在2022ABCA-6，Session12“动力锂离子电池负极材料硅基材料及其粘合剂发展专题”分论坛主题上，来自安普瑞斯（南京）有限公司，王岑博士/总经理，做了“安普瑞斯HESO硅负极在350Wh/Kg动力电池中的应用研究” 的主题演讲。
安普瑞斯（南京）有限公司 王岑博士/总经理
各位下午好，很高兴在这边可以由我代表公司给大家汇报一下，安普瑞斯（南京）HESO硅负极材料在350Wh/Kg动力电池体系里面的研究以及初步进展。首先，简单介绍一下安普瑞斯，安普瑞斯成立至今已有十多年，我们美国总部成立于2009年，并在2012年建立了南京总部，我们一直在做硅材料相关的研究和开发。
作为动力电池的材料供应商，安普瑞斯南京公司在过去这些年里研究过多种材料，主要工作还是围绕硅材料体系进行一系列的研究开发；另外，对于预锂化技术我们也已深耕多年。除了单纯的材料开发之外，我们和一般材料公司不太一样的地方在于我们还拥有一个非常强大且有经验的电池开发团队。这个电池开发团队能够帮助我们在一些新型的高能量密度体系，比如在消费电子类、电动运输类、航空航天各种体系里面进行长期的深入研究并探索硅材料如何能够更快更好的地应用于这些场景。
下面这张是我们在每次会议报告里面都会展示的图片，我们一直坚持认为硅材料如果想要得到大规模的应用，非常关键的一点在于围绕着硅材料需要有一系列体系性的开发工作，包括其原材料的选择、材料的特殊结构设计、如何解决正极材料和电解液的相互作用、预锂化实现的路径、如何进行电芯优化设计以及高质量电极的制备。最后还有很重要的一点是我们是否具备量产的可行性，包括在量产过程中如何把控材料品质的稳定性，以及材料售价到底能不能支持电动汽车大规模使用的场景。
安普瑞斯南京公司主打的产品名称叫“HESO”，目前已经可以实现1400mAh/g可逆容量，且2V条件下首次效率可以达到93%，这应该是目前业界最好的纯材料水平。当我们实现了这两个性能指标的时候，它也同时产生一个质的变化—HESO硅负极可以实现以任意比例来平替石墨，并且使其具备成为主流材料的可能，而非传统意义上业界普遍认为的硅只能作为3-5%含量的这种添加剂形式的存在。目前，我们在自己的材料和电池体系中已经充分证明了HESO可以以10%、30%甚至高达80%的添加比例取代石墨，这样的结果也极大程度地打开了整个硅负极市场的想象空间。
接下来这个页面展示的是我们HESO硅负极的结构示意图、基础数据以及对应的扫描电子显微镜照片，下边是HESO纯材料的半电池电压曲线，我们在控制这个材料的可逆容量和首次效率的同时，还必须要同时考虑它的长期的稳定性和动力学的特性，比如它在高低温和倍率充放电状态下，分别会体现什么样的特点。
针对硅的实际应用来说，我们发现有很多客户可能都希望了解硅材料体系的配方如何设计以及从前到后整个匀浆的工艺；在这方面，我们基于长期以来的自主开发经验，再结合很多合作的供应商的产品特点，开发并优化出相对应的一整套工艺。不同的客户可能会在我们这个基础上稍微进行一些简单的调配，或者根据各自适合的方式去做。可以这么说，前几年我们跟一些客户合作的时候都需要给客户提供一套较为详尽的匀浆涂布的解决方案，告诉他们如何去匹配石墨和硅负极，如何做好匀浆、涂布从而得到高质量的电极。而今天，我们的HESO材料已经达到一个新的高度，就是我们的材料综合性能已经可以确保任何一个客户都可以用自己熟悉的配方和工艺方式来实现高品质的电池性能。
今天我们报告的主题是350Wh/Kg动力电池体系，在引出这350Wh/kg之前，我想先介绍一下我们在320Wh/kg体系下取得的综合进展，也就是说我们这个材料体系目前能够实现什么样的综合性能。下图为我们自己制作的电芯样品，型号为6854D9软包电池，容量大约8.8Ah，其对应10%的HESO添加量。在4.2-2.5V的电压区间，该体系0.2C放电电流下所对应体积能量密度为680Wh/L，重量能量密度为314Wh/kg，因为这个是尺寸和容量较小的电池，将其尺寸容量做大后可以比较容易达到320Wh/kg以上。值得一提的是，我们开发的这个软包电池，在不上夹具自由循环的条件下，已经能够在4.2-3.0V电压区间内，即对应87%的放电深度（DOD）的情况下，实现3000次循环。在前段时间我们给一些投资人交流的时候，当时还只展示了2000次循环的数据，而现在，其循环已经超过3000次，此次会议也是我们第一次对外展示此项数据。如果按照电动汽车单次充电续航里程400-500公里计算，其实很容易超过100万公里了。
