千乘未来观 | 硅基负极：新技术大变天 谁是中国的G14

文 | 胡真瀚

编辑 | 桂蔚

正文字数：8281字

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锂电主材中，正极材料主要提供锂离子，因此正极材料在整个电池构成中占比最高，同时也位于材料价值链的最顶端。随着三元8系的电芯逐步推出市场，能量密度已经逐步突破300Wh/kg，传统石墨理论容量密度已经接近到极限272mAh/g, 新的负极材料已经成为了锂电池性能提升最大的制约因素。而纯硅负极，理论能量密度达到4200mAh/g，满足高倍率充放电的需求，低温性能优越，被普遍认可为提升锂电池性能最为有效且具有较高可行性的材料选择。

图1：硅基负极在不同电池路线中的应用（以三元电池为例）

本文分为四小部分：

1.硅基负极——万众瞩目的锂电新材料

2.膨胀——硅基负极的“阿喀琉斯之踵”

3.CVD硅——G14不出，谁与争锋

4.产业化——群雄逐鹿，到底是鹿死谁手

硅基负极材料以其卓越的理论能量密度、相对较低的制备成本、出色的快速充放电性能以及卓越的安全性能而著称。这一材料在上下游产业链的成熟度较高，原材料供应广泛，学术研究基础深厚稳健，因此一直被视为下一代电池材料中最有望率先实现商业化的重要领域。

硅基负极材料的研究最早始于1996年，由日本日立化成首次发明，自2015年以及2017年开始逐步应用于消费类和动力类电池领域。目前，日本、韩国、美国等国家的相关技术在这一领域处于较早且领先的地位。除了日立化成之外，还有其他厂商如日本信越化学、韩国加德士、韩国大洲以及美国安普瑞斯（Amprius）等在该领域具备技术优势。

近年来，硅负极材料的产业化步伐得到了加速。无论是国内外主流车辆制造商、电池生产企业还是移动设备制造商，均在积极投入硅基负极材料的应用研发中。硅负极材料的应用逐渐成为各产业方打造电池性能差异化的重要竞争领域。特斯拉，作为电动车的领军企业，2020年10月，特斯拉宣布与松下联合开发其配套Cybertruck 的4680圆柱大电池，其天然抑制负极膨胀的能力使得硅负极上车趋势更为明确；第二代4680采取正极9系列，负极硅碳使用较第一代10%提升最少3倍，循环次数超过2500次，实现8分钟快充。

从硅基负极的路线来看，做一个不恰当的比喻：如果我们把石墨看作是主材面粉不含肉的馒头，硅氧负极是内含火腿肠的包子，含有少量肉，那么硅碳负极就像是含有肉馅的包子，含肉量急剧提升，带来的能量提升更多，同比含硅量越高，负极克容量就会越高。石墨领域已经有非常多成熟的企业，多家企业大批量生产，已经供大于求；硅氧负极领域有数十家企业在做，数家企业能大批量生产；硅碳负极领域只有少部分厂商可以批量生产。

从硅基负极的供给和产研端来看，传统锂电池负极企业、明星创业公司、产业链关联玩家也都想要参与并从中分一杯羹。

海外创业公司中，Sila是美国deeptech按照估值排名第9的公司，主打碳氢气体共同CVD沉积硅碳，募集了超9.3亿美金，股东包括宁德时代、三星、TDK、奔驰等等，曾经是全球最受认可的硅负极企业；专用3D电池架构和液相法的Enovix 2021年7月通过SPAC上市，目前美股估值11.28亿美金；以纳米硅线独特工艺闻名的安普瑞斯也是22年9月份通过SPAC在美股上市，目前市值12.78亿美金左右；成立于2015年主打气相沉积硅碳产品的Group14 Technologies Inc.近期横空出世，完成了投后估值为31.14亿美金，金额为6.14亿美金的最新一轮融资，其股东背景中，不乏像保时捷、ATL、巴斯夫、SK Materials、微软等知名产业基金。G14作为一家产品尚未完成量产的企业，但估值在全球Deep Tech独角兽榜单排名第38，足见资本市场对硅负极新型路线的期待。Group 14 主打一款碳硅比例55:45的SCC55拳头产品，目前已被特斯拉装车，续航里程提升了50%达896km，10分钟可完成0-80%的充电，若采用Storedot的快充高电压技术则只需5分钟。

