文丨李子月
編丨石亞瓊
目前，隨著新能源汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)于電池性能的要求越來越高。鋰離子電池因其在能量密度、壽命和重量等方面的優(yōu)勢(shì)，主導(dǎo)了今天的電池市場(chǎng)。過去十年中，鋰電池能量密度從2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg，增長(zhǎng)近3倍。但其已達(dá)到商業(yè)可實(shí)現(xiàn)能量密度極限的87%，提升剩余的13%將非常緩慢且昂貴。
法國(guó)電池初創(chuàng)項(xiàng)目HIPERSSYS成立于2020年，專注于研發(fā)以硫?yàn)檎龢O、硅為負(fù)極的鋰離子電池。HIPERSSYS表示其鋰離子電池理論能量密度可達(dá)到1950Wh/kg，約為商業(yè)鋰離子電池（100-450Wh/kg）的五倍，現(xiàn)已完成紐扣電池原型。
（HIPERSSYS鋰電池結(jié)構(gòu) 圖片來源：采訪供圖）
鋰離子電池常用的正極材料有錳酸鋰，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰以及三元材料等，HIPERSSYS研發(fā)的鋰電池采用硫磺為正極的活性材料。單質(zhì)硫在地球上儲(chǔ)量豐富，石油冶煉的副產(chǎn)物便可提供充足的硫磺，因此硫磺價(jià)格僅1000元/噸，與碳酸鋰（16萬元/噸）相差160倍。硫極易升華，簡(jiǎn)單加熱便可從正極中將其回收，成本低且環(huán)保；而以其他以貴重金屬為正極的鋰離子電池回收工藝復(fù)雜，無論是高溫煅燒還是濕法酸洗，都存在能耗高、難度大和二次污染問題。鋰電池成本已從2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh（該價(jià)格為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格。受訪人表示，如今鋰電池在歐洲市場(chǎng)的成本約200歐/KWh），占新能源汽車整車成本的30%。使用硫磺代替貴重金屬作為正極可進(jìn)一步降低電池成本。
常用的負(fù)極材料為石墨等碳材料，但因其理論容量偏低（約372mAh/g），現(xiàn)已進(jìn)入瓶頸期。HIPERSSYS采用硅作為負(fù)極中的活性材料。硅擁有非常高的理論容量（4200mAh/g，是傳統(tǒng)石墨材料的10倍多）。硅基負(fù)極的工作電位比鋰的還原電位高一些，減少了快速充電時(shí)鋰在電極表面沉積的風(fēng)險(xiǎn)，從而有助于提高電池的安全性。
硅活性材料的應(yīng)用始于2000年，2014年開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。國(guó)際上，松下2017年開始為特斯拉Model 3供應(yīng)硅碳負(fù)極電池，能量密度達(dá)300Wh/kg；日本GS湯淺將硅基負(fù)極電池供給三菱汽車；三星、LG化學(xué)將硅基負(fù)極應(yīng)用于消費(fèi)電池領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)，寧德時(shí)代于2016年開始以高鎳材料為正極、硅碳復(fù)合物為負(fù)極的動(dòng)力電池研發(fā)項(xiàng)目；力神電池于2018年開發(fā)出高鎳系正極和硅碳負(fù)極材料，電芯單體比能量密度達(dá)303Wh/Kg；國(guó)軒高科研發(fā)的高鎳三元電芯，硅碳材料負(fù)極，能量密度達(dá)300Wh/kg；此外，比亞迪、比克動(dòng)力、微宏動(dòng)力、蔚來、智己汽車、廣汽集團(tuán)等電池、電動(dòng)車企業(yè)，以及杉杉股份、中科電氣、貝特瑞、江西紫宸、深圳斯諾、江西正拓、創(chuàng)亞動(dòng)力、大連麗昌、硅寶科技等材料企業(yè)，都在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域投入和投產(chǎn)。2021-2026年我國(guó)硅碳負(fù)極材料滲透率年均增長(zhǎng)率約3%-5%，預(yù)計(jì)2026年達(dá)到23%。 2026年我國(guó)硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)需求將達(dá)到50萬噸。
