新能源汽车快充行业分析：跨越鸿沟，快充趋势渐起

新能源汽车快充行业分析：跨越鸿沟，快充趋势渐起

一、快充技术成为新能车发展的方向

1. 从创新扩散理论出发，快充是国内市场新能车产品迭代重要方向

功能稳定的实用型产品是吸引早期多数消费群体提高渗透率的重要方向。1962 年， 美国社会学家罗杰斯发表报告《创新与普及》，提出创新扩散理论，解释新事物的传播规律，他把社会上的消费者分为五类：创新者 innovator；早期接受者 early adopter；早期多数 early majority；晚期多数 late majority；落后者 laggards。创新者愿意花很多钱和时间主动积极探索尝试新产品，通常为最早期接纳新产品或新观点的人群，这些人占市场总人口的 2.5%-3%；早期接受者不如创新者激进，但对新科技新产品心态开放，决策基础在于新产品是否带来利益，并依据自己的情况做出独立判断，此类人群占消费者群体的 13.5%-14%。



早期多数较保守，通常在看到市场中已有一 定人群购买新产品并证明实用性后才会选择购买，他们对产品早期的存在的功能瑕疵容忍度较差，这类群体占比约 34%；晚期多数和早期多数相比更加保守，他们要等到技术标准非常明确建立，生态应用，技术支持，基础设施都成熟后，才会购买新产品，他们占消费群体的比例大约 34%左右；落后者消费习惯极端保守，厌恶改变，通常最晚接受新产品，这类人群占比约 16%。

Geoffrey A. Moore 在 1991 年提出 由于创新者和早期接受者的决策基础完全不同，因此这两类群体之间存在较大的鸿 沟“the Chasm”，跨越此鸿沟后的企业将会成为行业标准，进而加速产品的非线性传播扩散，他认为早期接受者认为产品将会是具备技术颠覆性的，而早期多数则认 为产品应该是改进式的，即对自己的习惯影响不大。因此不同于早期对新技术的追求，功能稳定的实用型产品会成为新产品进一步提高市占率的重要发展方向。



国内新能源汽车渗透率超 30%，为进一步提升渗透率，后续产品将围绕解决早期产品痛点。根据乘联会数据，2022 年 1-11 月，我国新能车国内新能车渗透率由 18.3% 逐步提升至 35.8%，其中纯电车型渗透率由 13.38%提升至 27.73%，目前阶段位于加速渗透阶段（5%-50%）中间点，根据创新扩散理论，新能源汽车作为新产品已经被国内创新者和早期接受者（合计占人群比例约 16%）群体中广泛接受，现阶段需要吸引 Early Majority 群体做出购买决策，跨越早期接受者和早期多数之间的“鸿沟”。为进一步提升早期产品的实用性，车企应围绕车辆基础功能进行“非连续创新”。续航里程和补能速度是早期产品面临的两大痛点，目前续航里程通过提高能量密度的问题已经解决，通过快充功能提高补能速度的趋势成为车企发力方向。

2. 车企近年陆续发布快充平台

快充车型自 2021 年以来陆续发布，2022-2023 年迎大规模量产。目前已搭载 800V 快充的车型超过 7 款，作为业内最早采用 800V 高电压平台的车型，海外车企保时捷早在 2019 年即推出 800V 车型 taycan,最大充电功率达 270kW，可在 22.5 分钟将 93.4kWh 电池电量由 5%充至 80%；同年广汽 Aion V Plus 上市，现代 Ioniq5 于 2021 年在海外首发上市，预计 2023 年在国内量产交付，其他车企高压快充车型发布及量产主要集中在 2022-2023 年。极狐阿尔法 S Hi 版 2022 年 5 月上市，小鹏 G9 2022 年 9 月上市，小鹏 G9 配备三元锂电池，续航里程超过 700km。在充电方面，采用 800V 高压快充技术，充电 5 分钟，续航 200km。路特斯基于 EPA 平台打造的 800V 快充车型 eletre 于 2022 年 10 月正式上市，奥迪 GS e-tron GT 于 2022 年底上市。