目前，在中国传统负极材料行业，几乎所有企业都宣称在建设硅负极产线方面取得了进展，其中包括杉杉、国轩高科、璞泰来、贝特瑞、正拓能源、凯金能源、石大胜华、硅宝科技、翔丰华、中科星城、斯诺等企业。在新兴创业公司中，处于行业领先地位的硅负极企业，即便实际收入较低，也在一级市场广受投资人欢迎。

图2：全球硅基负极市场预测（单位/T）

根据上图所示，从市场规模来看，行业保守预测2025年全球硅基负极材料市场用量达到4万多吨。假设前提，硅氧：硅碳 = 4 : 1 渗透比例，硅碳50w/t; 硅碳中国市场约为35亿元；据G14投资报告预测，2025年沉积硅的全球市场规模为500亿美金，锂电池2030年综合市场规模可以达到3000亿美金。当然这个是美国投资机构比较激进的预测，不作为过多的参考。但从趋势上来看，仅特斯拉一家宣布内华达州Giga工厂 100GWh的 4680产能，现有产能35GWh，每GWh硅用量1200t。随着时间推移，硅碳售价降低至30w/t，35GWh的产能则意味着126亿的市场规模，这样的增长前景也是相当可观。

目前在各类锂电池新材料中，硅负极材料的前景相对较为明朗，且其市场潜力巨大。与此同时，针对硅碳复合材料技术路线，业界存在一定的争议，但已经较为明朗，各类硅碳复合材料量产工艺及设备尚未稳定下来，这为初创企业提供了在曲线超车方面的潜在机会。

在锂电池主要材料领域，高镍低钴材料在5系三元系统中，磷酸锰铁锂材料在磷酸铁锂系统中，以及钠离子电池中的层状氧化物等新旧材料，已积累了相当丰富的研发和量产经验，这些材料之间存在高度的技术交叉性。此外，新旧材料的客户基础也呈现出趋同的趋势，使得头部企业在人才和资金方面的积累远远超越了初创公司。因此，初创公司在这种背景下的机会相对较为有限。

相比之下，硅负极材料的机理、工艺以及与石墨材料厂商的差异较大，团队所需的核心能力也与石墨材料厂商有着显著的差异。基于这种情况，个人认为目前在锂电池材料领域中，硅负极材料领域提供了较为优质的早中期投资机会。

尽管被称为最值得期待的下一代电池材料，但硅基负极也有属于它的阿喀琉斯之踵——膨胀问题。这要从锂电负极材料的充电原理讲起。

石墨是层状架构的碳单质，作为负极材料时，在充电时层间的空隙能够容纳锂离子，但容纳能力有限，一般形成LiC6化合物，即1个碳原子能够吸收0.17个Li+离子，形成稳定的LiC6结构，Li+在晶体结构不断脱嵌，损失较小。

图3：硅基负极与石墨负极充电对比

单质Si的储锂机理是锂离子电池中典型的合金化/脱合金机理。450°C时，Si和Li可以形成四个平衡中间相：Li12Si7、Li7Si3、Li13Si4和Li22Si5，其中，Li22Si5合金产物对应的单质硅电极材料的理论比容量最高（4200mAhg-1）；

但是石墨机理是层状架构碳单质，作为负极材料时，在充电时层间的空隙能够容纳锂离子，但容纳能力有限，一般形成LiC6化合物，即1个碳原子能够吸收0.17个Li+离子，形成稳定的LiC6结构，Li+在晶体结构不断脱嵌，损失较小；

