讓電動汽車續航破千，獨家解密廣汽埃安海綿矽負極電池技術

出品：電動勢

作者：小龍 小杰

2021年1月18日，廣汽集團釋出公告稱，石墨烯基超級快充電池與長續航矽負極電池已按計劃開展實車測試，並預計於本年內分別搭載在廣汽埃安現有AION V和AION LX 車型上。並就1月15日釋出的微博訊息迴應，石墨烯基超級快充電池與長續航矽負極電池是兩種不同的電池技術。2022年1月5日，搭載長續航矽負極電池的廣汽埃安AION LX Plus正式上市。

圖1 廣汽集團年初發布的技術說明公告

截至2021年12月底為止，廣汽埃安官網公開資料顯示，廣汽埃安 AION LX車型系列仍舊只配備有三元鋰離子動力電池，最高配置為600km續航的80DMax版本；廣汽埃安 AION V Plus系列中，70超級快充版配置有10分鐘超級快充技術，可實現10分鐘內將電池容量從30%充到80%，其工況續航里程為500公里。

圖2 2021年12月廣汽埃安官網AION LX的詳細配置

以上2021年底這些資料與廣汽埃安所宣傳的技術標準仍有差距，所謂的超級快充+超長續航+超級安全，石墨烯基超級快充電池號稱可以在8分鐘內充滿80%，長續航矽負極電池則更是全球首款突破1000Km續航大關，NEDC工況續航里程達到1008km，另外據官方公開宣傳資料顯示，2021年7月份在三亞已經完成的夏季高溫測試中，開空調實測資料為904Km；同時，還能透過史上最嚴苛的安全測試，實現軍工級別的標準。

圖3 廣汽埃安宣傳海報

2021年1月，中國電動汽車百人會副理事長、中國科學院院士歐陽明高在中國電動汽車百人會論壇（2021）上表示：“如果有人說，（他的電動車）既能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別的安全，成本還非常低。那大家不用相信，因為這在目前這是不可能同時達到的。”

因此，便有了文章開頭廣汽集團的那一紙公告，稱海報的宣傳內容是被大家誤讀了，超級快充以及超長續航並非體現在同一塊電池上，而是兩個完全不同的技術，至於軍工級的安全效能，沒有做過多解釋。這紙公告一出，眾人紛紛醒悟，這是玩了一手宣傳上的文字遊戲，同時更加劇了大眾對海綿矽負極電池技術真實性的懷疑。

但就是在這各種猜測中，廣汽埃安於2022年1月5日晚間正式宣佈，廣汽埃安AION LX Plus上市。

圖4 目前廣汽埃官網AION LX Plus以及AION V Plus 詳細配置

其中，頂配版本千里版搭載了此前一直備註矚目的海綿矽負極電池，其他版本則搭載了所謂軍工級別安全標準的彈匣電池安全技術，至於之前宣傳的8分鐘充滿80%的石墨烯超級快充電池技術，在此次更新之中，並未現身。其中最新的AION V Plus搭載超級閃電快充技術也只能實現5分鐘112km，以最低配版本500km續航車型來算，也仍舊只能實現8分充滿36%的電量，顯示不是此前宣傳的石墨烯超級快充技術。

因此，其他兩項技術我們先不談，當下筆者就此次重磅上市的矽負極超長續航電池技術分析一二。

1、什麼是負極材料？

簡單來介紹一下鋰離子電池工作的原理，就是鋰離子在正負極之間不斷的往返，這樣一個高度可逆的氧化還原反應系統，就形成了鋰離子電池充放電的過程。

圖5 鋰離子充電電池原理

所以，負極材料就相當於是在充電過程中鋰離子的“容身之所”，理論上而言，當假設正極材料可以無限提供鋰離子時，負極材料如果能夠容納的鋰離子越多，那麼在同等條件下，鋰離子電池的能量密度和容量就可以越高。所以，負極相當於就是整個電池能量儲存和釋放的“倉庫”。這個“倉庫”越大，自然電池效能就越好。

2、潛力無限的矽負極

目前電池材料中最常見的有兩大類負極材料，分別為碳基材料和非碳材料。

圖 6 負極材料的分類

從應用市場來看，石墨類負極材料是商業化最成功的負極材料。但是，經過多年的研究與技術改進，商業化的高階石墨負極產品比容量也只能達到365 mAh/g，難以進一步提升，低的容量已經無法滿足高能量密度電池的要求，特別是消費電子產品和電動汽車領域的快速發展。因此，需要開發新一代高能量密度負極材料。矽作為合金化反應負極材料的代表，是高比能負極材料最有希望的候選材料之一。

