原標題：預鋰化會成為特斯拉的殺手鐧嗎？ 來源：
【編者按】預鋰化可以提升電池容量和循環壽命，在動力電池領域應用前景廣泛；國內外企業積極探索，但面臨技術難度大、成本高、商業化難的挑戰。特斯拉擁有Maxwell的乾電池和預鋰化技術，但是商業化道路仍道阻且長。
本文轉自電動汽車觀察家，原作者王凌方；經億歐汽車整理轉載，供行業內人士參考。
馬斯克不僅要造電動汽車，還想在動力電池領地自立為王。其資本之一，是收購的超級電容公司MAXWELL。而MAXWELL有兩項技術引人矚目，其一是乾電極技術，其二，是一項並不被特別關注的預鋰化技術。
Maxwell聲稱，乾電極技術可以將電池能量密度提高到300Wh/kg，而未來有望達到500Wh/kg。電池能量密度要提升到500Wh/kg，大概率要採用預鋰化技術來輔助實現。而在特斯拉即將舉辦的“電池日”上，也有分析機構認為特斯拉將公佈預鋰化技術。
什麼是預鋰化技術？如果特斯拉看好它，除了MAXWELL，其他企業有沒有在做？能不能快速應用？
1 什麼是預鋰化技術
要理解預鋰化技術，首先要知道為什麼電池需要預鋰化。
一般來說，鋰離子動力電池在首次充電過程中，有機電解液會在石墨等負極表面還原分解，形成固體電解質相界面(SEI)膜，消耗來自正極的鋰，從而導致首次循環的庫侖效率(ICE)偏低，降低了鋰離子動力電池的容量，從而影響了能量密度。
簡單來說，就是鋰離子電池首次充電時，會造成大量鋰損耗，且是不可逆的。為了保障電池的容量，需要把損失的鋰補回來一些。
從技術路徑上來看，目前主流的補鋰方案可以分為兩大類：一是負極補鋰，主要是惰性金屬鋰粉，金屬鋰箔或鋰的化合物；二是正極補鋰，主要是一些含鋰氧化物。
2 為什麼需要預鋰？
提升電池容量和循環壽命。 如果採用石墨負極，對於企業來說，他們認為補鋰的意義不大，因為石墨負極的庫倫效率是可以接受的。
而對於硅負極來說，首周充放電損失的鋰就太多了。預鋰就是為了補償鋰損耗，延長循環壽命，從而達到減緩衰減的作用。
為什麼要採用硅負極，這要從提升能量密度說起。
一般來說，電芯提升能量密度，需要選用比容量高的正負極材料。
具體來看，正極方面提升能量密度的方法，是採用高鎳正極材料，例如NCM811，NCA及富鋰錳基材料等是目前主要方向；負極材料方面，將具有多孔性、蓬鬆特點的石墨，改成具有更高比容量的硅基負極，以及金屬鋰負極。
三種負極材料的理論比容量：
石墨基：372mAh/g
硅基：3580mAh/g（室溫）
金屬鋰：3860mAh/g
由於金屬鋰負極技術難度太大，過於遙遠，硅基負極是目前最具潛力的負極材料。
但是採用純硅做負極的缺點也非常明顯，就是會導致電池膨脹率較高。硅負極充放電膨脹可達360%，而普通石墨僅為10%。這會造成負極在循環過程中快速衰減。這是由於部分鋰離子無法從負極中脫嵌回到正極，就成了鋰損耗。簡單點兒說，就是電芯膨脹收縮的次數多了，結構塌了，鋰就沒法進出了。
石墨負極和硅負極首周充放電的鋰損耗各是多少？
研究發現，現有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆鋰損耗，而對於高容量負極材料，首次鋰損耗甚至更高；硅的不可逆容量損失達15%～35%。
可見用純硅做負極容量是提升了，但是循環壽命太短。
目前，相對較為成熟的技術方案是，採用體積效應小、循環穩定性好的碳材料作為載體，摻入高比容量的硅材料作為主要活性體，以此合成硅碳複合材料。