锂与硅合金化可分为两个阶段：（1）首次嵌锂态下晶态的转变为非晶硅化锂；（2）后续循环中非晶硅化锂转变为晶态Li15Si4。

在充电的时候，Si-Si键断裂，加入Li+离子，形成Li22Si5的化合物，但是极其不稳定，容易分裂成其他形态的硅锂化合物。巨大的嵌锂容量和其他形态LixSi合金复杂的相转变，以及首次嵌锂后由晶态向非晶态转变过程中的相变焓损失，将使硅负极材料在嵌锂过程中出现幅度为320%严重体积膨胀，相比石墨仅为12%。而且晶体硅锂化过程存在明显的各向异性特征。

未解决的硅负极膨胀问题将引发一系列严峻后果：

1. 硅基负极材料将经历裂纹甚至粉化，削弱电极材料与集流体的界面接触，导致活性材料从电极片脱离，从而严重损害电池容量。

2. 内部膨胀将在电池内部产生巨大应力，对电极片造成挤压，多次循环后，电极片可能出现断裂风险。此外，这种应力还可能降低电池内部的孔隙率，限制锂离子移动通道，导致锂金属析出，危及电池的安全性。

3. 活性物质的膨胀在电池循环过程中会挤压周围的导电物质。挤压后的导电剂在锂脱嵌过程中无法恢复到原始位置和状态，最终导致容量损失和电流接触性能下降。

4. 体积变化阻止了电极表面稳定的固体电解质界面（SEI）层的形成。SEI层会反复破裂和再生成，消耗大量Li+离子。与此同时，SEI层厚度随电化学循环增加，过厚的SEI层抑制电子传输和Li+离子扩散，电阻增加，导致电化学极化程度上升。

主要硅负极失效原理为以下两种：

图4：硅基负极失效机理1

非活性物质不可逆膨胀导致电接触变差： 在硅负极锂离子循环过程中，锂嵌入活性物质体积膨胀，会挤压到周围导电物质，随着脱锂的进行，活性物质体积缩小，导电剂受到挤压，也无法恢复到原来的位置和状态，导致与活性物质接触面变差，从而造成部分锂无法脱出的容量损失。

图5：硅基负极失效机理2

活性物质破碎导致SEI膜持续形成：硅负极在膨胀过程中会产生破碎， 暴露出更多新鲜的活性物质界面会和电解液接触，形成新的SEI膜，随着循环的进行，颗粒不断破碎，SEI持续生成，消耗有限的锂源，造成容量不断损失；

以上为两种主流的硅负极失效机理。硅负极材料的膨胀系数与电池循环过程中的容量保持率高度相关，不能解决材料膨胀的硅负极很难实现优异的全电池循环，也就达不到锂电池厂商对于负极的采购标准，无法大规模放量，这也是为什么目前锂电负极主流掺硅的比例一直停留在5%以内。

所以，如何用合理的成本解决硅基负极的膨胀问题，提高循环稳定性、导电性、首次循环库伦效率，成为学术界和产业界必须打赢的新战役。、

为解决硅基负极所面临的膨胀及失效等问题，学术界和产业界开发了多种硅基负极改性方式，主要包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化、预镁化等等，在大类上主要分为硅氧类和硅碳类。

图6：硅碳工艺流程

在细分的技术路线中，目前有三条路线已经得到产业化应用，第一条是研磨法纳米硅碳路线，第二条是硅氧路线（一代硅氧和预锂化硅氧），第三条是CVD气相沉积硅碳路线。

贝特瑞2011年开始研发硅碳纳米硅的技术方案，2013年开始逐步出货海外。通过将硅颗粒通过研磨的方式做得更小，负极材料的压实密度可以得到提高，同时，当硅颗粒做小后，颗粒之间有足够的空间来缓冲材料的综合体积膨胀，相对膨胀更为可控。

由于该技术由海外厂商提供，基本上贝特瑞的硅碳营收来自日韩电动工具电池的应用。后来，国内知名中科院孵化的硅负极创业公司凭借该科研院所对研磨硅的研究，沿袭贝特瑞研磨硅方案，并迅速抢占国内电动工具电池硅负极市场。

