美國硅基負(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：美國電動(dòng)車均價(jià)已超 4 萬美元，而主流購車區(qū)間在 2.5–3 萬美元。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，Basu 給出假設(shè)場景：每年將美國 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，金屬鋰電池若要面向大眾市場，只能走無負(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)療器械和無人機(jī)，這些場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。他們設(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。“我們在硅柱內(nèi)部及柱間留孔隙，供硅膨脹。”Aanhane 解釋。
整個(gè)過程干燥，“無需涂布、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——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)極競爭者逾 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，他們在負(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 方案帶來若干優(yōu)勢。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，符合美國國家安全指令，已可商業(yè)采購。
“目前我們是美國唯一大規(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)?；笈c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”。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。
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