提高充电电压可以大幅节省充电时间。同时有通过提升电流加快充电时间的大电流 方案，此方案对于充电枪、线缆以及电池核心部件等会产生较高的热损失，目前主流充电枪的最大电流限制 500A，所能达到的充电功率大约为 200kW，目前车企普遍使用 400V 电压系统，250A 电流，达到 100kW 的充电功率，按单车带电量 50kWh 计算，电池由 30%SOC 充电至 80%SOC 需要 30 分钟，800V 高压可以达到 300- 500kW 的充电功率，仅需 6-10 分钟就能迅速补能。依靠提升电流提高功率的路径存在上限，因此多数企业选择通过提高电压提高充电功率。

海外高压快充车型上市后次年销量攀升明显。根据保时捷 taycan 全球销量数据，在 2019 年量产上市后 2020 年销量逐季增加，2021 年，保时捷总销量 301915 台，同比 增长 11%，其中 Taycan 家族全球销量 41296 辆，同比增长 106%，占整体销量 13.7%。现代 Ioniq5 在 2021 年 4 月上市后当年销量约 65906 台，截止 2022 年 11 月，此车 型全球销量 89416 台，在北美补贴法案之外仍保持正增长。



国内快充车型于2022年集中量产上市，预计 2023年销售开启放量。广汽埃安V是 国内较早发布量产800V快充的车型，2020年埃安V批发销量11173辆，2021年 15825 辆，同比增长41.63%，2022年截止11 月批发销量30097辆，同比增长118%。其他车型预计将于2023年开启放量。

预计2023-2025年国内快充车型在整体新能源汽车渗透率达 7.34%/13.95%/16.22%。根据创新扩散理论，30%渗透率后解决现有产品痛点的具备实用特性的产品有望进一步提高电动化渗透率。根据现有车型及售价，预计国内快充车型主要为B/C 级车， 由于B级电动化渗透率加速时间点早于其他车型，C级车型对性能指标要求更高，因此配备快充功能的车型占比更高，预计B级快充车型2023-2025年占B级电动车 比例为30%/60%/80%；C级快充车型2023-2025年占C级电动车比例为 60%/100%/100%.据此2023-2025年快充车型销量为 67.2/165/228万辆，在中国整体新能车中渗透率分别为 7.34%/13.95%/16.22%。

二、基础设施充电桩先行

1. 车企为推快充车型率先自建充电桩

国内车桩比提升但公共直流充电桩保有量仍较低。跟据中国充电联盟数据，新能源汽车充电车桩比达到3：1 时可以基本满足新能源车充电需求。截至2022 年 12月，我 国公共充电桩保有量152.8万台，其中直流充电桩66.5万台、交流充电桩 86.3 万 台。到 2022 年中预计新能源车保有量约1001万辆，公桩车桩比为 6：1，截止 2022年12月，中国私桩保有量为239 万台，私桩车桩比为4.18：1，随着新能车渗透率快速提升，2022年12月，整体车桩比为 2.46：1。车企选择自建快充桩以支持旗下快充车型销售。支持快充的车型充电峰值功率基本在200kW 以上，目前国内公共直流充电桩的最大功率基本仅支持120kW，快充车辆在使用现有公共直流快充桩充电也仅能将充电桩功率发挥至最大，无法发挥快充车型的充电速率优势。

针对充电布局，2022年 Q3，小鹏针对G9订单前10名城市，集中建设 S4 超快充站点，到2023年，将在重点城市，核心高速沿线上用S4场站提供补能，预计到2025年，除当前的1000座自营充电站之外，有望再建设2000个小鹏超快充站，目前单个站点配备4个快充桩，功率480kW在不同桩之间进行智能分配。广汽埃安2021年发布最高充电功率为480kW 的快充桩，预计到2025年，将会在全国300个城市建设2000座超充站。蔚来在12月正式发布了500kW超快充桩，最大电流660A，支持大功率充电，400V车型最快仅20分钟，800V车型最快12分钟从10%充至 80%。



2. 液冷充电枪渗透率有望提升

液冷是解决大功率充电的优异方案。大功率充电桩电源的设计和生产国内外已不存在技术问题，需要解决由大功率充电桩电源到充电枪的线缆连接。国内和欧洲标准直流充电枪连接的电缆主要有35平方毫米软体导线和50平方毫米软体导线，分别可承载125A及160A电流，若将充电功率提升至240kW-360kW，在充电电压 400V800V 条件下，需要承载的电流为300A-600A，使用目前线径电缆会出现温度过高损害充电装置的电子元件导致无法工作的问题，严重时会产生起火事故，而加大线缆 线径理论可行，但实际中因为加大软体导线截面，会导致体积过大而不符合人体工程。

