出品｜虎嗅科技组
作者｜包校千
编辑｜陈伊凡
(资料图片)
题图｜视觉中国
围绕动力电池的竞争仍在内卷中进行，而一贯讲究技术创新的特斯拉，再次成为了锂电产业的“福星”。面对百舸争流的技术路线，决定锂电前途命运的关键，就藏在万众瞩目的4680电池之中。
“累计产量突破1000万颗！”这是6月17日，特斯拉官宣4680电池创下的首个里程碑。电芯产量能满足1.2万辆Model Y的装机所需，标志着4680电池正式进入到量产阶段。
当下锂电的技术，已经成熟到几乎挖掘不出任何颠覆式创新。而作为特斯拉的第三代电池，4680在续航、快充和安全性等方面堪称无懈可击。其性能飞跃，不仅是“大电芯+全极耳+干电池技术”的功劳，更在于革命性地使用了硅碳负极这一新材料，打破了只能使用石墨的桎梏。
相比传统的石墨类材料，硅碳具有更高的能量密度，能够让电池内储存的电荷量增加10倍。“毫不夸张地说，锂电产业的荣辱兴衰正攥在硅基负极厂商手里。”一位业内人士告诉虎嗅。
在特斯拉4680电池的引领之下，参与新一轮锂电负极材料革新的，既有保时捷和奔驰这样的巨擎，也不乏一些创新型企业置身事内。其中以美国Group14和Sila这两家初创公司为代表，二者正在为接下来硅碳负极的商业投产蓄势。
新一轮投资浪潮也从大洋彼岸席卷而来。从意外爆冷到众星捧月，硅碳负极项目只用了半年时间。曾有投资人感慨，热门项目甚至火到“连创始人微信都加不上”。
其中，成立于2017年的负极材料企业天目先导，于去年获得了多家机构注资后，在今年突然爆红。有知情人士透露：“资本追着送钱让他们TS拿到手软，最新估值涨到了60亿左右。”
显然，硅碳负极重新燃起了VC对锂电赛道的投资热情。正如某头部VC投资人形容，今天的正极材料工艺就像工厂从生产吉他转型做尤克里里，创新乏善可陈，难以有太多新的市场机会。而负极则像白酒厂转型做红酒，创业公司和茅台同在一个起点。
随着4680电池的放量，人人都想尽早抓住锂电产业仅剩的这波风口。
老掉牙的石墨负极
纵观锂电的发展脉络，所有的研发创新目的只有一个——解决续航焦虑。
尽管电池制造商想尽一切办法提高空间利用效率，来增加整车电池容量，但优化电池结构的思路，显然不是解决问题的根本之道。材料和工艺创新才是企业安身立命之本，也是提高电池综合性能的基本共识。
因此，资本未曾放过产业链涌现出的任何创新型技术，可唯独遗漏了电池负极。
电池充放电的过程，是锂离子嵌入与脱出负极材料的过程。可以说，负极材料是影响锂电池能量密度、循环寿命与倍率性能的重要组成部分。然而，和钴酸锂、镍钴锰、磷酸铁锂等正极材料创新相比，负极材料似乎只有石墨这个唯一选项。
可即便如此，产业内曾理所当然地认为，理想的负极材料就是石墨。
直到三年前的特斯拉电池日，马斯克揭开了4680电池的神秘面纱，这款大圆柱电池因摒弃了石墨负极，开创性地选择了能量密度更高的硅碳负极，才真正启明了业界心智。
一般而言，理想的负极材料需具备对锂电位低、高比容量、高导电率、原材料易获得、与电解质相兼容的特点。一位行业人士告诉虎嗅，正是具备上述这些条件，加之成本低、工艺成熟，石墨才能牢牢占据市场主导地位，并形成了一定程度上的路径依赖。
但时至今日，石墨负极已逼近372mAh/g的理论比容量（单位重量活性物质所能放出的电量）极限，无法满足市场对于高比能锂电的需求。基于消费市场对续航性能的渴望，锂电行业迫切需要使用更优异的负极材料，摆脱石墨负极的掣肘。而硅基负极则是目前理论效率最高且距离产业化最近的材料。
事实上，在特斯拉发布4680电池之前，Model3搭载的21700电池就在负极添加了5%的硅基材料。如今，行业也已探明，硅基是目前容量最高的电池负极材料，理论值高达4200mAh/g，是石墨负极理论极限的近12倍。