研磨法主要的问题就是粒径较大，且容易引入杂质，纯度较低，且粒径分布不能有效控制。从理论上来讲，如果能将硅颗粒研磨至20nm以下且不团聚，就能一定的程度上解决硅负极膨胀的问题，但事实证明这超越了研磨法工艺的极限。多家厂商尝试多年，从砂磨到球磨，也无法跨越100nm以下的门槛，部分厂商的小部分产品达到了50nm左右的水平，但是该产品价格昂贵，难以稳定大批量出货。较大的颗粒会随着电池的圈数增加，容量衰减较快，导致循环往往小于500圈，因此研磨硅依然只能应用在一些对循环要求不高的倍率型电池中。目前平均水平性能的研磨硅的售价已经从21年最高60w/t降低到30w/t。

贝特瑞13年开始研发第一代硅氧，15年完成产品出货，主要应用领域在消费和动力。硅氧解决膨胀方案主要通过氧原子与硅结合为纳米级别的化合物，能抑制硅在充放电的体积变化，提升循环寿命。但是，氧含量的提升导致x值提高，导致Li+与氧原子反应生成氧化锂和锂硅酸盐，导致锂离子消耗，不可逆容量损失首效降低，仅为75%左右，相比之下石墨为95%，远远达不到全电池对负极材料的要求。从成本和性能综合考虑下来，无法对电池带来较为明显的优势。

由于硅氧会反应掉较多的锂离子，导致纯硅氧首效75%-78%，于是贝特瑞第二代硅氧通过预镁方案提升至80%以上。信越化学2019年推出可以商用的预锂化硅氧产品，首效提升至85%以上，循环超1000次。但从原理来说，“亡羊补牢”地通过首次充放电加入锂金属、碳酸锂、镁金属等作为预锂剂，能让预锂化后的硅氧负极首效提升至 86-90%左右，却又不可避免地带来了产品成本过高的问题。目前预锂化氧化亚硅成本50-60w元/t，售价大概在90-120w/t。

目前国内仅有个位数的厂商具备第三代硅氧稳定批量出货的能力，主要是预锂化工艺不成熟，残碱和产气问题所带来对一致性的担忧，这些都是业界考虑大规模采购需要衡量的因素。信越化学的专利尚未过期，国内厂商难以绕开专利取得产品相似的效果，因此知名厂商不敢轻易售卖预锂化硅氧。目前没有一家企业预锂化硅氧年出货产值超过2000w元。

简单总结， 硅氧看首效，硅碳看循环。硅碳崛起较早，但是客户群体主要以海外倍率型圆柱厂商为主。2021年之前硅碳迭代不小，技术门槛较高，受到市场较高的认可，从微米级别粒径过渡到百纳米级别粒径，但百尺竿头难以更进一步，技术迭代陷入一定的停滞。2021年下半年至2022年底，则是属于一代硅氧和预锂化硅氧的天下。一代硅氧的成本较低，同时生产壁垒不高，截止到2023年8月，众多厂商硅氧出货，整个市场杀价较高，售价已经低于10w/t，但因为其添加性能不明显，车厂添加量极低，更像是“试水”。预锂化硅氧受限其不稳定的性能，一直难以在动力电池批量使用。

除了以上两条硅负极主流技术路线面临一定瓶颈的基础上，其他技术包括液相法等，国外大批量创业公司已经在研究，但尚未有全电池验证数据；镁热还原法在上个十年获得较多的学术关注，但酸洗成本居高不下，镁的活泼性能也导致对安全的担忧，目前放大问题尚未解决；硅合金也是在14年开始吸引了较多的学术团队沿着技术方向研究，通过其他金属和硅做成原子级别的紧密层度，通过溶解金属，形成多孔硅介质，再进行碳包覆，但始终孔隙程度难以控制得较低，后续随着充放电的进行，较容易崩塌。由此看来，似乎硅负极的创新都陷入了一定的停滞。

彼时，美国独角兽公司Sila率先推出最早可以商业化气相沉积硅，通过硅烷、碳氢气体共同沉积形成致密的硅碳结构，获得大众的认可，也收获了产业方包括奔驰、三星、CATL、TDK等投资，募集了13轮共9.3亿美金。但随着产业化的进行，乙烯和硅难以形成一致性高的纳米级别包覆，工艺难度比想象中的高，目前业界的声音逐步减小。

