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美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”

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本文转载自：科工力量（ID:guanchacaijing）
// 作者 |清柠
前言
“磷酸铁锂电池能量密度已经两年没变了。”
这份抱怨，来自去年年初的电池行业。据行业媒体“电车汇”统计：从2019年第3批目录申报车型到2020年第13批推荐目录，磷酸铁锂电池系统能量密度雷打不动，一直都是161.27Wh/kg。
2022年，这一数字依旧没有什么变化，今年的第1批推荐目录中，除了宇通的一款车型达到了最大值161.29Wh/kg以外，多数厂商依旧在161.27Wh/kg这个数字上打转。
161.27对于磷酸铁锂而言，与其说是上限，不如说是诅咒。
能量密度的天花板，似乎并没有困住大洋彼岸的美国人。2月16日，位于美国加州的Amprius（安普瑞斯）公司宣布，第一批商业化450Wh/kg高密度锂离子电池单元已经交货，将用于新一代的高空伪卫星（HAPS)。
根据此前马斯克在社交媒体的说法，高容量的400wh/kg电池要在2024年前后出现。450Wh/kg电池的商业化投产，实在是有些“激进”。
公司COO 伯恩斯坦，也在放话一统江湖：
“我们专有的硅纳米线平台和解决方案实现了无出其右的性能，让公司产品持续位于行业领先地位。”
激进的产品，离不开激进的技术。安普瑞斯能够获得如此亮眼的成绩，离不开电池负极的硅纳米线。与借助“科技奇迹化”讲述资本故事的美国企业相比，中国企业虽然也在向硅迈进，却有着自己独特的步调。

01

电池负极，追赶跟进三十年

安普瑞斯的商业化捷报，把人们对锂电池的关注重心从正极拉到了负极。
锂电池负极前行业换代，可以粗略的划为“十年一变”。1991年，日本索尼联合旭化成株式会社公布商业化锂电池，行业进入快速增长期。当时的电池负极，开始采用石油焦，但由于比容量太低，被从沥青中提取出来的小球体材料——中间相碳微球（MCMB）替代。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（中间相碳微球有与富勒烯类似的性能，不但可以作为负极材料，也可以作为催化剂和添加剂）
由于日本属于行业先发国家，掌握关键部件的话语权。我国在负极材料领域的“第一个十年”中，基本只能选择从日本进口。国产替代的需求，也因此同步生长。
作为现在的电池原料龙头之一，杉杉股份当时就开发了我国首条MCMB生产线。天津大学也研发出了MCMB的相关技术，催生出了另一家巨头贝特瑞。与此同时，由于智能手机的深入应用，锂电池负极的需求，也从复杂低效的MCMB变成了易于开发的石墨。中国厂商在“第二个十年”的局势也从“跟进追赶”变成了“并驾齐驱”。
经历了追赶跟进的“两个十年”后，中国企业在“第三个十年”中陷入了拉扯。
在人工石墨技术成熟化之后，中国企业依托充足电量带来的低成本优势（同比日韩便宜20%以上）迅速跟上，占据了全球超80%的市场。国内企业也形成了贝特瑞、江西紫宸、上海杉杉的“三大”，以及东莞凯金、翔丰华、中科电气为代表的“三小”。
几家公司虽然通过降本增效、定位竞争等方式确定了市场定位。但是从行业前景来看，这些企业开发的高端产品已经达到了360mAh/g 的指标（璞泰来数据），达到了石墨比容量372mAh/g的理论极限。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（图为人工石墨）
管理优化管不到化学规律，优化产品只能从头开发。
面对石墨材料仍显贫瘠的比容量，电池企业和研发团队并没有坐以待毙，而是将目光转移到了理论比容量超过4000mAh/g 的硅基材料。
但是高容量带来的是高损耗，锂离子电池在使用期间，形成回路的锂离子会在负极上结合电子。这个过程相当于锂离子钻进了负极材料的身体里，再形成锂结晶把这个“躯壳”挤爆。因此吸收的锂离子越多，破坏得越剧烈。
石墨负极有5%～10%的首次不可逆锂损耗，硅基负极由于体积变化幅度超过320%，容量损失达15%～35%。
为了处理这个问题，安普瑞斯就采用了硅纳米线技术，他们在长条状的硅基底材上，生长了一圈细小的硅纳米线。利用硅纳米线吸收大量的锂离子后，负极的破坏显著减少。因此在电池容量较高的前提下，保证了电池的寿命。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（硅纳米线可以像海绵般吸收锂离子，降低硅因体积变化导致的开裂）
然而这套“完美”的解决方案，依旧存在着高昂的代价。硅纳米线属于纳米材料，生产难度高。并且为了形成稳定循环需要进行预锂化处理。就算硅负极容量提升到了1000mAh/g，对应的电池质量能量密度也只有334Wh/kg，尚未达到400Wh/kg的目标。
安普瑞斯交付的“高空伪卫星”项目，基本可以看作是各类高空气球。其中最接近商业化的是谷歌高空气球互联网计划。这一项目被软银接手后，正在准备约300亿日元（约合人民币16.68亿元）的筹资。
如果按照电池成本20%计算，硅纳米线能拿到的市场规模约为3.5亿人民币。支撑碳纳米线市场生存不成问题，但是距离降低成本大规模生产还很遥远。
归根到底，产品上卫星的安普锐斯，也仅仅是给产品放了一个卫星。

