馬斯克不僅要造電動汽車，還想在動力電池領(lǐng)地自立為王。其資本之一，是收購的超級電容公司MAXWELL。而MAXWELL有兩項技術(shù)引人矚目，其一是干電極技術(shù)，其二，是一項并不被特別關(guān)注的預鋰化技術(shù)。

Maxwell聲稱，干電極技術(shù)可以將電池能量密度提高到300Wh/kg，而未來有望達到500Wh/kg。電池能量密度要提升到500Wh/kg，大概率要采用預鋰化技術(shù)來輔助實現(xiàn)。而在特斯拉即將舉辦的“電池日”上，也有分析機構(gòu)認為特斯拉將公布預鋰化技術(shù)。

什么是預鋰化技術(shù)？如果特斯拉看好它，除了MAXWELL，其他企業(yè)有沒有在做？能不能快速應用？

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什么是預鋰化技術(shù)

要理解預鋰化技術(shù)，首先要知道為什么電池需要預鋰化。

一般來說，鋰離子動力電池在首次充電過程中，有機電解液會在石墨等負極表面還原分解，形成固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜，消耗來自正極的鋰，從而導致首次循環(huán)的庫侖效率(ICE)偏低，降低了鋰離子動力電池的容量，從而影響了能量密度。

簡單來說，就是鋰離子電池首次充電時，會造成大量鋰損耗，且是不可逆的。為了保障電池的容量，需要把損失的鋰補回來一些。

從技術(shù)路徑上來看，目前主流的補鋰方案可以分為兩大類：一是負極補鋰，主要是惰性金屬鋰粉，金屬鋰箔或鋰的化合物；二是正極補鋰，主要是一些含鋰氧化物。

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為什么需要預鋰？

提升電池容量和循環(huán)壽命。

如果采用石墨負極，對于企業(yè)來說，他們認為補鋰的意義不大，因為石墨負極的庫倫效率是可以接受的。

而對于硅負極來說，首周充放電損失的鋰就太多了。預鋰就是為了補償鋰損耗，延長循環(huán)壽命，從而達到減緩衰減的作用。

為什么要采用硅負極，這要從提升能量密度說起。

一般來說，電芯提升能量密度，需要選用比容量高的正負極材料。

具體來看，正極方面提升能量密度的方法，是采用高鎳正極材料，例如NCM811，NCA及富鋰錳基材料等是目前主要方向；負極材料方面，將具有多孔性、蓬松特點的石墨，改成具有更高比容量的硅基負極，以及金屬鋰負極。

三種負極材料的理論比容量：

石墨基：372mAh/g

硅基：3580mAh/g（室溫）

金屬鋰：3860mAh/g

由于金屬鋰負極技術(shù)難度太大，過于遙遠，硅基負極是目前最具潛力的負極材料。

但是采用純硅做負極的缺點也非常明顯，就是會導致電池膨脹率較高。硅負極充放電膨脹可達360%，而普通石墨僅為10%。這會造成負極在循環(huán)過程中快速衰減。這是由于部分鋰離子無法從負極中脫嵌回到正極，就成了鋰損耗。簡單點兒說，就是電芯膨脹收縮的次數(shù)多了，結(jié)構(gòu)塌了，鋰就沒法進出了。

石墨負極和硅負極首周充放電的鋰損耗各是多少？

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆鋰損耗，而對于高容量負極材料，首次鋰損耗甚至更高；硅的不可逆容量損失達15%～35%。

可見用純硅做負極容量是提升了，但是循環(huán)壽命太短。

目前，相對較為成熟的技術(shù)方案是，采用體積效應小、循環(huán)穩(wěn)定性好的碳材料作為載體，摻入高比容量的硅材料作為主要活性體，以此合成硅碳復合材料。

另一個問題出現(xiàn)了，由于人們不斷追求高比容量電池，硅含量就必須不斷提升，循環(huán)次數(shù)短的短板便愈加難以忍受。

為了減緩電池容量的衰減，預鋰技術(shù)就有了用武之地。

雖然不能改變電池衰減的規(guī)律，但是可以通過補鋰技術(shù)，將第一次的鋰損耗補償一些回來。

一位動力電池企業(yè)預鋰技術(shù)專家鄧先生表示，目前普遍采用的石墨負極材料中，含硅量在3%-7%，由于硅負極首次效率只有50%，因此硅碳負極首次效率會隨著硅含量的增加而逐步降低，當硅含量達到10%的時候，就有必要采用預鋰技術(shù)來提升電池容量。