现有《电动汽车传导充电用连接装置》（GB/T 20234—2015）定义的最大充电电流等级为250 A，主要原因在于超过250A 后更大的截面积的导体重量无法在实际操作中应用。液冷是一种解决此问题的优异方案，通过对线缆的软体导线和欧标直流充电枪插孔式液冷段子通入循环流动的冷却液，软体导线和插孔式液冷端子在充电过程中产生的热即可由循环流动的冷却液带走，同时线缆的体积较干式电缆不会增大，可以满足人体工程的要求。

我国高功率快充桩渗透率仍较低。2021 年充电桩运营商中特来电、星星充电、国家电网分别以 23.9%、21.9%、21.3%市占率位居前三。从2022年国网快充桩招标结构来看，80kW 和160kW 功率充电桩占主要份额，其中240kW 及以上功率充电桩占比仅为5%，我国高功率快充桩渗透率仍较低。液冷充电枪线成本占比较高，快充电桩 2025 年迎千亿市场空间。根据公开信息，充电桩均价约为0.4 元/W，推算240kW 快充桩价格约9.6 万元，根据日丰股份发布会中的液冷充电枪线价格2 万元/套，推算液冷充电枪成本约占充电桩成本21%，成为仅次于充电模块的成本最高组件。预计随着新能源快充车型保有量提升，2025年我国高功率快充桩市场空间约1334亿元。

三、不同车企升压方案下三电系统变化存在差异

1. 全车800V方案成技术趋势，目前升压方案各有差异

汽车电气架构主要涉及包括电驱、电控、电池在内的三电系统。通过充电接口，交流电经过车载充电机（OBC）转化为直流电，通过电源分配单元（PDU）将电分配 给电池或通过 DC/DC 转换器降压给其他车身电器设备用电，电池电源进一步通过电机控制器（MCU）驱动电机将电能转化成机械能。



从 400V 过渡到 800V 的高压架构，通常有 6 种不同方案。主要有两种设计思路：第一种是将电池系统设计成能同时满足400V和800V 的电池系统，其他部件选择400V或800V；第二种使用升压模块外搭电气电路进行升压。通过串联400V电池进行升压的方案，动力电池需要特殊设计，难点在于电池并环流的潜在问题。串联两个400V 电池，其余部件全系800V，通过改变电池的设计，400V和800V灵活输出，或通过新增切换继电器灵活输出400V和800V。

若新增升压模块外搭电气电路， 即将电池设计为 800V，其余部件不改动，整车的交流充电、电驱、高压部件均为400V，新增 400V-800V 的 DCDC兼容400V直流充电。或者所有高压部件均为800V，采用驱动复用方案，不需要增加额外的DCDC。比亚迪和现代E-GMP 平台采用 Boost升压电路升压，不需要额外的升压模块，车载部件全系800V，电驱升压兼容400V。由于充电过程中，不需要驱动，比亚迪采用复用后桥电机控制器中的功率器件的模 式，用在400V-800 升压DCDC 中，可以在300-750V电压范围内进行直流快充。



▲ 现代 E-GMP 平台

目前车企主要采用增加 DCDC 升压或驱动复用升压方案。由于通过并联400V电池 形成灵活输出400V 和800V 需要对电池进行重新设计，新增继电器等元器件，因此车企主要采用新增 DCDC 升压模块或利用 Boost 电路升压，通过外接 800V 储能电容，兼容400V 充电设施。比亚迪和现代采用驱动升压方案，现代高压车型 Ioniq5 电气架构采用后驱五合一，将车载电源和永磁同步电机集成在一起，通过动力电机逆变器将400V升压至800V。保时捷主要新增高压转换器，核心是充电泵，外部的 直流电压输入以后，进入主EMI 的滤波器，然后连接直流电容，配合 IGBT 模块（开 关和二极管）后可以进行升压动作。