除此之外，我们也积累了一些其他条件下的相关数据，例如，我们开发的软包电池在4.2-2.5V(100% DOD)条件下，且不上夹具自由循环，可以在常温测试条件下循环超过1400次，且在高温条件下循环超过1000次。对于它所对应的其他性能，如倍率放电，在3C比0.2C的情况下，我们大概可以做到高达95.3%的容量保持率。而在3C充电时，其对应的恒流充入比可达73.4%。这对于高能量密度设计的电芯来说，应该也是非常不容易的。接下来，我们这边也研究了该体系的高温存储性能，60度下满电状态，120天的满电对满电的存储膨胀约为2.7%。这里所谓的满电状态，是将其在4.2V，0.02C条件下恒压截止，而国标一般是0.05C恒压截止。相比之下，我们的测试条件下所充入的容量更满，对于负极而言，所承受的压力也会更大。此外，这里展示的是其所对应的零下20度和零下40度的一个低温放电性能数据。图中所展示的是其0.2C的低温放电能力。
综合来说，我们已经通过自己的努力，结合我们所开发的这个电池及其电池体系，向业界证明了一点，就是10%的HESO添加量对于320Wh/kg体系的应用，应该是具备一个极高的综合性能的平衡点，并具备成为商品化的可能性。现在我们也有很多下游的动力电池大客户，他们也在以10%-12%添加量的体系里进行开发，并且很可能在明年下半年量产的一些汽车里面，会以这个体系为主。
接下来我再介绍一下350Wh/kg，这个体系里，我们把HESO的添加量加大到30%。同样是用差不多型号的电池，对应的这些电池实测容量大概是11Ah，体积能量密度825Wh/L，重量能量密度359Wh/kg。它的循环目前来说相比320这个体系还是有一定的难度的，在4.2-2.5V，100%的DOD，不上夹板循环，大概能支持750次循环；90%的DOD下，不上夹板循环能跑到1000次，这个应该也是在业界走的最前端的。在4.2-2.5V的高温循环，我们的350Wh/kg体系能跑550次循环，在4.15-2.8V区间，对应于90%DOD下，高温循环能跑800次左右。此外，这个体系虽然是高能量密度设计的方案，它的倍率放电其实还是非常不错的，因为受限于我们的测试通道只有30A的最大电流，所以在2.73C最大电流进行倍率测试的，相比0.2C容量的保持率也能达到大于96%。
目前我们的很多动力电池大客户，甚至包括一些国际终端车厂客户，他们对材料的快充性能也非常有期待，所以我们其实也同时在配合我们下游的客户们开发这种快充的体系。这些是不同倍率充电的数据，当我们用1C到5C不同电流去充电，从0%到80%，我们在5C下，已经证明只需要10分钟。左边是倍率放电，我们的倍率性能应该还是非常不错的。另外在低温下，我们也会做这种1C的放电，在这种情况下，它也是可以支持零下40度，接近80%的保持率。这是我们最新做的循环测试，因为这个数据还不多，只能给大家简单看一看，按这个趋势，我们希望它能朝着800到1000次循环去走。我们最大的电流，也用到3.75C来充电。右边是45度循环测试数据，我们是用的2C电流进行充电，主要是受限于45度循环柜点的最大电流。
接下来就是安普瑞斯的硅材料再往后发展应该是怎么样的方向，我们也一直在思考，因为我们作为材料公司必须要走得更前一步，这样才能让我们的产品不断地领先于市场。现在我们给市场大量推广的是HESO一代产品，几乎在所有大客户那边都是最领先的综合性能；而现在我们已经开发出HESO第二代产品，也开始给少数的几家客户在送样并得到连续的采购订单。再往后发展，我们计划分为两个方向：第一个是HESO-FC快充体系；第二个是HESO-LC超长循环的体系。现在我们都有一些雏形了，在我们的实验室和中试线已经有些小的样品和中试产品，我们希望在2023-2024年给市场推出非常有竞争力的产品。