資料來源：萬向專利201510029061.5預鋰化處理效果圖

由于預鋰化方向十分明確，國內(nèi)外的企業(yè)都在尋找成本最低，安全性最高的預鋰化方案。

據(jù)國軒高科工程研究總院負極材料技術(shù)負責人林先生介紹，解決硅負極循環(huán)壽命的思路其實有兩個，一是在硅負極材料本身想辦法，目前有些企業(yè)在嘗試，但是難度太大；二就是預鋰化，最直接也最有效。

目前在實驗室研究階段，電化學預鋰化、直接接觸短路法是簡單有效的方式，有效緩減了高容量碳材料、合金負極以及轉(zhuǎn)換材料的首次不可逆損失，具有預鋰化量精確控制和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但對環(huán)境的要求高，如無氧、無水、干燥環(huán)境限制了其大規(guī)模應用。

采用穩(wěn)定的金屬鋰粉進行預鋰化是目前商業(yè)化最有效、最直接的方法。但是，其對環(huán)境的生產(chǎn)環(huán)境的要求非常之高，需要研發(fā)密閉的混漿設備，避免高速攪拌帶來電極材料、導電劑等燃燒的安全隱患，在制程上的風險極大。

此外成本高也是商業(yè)化應用的難點之一。

可以看到，電池發(fā)展過程，就是打破原有平衡，再創(chuàng)造平衡的過程。為了提升某項特性，我們采用了一個新元素的長處，就要用其他方法為這個元素的短板打上補丁，當然同時又會帶來新的問題，循環(huán)往復。

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中國預鋰化技術(shù)研究

既然是預鋰行業(yè)共識，中國企業(yè)自然也在探索。

目前來看，預鋰化已經(jīng)成為不少負極材料生產(chǎn)商和電池企業(yè)的一個重要研發(fā)領(lǐng)域。主流的電池企業(yè)和科研院所都在這一領(lǐng)域儲備了不少專利。

資料來源：soopat

例如，寧德時代儲備了多項專利。其中一個是鋰離子電池負極補充鋰粉的專利：首先通過投料裝置在密閉的空間里撒鋰粉；噴灑后，打開擋板和直流電源，在震動和電廠的作用下鋰粉均勻的噴撒在負極表面；通過控制走帶速度來控制補鋰的量；再次通過輥壓將鋰粉和負極壓在一起。

國軒高科是對鋰離子電池負極極片進行預鋰化。負極片、隔膜、鋰片依次放入電解液中，鋰片與負極片不接觸；其次，外接電源，對負極片充電，控制電流0.05-2C以及充電時間來達到補鋰的目的。最后，烘干極片得到預鋰化負極。

資料來源：國軒高科專利CN201910418237 .4

萬向A123的方法是，首先需要制備硅碳負極；其次，在手套箱中，電解槽中以二步恒電流脈沖沉積方法進行電沉積金屬鋰，再次，浸泡在DMC中洗去表面鋰，最后，烘干后得到預鋰化的電極；通過控制電流的大小和時間達到沉積不同厚度的預鋰化硅碳負極。

以上只是舉例了幾個專利技術(shù)，實際上儲備專利的企業(yè)數(shù)量非常多。

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干電極與預鋰化技術(shù)結(jié)合，

或許沒那么簡單

硅碳負極最早的應用當屬特斯拉的Model 3。

早在2012年，松下成功應用硅碳負極，推出NCR18650C型號電池，容量高達4000mah，在此后多年的應用中，技術(shù)已相對成熟；2017年，特斯拉在松下所產(chǎn)的21700電池的人造石墨負極中，加入一定量（有的認為是5-6%，有的認為是10%）的硅合金復合材料。

那Model 3采用預鋰技術(shù)了嗎？

還沒有。

林先生對《電動汽車觀察家》解釋道，特斯拉電池的控制策略是淺充淺放，因此硅負極的影響不會很大。

不過，特斯拉如果想要繼續(xù)提升電池的能量密度，預鋰化的輔助技術(shù)應該是必不可少的選項。

因此，有業(yè)內(nèi)人士預測，特斯拉可能將MAXWELL的干電極技術(shù)與預鋰化技術(shù)相結(jié)合，從而實現(xiàn)預鋰技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