从电气架构选择角度，800V 电机匹配800V 逆变器有助于提高电转化效率。800V 电机可以提高电机功率密度，800V 逆变器搭配 800 V 电机效率最高。从电机角度看，800V 电机存在强机械应力和设计复杂性增加的劣势，但电磁性能得到改善， 800V 电机有利于提高电机功率密度。从逆变器的角度来看，在 800V 电池和 800V 电机之间使用的逆变器将具有更高的效率、更好的 THD、更低的直流支撑电容器尺寸和成本。与之相对，运行 400 V 电机的 800 V 逆变器具有最高的总传导损耗、 最高的开关损耗和最高的总功率损耗。由于相电流减半，运行 800V 电机的 800V 逆变器的最低传导损耗。根据不同逆变器对输入电容器的要求，驱动 800V 电机的 800V 逆变器需要最少的电容来执行相同的滤波效果。



车载电源集成化趋势和大功率高频率趋势叠加。车载电源供应商主要配合车企进行产品配套研发，产品体积空间、设计、性能指标定制化属性较强，近年来随着车企轻量化、大功率、高频率要求的提升，车载电源逐步从分立器件向二合一、三合一 及与驱动集成为五合一的集成产品发展。集成产品较单独车载电源单车价值量有所下降，但车型电气架构提升至 800V 高压后，集成产品的单车价值量较分立器件和 低压集成产品均有所提高，按此前假设 800V 车型渗透率 2023-2025 年分别为 7.34%/13.95%/16.22%，预计 2023-2025 年车载电源市场空间为 263 亿/337 亿/460 亿 元。

半导体器件、电阻电容、磁性元件为影响车载电源性能的主要原材料。车载电源中 OBC 典型线路结构是由 PFC 和 DC/DC 组成，其中半导体器件、五金结构件、电阻 电容、磁性元件为主要的成本构成，分别占比为 23%、18%、16%、13%。其前级 PFC 线 路 和 后 级 DC/DC 输出线路均会使用碳化硅二极管（拓扑线路中 D1/D2/D3/D4/D5/D6），在 OBC 产品上使用碳化硅功率器件对于提升 OBC 产品的效率、功率密度和质量密度提升上发挥了重要作用。车压平台提升后，车载电源的半 导体器件变化较大，配合目前 OBC 从单相 220V 到三相 380V 的发展趋势，PFC 输 出级的电压会相应提高到 600V 以上，需选用 1200V 系列的 SiC MOS 材料，而传统 硅基 IGBT，车压平台在 450V 时 IGBT 耐压强度仅为 650V，若升级至 800V，DC/DC 次级器件会从目前的 650V 二极管转变成 1200V 的相关产品。

800V OBC 和 DC/DC 升压模块的变化主要体现在半导体功率器件。车载变压模块 初级侧开关所需的最小额定电压为 800 V，考虑 50%的安全裕度，应在初级侧使用 具有 1.2-kV 额定电压的开关，但阻断电压高于 900V 的硅 MOSFET 价格昂贵且导 通电阻高，会导致较高的传导损耗，因此会选择碳化硅 MOSFET 或 IGBT。根据高功率密度的要求，开关频率达 100kHz 以上可以降低无源元件如变压器和电容器的 尺寸，而 IGBT 不适合在高于 20kHz 的频率下运行，但 SiC MOSFET 具有较低的开 关损耗，且在使用 SiC MOSFET 的 DC/DC 输出功率由 1.3 kW 增加到 2kW 时，与 400V APU 相比，800V APU 的总功率损耗更小。

2. 电子元器件耐压强度及安全要求相应提升

激励熔断器渗透率提升。熔断器在新能源汽车中主要起电路过流保护作用，通常分为低压保护区域和高压保护区，低压保护区主要用在灯光、雨刷器、喇叭等线路中， 单车用量约 2-3 只，单只价值量较低；高压保护区主要是车载电源及电机控制器、 空调、PTC 等回路，其中主回路用量 2-3 只，辅助回路用量 3-5 只，主要为电力熔断器，单只价值约 15-60 元。800V 电压平台车型的熔断器在绝缘、耐压等级等方面 需求均有提升，新型激励熔断器作为有主动断开功能的熔断器渗透率有望提升。激 励熔断器主要通过接收控制信号激发保护动作，不必须承载过电流，因此可以有效 提高整车安全性，激励熔断器单只价值量约为电力熔断器的 1.5-5 倍，若单只替换升级单车价值量提升约 46%。



