文丨李子月编丨石亚琼目前|法国初创公司HIPERSSYS研发硫-硅锂离子电池，理论能量密度达商业锂电池五倍文丨李子月

文丨李子月
【文丨李子月编丨石亚琼目前|法国初创公司HIPERSSYS研发硫-硅锂离子电池，理论能量密度达商业锂电池五倍】编丨石亚琼
目前，随着新能源汽车和智能电网等领域的快速发展，对于电池性能的要求越来越高。锂离子电池因其在能量密度、寿命和重量等方面的优势，主导了今天的电池市场。过去十年中，锂电池能量密度从2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg ，增长近3倍。但其已达到商业可实现能量密度极限的87% ，提升剩余的13%将非常缓慢且昂贵。
法国电池初创项目HIPERSSYS成立于2020年，专注于研发以硫为正极、硅为负极的锂离子电池。 HIPERSSYS表示其锂离子电池理论能量密度可达到1950Wh/kg ，约为商业锂离子电池（100-450Wh/kg）的五倍，现已完成纽扣电池原型。

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（HIPERSSYS锂电池结构图片来源：采访供图）
锂离子电池常用的正极材料有锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂以及三元材料等， HIPERSSYS研发的锂电池采用硫磺为正极的活性材料。单质硫在地球上储量丰富，石油冶炼的副产物便可提供充足的硫磺，因此硫磺价格仅1000元/吨，与碳酸锂（16万元/吨）相差160倍。硫极易升华，简单加热便可从正极中将其回收，成本低且环保；而以其他以贵重金属为正极的锂离子电池回收工艺复杂，无论是高温煅烧还是湿法酸洗，都存在能耗高、难度大和二次污染问题。锂电池成本已从2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh（该价格为国内市场价格。受访人表示，如今锂电池在欧洲市场的成本约200欧/KWh），占新能源汽车整车成本的30% 。使用硫磺代替贵重金属作为正极可进一步降低电池成本。
常用的负极材料为石墨等碳材料，但因其理论容量偏低（约372mAh/g），现已进入瓶颈期。 HIPERSSYS采用硅作为负极中的活性材料。硅拥有非常高的理论容量（4200mAh/g ，是传统石墨材料的10倍多）。硅基负极的工作电位比锂的还原电位高一些，减少了快速充电时锂在电极表面沉积的风险，从而有助于提高电池的安全性。
硅活性材料的应用始于2000年， 2014年开始实现产业化。国际上，松下2017年开始为特斯拉Model3供应硅碳负极电池，能量密度达300Wh/kg；日本GS汤浅将硅基负极电池供给三菱汽车；三星、LG化学将硅基负极应用于消费电池领域。国内，宁德时代于2016年开始以高镍材料为正极、硅碳复合物为负极的动力电池研发项目；力神电池于2018年开发出高镍系正极和硅碳负极材料，电芯单体比能量密度达303Wh/Kg；国轩高科研发的高镍三元电芯，硅碳材料负极，能量密度达300Wh/kg；此外，比亚迪、比克动力、微宏动力、蔚来、智己汽车、广汽集团等电池、电动车企业，以及杉杉股份、中科电气、贝特瑞、江西紫宸、深圳斯诺、江西正拓、创亚动力、大连丽昌、硅宝科技等材料企业，都在硅基负极材料领域投入和投产。 2021-2026年我国硅碳负极材料渗透率年均增长率约3%-5% ，预计2026年达到23% 。 2026年我国硅碳负极材料市场需求将达到50万吨。

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（锂电池导电剂优劣对比图片来源：知乎@行业研究）
导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的内阻、倍率性能、热稳定性、能量密度、循环使用寿命等性能。按照接触的导电形式，导电剂可以分为点接触导电网络、线接触导电网络和面接触导电网络，包括了SP炭黑、导电石墨、VGCF、碳纳米管和石墨烯。传统导电剂包括点接触的炭黑和导电石墨，相关技术较为完善，价格低廉，已被广泛应用于市场。新型导电剂包括线接触的VGCF和碳纳米管，以及面接触的石墨烯，导电性能更好，添加量更低（传统导电剂在正极材料中添加量约为3% ，而新型导电剂约为0.5%-1.0%），活性物质含量更高。