資料來源：MAXWELL專利CN201880026159.7

為何會有這樣的猜測？

我們得從什么是干電極講起。

電池領(lǐng)域，最常見的電極生產(chǎn)方式是濕法，即正或負極溶劑混合在一起形成漿料，而后再用涂布設備涂在集流體上，隨后這些漿料中的水分要蒸發(fā)掉。

因此，在濕法上的負極材料中加入鋰粉，存在較大的工藝難度及生產(chǎn)安全隱患。

畢竟金屬鋰非常活潑，遇水會燃燒。

而MAXWELL的干電極技術(shù)，是用粘結(jié)劑和導電劑代替溶劑。比如用聚四氟乙烯(PTFE)粘結(jié)劑和電極活性材料組合，以壓延方式制成電極。簡而言之，所謂干電極技術(shù)，就是將電極材料直接“粘”在導電集流體上的技術(shù)。

沒有水分，制程上的安全性就提升了。

不過，事情也沒那么簡單。林先生認為，理論上，將鋰粉末加到干電極內(nèi)是個好方法，但是，應該會有兩個問題，一是鋰金屬粉末進去后，后面所有工序都要干燥條件，成本很高；二是充放電后鋰金屬跑出去了，電極會有很多孔隙，后面電子導電性會很差。

可見，特斯拉即使有Maxwell的干電極和預鋰化技術(shù)，想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，最起碼要解決上述兩點問題，在解決上述問題的同時，很可能帶來其他的問題，總之沒那么簡單。

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技術(shù)難度大、成本高昂，

產(chǎn)業(yè)化動力不足

那中國的濕法電極有方法實現(xiàn)預鋰技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化么？

在業(yè)內(nèi)人士看來，中國企業(yè)的專利要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，難度也不小。

前文提到的寧德時代專利，最大的問題是對設備的要求比較高，因為鋰粉比較輕，比表面積也比較大，如何控制精確補鋰，均勻補鋰，難度較大。

萬向A123的專利，從技術(shù)角度分析，理論上具備可行性，但在批量使用時如何實現(xiàn)預鋰化的自動化，難度比較大。

此外，硅碳負極材料更需要預鋰，但它的成本更高。

硅碳負極制備工藝復雜，所以材料價格高于石墨負極。根據(jù)真鋰研究的數(shù)據(jù)，目前穩(wěn)定量產(chǎn)的硅碳負極價格介于11萬—12萬/噸，而目前石墨負極的價格僅為其一半，6萬元/噸。

也就是說，電池容量提升5％－10％的情況下，電池的成本要增加20％－30％甚至更高。硅碳負極最大的優(yōu)點被它的價格弱化了。

林先生也對《電動汽車觀察家》舉了一個例子，以鋰粉補鋰技術(shù)來說，首先要解決鋰粉的質(zhì)量問題，目前美國的FMC公司（已將鋰粉業(yè)務拆分，更名為Livent Corporation）的鋰粉性能比較好，但是價格較貴，基本在2000-3000美金/公斤，折算到電芯的話，每瓦時要增加幾毛錢，這在動力電池領(lǐng)域基本是不可能被應用的。

其實，做出硅碳復合負極材料并不難，但批量生產(chǎn)出電化學性能優(yōu)良的復合材料則非常難，能夠批量供應硅碳負極的企業(yè)并不多。一方面成本價格較高，硅碳鋰電池在下游的推廣應用遇阻；另一方面電池在批量生產(chǎn)過程中容量快速衰減等問題難以解決，目前應用硅碳產(chǎn)品并真正用好的電池廠家并不多。

因此，現(xiàn)階段硅負極+預鋰化的商業(yè)化應用尚不成熟，除了松下，動力電池企業(yè)應用并不多。預鋰技術(shù)也很難稱作殺手锏。

不過，有業(yè)內(nèi)人士對《電動汽車觀察家》表示，作為對提升電池負極容量最為直接和有效的方式，預鋰技術(shù)在動力電池領(lǐng)域的應用情景非常廣闊，未來3-5年有望看到采用預鋰技術(shù)的規(guī)模化產(chǎn)品。（完）

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