另一個問題出現了，由於人們不斷追求高比容量電池，硅含量就必須不斷提升，循環次數短的短板便愈加難以忍受。
為了減緩電池容量的衰減，預鋰技術就有了用武之地。
雖然不能改變電池衰減的規律，但是可以通過補鋰技術，將第一次的鋰損耗補償一些回來。
一位動力電池企業預鋰技術專家鄧先生表示，目前普遍採用的石墨負極材料中，含硅量在3%-7%，由於硅負極首次效率只有50%，因此硅碳負極首次效率會隨著硅含量的增加而逐步降低，當硅含量達到10%的時候，就有必要採用預鋰技術來提升電池容量。
資料來源：萬向專利201510029061.5預鋰化處理效果圖
由於預鋰化方向十分明確，國內外的企業都在尋找成本最低，安全性最高的預鋰化方案。
據國軒高科（002074）工程研究總院負極材料技術負責人林先生介紹，解決硅負極循環壽命的思路其實有兩個，一是在硅負極材料本身想辦法，目前有些企業在嘗試，但是難度太大；二就是預鋰化，最直接也最有效。
目前在實驗室研究階段，電化學預鋰化、直接接觸短路法是簡單有效的方式，有效緩減了高容量碳材料、合金負極以及轉換材料的首次不可逆損失，具有預鋰化量精確控制和穩定性好的優點，但對環境的要求高，如無氧、無水、乾燥環境限制了其大規模應用。
採用穩定的金屬鋰粉進行預鋰化是目前商業化最有效、最直接的方法。但是，其對環境的生產環境的要求非常之高，需要研發密閉的混漿設備，避免高速攪拌帶來電極材料、導電劑等燃燒的安全隱患，在製程上的風險極大。
此外成本高也是商業化應用的難點之一。
可以看到，電池發展過程，就是打破原有平衡，再創造平衡的過程。為了提升某項特性，我們採用了一個新元素的長處，就要用其他方法為這個元素的短板打上補丁，當然同時又會帶來新的問題，循環往復。
3 中國預鋰化技術研究
既然是預鋰行業共識，中國企業自然也在探索。
目前來看，預鋰化已經成為不少負極材料生產商和電池企業的一個重要研發領域。主流的電池企業和科研院所都在這一領域儲備了不少專利。
資料來源：soopat
例如，寧德時代（300750）儲備了多項專利。其中一個是鋰離子電池負極補充鋰粉的專利：首先通過投料裝置在密閉的空間裡撒鋰粉；噴灑後，打開擋板和直流電源，在震動和電廠的作用下鋰粉均勻的噴撒在負極表面；通過控制走帶速度來控制補鋰的量；再次通過輥壓將鋰粉和負極壓在一起。
國軒高科是對鋰離子電池負極極片進行預鋰化。負極片、隔膜、鋰片依次放入電解液中，鋰片與負極片不接觸；其次，外接電源，對負極片充電，控制電流0.05-2C以及充電時間來達到補鋰的目的。最後，烘乾極片得到預鋰化負極。
資料來源：國軒高科專利CN201910418237 .4
萬向A123的方法是，首先需要製備硅碳負極；其次，在手套箱中，電解槽中以二步恆電流脈衝沉積方法進行電沉積金屬鋰，再次，浸泡在DMC中洗去表面鋰，最後，烘乾後得到預鋰化的電極；通過控制電流的大小和時間達到沉積不同厚度的預鋰化硅碳負極。 以上只是舉例了幾個專利技術，實際上儲備專利的企業數量非常多。
4 乾電極與預鋰化技術結合，或許沒那麼簡單
硅碳負極最早的應用當屬特斯拉的Model 3。
早在2012年，松下成功應用硅碳負極，推出NCR18650C型號電池，容量高達4000mah，在此後多年的應用中，技術已相對成熟；2017年，特斯拉在松下所產的21700電池的人造石墨負極中，加入一定量（有的認為是5-6%，有的認為是10%）的硅合金複合材料。