直流接触器需要提升额定绝缘电压及最高运行电压。新能车在电池系统和逆变器之间配置直流接触器，当系统运行时起连接作用，连接电源与负载，其技术指标为约定发热电流；当系统停止运行后起到隔离作用，其重要技术指标为额定绝缘电压；当车辆关闭或发生故障时，能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离，起到分断电路的作用，主要指标为最高运行电压。

高压接触器在新能源汽车上的应用根据车型及动力系统的不同，单车用量有所差异，每台新能源乘用车约 4-6 只，商用车 4- 8 只，一般包括 2 只主接触器、1 只预充接触器、2 只快充接触器、2 只普通充电接触器和 1 只高压系统辅助设备接触器；高压接触器在充电桩中通常配备 2-4 只，包 括充电主线路切断用接触器与放电保护接触器；根据国力股份招股书，新能源乘用车用高压接触器单只均价约为 115 元，推算单车价值量为 460-700 元左右。800V 电压平台接触器的额定开关负载超过 400 安培，根据经销商调研数据，单只售价约为 400-700 元，若升级 2 只主回路接触器，单车价值量约为 1145 元，较原来单车价值量提升约 63.5%。

四、 快充功能给电池寿命和安全带来挑战

1. 快充对电池负极提出挑战

由于充电电压提升至 800V-1000V，充电功率和充电倍率提升可能会造成负极产生析锂效应。通常 800V 车型的电池充电倍率为 4C-6C，充电倍率提升后，快充电池可能会出现析锂效应，主要短板在负极。根据 Thomas Waldmann 等人的研究，当荷电状态（SOC）和充电电流密度越大，测试温度越低，石墨负极的电位就会越负， 负极表面的锂沉积副反应也越容易发生。析锂效应的主要诱因是负极嵌锂空间不足、 Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等。锂离子在 负极内的扩散速率、负极界面处电解质的浓度梯度、电极/电解质界面的副反应等因 素均会影响电池的析锂效应。当锂离子电池在更高温度下（＞45 ℃），以较高电流 倍率（≥1 C）进行充放电循环时，常常观察到金属锂仅沉积在负极表面局部区域。



▲析锂效应

析锂反应会造成电池容量衰减，由此带来电池寿命缩短。由于负极嵌锂空间不足、 Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极，形成的金属 锂随机分布在负极和隔膜表面，并与电解液反应生成较厚的 SEI 膜。Ansean 等研究 发现， SEI 膜的生长堵塞了负极活性材料之间的孔隙，使负极嵌锂过程的动力学变 慢，加快了锂沉积副反应。在这个过程中，电解液不断被消耗，束缚在 SEI 膜中的 锂和沉积在负极表面的金属锂越来越多，使容量衰减速率越来越快。



析锂效应带来电池热失控，造成安全隐患。热失控主要是由于负极表面堆积的锂枝晶持续生长可能会刺破隔膜，造成内部短路或沉积在负极表面的锂与电解液发生反 应，释放大量热量，当温度持续升高，电解液分解产生的气体使电池内部压力不断上升，最终引起电池放气和金属锂融化。在该过程中，空气中的水和氧气与金属锂 发生剧烈的反应，导致燃烧甚至爆炸。

2. 负极可通过改变形貌或组分进行改性

快充需要加强锂离子在电极材料中的迁移和扩散速率，解决锂离子在电解质和相界面处的传输问题。由于石墨是层状排布的二维结构材料，且石墨层间距较小 （0.335nm），因此锂离子在垂直于石墨片层方向的迁移和扩散系数低于边缘平面。这个特性会影响电池的倍率性能，因此基于快充需求的负极材料需要调控锂离子在 石墨晶格中的固相扩散。具体又分为两种策略：强化单一相扩散和增强界面动力学， 旨在提高锂离子和石墨颗粒内部或电解液中的扩散能力和在 SEI 膜界面的迁移能力。通过微观形貌和结构的改良设计，可以增强石墨与锂离子反应的活性位点，从而增 强电子传输，提高快充性能。单采用针状焦制备的一次颗粒负极材料在电化学性能 方面仍存在一定缺陷，二次造粒可优化石墨形貌。

