导读

2020年9月21-23日，第五届新型电池正负极材料技术国际论坛(ABCA-5)在苏州顺利成功召开。本届论坛由中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所、化学与物理电源技术重点实验室共同主办，北京中联毅晖国际会展有限公司承办，并得到了中国科学院物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的鼎力支持。本届会议邀请了来自国内外汽车领域、动力电池及相关关键材料、大专院校和科研院所等385家单位，1000位嘉宾出席了此次国际论坛。论坛期间还同时举办了第五届新型电池正负极材料及相关设备/测试仪器小型展览会，有32家国内外企业参展。会以共安排了12场分会66篇报告，分别在第一天的主会场和第二天的三个分会场进行。

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在Session6“硅基负极材料研究新进展与应用前景”分会主题上，来自安普瑞斯(南京)有限公司副总经理王岑博士做了“安普瑞斯的硅负极材料在高能量密度电池中的应用进展”主题发言

安普瑞斯(南京)有限公司副总经理 王岑博士

非常感谢组委会的邀请，也感谢各位的到来，也很高兴能与大家分享我们的进展，我今天报告的主题是“安普瑞斯公司的硅负极在高能量密度电池体系中的应用和进展”。

截至目前，安普瑞斯共有两个电化学体系：

第一个是由我们在美国加州的公司所做的，由斯坦福大学崔屹教授发明的硅纳米线，这种独特结构的材料经过不断地改进与发展后，量产的产品与之前文章所报道的结构已经有较大差别了。我们现在的硅纳米线是以PECVD的方式进行生长的，如图所示，这是由我们美国公司开发并制造出来的硅纳米线生长设备，全世界只有两台这种卷对卷的硅纳米线生长设备，都在我们美国公司。图中电极卷是实际生长出来的硅纳米线产品，外观颜色为黑灰色，将其做成3Ah左右的全电池，体积能量密度可达到1200Wh/L、重量能量密度可达到450Wh/Kg。这个材料体系应该是目前全世界所有商品化电池中能量密度最高的，欧洲的空中客车公司是我们最大的客户和战略投资者。

第二个体系是由我所代表的安普瑞斯(南京)公司所做的方向，主要为硅-石墨复合以及硅-碳复合体系；同时，我们也开发一些新型正极材料，与传统的高电压钴酸锂、高镍或者富锂锰基材料有一些不一样的设计思路；与硅负极搭配的电解液添加剂和配方方面，我们也有一些研究，并且已经与国际领先的电解液厂开展战略合作。另外，关于预锂化技术，我们也在不断地开发，同时与世界范围内的多家知名客户展开深度合作。

材料开发的终极目标还是要争取用于相关终端产品上，因此，我们也会进行一些高能量密度的材料体系、电池体系的开发，主要包括消费电子类、电动运输类、航空航天类这三大类应用领域。自公司创立至今，我们一直以硅材料为核心，致力于将硅负极商业化，并进行了整个含硅体系的生态系统开发。如图所示，这个生态系统涵盖了从硅的结构设计、原材料的选择、量产的工艺，以及硅负极与正极、电解液的搭配，一直到电极制作、电池设计等多种复杂因素。

我们之前在与很多客户交流的过程中，经常会听到这种问题：“硅-石墨负极相比传统的石墨体系，到底好在什么地方？”通过我们与众多大客户长期的共同开发和交流，关于硅的优势基本达成了以下几点共识：首先，硅的容量比传统石墨容量高，与石墨或碳材料进行复配时，复合体系的容量增加、面密度降低，从而可以降低电极厚度。如图所示，电子和离子在整个电极层面传输的迂曲度会降低，传输路径也更短，因此，电极层面的动力学可以得到非常明显的提升。其次，锂离子在硅和石墨表面嵌入和脱出方式不同，硅从各个方向都可以提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状的端面方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，因此，在过去，为了实现石墨快速充电，需要将其做成二次颗粒的结构，希望从正极侧过来的锂能够快速、直接地嵌入石墨的端面，但是这个取向性问题在硅材料上并不存在；最后，硅相比石墨更远离锂的电位，所以在快速充电的过程中，形成的锂硅合金电位高，不容易达到0V，相对更不易析锂。

下面我给大家展示两个硅负极体系具有良好动力学特性的案例：

第一个是含硅负极与纯石墨负极的低温充电的对比案例，如图所示，左边展示的为硅-石墨复合体系，可逆容量为450mAh/g，右边展示的是纯石墨方案，可逆容量为350mAh/g，且与左边复合体系为相同款人造石墨，我们分别进行20^oC 1C及10^oC 0.5C充电，从图中的对比结果可以明显地看出，在整个电芯厚度设计保持相同的情况下，即使左边复合体系的正极面密度更高，也没有发生析锂现象；但纯石墨体系中均发生了析锂，并且温度越低，这种现象也越明显。

第二个是含硅负极与纯石墨负极的倍率放电的对比案例，这个数据来源于客户的真实项目案例，实线为硅-石墨复合体系，可逆容量为450mAh/g，虚线为纯石墨方案，可逆容量为350mAh/g，且与左边复合体系为相同款人造石墨。随着放电倍率从0.2C、1C、2C直到增加至5C，纯石墨体系的保持率衰减趋势越大，而复合体系的保持率衰减趋势则相对较小。当放电倍率为5C时，硅-石墨复合体系相比纯石墨体系展示了+60%的能量优势。下面三张图则是我们客户提供的数据，分别对比了人造石墨和我们硅石墨复合体系在0.5C、5C及10C的放电倍率性能，同样地，在10C放电时硅-石墨复合体系相比纯石墨体系展示了+25%的能量优势。