即便是目前小规模应用的硅碳负极和硅氧负极材料，比容量也分别达到了450mAh/g和450-500mAh/g。当然，资本押注的不是现在，而是可期的未来。“就像光伏转化效率逐年提高那样，硅基负极的潜能同样值得期待。”负极材料商载驰科技创始人汪炜如是说。
因此，在特斯拉率先垂范，证明了硅基负极材料与大圆柱电池适配之后，各大负极厂商均把硅基负极材料作为重点研究的对象。在负极材料加入硅，成为目前车企提高续航的重要手段和必然选择。
采用硅碳负极的特斯拉4680电池，使用硅基材料比例是21700电池的两倍。特斯拉声称，其能量密度达到了300Wh/kg，是21700电池的5倍，整车续航里程也因此提高了16%。
而硅基负极并不是特斯拉独占，这项技术的开创者——美国国家科学院院士、斯坦福大学终身教授崔屹2008年创办了Amprius公司时，就基于自研的纳米技术开发了采用硅基负极电池，能量密度高达450Wh/kg。
凭借性能更好、更便宜的硅碳复合负极，去年9月，这家总部位于美国加利福尼亚州弗里蒙特的电池制造商，在纽交所敲钟上市，风光无垠。
多位行业人士告诉虎嗅，硅基负极之所以得到电池厂商的青睐，除了续航大幅提升，另一大优势则在于高倍率的快充效率——6分钟之内充满80%，这是石墨负极望尘莫及的。
汪炜解释，由于石墨的电位比较低，锂离子很容易在负极表面沉积，形成析锂。这种情况通常会在低温、快充、过充等过程中出现。一旦析锂反应持续发生，就会生长成像树枝状的金属锂（也被称为锂枝晶），刺破隔膜，最终导致电池起火爆炸。
为了遏制石墨负极对锂电安全性、低温性能、倍率性能造成的负面影响，电池厂商只能让电池管理系统 (BMS)发挥保护屏障的作用，禁止在低温环境下大倍率的充放电。
相比之下，硅基负极的电压比石墨要高，在快充场景下不会产生锂枝晶，能够很好地规避石墨负极的上述痛点。
眼下，作为硅基负极电池的出货主力，松下、LG 等海外电池厂商在今年启动4680电池的量产。而诸如宁德时代、亿纬锂能、蔚蓝等国内知名电池厂商，亦在通过布局国产4680电池项目，加速硅基负极的落地和普及。
可以预见的是，特斯拉4680电池已实现量产，有望引领产业变革。中信证券研报认为，2023年是4680电池放量元年。根据车企的车型及产能规划，预计到2025年，4680电池需求将超过100GWh，对应的结构件需求达37亿元。
另据第三方研究机构华经产业研究院报告，随着2022年特斯拉4680大圆柱的量产，硅碳负极市场将迎来爆发增长，预计2025年特斯拉4680驱动的硅碳负极市场空间将达到183.7亿元。硅基负极也将从2023年起逐步应用在除特斯拉之外的其他动力电池市场中，2025年除特斯拉外其他动力用硅碳负极市场空间将达到67.7亿元。
不过，尽管硅基材料被市场认为是未来最可能大规模应用的新型负极材料，但包括人造石墨和天然石墨在 2021 年占据了所有负极材料出货量的 98%，包括硅基负极在内的其他负极材料，出货量仅有2%。这场负极材料革新才刚刚开始。
硅碳才是锂电的未来
“三点钟又有一个投资团队要过来，已经约了快一个月了。”
在硅基负极最火的时候，载驰科技创始人汪炜一天要见好几波投资人。这与2017年公司刚成立那会儿，鲜有人知道什么是硅基负极相比，反差强烈。
今年4月，CNBC采访了美国三家研发硅负极技术的公司——Sila、Amprius和Group14，了解这种新材料将如何改变电动汽车、消费电子等领域。这则报道迅速传至国内，在硅基负极创业者中间引发了关注和讨论。
在这一领域深耕了20多年的汪炜，经历了几轮行业起伏和技术变迁之后，认为技术路线是否具有通向商业化和产业化的能力至关重要，“只有做到低成本、大规模量产，才能更好服务客户，也更符合商业逻辑。”