（鋰電池導(dǎo)電劑優(yōu)劣對(duì)比 圖片來源：知乎@行業(yè)研究）
導(dǎo)電劑作為鋰離子電池的重要組成部分，直接影響電池的內(nèi)阻、倍率性能、熱穩(wěn)定性、能量密度、循環(huán)使用壽命等性能。按照接觸的導(dǎo)電形式，導(dǎo)電劑可以分為點(diǎn)接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、線接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和面接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，包括了SP炭黑、導(dǎo)電石墨、 VGCF、碳納米管和石墨烯。傳統(tǒng)導(dǎo)電劑包括點(diǎn)接觸的炭黑和導(dǎo)電石墨，相關(guān)技術(shù)較為完善，價(jià)格低廉，已被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)。新型導(dǎo)電劑包括線接觸的VGCF和碳納米管，以及面接觸的石墨烯，導(dǎo)電性能更好，添加量更低（傳統(tǒng)導(dǎo)電劑在正極材料中添加量約為3%，而新型導(dǎo)電劑約為0.5%-1.0%），活性物質(zhì)含量更高。
HIPERSSYS使用垂直排列的碳納米管為架構(gòu)來沉積電極中的活性物質(zhì)。垂直排列的碳納米管確保了與基片更好的接觸和粘附，從而增加了離子擴(kuò)散率，并改善了電子傳輸特性，從而使充放電速率得到改善。此外，垂直排列的碳納米管和基片之間的緊密接觸提供了一個(gè)低電阻通道，使整個(gè)電極有效連接。垂直排列的碳納米管表具有大表面積的多孔結(jié)構(gòu)，會(huì)大大促進(jìn)化學(xué)傳輸和界面反應(yīng)。垂直排列的碳納米管的這些特性（規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)、高表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性）使它們成為電極或電流收集器的候選材料，提高鋰離子電池的性能。
在未來五年，全球碳納米管導(dǎo)電劑需求量年復(fù)合增長(zhǎng)率將保持在40.8%，2022年需求量將達(dá)12.5萬噸，2023年需求量將達(dá)19.3萬噸。2014年以來，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，導(dǎo)電劑行業(yè)迅速發(fā)展。傳統(tǒng)導(dǎo)電劑2014年的市場(chǎng)占有率為85.5%，且主要依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化率只有12.9%。新型導(dǎo)電劑國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先，隨著新型導(dǎo)電劑的滲透，導(dǎo)電劑的國(guó)產(chǎn)化率也迅速提升。2014年碳納米管的滲透率由2014年的13.6%增至2020年的46.1%。2022年國(guó)內(nèi)碳納米管導(dǎo)電劑市場(chǎng)將達(dá)到45億元。
（HIPERSSYS電池原型 圖片來源：采訪供圖）
現(xiàn)階段，HIPERSSYS已完成紐扣電池原型（CR2032），目前正在制造和測(cè)試其他電池類型，如容量更大的軟包電池，并將在幾年內(nèi)進(jìn)入無人機(jī)市場(chǎng)。目前歐洲無人機(jī)電池市場(chǎng)規(guī)模約8億歐元，2040年將達(dá)到70億歐元。
（HIPERSSYS聯(lián)合創(chuàng)始人Mariam Ezzedine（右）和Fatme Jardali（左） 圖片來源：采訪供圖）
聯(lián)合創(chuàng)始人Mariam Ezzedine和Fatme Jardali均為巴黎綜合理工學(xué)院（Ecole Polytechnique）博士后研究員，2017年獲物理學(xué)博士學(xué)位。HIPERSSYS成立于2019年，獲巴黎薩克雷SATT項(xiàng)目（SATT Paris-Saclay）和巴黎綜合理工學(xué)院支持，并于2021年進(jìn)入巴黎綜合理工學(xué)院孵化器。