容量较高的人造石墨负极主要使用针状焦为原材料，王邓军等以煤系针状焦为原料,经破碎、石墨化得到一次颗粒负极材料,其首次库伦效率为 84%。虽然以针状焦为原料的一次颗粒负极材料具有较高 的容量,但由于针状焦特有的流线型纤维结构使其在各个方向上的取向度不同,单采 用针状焦制备的一次颗粒负极材料在电化学性能方面仍存在一定缺陷,容易造成电 池膨胀,且倍率性能一般,存在首次库伦效率较低等问题。

为提高锂离子在固体电解质界面（SEI）膜的迁移能力，从负极材料着手，通过造粒、二次造粒改变石墨本身的形貌以优化锂离子在负极的扩散效率是比较主流的方法，粒径大的石墨比表面积小，因而较少与电解液形成副反应，但是大粒径石墨对于锂离子嵌入的活性位点和 扩散通道较少，倍率性能较差，Zhang 等将不同粒径的石墨进行混合级配，发现加 入小颗粒石墨后电池的内阻减小，比容量升高。对石墨的粒径水平和粒径分布进行 合理的设计，是获得高性能石墨负极材料的关键。二次造粒可增加负极材料的各向同性,从而改善电池的首次库伦效率和倍率性能。球形化处理是目前工业上常用的改性方式，片状石墨的球形处理可以减轻石墨的各向异性，在不增大比表面积的同时增加活性嵌入位点。



和硬碳掺混合成材料能有效改善负极快充性能。美国密歇根大学的 Kuan-Hung Chen 等人通过石墨与硬碳混合的方式，显著提升了负极的快速充电能力，在 4C 和 6C 倍 率下循环 500 次后，容量保持率仍然可达 87%和 82%。

硬碳材料作为一种非石墨化 的碳材料，具有高度无序的碳层结构，可以实现 Li+的快速嵌入，但由于硬碳的真 密度较低，仅 1.6g /cm3，石墨为 2.2g/cm3，存在库伦效率低等劣势，因此将石墨 和硬碳掺混作为负极材料，可能会取得较好测试结果。Kuan-Hung Chen 等人发现纯 硬碳在 4C 快充倍率下循环性能最佳，100 次循环后容量保持率约为 96%，纯石墨 负极和含有 25%硬碳的负极在循环后都出现了显著的析锂现象，电极表面覆盖了一 层银白色的金属锂，但硬碳的掺混比例过高也会导致电池能量密度降低，KuanHung Chen 的研究表明通过在石墨负极中混入约 50%的硬碳能够显著降低过充条 件下石墨负极表面的电流密度，且在 500 次循环后 50%石墨+50%硬碳的负极能量 密度最高。

硅基负极可以有效提高电池的快充性能。硅材料是目前已知的拥有最高理论比容量的负极材料，相比目前主流的石墨负极材料，硅基负极材料有 2 大优势：单位容量高，储量丰富。硅元素则可以抑制枝晶的生长，从而在更适配快充负极。硅基负极 主要在负极中掺硅，但由于硅的体积膨胀容易导致电池发生形变爆炸，因此用硅的 氧化物 SiOx 取代 Si，是目前硅基负极材料的重要研究方向之一。SiOx 并非由单一 相组成，而是由许多均匀分布的纳米级 Si 团簇、SiO2 团簇以及介于 Si/SiO2 两相界 面之间的 SiOx 过渡相组成，通过提高 SiOx 中的 x 值，可增加在充放电时生成不可 逆 Li2O 相，同时动力学加快，体积膨胀产生的应力得到有效释放，从而实现更小的 体积膨胀。

硅体积易膨胀，氧化亚硅首效低。硅在充放电时，由于硅晶体是正四面体结构（石墨是层状结构），所以更容易膨胀，膨胀率可达到 300%。这会让电池变得更加不稳 定。硅充放电过程中体积膨胀收缩变化达 320%（石墨仅 12%），会产生较大的机械应力，多次循环后硅颗粒会发生断裂和粉化，造成负极失效。相较于单质硅颗粒， 氧化亚硅（SiOx）在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循 环稳定性有较为明显改善，但是氧化亚硅负极在充放电过程中会生产 Li2O 等非活 性物质，导致 SiOx 材料首次效率较低。