總的來說，矽負極具有以下優點：

（1）矽負極材料最大的優點是它的理論容量高達4200mAh/g，是傳統石墨材料的10 倍以上，而且具有較低充放電平臺。

（2）矽負極材料與電解液反應活性低，不容易促使電池內部的固體電解質介面膜持續地生成，相比而言，有效減少了電解液的消耗，進而減少了容量的損耗。以此為基礎，矽負極電池包容量可以一舉突破100kWh，在未來，甚至在更遠的將來1000kWh也是有希望實現的。

（3）矽材料來源廣、儲量豐富、本身無毒及對環境友好，並且在太陽能領域和半導體產業已得到廣泛應用，相關開發技術較成熟，很大程度降低其生產成本。因此，矽負極是行業內公認的下一代高比能鋰離子電池負極材料的首選。

圖 7 矽（a）鋰（b）和矽鋰體系（c）的晶體結構，（d）矽鋰體系的晶相圖（e）不同合金產物的電極反應和理論容量

矽基材料作為被廣泛看好的下一代負極材料的主力軍，目前國內包括寧德時代、比亞迪在內的諸多業界龍頭都在緊鑼密鼓的進行矽負極體系的研發和試生產，海外企業貝特瑞甚至已經實現矽碳負極量產，但據公開資料，此前沒有任何一家企業真正做到長續航矽負極電池的量產。

這是因為儘管矽負極材料擁有高的理論容量，但是矽負極材料目前仍面臨三個主要問題：

（1）矽嵌鋰後的體積膨脹高達300%-400%，造成電極活性材料粉化和結構的破壞，其次導致矽材料與導電劑脫離，降低導電性，導致電化學失效，致使容量快速衰減，迴圈壽命惡化。同時，巨大體積膨脹導致SEI膜反覆破壞與再生，使得電解液加速分解並消耗，導致庫倫效率降低。巨大的體積變化也會導致電極膜溶脹變大開裂，使活性材料從集流體上脫落，導致電池內阻增加，發熱量加大，引起電池鼓包，帶來嚴重的安全隱患。

（2）矽的導電性差及鋰離子擴散慢。矽的導電率為10-3 S/cm，離子擴散係數為10-12 cm2/s。低的電子傳導和離子擴散導致動力學遲緩，活性材料利用率下降，最終導致容量的劇烈衰減。此外緩慢的動力學行為也無法保證矽負極大電流密度下的正常充放電，引起較差的倍率效能。

（3）有關製備工藝較複雜，成本較高。目前矽負極較高的生產成本和複雜的技術工藝無法推動矽負極的快速發展。因此，降低生產成本，簡化生產工藝，加強生產的環境保護也是矽負極材料廣泛應用過程中急需解決的難題。

3、矽負極材料面臨的問題

圖8 矽負極材料面臨的問題及失效機制

其中矽嵌鋰後的體積膨脹高達300%-400%的體積膨脹，是其致命缺點。矽負極材料之所以自1966年被發現以來至今仍舊沒有被廣泛應用，就是因為矽負極材料在鋰離子電池的首次充放電過程中體積膨脹巨大，據文獻資料（Beaulieu et al。 2001， Ryu et。al。 2011， Zhao et al。 2011a），體積膨脹率可達300%-400%。最終導致結構坍塌，這直接造成了鋰離子電化學效能的衰退，實際可利用容量低。

圖9 鋰離子電池工作原理及電極材料充電破壞過程示意圖

我們可以從力學和化學兩個角度來分別分析一下這個問題。

首先，從力學角度而言，由於在充電過程中，由於鋰離子的嵌入，導致體積不斷增大，導致材料內部應力變大，從而使得矽負極材料開始產生形變。研究表明，隨著充電過程的持續進行，當容量達到325mAh/g時，材料內部壓應力大約達到1。7Gpa，發生塑性流動；當容量到達到1875mAh/g時，其壓應力降低到大約1Gpa。當電池放電時，矽負極材料開始脫鋰過程，其初始階段發生彈性形變，應力狀態迅速從壓應力快速轉換為拉應力，當拉應力達到1Gpa左右時，材料發生塑性流動，最終拉應力可達約1。75Gpa。

簡單來說，在電池充放電的過程中，由於體積膨脹導致的應力變化，最終導致了矽負極材料的不斷破壞，所以在第一次充放電迴圈結束後，矽負極材料完成整個嵌鋰和脫鋰過程，材料結構坍塌後實際容量變低。好比矽負極這個鋰離子的“倉庫”，一開始裝的太多，很擁擠，甚至把倉庫的主體都撐大了，但是最後從這個擁擠的倉庫裡抽離貨物時，由於壓力瞬間變成拉力，這種力量的驟變，以及持續的施力，導致這個被撐大以後的結構支撐不住了，最後產生裂紋直至破碎。

