极材料硅基负极材料
首次效率>93%>93%>77%
循环寿命一般较好较差
安全性较好较好一般
倍率性一般一般较差
成本较低较低较高
优点能量密度高、加工性能好膨胀低，循环性能好能量密度高
缺点电解液相容性较差、膨胀较大能量密度低、加工性能差膨胀大、首次效率低、循环性能差
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30
0%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。
图表：硅薄膜和颗粒在循环过程中容易粉碎
图表：SEI膜重复生长，不断消耗电解液
为解决硅基材料膨胀、失效问题，现有行业采用的硅基负极改性方法包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等。其中复合化、硅氧化、纳米化技术、预锂化技术已较为成熟，已开始应用于产业化中。
1）氧化硅技术：采用氧化硅掺杂，掺杂含量约5%，氧化亚硅负极体积膨胀较小，但在充放电过程中会生产Li2O等非活性物质，导致SiOx材料首次效率较低（约70%）。目前，各大负极材料厂商对氧化亚硅负极均有布局，日本信越化学、韩国大洲、中国杉杉股份及贝特瑞均可量产硅氧负极。
2）纳米化：通过降低硅基材料粒径至纳米级别，也可以改善硅基材料在充放电过程中发生的体积变化，但存在生产成本较高，材料均一性不好等缺陷。
3）复合化：通过复合其他材料来制备硅基复合材料。硅碳复合材料（硅碳负极）由于具有稳定性好，体积变化小和导电性优异等优点，是产业化进展最为迅速的制备方法。广汽集团发布的海绵硅负
极，特斯拉于2021年收购的SiILion公司持有的硅负极专利实质上均为硅与碳材料复合形成的复合结构。
4）预锂化：预锂化技术是改善硅负极首次效率低的重要途径。为保障硅基负极性能，需要对在首次循环中损失的锂离子进行补充。预锂化技术主要包括电化学预锂化和在正负极材料中添加预锂化添加剂（补锂剂）两种形式，其中添加补锂剂的方法已相对成熟。