然而，目前硅基负极渗透率只有不到2%，制约其大规模进入市场的，主要是过高的体积膨胀率和导电性欠佳等先天性“硬伤”。
和石墨负极12%的膨胀率相比，硅基负极材料的充放电膨胀率为320%。虽然硅基负极电池理论上属于高寿命电池，但在充放电过程中，由于首次充放电效率低，再加上过高的膨胀率导致硅颗粒可能破裂并造成电极失效，引起锂离子迅速衰减，影响电池循环性能和使用寿命。
虎嗅从行业人士了解到，国内硅基负极目前的循环寿命普遍在500-600次，远低于石墨负极电池1000次以上的水平，甚至达不到国标的上车要求。这些技术问题，仍需一定的时间来解决。
为了抑制膨胀，行业最早试图通过硅氧负极材料来解决问题。汪炜介绍，硅氧负极是氧化亚硅与石墨材料的复合物，在循环性能和倍率性能方面有出色表现，但硅氧负极的工艺复杂，生产成本较高，而且首次效率低，需要在材料端或电池端进行预锂化处理。
可令人意想不到的是，2021年锂盐价格开始从3万元/吨一路狂飙。面对上游原材料的成本高企，任何材料厂商都不愿从腰包里掏出高昂的补锂费用。在“去锂化”的呼声中，尚未形成产业化优势的硅氧负极赛道开始暗淡了下来。“到2021年之后，所有的人都觉得硅氧没法再做了。取而代之的，则是4680电池采用的硅碳负极路线。”汪炜如是说。
相较于硅氧技术路线，由于不需要补锂，硅碳具有不可比拟的性能与成本优势。中国化工经济技术发展中心（CNCET）预计，2023年中国硅碳负极材料产量及消费量将达到6万吨，未来硅碳负极市场前景巨大，市场渗透率正在逐步提升，预计市场规模在千亿级别。
硅碳全称为纳米硅碳，是纳米硅和石墨的结合体。Sila、Amprius和Group14，都坚定地选择了纳米硅碳的技术路线。作为纳米硅碳的核心材料，谁掌握了纳米硅谁就掌握了纳米硅碳。
和氧化亚硅相比，“纳米碳的痛点在于工艺，而不在于材料。”汪炜表示，同样是负极膨胀的问题，他们利用了物理学的尺度效应，把纳米硅碳的粒径减小十倍，使其体积缩小为原来的千分之一，极大程度上解决了膨胀带来的一系列问题。
创立之初，载驰科技就作为贝特瑞的独家供应商，向其提供纳米硅原料。后者是负极材料的龙头企业，2022年以22%的市占率居首，材料业务收入达146.3亿元，同时也成功跻身特斯拉的产业链，向下游客户之一的松下动力电池提供硅碳负极材料。
眼下，在硅基负极市场中，最具增长潜力的当属硅碳负极。但由于工艺创新难度大，国内硅碳负极材料制造商仍然处在攻坚阶段。目前硅基负极材料的产业化还在初期阶段，面临大规模量产和成本的挑战。此前据高工锂电统计，硅碳负极材料价格超过12万元/吨，远高于石墨负极材料。
为了制备高性能、低成本纳米硅材料，载驰科技采用的技术路线不同于传统的湿法砂磨及硅烷裂解法，而是使用了一种更安全、低碳及规模化的生产方式。截至目前，其研发的硅碳负极材料经过三次迭代，已经陆续向动力电池厂商送样测试。
不过，短时的技术瓶颈，并不能阻止投资人把热钱撒向这个赛道。作为行业笃定的下一代新型锂电负极材料，不少硅碳负极项目甚至出现被投资人“排队送钱”的盛况。例如天目先导、兰溪致德、碳什科技、碳一新能源、索理德等负极材料企业，背后的资本阵容非常豪华。由于项目的相对稀缺，客观上导致不少投资机构只能看运气抢“候补票”。
截至目前，绝大多数硅碳负极材料企业处于布局、中试或研发阶段。随着各电池企业开始加速布局4680大圆柱电池，为提升能量密度，大概率会增加以硅碳为代表的负极材料使用。进而带动市场对于负极新材料的需求。
待硅碳技术瓶颈的攻克以及成本下降，这种高能量密度的材料一旦大规模量产，动力电池市场的格局或将被进一步重塑。
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