下一代能源代替的激烈竞争中，丰田汽车在想什么トヨタ自動車の豊田章男社長はレースに参加した岡山県内のサーキットで、「敵は炭素であり、内燃機関ではない」と語った。11月13日、岡山県美作市で撮影（2021年 ロイター/Tim Kelly）
各国首脳が英グラスゴーで気候変動対策を議論した先週末、トヨタ自動車の豊田章男社長は岡山県内のサーキットで自動車レースに参戦していた。電気自動車（EV）が脱炭素を実現する車として唯一の選択肢ではない、既存の内燃機関を使った自動車なら業界に携わる数百万人の雇用を維持できると訴えるのが狙いだった。
さまざまな選択肢
豊田社長がハンドルを握ったのは、鮮やかにカラーリングされた「カローラ スポーツ」。小型車「GRヤリス」のエンジンを改造し、ガソリンの代わりに水素を燃料に使った水素エンジン車だ。実用化できれば、脱炭素化時代でも内燃機関を活かし続けることができる。
「敵は炭素であり、内燃機関ではない。1つの技術にこだわるのではなく、すでに持っている技術を活用していくべきだ」と豊田社長はサーキットで語った。「カーボンニュートラル（温暖化ガスの実質排出ゼロ）とは、選択肢を1つに絞ることではなく、選択肢を広げておくことだ」。
各国が地球温暖化対策で排ガス規制を強め、欧米や中国の自動車メーカーがEVに注力する中、トヨタはEV市場もこれから本格的に攻めつつ、水素技術にも取り組んでいる。
世界の新車市場に占めるEVの割合は3％未満とまだごく一部に過ぎない。しかし、国際エネルギー機関（IEA）によると、2020年は新型コロナウイルス感染拡大で新車市場全体が前年から約16％減少したにもかかわらず、EV登録台数は30.2％伸びた。外部充電可能なバッテリーと内燃機関の両方を積んだプラグインハイブリッド車も合わせれば、増加率は41％だった。
トヨタは25年までに15車種のEVを投入する予定で、30年までに電動車用の電池生産と研究開発に計約1兆5000億円を投資する計画を打ち出している。
19世紀の「電流戦争」再来
13日夜に閉幕した国連気候変動枠組み条約第26回締約国会議（COP26）は、石炭火力の段階的削減に向け努力することを盛り込んだ「グラスゴー合意」を採択するとともに、米ゼネラル・モーターズとフォード・モーター、スウェーデンのボルボ、独ダイムラーAGのメルセデス・ベンツなど大手自動車6社が、40年までに世界で販売する新車をすべて「ゼロエミッション（二酸化炭素排出ゼロ）」化する声明に署名した。
ゼロエミッション化への移行は世界の多くの地域でまだ時間がかかることなどを理由に、トヨタは署名を見送った。販売台数で世界トップをトヨタと争う独フォルクスワーゲンも署名しなかった。
トヨタの早川茂副会長はロイターとのインタビューで、「われわれは『EV』を追求する会社ではなく、どの地域でも『環境に一番良い車』を提供する会社でありたい」と語った。国ごとに電源構成やインフラの整備状況、政策などが異なるとし、「その市場で一番プラクティカル（実用的）でサステナブル（持続可能性）でアフォーダブル（価格が手頃）なことが大事だ」と述べた。早川氏は自動車業界が現在直面している技術的な選択を、直流送電か交流送電かを巡って争った19世紀後半の「電流戦争」になぞらえる。環境車開発には巨額の投資が必要で、賭けに負けた際の代償は大きい。「結局、今は直流と交流の両方が併存している。多様なアプローチで問題解決にあたることが、まさに今、ヒントになる」。
自動車調査会社カノラマの宮尾健アナリストは、「自動車産業が目指しているのはあくまでもカーボンニュートラルの世の中であり、EVの普及ではない」と指摘。「脱炭素燃料の普及が早ければ、EVブームは終了する可能性がある」と予想する。
大規模な人員削減が政治的に困難な日本では、水素やバイオなど代替燃料の魅力はEVへ完全に移行するより混乱が少ないことだ。日本自動車工業会によると、550万人が国内の自動車産業に従事している。
トヨタ以外にも水素を燃料に発電し、モーターを回して走る燃料電池車の開発に力を入れるメーカーはあるが、内燃機関を活用する水素エンジン技術に意欲的なところは少ない。
EVの弱点、水素の弱み
発電所で作られた電気を使って走るEVは、石炭火力から太陽光まで、各国の電源構成によって全体の温暖化ガス排出削減量が左右される弱点がある。一方の水素エンジンも完全に脱炭素を実現できるわけではない。排出するのは水素と酸素を燃焼させた副産物としての水だが、エンジンオイルが燃焼する際にごくわずかな二酸化炭素も出る。排ガスには微量の窒素酸化物も含まれる。
水素エンジン車には大型のタンクも必要だ。トヨタの水素エンジン車は後部座席やトランクの大部分が水素のタンクで占められ、後部の窓を塞いでいた。