圖10 脫鋰後矽材料的表面裂紋和斷面形貌

圖11 脫鋰過程中的彎曲變形

在應力分析的基礎上，很多科學家採取更加直觀的方法，透過高倍率的電子顯微鏡直接觀察奈米矽科技在充放電過程中的失效行為。隨著充電時間的增加，首先是奈米矽顆粒外層的固體電解質（SEI）膜開始破壞，而後，內層的矽顆粒出現裂紋，最後當奈米矽顆粒直徑超過臨界尺寸D=150nm時，顆粒就會粉化失效。

圖12直徑D=620nm的矽奈米顆粒在不同鋰化時間下的原位觀察圖片

簡單的從化學結構的角度而言，在充放電時，隨著鋰化的過程，由於鋰離子的嵌入，會重排矽的晶格結構，很多Si-Si鍵會發生斷裂，同時，Si-Li鍵會不斷形成，從而使得材料可以容納更多的鋰離子。因此會導致材料發生塑性流動。由於Si-Li鍵（2。78）和Si-Si鍵（2。45）的平均鍵長差異， 材料內部的鍵長髮生變化，原子配位數減少，原子半徑收縮，原子結合能降低，最終導致了矽負極材料強度的降低。

從電化學角度而言，由於矽負極材料的破裂導致其表面固體電解質（SEI）膜的不斷破裂和生成，不斷消耗著電解液中的鋰離子，也不斷增加著固體電解質膜的厚度。過厚的SEI膜阻礙了電子轉移和鋰離子的擴散，阻抗也隨之增大。

4、廣汽集團的海綿矽負極片電池技術有何亮點？它是如何解決現有的問題呢？

顧名思義，海綿的特性就是吸水後膨脹，但把水排掉後又收縮回原來的體積，不會過分膨脹甚至爆裂。據廣汽研究院介紹，海綿矽負極片電池技術是一個涉及從電池正負極材料、粘結劑、極片設計到工藝生產製造等領域的技術群。海綿矽負極片電池技術的核心原理就是，讓電池內部的矽負極片變得像海綿一樣柔軟有彈性，使矽在充放電過程中的膨脹收縮被限制和緩衝，不會碎裂。同時，讓矽負極發揮出大容量的優勢，像海綿吸水一樣，儲存更多的能量。

該技術攻克了矽負極材料在大型動力電池上的應用性難題，主要包括：

（1）“奈米複合矽技術”。這項技術是透過把矽材料控制在奈米尺度，並在表面包覆一層保護層，控制微觀形貌，最大程度降低矽在充放電過程中的體積膨脹。同時，這種表面包覆保護層也避免了矽直接與電解液接觸，提升了介面的穩定性。

（2）“自修復功能的粘結劑技術”。是對極片中的粘結劑進行改性最佳化，使其具有優異的包覆、粘結和回彈效能，能使破損的矽負極極片在膨脹收縮過程中得以修補，保持很好的電極結構的穩定性。

（3）“梯度複合塗布技術”，透過矽負極極片活性組分與非活性緩衝組分的梯度分佈設計，大幅提升了活性層與集流體的結合力，改善了負極極片本體的結構穩定性。這項技術是讓矽材料在充放電過程中的膨脹得到“緩衝”。

廣汽集團稱，透過包含以上這些海綿矽負極片電池技術的技術群，動力電池單體電芯在同等電量的情況下，體積能夠減小20%，重量能夠減輕14%；電池電芯能量密度可達到280Wh/kg。這樣就能實現在相同的、空間緊張的車輛底盤下，放更多的電池、存更多的電量、充更多的電，所以搭載海綿矽負極電池技術的純電動車型AION LX續航可達1000km。

從目前公開的資訊來看，在這場世界範圍內的矽負極續航里程“軍備競賽”中，廣汽此番可以說是一匹黑馬，率先公告具備量產出1008km NEDC工況續航，144。4 kw/h容量的超長續航電池，並且成功上市銷售，實現全球首創，的確是一個令人振奮的新電池技術。

針對矽負極產生的一些問題，學術界也採取了相應的應對措施，但是都只是停留在實驗室階段。例如利用粘接劑法抑制體積膨脹，在2020年國際權威期刊 《nano enery》 （IF=17。88）發表的題為《A robust network binder via localized linking by small molecules for high-areal-capacity silicon anodes in lithium-ion batteries 》的論文中，來自浙江大學的ZeHeng Li等人報告了一種透過區域性的小分子連線從而可應用於高容量矽負極鋰電池的粘接劑。