02

美国“卫星” 人才工厂在中国

美国人放的锂电池“卫星”，动力依旧离不开中国。
安普瑞斯能够成功，离不开创始人崔屹对纳米材料的钻研，2007年，还在斯坦福材料科学与工程系担任教职的他，在Nature Nanotechnology上发布了《使用硅纳米线的高性能锂电池负极》的论文，详细阐释了硅纳米线技术在锂电池中的应用。
根据当时的测算，硅纳米线会让电池能量密度上升30%-80%。看到这一可能的风口，风投市场的不少人都下场劝说崔屹将技术商业化。另一方面，作为斯坦福学术圈的一员，崔屹又能跟朱棣文产生联系。2008年，崔屹与风投合伙人Mark Platshon共同成立安普瑞斯，董事会里面也有了朱棣文的名字。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（图为崔屹）
虽然安普瑞斯总部还在美国，但是产品的商业化生产又回到了中国。早在2014年，安普瑞斯就与无锡工业发展集团合资筹建安普瑞斯（无锡）有限公司，用于硅纳米线的成熟应用和生产。
不过比起当时的规划，安普瑞斯的商业化现实要艰难得多。2021年12月，安普瑞斯宣布，正在努力实现每年数百兆瓦时的电池量产，预计将在2024年开始大规模生产。公司COO伯恩斯坦更是把商业化预期放到了“飞行汽车”和无人机上，甚至规划了500Wh/kg电池的量产。
Amprius这么着急，可能是因为投资者等不下去了。
根据公司CEO孙纲的说法，“我们给空客开出了天价， 这种价格是不可持续的。”目前公司已有的产能中，只有加州弗里蒙特工厂在开展“有限规模生产”。大规模生产设施还在规划之中。
面对有限的产出，安普瑞斯未来可能会接受特斯拉的帮助。目前关于安普瑞斯的情报中，加州公司选址距离特斯拉的秘密电池实验室只有几百英尺，特斯拉也将在该工厂举办电池日活动。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（箭头方向为安普锐斯）
另一方面，马斯克对于硅纳米线的开发，态度也是“犹抱琵琶半遮面”。一方面，他在社交媒体上表示“硅负极电池循环寿命太差”。另一方面，特斯拉又曾在电池日活动背景中加入了硅纳米线结构图作为宣传。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（当时采用的宣传背景图）
联想到马斯克曾经提到的“四年计划”，硅纳米线的商业化落地，可能还是需要特斯拉。
硅纳米线还未落地，但是中国投资市场依旧兴奋了一下。以南天信息为例，旗下参股公司盈富泰克投资了安普瑞斯，因此成为了“碳纳米线概念股”之一，受到了不少投资者的关注。
然而面对投资者兴奋激动地提问，南天信息却有些摸不着头脑，因为公司的主力业务针对的是数字人民币。针对硅纳米线领域，他们“不掌握相关参股公司投资美国安普瑞斯项目的具体情况”。投资者的这份单相思，很可能落得一场空。
 

03

硅碳负极 中国发展靠自己

面对“硅基时代”即将到来的黎明，中国企业有着自己的节奏。
以布局最早的贝特瑞为例，公司在2006年就申请了相关专利，2013年硅碳负极就获得了三星认证。2020年9月硅基负极开始投产，市场预计出货量在3000吨左右。官网产品页面显示，贝特瑞提供的是硅系复合材料和氧化亚硅。
其中氧化亚硅技术路线在硅负极领域，比起制作工艺复杂的硅纳米线，是将纳米级的硅颗粒像撒盐一样加入二氧化硅中，更适合商业化生产。由于贝特瑞此前已经进入松下-特斯拉体系，他们将在硅基负极领域借助已有渠道拉开量产优势。
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
作为对比，杉杉股份的硅负极布局也以氧化亚硅为主，已在消费类和小动力市场实现批量应用；在动力电池应用领域，已经通过多轮评测。目前年出货量在百吨级别，主要客户为宁德时代。
与贝特瑞和杉杉的长线布局相比，其他企业的商业化生产依旧处于早期阶段。以璞泰来为例，公司正在和中科院合作筹建江西紫宸中试车间，完成第二代产品研发，并在溧阳建立氧化亚硅中试线。公司的主力产品更倾向于硅碳负极，规模化生产处于早期阶段。
璞泰来的现状，也说明了顶着“硅碳负极”大牌坊并不管用。
只要是后来者，就会将会陷入混战。翔丰华表示，公司硅碳负极材料产品处于中试阶段，若有市场需求，将会进行相应匹配批量生产；硅宝科技的硅碳负极材料已实现小批量供货，并准备建设1万吨/年锂电池用硅碳负极材料项目，下场参与竞争；国轩高科也表示，公司硅基负极材料项目推进顺利，已具备5000吨硅碳负极材料的生产能力……
美国锂电“放卫星”，技术根基“中国造”
（图为江西紫宸的办公地点，该公司已获得璞泰来的投资）
不过比起热闹的扩产，硅碳负极能否打赢成本战更值得关注。SMM数据显示，高端人造石墨的价格区间在6万～7万/吨，高端天然石墨则为5-6万元/吨。但是目前的硅碳负极量产价为11-12万元每吨，各家厂商徘徊在1万吨/年的产能，是否能提高硅碳负极的性价比，依旧值得期待。
整体而言，面对未来新能源的深入应用，电池能量密度的提升，将是各国技术产业全新的竞争点。与西方市场大开大合的资本操作相比，国内的技术企业显得更加稳健。比起一步到位的技术奇迹，市场更希望看到扎实稳健的优秀产品。“最高能量密度电池”的噱头，对于硅碳负极产业化来说，仅仅是一个开始。
来源|科工力量
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