日本政府は脱炭素を目指す電源構成の重要な要素として、水素燃料を支持している。しかし、1カ所約4億円の建設費用がかかる水素ステーションの普及は遅れている。政府は今年3月末までに160カ所の設置を目指していたが、8月末時点でも目標に6カ所届いていない。
IEAは今月出した報告書で「水素は有望な低炭素の輸送燃料としてみられてきたが、輸送燃料の構成の1つとして定着するには難しい状況が続いている」と指摘した。
燃料インフラが十分に整備されたとしても、航続距離、販売価格、維持費などの面でガソリン車やEVと競争できる車両を製造する必要がある。トヨタは水素エンジン車の量産時期はまだ言える段階にないとしている。技術は前進しているものの、市販化するには品質や安全性などまだ確認すべきことが多いという。
香川県からレースを観戦しに訪れていた57歳の男性は、「選択肢がたくさんあることはいいと思う」と話す。「すべてEVになったら、その産業の多くが中国勢に占められてしまう」。
（Tim Kelly、白木真紀 編集：Gerry Doyle、Emelia Sithole-Matarise、久保信博）
各国首脳が英グラスゴーで気候変動対策を議論した先週末、トヨタ自動車の豊田章男社長は岡山県内のサーキットで自動車レースに参戦していた。電気自動車（EV）が脱炭素を実現する車として唯一の選択肢ではない、既存の内燃機関を使った自動車なら業界に携わる数百万人の雇用を維持できると訴えるのが狙いだった。
さまざまな選択肢
豊田社長がハンドルを握ったのは、鮮やかにカラーリングされた「カローラ スポーツ」。小型車「GRヤリス」のエンジンを改造し、ガソリンの代わりに水素を燃料に使った水素エンジン車だ。実用化できれば、脱炭素化時代でも内燃機関を活かし続けることができる。
「敵は炭素であり、内燃機関ではない。1つの技術にこだわるのではなく、すでに持っている技術を活用していくべきだ」と豊田社長はサーキットで語った。「カーボンニュートラル（温暖化ガスの実質排出ゼロ）とは、選択肢を1つに絞ることではなく、選択肢を広げておくことだ」。
各国が地球温暖化対策で排ガス規制を強め、欧米や中国の自動車メーカーがEVに注力する中、トヨタはEV市場もこれから本格的に攻めつつ、水素技術にも取り組んでいる。
世界の新車市場に占めるEVの割合は3％未満とまだごく一部に過ぎない。しかし、国際エネルギー機関（IEA）によると、2020年は新型コロナウイルス感染拡大で新車市場全体が前年から約16％減少したにもかかわらず、EV登録台数は30.2％伸びた。外部充電可能なバッテリーと内燃機関の両方を積んだプラグインハイブリッド車も合わせれば、増加率は41％だった。
トヨタは25年までに15車種のEVを投入する予定で、30年までに電動車用の電池生産と研究開発に計約1兆5000億円を投資する計画を打ち出している。
19世紀の「電流戦争」再来
13日夜に閉幕した国連気候変動枠組み条約第26回締約国会議（COP26）は、石炭火力の段階的削減に向け努力することを盛り込んだ「グラスゴー合意」を採択するとともに、米ゼネラル・モーターズとフォード・モーター、スウェーデンのボルボ、独ダイムラーAGのメルセデス・ベンツなど大手自動車6社が、40年までに世界で販売する新車をすべて「ゼロエミッション（二酸化炭素排出ゼロ）」化する声明に署名した。
ゼロエミッション化への移行は世界の多くの地域でまだ時間がかかることなどを理由に、トヨタは署名を見送った。販売台数で世界トップをトヨタと争う独フォルクスワーゲンも署名しなかった。
トヨタの早川茂副会長はロイターとのインタビューで、「われわれは『EV』を追求する会社ではなく、どの地域でも『環境に一番良い車』を提供する会社でありたい」と語った。国ごとに電源構成やインフラの整備状況、政策などが異なるとし、「その市場で一番プラクティカル（実用的）でサステナブル（持続可能性）でアフォーダブル（価格が手頃）なことが大事だ」と述べた。早川氏は自動車業界が現在直面している技術的な選択を、直流送電か交流送電かを巡って争った19世紀後半の「電流戦争」になぞらえる。環境車開発には巨額の投資が必要で、賭けに負けた際の代償は大きい。「結局、今は直流と交流の両方が併存している。多様なアプローチで問題解決にあたることが、まさに今、ヒントになる」。
自動車調査会社カノラマの宮尾健アナリストは、「自動車産業が目指しているのはあくまでもカーボンニュートラルの世の中であり、EVの普及ではない」と指摘。「脱炭素燃料の普及が早ければ、EVブームは終了する可能性がある」と予想する。
大規模な人員削減が政治的に困難な日本では、水素やバイオなど代替燃料の魅力はEVへ完全に移行するより混乱が少ないことだ。日本自動車工業会によると、550万人が国内の自動車産業に従事している。