圖13 使用PG-c-ECH 作為粘接劑的矽負極材料示意圖

圖14不同粘接劑的矽負極材料迴圈前後示意圖

圖15 不同粘接劑的矽負極材料迴圈後微觀圖

該團隊研發的新型PG-c-ECH型粘合劑應用矽負極材料後，在200個充放電迴圈後，仍舊保持2060mAh g-1的容量，這相當於實現了矽負極理論容量的50%左右。

作為能夠發表在國際權威期刊上的論文資料，大抵是可以一定程度上代表當前國內學界的研究水平，儘管當前學術界普遍被認為落後於商業應用研究。但此項研究與廣汽此番打出的宣傳資料仍舊相差甚遠。

在此，筆者也就一個小細節較個真，廣汽埃安在國家工信部公示的《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄（第四十八批）》檔案中顯示其1008km工況續航的AION LX 車型的動力蓄電池組的總質量為690kg， 動力蓄電池組總能量為144。4kWh，那麼其電池系統能量密度應該為144。4kwh/690kg，約等於0。2093kWh/kg（四捨五入後）， 換算單位以後就是209。3wh/kg ， 而廣汽埃安官方微信海報宣傳的資料則為205wh/kg，雖然差別不大，但是也是差別。不由得讓人感嘆是其宣傳工作的不嚴謹，還是另有緣由？

圖16 工信部《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄（第四十八批）》

再者，我們來說一說續航里程，根據其海報所展示的NEDC工況續航測試，筆者查詢了維基百科，NEDC是在歐洲車輛較輕且動力較弱時構思的，且最初是為燃油車設定的標準。該測試提供了一種程式化的駕駛速度模式，具有低加速度、恆速巡航和許多怠速事件。然而，在實踐中，加速度要陡峭得多，部分原因是現代發動機的功率過剩，因為 0-100 公里/小時（0-62 英里/小時）的平均時間從 1981 年的 14 秒減少到2007 年為 9 秒。所以，這個所謂的1008km工況續航，904km的實測續航里程還需要打上一個問號。

並且，與此前廣汽埃安官方宣傳的NEDC工況續航1000公里不同的是，在大部分媒體的報道中，他們宣傳的都是CLTC工況續航，而目前廣汽埃安官網的詳細配置裡只是顯示工況續航里程，並未表明具體是NEDC還是CLTC續航。畢竟相較於NEDC續航，CLTC續航號稱是可以比NEDC續航測出更高續航資料的測試方法。

圖19 某款電動車的不同工況下所測的續航里程資料

其中，WLTP工況下，該車型續航里程僅398km；NEDC工況下，該車型續航里程達484km；在CLTC工況下獲得了最高的續航資料標的，高達509km。

另外還有一個點，在廣汽埃安所有的宣傳裡，都沒有提及矽負極電池技術的壽命問題，我們剛剛分析了，矽負極電池有一個致命的弱點就是迴圈效能差，壽命短，那麼這一千公里的續航是否能夠長期保持呢？

說到底海綿矽負極電池技術其實就是換了個電芯。最關鍵的還是能量密度，廣汽埃安這顆電芯能量密度還不到300 Wh/kg，這跟目前先進電池還是相差甚多的。同時電池管理技術有待改進，144kwh車理論續航只有1000公里。目前同樣特斯拉電池管理技術也能做到實際續航1000公里了。

據可公開查詢的中國專利公佈公告官網顯示，廣汽集團關於新能源電池技術的研發已開展多年，在矽材料效能改善與最佳化、負極材料的雜合復配技術、新型粘結劑、新型電解液、新型電池極片設計等多個方面取得了重大突破，並已申請了大量專利。但是從理論到實際，還需要市場的檢驗。因此，儘管埃安已經上市該款車型，但對於此項技術的真實性，從目前的資料來看，筆者表示仍需持懷疑態度。需要大量實測資料來支援海綿矽負極電池技術。

然而，廣汽埃安還是最瞭解國人需求的，超充技術加長續航必定是是未來電車發展的大趨勢。

參考文獻

［1］廣汽埃安官網。AION LX詳細配置。 ［OL］ https：//www。gacne。com。cn/vehicles/aion_lx

［2］如何評價廣汽埃安搭載1000km海綿矽負極片電池技術的AION LX在三亞順利完成夏季測試？ ［OL］。 知乎， 2021。 https：//www。zhihu。com/question/471274223/answer/2214668588

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［5］ Li Z， Wan Z， Zeng X， et al。 A robust network binder via localized linking by small molecules for high-areal-capacity silicon anodes in lithium-ion batteries［J］。 Nano Energy， 2021， 79： 105430。

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