那Model 3採用預鋰技術了嗎？
還沒有。
林先生對《電動汽車觀察家》解釋道，特斯拉電池的控制策略是淺充淺放，因此硅負極的影響不會很大。
不過，特斯拉如果想要繼續提升電池的能量密度，預鋰化的輔助技術應該是必不可少的選項。
因此，有業內人士預測，特斯拉可能將MAXWELL的乾電極技術與預鋰化技術相結合，從而實現預鋰技術產業化。
資料來源：MAXWELL專利CN201880026159.7
為何會有這樣的猜測？
我們得從什麼是乾電極講起。
電池領域，最常見的電極生產方式是溼法，即正或負極溶劑混合在一起形成漿料，而後再用塗布設備塗在集流體上，隨後這些漿料中的水分要蒸發掉。
因此，在溼法上的負極材料中加入鋰粉，存在較大的工藝難度及生產安全隱患。
畢竟金屬鋰非常活潑，遇水會燃燒。
而MAXWELL的乾電極技術，是用粘結劑和導電劑代替溶劑。比如用聚四氟乙烯(PTFE)粘結劑和電極活性材料組合，以壓延方式製成電極。簡而言之，所謂乾電極技術，就是將電極材料直接“粘”在導電集流體上的技術。
沒有水分，製程上的安全性就提升了。
不過，事情也沒那麼簡單。林先生認為，理論上，將鋰粉末加到乾電極內是個好方法，但是，應該會有兩個問題，一是鋰金屬粉末進去後，後面所有工序都要乾燥條件，成本很高；二是充放電後鋰金屬跑出去了，電極會有很多孔隙，後面電子導電性會很差。
可見，特斯拉即使有Maxwell的乾電極和預鋰化技術，想要實現產業化，最起碼要解決上述兩點問題，在解決上述問題的同時，很可能帶來其他的問題，總之沒那麼簡單。
5技術難度大、成本高昂，產業化動力不足
那中國的溼法電極有方法實現預鋰技術的產業化麼？
在業內人士看來，中國企業的專利要實現產業化，難度也不小。
前文提到的寧德時代專利，最大的問題是對設備的要求比較高，因為鋰粉比較輕，比表面積也比較大，如何控制精確補鋰，均勻補鋰，難度較大。
萬向A123的專利，從技術角度分析，理論上具備可行性，但在批量使用時如何實現預鋰化的自動化，難度比較大。
此外，硅碳負極材料更需要預鋰，但它的成本更高。
硅碳負極製備工藝複雜，所以材料價格高於石墨負極。根據真鋰研究的數據，目前穩定量產的硅碳負極價格介於11萬―12萬/噸，而目前石墨負極的價格僅為其一半，6萬元/噸。
也就是說，電池容量提升5％－10％的情況下，電池的成本要增加20％－30％甚至更高。硅碳負極最大的優點被它的價格弱化了。
林先生也對《電動汽車觀察家》舉了一個例子，以鋰粉補鋰技術來說，首先要解決鋰粉的質量問題，目前美國的FMC公司（已將鋰粉業務拆分，更名為Livent Corporation）的鋰粉性能比較好，但是價格較貴，基本在2000-3000美金/公斤，折算到電芯的話，每瓦時要增加幾毛錢，這在動力電池領域基本是不可能被應用的。
其實，做出硅碳複合負極材料並不難，但批量生產出電化學性能優良的複合材料則非常難，能夠批量供應硅碳負極的企業並不多。一方面成本價格較高，硅碳鋰電池在下游的推廣應用遇阻；另一方面電池在批量生產過程中容量快速衰減等問題難以解決，目前應用硅碳產品並真正用好的電池廠家並不多。
因此，現階段硅負極+預鋰化的商業化應用尚不成熟，除了松下，動力電池企業應用並不多。預鋰技術也很難稱作殺手鐧。
不過，有業內人士對《電動汽車觀察家》表示，作為對提升電池負極容量最為直接和有效的方式，預鋰技術在動力電池領域的應用情景非常廣闊，未來3-5年有望看到採用預鋰技術的規模化產品。