接下来介绍一下我们南京公司主营的三种产品，第一种是粉末材料，第二种是电极产品，第三种是含硅负极电池体系的解决方案。

我们的粉末材料产品有SO226、SO276、SOM622和HESO，每个产品在其各自适配的应用领域都得到了各知名客户的广泛认可。其中HESO材料在半电池脱锂2.0V截止时，容量为1350mAh/g，效率为93.0%，应该是处于目前业界的最高水平。除此之外，我们通过掺混和复合等物理、化学方式，也可以做成不同容量的硅-石墨复合体系，可逆容量380-650mAh/g；当然，也可以根据客户的实际需求，提供一些更高容量的定制化产品。

电极产品方面，我们会给一些客户定制销售利用我们特有的超均匀分散(UHT)技术制作的含硅负极电极和配套的正极电极，其中负极型号有E-ASG380~E-ASG650等涵盖了380-650mAh/g的容量范围，而正极则包括钴酸锂、三元、磷酸铁锂和富锂材料等，具体配方、涂布面密度、长度、宽度等参数可以根据客户的项目需求进行定制。

接下来我将要重点介绍的是关于我们南京公司开发的含硅负极电池体系的解决方案，包括四大电池体系：810Wh/L的消费数码类体系、8C放电倍率>240Wh/Kg的电动工具体系、3C放电倍率>270Wh/Kg的无人机体系、300Wh/Kg和320Wh/Kg动力电池体系。

第一个体系是数码消费类体系，分别向大家展示810Wh/L平台的手机、智能手表电芯的倍率、高温存储、高低温及循环性能；以及高能量密度快充电池体系，这个体系可以很好适配于目前具有广阔市场前景的TWS耳机的软包或小圆柱电芯：单极耳设计时，3C充电的恒流冲入约为67.3%；如果是多极耳设计，3C充电的恒流充入比能保证75%以上。+3C/-1C倍率下的常温和高温循环性能应该都没有问题，高温存储也能满足要求，5C放电保持率>94%，-20^oC 1C低温放电的保持率为80%。

第二个体系是电动工具体系，采用4.0Ah软包电芯进行的评测， 3C充电的恒流冲入比可达到82.1%，这意味着可以实现15分钟直充75%。8C放电条件下能量密度约为243Wh/Kg，这个电芯体系的循环倍率可支持+1C/-6C或+3C/-3C的条件，同时循环300圈，保持率>95%，循环800圈保持率>80%。右边表格是终端客户对我们电芯进行安全验证，除了国标已取消的针刺和重物冲击以外，其它所有测试均通过验证，因此，该电池体系已经具备市场化的性能要求。

第三个体系是无人机体系，采用的是8Ah的软包电芯进行评测，该体系在3C放电下的能量密度可达到270-280Wh/Kg。3C充电的恒流冲入比为79.2%，因此也可以满足15分钟直充75%。常温下+1C/-5C或+3C/-3C两种测试条件均能满足循环300次的要求，45^oC也可满足300个循环，同时满足60^oC 7天的存储要求。-20^oC低温放电性能，1C和1.76C放电保持率均>90%。该体系也已具备市场化的各项性能要求。

第四个体系是动力电池体系，前一个方案是300Wh/Kg的材料体系，采用的是3Ah卷绕电芯的结构，能量密度标定时的电压区间和循环时的电压区间一致，均为4.2-2.5V；常温+1C/-1C 在4.2-2.5V区间循环，可做到1000圈80%；在4.2-2.75V区间循环，预计可做到1300~1400圈80%。45度高温循环，4.2-2.5V区间，可做到900圈>80%。并且需要补充说明的是，循环过程中，我们的电芯是处于自由状态，并没有采用夹具的方式进行循环，循环结束后，电芯平整无变形。高温存储性能方面，60^oC存储62天时，满电对初始半电膨胀率为4.2%，容量保持率为88.2%，容量恢复为96.6%。由于该电芯为单极耳的卷绕结构，所以3C放电前期压降较大，但是容量保持率也可以达到91.5%，3C充电恒流冲入比为59.3%。同时该材料体系，具有良好的低温性能，-20^oC低温1C放电保持率为76.8%。

接下来，重点介绍一下我们320Wh/Kg动力电池体系开发的进展，采用的是4.3Ah叠片电芯的结构，常温循环电压区间为4.2-2.5V，常温+1C/-1C循环保持率为800圈>80%，45^oC高温循环电压区间为4.2-2.75V，+1C/-1C循环800圈>80%。高温存储性能，60^oC存储31天，满电对初始半电膨胀率为4.9%，容量保持率为91.5%，回复率为97.0%。2.8C放电时电压曲线压降较小，且平均电压高，容量保持率为95.4%，相比刚才的卷绕结构也明显更好，2.8C放电倍率也是局限于我们设备的最大量程， 2.8C充电恒流充入比为77.1%，也就是说实际应用过程中，也基本支持15分钟直充75%；-20^oC 1C放电保持率为79.4%。

以上这些是我们公司的高能量密度硅材料体系在各种不同的终端应用中的实测数据，感谢多年来一直给我们提供帮助和支持的所有供应商，也感谢认可和支持我们的国际、国内的各大客户。

最后，感谢大家的聆听，希望以后有机会继续交流！

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