但2022年底以来，美国另一家气相沉积硅公司Group 14产品在国内几家头部电芯厂新测的数据“惊为天人”，其全电的内阻、循环、首效、克容量、膨胀率较硅氧和研磨硅相对来说取得了大范围的提升，获得了保时捷、ATL、光石、BASF、SK全球、微软、美国碳中和基金的投资，成为新一代的“硅基之王”。正所谓“硅负至尊，纳米磨硅，号令天下，谁敢不从，CVD硅不出，谁与争锋”。

Group 14采用的技术区别于Sila，是一种新型的气相沉积硅碳，核心是通过低成本生产一种多孔碳骨架来储硅，并通过多孔碳内部的空隙来缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，因此膨胀率低，循环优异。其中的碳骨架不仅制作成本低，本身也具备不错的储锂能力，加之碳骨架本身密度小质量轻，使得材料能量密度高。

并且，CVD气相沉积硅所需生产流程短，设备少，理论成本低，因此被各家电芯厂称为最具终局意义的硅负极解决方案。随着未来硅烷价格的下降、硅烷利用率的提升和气相沉积设备的放大，气相沉积硅碳将进一步拉开和其他硅负极路线的成本差距，最终量产成本有望降低到20万/吨以下。

Group 14作为一家成立于碳材料研发公司，跳出了“硅和石墨”两个主流思考框架，通过引入碳骨架，和硅烷沉积，使得硅元素在碳骨架中的膨胀得到了较好的抑制。

图7：Group 14能量密度提升

图8：Group 14的SCC55产品

通过Group 14的商业计划书， G14技术主要来自于《Nature Materials》一篇文章“High-performance Lithium-ion anodes using a hierarchical bottom-up approach.” 采用硅烷在回转炉沉积在炭黑，在碳硅比例45：55的的情况下，克容量可以达到1650 mAh/g，而射线图表明碳材料和工艺还有很多改进空间，技术商业潜力惊人。

G14的拳头产品是上图SCC 55，未来有机会将正极材料在电池添加量40%增加到75%，大大提升了电池产品的能量密度。Tesla和G14合作宣称采用了该负极，续航里程提升50%，可以达到560 miles（896 km)， 而不是现有373 mile（596km），和美国Storedot合作研发快充科技公司采用快充高电压技术，宣称通过调整导电网络，充电实际可以缩短5分钟。 

根据已完成的钴电池和锂电池测试数据分析，美国G14制造商的比容量已成功达到每克2000mAh，且初次效率高达90%。截至目前，各电池组件客户已收到G14样品，并已完成全电池测试。这些测试结果表明，G14电池呈现出优异的全电池性能和循环稳定性，产品质量稳定，一致性高，体积膨胀率低，且具备良好的加工性能，引起了行业内的广泛震动。

气相沉积硅碳技术路线受到电芯制造厂客户的高度青睐，直接影响了上游厂商的技术路线决策。G14的车厂客户包括保时捷、特斯拉、大众、比亚迪、福特和戴姆勒等，几乎覆盖了95%的汽车制造商，已开始进行量产交付。另外，电池制造厂客户包括ATL、孚能科技、Northvolt、LG、三星SDI等知名厂商，G14与领先的消费电子品牌苹果签署了一份长期供货合同，合同将持续至2024年年底。值得注意的是，Northvolt是一家估值超过200亿美元的科技独角兽企业，在欧洲市场具有重要地位，全球深科技独角兽仅次于SpaceX、OpenAI和Blue Origin等知名企业。

目前，G14有两个生产基地，分别为美国和韩国。美国的基地在2021年实现量产突破，预计一年1.2t，正在扩建，主要提供样品检测和研发实验室。最大的生产基地和韩国SK集团合资成立，2023年Q1就有32000t的最大年产能。2022年G14的17t气相沉积硅出货，预计2023年卖出102t硅碳，2024年3500t硅碳，2025年13000t硅碳，对应营收分别为4200w美金（2023年）、5.6亿美金（2024年）、17亿美金（2025年）。目前，因为商业原因，G14和SK的合作陷入了一定的停滞。根据测算，扣除royalty费用，2025年G14气相沉积硅售价大概在每吨10w美金左右，和海外研磨硅价格差不多。