我们也简单展示一下HESO-II二代产品，相比第一代HESO，它在循环这块比前一代大概要好15%；我们也会去做一些夹具的循环，去看看它膨胀应力的变化。如果大家到我们电池中试测试线去看，我们大部分电池都是不上夹具做循环的，但是我们也会做一些上夹具的实验研究。可以发现，HESO的材料膨胀率不断地变化，呼吸式的变化，它的斜率相对来说更高一些。随着材料不断优化，HESO-II的循环膨胀率以及造成的压力应力问题也会明显下降。
最后，我从商业化的角度介绍一下HESO的进展情况。在今年10月份，我们位于合肥庐江的一期工厂可实现400吨/年纯HESO材料的投产，到明年下半年二期3000吨纯HESO材料投产，到2025年初则实现三期20000吨纯HESO材料的投产。按目前市场状况来看，客户们自从用了我们HESO材料之后，他们对这个材料未来市场的认知都在不断的刷新，包括添加量不断的增加，以前市场对硅的添加量预期都是在3%、5%、8%，现在越来越多的客户用我们的材料起步就添加10%以上了。像圆柱客户的体系已经在20%、25%的添加量下，而且也能保证循环1000次以上，从今年、明年、后年市场快速增长的状况下，业界在硅的使用量上甚至是超过我们自己的预期。
以上就是我的汇报，非常感谢大家的支持还有我们客户们的支持。
王岑：业界基本上会比较简单的把硅材料划分为硅碳和硅氧两个大类，实际上我们这个材料并不完全是纯粹的硅氧或者硅碳，但是如果一定要把它归个类，那么暂时是基于硅氧前躯体为主，我们再做各种后续的处理，但是未来我们觉得会有方向的变化，更多地是介于硅碳和硅氧之间的状态。
提问：正常加硅的话嵌锂的电压平台是抬升的嘛，抬升之后对正极的考虑，如果电流密度不大的情况下，相同截止电压充电，正极电位会抬高很多，你们在提升硅含量的时候正极是不是也做了一些优化？第二个问题，再循环过程中提高倍率，其实硅的极化是更大的，正常硅的嵌锂电位其实是比石墨高的，但是在添加量多的时候极化会很大，有些电位负的比石墨更多一点，这样的话其实增加了析锂的风险，你们有没有做过相应的验证分析全电池体系下正负极点位的变化随着添加量增加的情况下。
王岑：非常感谢，能听得出来您对正负极匹配的研究还是非常深的。这里我只能讲讲自己粗浅的理解，硅的添加量的增加对电池快充性能和电位截止的影响，我们觉得还是要看不同体系一一对应去谈。如果硅材料的颗粒尺寸、表面积、嵌锂动力学不是特别好的时候，它会对这个体系造成一定的负面影响；如果说硅没有问题，但是导电剂，粘结剂本身也不太适合，或者电解液配方也不太合适的话，我想也会带来类似的问题。当材料和电化学体系搭配地比较合理时，则可能是一个正向的结论。
提问：导电剂加入的话主要贡献的是电子电导，因为硅的导电系数本身比较弱嘛，在嵌锂动力学这块的话，电子电导和离子电导哪一块可能会更薄弱一些？
王岑：这个我们觉得也不能一概而论，好比大家都是石墨，一次颗粒石墨和二次颗粒石墨，二次颗粒中的一次颗粒大小，包括软碳硬碳处理温度怎么样，取向怎么样，实际上都会造成动力学实际的变化，对于硅来说也是一样的。
原文始发于微信公众号（先进电池材料）：安普瑞斯王岑：安普瑞斯HESO硅负极在350Wh/Kg动力电池中的应用研究
新能源汽车的快速发展带动了动力电池的高速增长。动力电池生产流程一般可以分为前段、中段和后段三个部分。其中，前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等，中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等，后段主要为化成、分容、PACK等。材料方面主要有正负极材料，隔膜，电解液，集流体，电池包相关的结构胶，缓存，阻燃，隔热，外壳结构材料等材料。
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