硅负极主要采用掺杂的方式加入到人造石墨中，同时加入导电剂。纳米化无法解决导电率低的问题，主流技术路线为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与石墨材料复合。瑞士保罗谢尔研究所电化学实验室 Sigita Trabesinger 教授研究了不同充电倍率下石墨硅共混物的充电性能及行为，结果表明，阻抗随着硅含量的增加而显著增加，活性材料共混物中硅组分所产生的附 加电阻会阻碍快速充电，而致密的电极涂层和较高的导电添加剂的含量可以改善硅 基负极的快充性能。

应对硅基负极局限性的主要技术包括硅纳米化，预补锂及对粘结剂添加剂的改进。SiOx 材料目前主要存在两个问题：首次库仑效率低和循环性能的衰减。前者目前较 为实际的解决办法主要是通过向添加少量的 Li 源，在充电的过程中利用这部分额外 的 Li 补充首次充电过程中不可逆的 Li 消耗，以达到提升锂离子电池首次效率的目 的；后者主要是通过碳包覆与 SiOx 纳米化来缓冲体积膨胀，提升循环稳定性。

高比容量 4680 量产打开硅基负极应用空间。预计具备大电流快充功能的 4680 电池采用了高镍正极，需要使用比容量更高的硅负极与之匹配，最大限度的提升电池整体能量密度，其次，4680 圆柱形的体积相较于方形和软包结构，更容易控制硅负极 的体积膨胀。特斯拉在 2022 年 2 月份宣布已生产了 100 万块 4680 电池，预计 4680 电池会在 2022 年出货，在 2023 年迎来放量，带动硅负极增长。据 Electric Vehicle Database，一辆Model Y的电池容量是75kWh，一辆Cybertruck的电池容量是250kWh， 一辆 Semi 的电池容量是 500kWh。2022 年 4680 电池产量的需求约 75GWh，2030 年 4680 电池产量的需求约 3160GWh（3.16TWh），较 2022 年增长约 4113%。



▲ Model Y电池

预计 2023 年 4680 电池硅基负极需求约 5.3 万吨。随着快充电池及高能量密度电池 的发展要求，硅碳负极（SiOx-C）的掺混量预计从 10%提升到 15%，保守按 10%掺 硅比例计算，1GWh 的电池消耗约 750 吨的硅基负极材料，预计 2023 年硅基负极需求量约 5.3 万吨，2025 年硅基负极需求量约 15 万吨。



3. 电解液体系影响快充电池及负极性能

电解液影响负极结构稳定性及 SEI 膜等结构，调节电解液体系是提高电池快充性能的有效策略。在低浓电解液中，锂离子被大量溶剂溶解，形成锂离子溶剂化鞘层， 在锂离子嵌入负极时易形成溶剂分子共嵌入，石墨层间微弱的范德华力难以在溶剂 分子共嵌入后维持石墨片层结构；同时电解液中的添加剂和锂盐同锂离子形成 SEI 膜，不同的添加剂及锂盐体系影响 SEI 膜的成膜，从而影响电池的循环寿命和倍率性能，因此调节电解液是提高电池快充性能的有效策略。溶剂和锂盐选择对快充性能影响较大。

溶剂的选择是影响去溶剂化动力学速率的关键因素，Okoshi 等计算了锂、钠、钾和镁等离子在 27 种不同溶剂中的去溶剂化能 垒，发现锂离子在不同溶剂中的去溶剂化势垒磷酸三甲酯和二腈最高；在锂盐选择 中，含双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)的电解液具有比含其他锂盐电解液更高的电导率， 在 LiPF6 基电解液中添加少量双草酸硼酸锂(LiBOB)，可以建立更为稳定的 SEI 膜， 研究为产业化配方提供了重要参考。

添加剂体系中适当含量 FEC 有助于负极成膜。Son 等对比了氟代乙酸酯(FEC)和碳 酸亚乙烯酯(VC)添加剂对全电池体系中石墨负极大电流充放电时析锂情况的影响， 发现适当含量 FEC 的加入有助于在石墨阳极上形成理想的 SEI 膜，从而有助与提升石墨的快充性能。

来源：未来智库
2023.01.09