根据千乘资本的观察，本年度在汽车制造和电池生产领域，受到车厂、电芯厂等客户需求的推动，国内知名的硅氧材料制造企业以及在研磨法硅碳领域具有领先地位的主要参与者，纷纷进行业务转型，开始布局气相沉积硅碳技术。一些敏锐感知市场脉动的硅基负极技术创业公司也纷纷跟进，投资数十万至数百万元采购气相沉积硅碳设备，积极展开气相沉积硅碳技术的研发。

气相沉积硅碳技术与传统硅负极完全截然不同，涉及到独特的原材料、设备和工艺，具备极高的技术门槛。千乘资本对在这个领域拥有深厚积累的创业团队表示乐观，他们有望借助这一时机，以行业的势头为助力，开辟出一个崭新的硅基负极领域，实现更专业化的发展目标。

随着硅基负极技术路线的演进，行业正处于变革的关键拐点，新的竞争格局即将形成。技术路线的演变以及行业的关键拐点的出现，为已经面临瓶颈且竞争激烈的硅负极领域带来了新的创业和投资机遇。然而，即便是在气相沉积硅碳领域的领导者，如G14公司，仍未能实现大规模的百吨级量产。对于想要成功实现技术转型并取得良好业绩的企业而言，涉足气相沉积硅碳领域并不是一项轻松的任务。

目前，国内气相沉积硅碳技术的产业化仍面临多项困难。这些困难对于那些计划进入该领域的公司和团队提出了极高的要求。

气相沉积硅碳的技术壁垒和产业化难点主要在于多孔碳的选型、沉积设备和沉积工艺三个领域。

图9：气相沉积硅碳的技术壁垒

碳材料的选择涵盖了碳骨架的合成策略、应用场景的界定以及评估方法的规划。碳骨架的品质直接影响了未来产品的规模化制造潜力。在电池领域，不同种类的多孔碳需要与适宜的石墨种类相匹配，以确保在电池正极端表现出卓越性能。在不同应用场景下，对碳骨架的孔径、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，因此性能表现存在显著差异，这要求专业的电池设计团队的紧密协作以完成开发工作。制定科学合理的测试方案在碳材料研发中至关重要，因为这决定了多孔碳材料性能的高效准确评估，以及在硅碳复合材料和全电池中的实际表现，这也会直接影响公司研发工作的准确性和效率。

在沉积工艺方面，不断的试错是推动行业不断进步的动力之一。小规模试验性沉积工艺的壁垒相对较低，但在迈向大规模生产阶段，工艺的一致性要求异常高。涉及到百公斤级别的混合料、炉腔内的温度分布控制、腔体内气压分布等，这些都需要经过大量的仿真与实验来优化。目前，光伏级别的硅烷已经达到了满足硅碳材料要求的纯度水平，未来低成本硅烷的生产将成为团队核心能力的重要组成部分之一。

针对沉积硅碳材料的设备，目前主要分为回转窑和沸腾床两类，各自具有优缺点。回转窑工艺相对简单且重复性高，因此海外制造商普遍采用该设备。然而，该工艺的沉积效率一般，硅烷有一定浪费，而且批次生产量较低，颗粒的覆盖性也稍显不足。与之相对，沸腾床作为一种设备在医药和化工等领域广泛应用，但需要满足高度密闭和高气压条件，以实现小颗粒的包覆。至今尚未有企业能够做出实现百公斤级别连续化生产的沸腾床设备。而在以上两种设备之间的选择尚未达成共识。

随着技术成熟以及下游认可度逐步提高，硅基负极产品有望在未来几年率先在高容量锂离子电池领域大规模应用，并随着成本下降逐渐向普通领域扩展，市场前景广阔。

未来，具备如何画像的团队最后能逐鹿中原，硅负极这块锂电少见的“蓝海”到底是鹿死谁手，我们拭目以待！

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