鉅大LARGE | 點擊量：786次 | 2021年12月27日
法國初創公司研發硫-硅鋰離子電池，理論能量密度達商業鋰離子電池五倍
文丨李子月
編丨石亞瓊
目前，隨著新能源汽車和智能電網等領域的快速發展，有關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勢，主導了今天的電池市場。過去十年中，鋰離子電池能量密度從2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg，上升近3倍。但其已達到商業可實現能量密度極限的87%，提升剩余的13%將非常緩慢且昂貴。
法國電池初創項目HIPERSSYS成立于2020年，專注于研發以硫為正極、硅為負極的鋰離子電池。HIPERSSYS表示其鋰離子電池理論能量密度可達到1950Wh/kg，約為商業鋰離子電池（100-450Wh/kg）的五倍，現已完成紐扣電池原型。
（HIPERSSYS鋰離子電池結構：采訪供圖）
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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研發的鋰離子電池采用硫磺為正極的活性材料。單質硫在地球上儲量豐富，石油冶煉的副產物便可供應充足的硫磺，因此硫磺價格僅1000元/噸，與碳酸鋰（16萬元/噸）相差160倍。硫極易升華，簡單加熱便可從正極中將其回收，成本低且環保；而以其他以貴重金屬為正極的鋰離子電池回收工藝復雜，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。鋰離子電池成本已從2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh（該價格為國內市場價格。受訪人表示，如今鋰離子電池在歐洲市場的成本約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一步降低電池成本。
常用的負極材料為石墨等碳材料，但因其理論容量偏低（約372mAh/g），現已進入瓶頸期。HIPERSSYS采用硅作為負極中的活性材料。硅擁有非常高的理論容量（4200mAh/g，是傳統石墨材料的10倍多）。硅基負極的工作電位比鋰的還原電位高一些，減少了快速充電時鋰在電極表面沉積的風險，從而有助于提高電池的安全性。
硅活性材料的應用始于2000年，2014年開始實現產業化。國際上，松下2017年開始為特斯拉Model3供應硅碳負極電池，能量密度達300Wh/kg；日本GS湯淺將硅基負極電池供給三菱汽車；三星、LG化學將硅基負極應用于消費電池領域。國內，寧德時代于2016年開始以高鎳材料為正極、硅碳復合物為負極的動力鋰離子電池研發項目；力神電池于2018年開發出高鎳系正極和硅碳負極材料，電芯單體比能量密度達303Wh/Kg；國軒高科研發的高鎳三元電芯，硅碳材料負極，能量密度達300Wh/kg；此外，比亞迪、比克動力、微宏動力、蔚來、智己汽車、廣汽集團等電池、電動汽車公司，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、創亞動力、大連麗昌、硅寶科技等材料公司，都在硅基負極材料領域投入和投產。2021-2026年我國硅碳負極材料滲透率年均上升率約3%-5%，預計2026年達到23%。2026年我國硅碳負極材料市場需求將達到50萬噸。
（鋰離子電池導電劑優劣比較：知乎@行業研究）
導電劑作為鋰離子電池的重要組成部分，直接影響電池的內阻、倍率性能、熱穩定性、能量密度、循環使用壽命等性能。按照接觸的導電形式，導電劑可以分為點接觸導電網絡、線接觸導電網絡和面接觸導電網絡，包括了SP炭黑、導電石墨、VGCF、碳納米管和石墨烯。傳統導電劑包括點接觸的炭黑和導電石墨，相關技術較為完善，價格低廉，已被廣泛應用于市場。新型導電劑包括線接觸的VGCF和碳納米管，以及面接觸的石墨烯，導電性能更好，添加量更低（傳統導電劑在正極材料中添加量約為3%，而新型導電劑約為0.5%-1.0%），活性物質含量更高。
HIPERSSYS使用垂直排列的碳納米管為架構來沉積電極中的活性物質。垂直排列的碳納米管確保了與基片更好的接觸和粘附，從而新增了離子擴散率，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供應了一個低電阻通道，使整個電極有效連接。垂直排列的碳納米管表具有大表面積的多孔結構，會大大促進化學傳輸和界面反應。垂直排列的碳納米管的這些特性（規則的孔隙結構、高表面積和優異的導電性）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，全球碳納米管導電劑需求量年復合上升率將保持在40.8%，2022年需求量將達12.5萬噸，2023年需求量將達19.3萬噸。2014年以來，隨著國內新能源汽車市場需求的上升，導電劑行業迅速發展。傳統導電劑2014年的市場占有率為85.5%，且重要依賴進口，國產化率只有12.9%。新型導電劑國內技術領先，隨著新型導電劑的滲透，導電劑的國產化率也迅速提升。2014年碳納米管的滲透率由2014年的13.6%增至2020年的46.1%。2022年國內碳納米管導電劑市場將達到45億元。
（HIPERSSYS電池原型：采訪供圖）
現階段，HIPERSSYS已完成紐扣電池原型（CR2032），目前正在制造和測試其他電池類型，如容量更大的軟包電池，并將在幾年內進入無人機市場。目前歐洲無人機電池市場規模約8億歐元，2040年將達到70億歐元。
（HIPERSSYS聯合創始人MariamEzzedine（右）和FatmeJardali（左）：采訪供圖）
聯合創始人MariamEzzedine和FatmeJardali均為巴黎綜合理工學院（EcolePolytechnique）博士后研究員，2017年獲物理學博士學位。HIPERSSYS成立于2019年，獲巴黎薩克雷SATT項目（SATTParis-Saclay）和巴黎綜合理工學院支持，并于2021年進入巴黎綜合理工學院孵化器。
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