トヨタ以外にも水素を燃料に発電し、モーターを回して走る燃料電池車の開発に力を入れるメーカーはあるが、内燃機関を活用する水素エンジン技術に意欲的なところは少ない。
EVの弱点、水素の弱み
発電所で作られた電気を使って走るEVは、石炭火力から太陽光まで、各国の電源構成によって全体の温暖化ガス排出削減量が左右される弱点がある。一方の水素エンジンも完全に脱炭素を実現できるわけではない。排出するのは水素と酸素を燃焼させた副産物としての水だが、エンジンオイルが燃焼する際にごくわずかな二酸化炭素も出る。排ガスには微量の窒素酸化物も含まれる。
水素エンジン車には大型のタンクも必要だ。トヨタの水素エンジン車は後部座席やトランクの大部分が水素のタンクで占められ、後部の窓を塞いでいた。
日本政府は脱炭素を目指す電源構成の重要な要素として、水素燃料を支持している。しかし、1カ所約4億円の建設費用がかかる水素ステーションの普及は遅れている。政府は今年3月末までに160カ所の設置を目指していたが、8月末時点でも目標に6カ所届いていない。
IEAは今月出した報告書で「水素は有望な低炭素の輸送燃料としてみられてきたが、輸送燃料の構成の1つとして定着するには難しい状況が続いている」と指摘した。
燃料インフラが十分に整備されたとしても、航続距離、販売価格、維持費などの面でガソリン車やEVと競争できる車両を製造する必要がある。トヨタは水素エンジン車の量産時期はまだ言える段階にないとしている。技術は前進しているものの、市販化するには品質や安全性などまだ確認すべきことが多いという。
香川県からレースを観戦しに訪れていた57歳の男性は、「選択肢がたくさんあることはいいと思う」と話す。「すべてEVになったら、その産業の多くが中国勢に占められてしまう」。
（Tim Kelly、白木真紀 編集：Gerry Doyle、Emelia Sithole-Matarise、久保信博）
负极突破主基调：研制更高比容低成本的材料
负极的格局相比正极的格局更加清晰，传统的石墨负极仍然是主流的应用产品。但是更高比 容负极的开发对于未来先进电池体系的推进仍然是有必要的，硅基负极、金属锂负极是研发 的热点。总体来说，负极的开发方向是低成本、高比容。
我们认为，碳材料无论是当下还是未来，仍然是重要的负极基体，在实现更高比容负极的过 渡阶段，碳材料的加入不仅能够起到提升导电性的作用，也是重要的承载物质。在中期的产 业应用上，硅基负极则具备较大的推广可能性，特斯拉的硅碳负极已经实现商用，但并非完 全的硅负极，为将硅的性能更完全的释放，仍然需要通过材料改性等手段持续开发；长期来 看，金属锂负极因高比容低电位而具有应用潜力，但是在动力领域所面临的困难需要较长时 间来解决，如锂枝晶带来的安全风险等，因此金属锂负极可能中短期在无人机等细分领域进 行推广商用，在渐进式的演进前提下，在车用动力领域预计还需 5-10 年的产业化过程。
负极当下格局：碳基是商用主流，钛酸锂因高安全应用于细分领域
负极是储锂的主体，其中碳材料是负极商业化应用中的首选与主流。锂二次电池负极材料在 充放电过程中实现锂离子的脱嵌，选用时遵循比容高、电势低、循环性能好、兼容性强、稳 定性好与价格低廉等原则。理论上，金属锂因低电势和高比容是理想的负极，但活性锂与锂 枝晶等带来的安全问题阻碍其发展。碳材料因价格低廉、为层状晶体带来较高比容量（LiC6 理论比容为 372mAh/g）、循环性及安全性好，取代金属锂作负极，推动锂二次电池商业化。
碳基材料种类繁多，当下负极材料中人造石墨和天然石墨是主流产品。若按照结构划分锂离 子电池碳材料，包括石墨、非石墨与掺杂型碳，石墨类又可分为天然石墨、人工石墨、中间 相碳微球等。天然石墨成本低、技术成熟度高，但首效较低、倍率性能较差，主要用于消费 类电池。人造石墨则一般采用致密的石油焦或针状焦作前驱体制成，避免天然石墨的表面缺 陷，首次效率与倍率性能提升，因此在动力领域份额不断扩大。据 GGII，2020 年中国锂电 池负极材料出货量 36.5 万吨，同比稳健增长，其中人造石墨占比 84%，份额逐年提升。
石墨类产品应用中存在缺陷，通过改性来提高产品性能。如天然石墨存在表面缺陷多、各向 异性容易析锂等问题：（1）针对其表面缺陷多、电解液耐受性差的问题，采用表面活性剂、 包覆等方式进行改性，提高部分性能；（2）针对其强烈各向异性的问题，工业生产中常采用 机械处理的手段对颗粒形貌进行球形化整形，处理后粒径 D50 范围 15~20μm，首效和循环 性能明显改善。人造石墨因各向异性导致倍率性能、低温性能差，充电易析锂的问题，其改 性不同于天然石墨，一般通过颗粒结构重组降低石墨晶粒取向度。
具备某方面突出性能优势的负极材料如钛酸锂，可满足特定需求，适合在部分细分领域应用。嵌锂碳材料因本身理化性质具有以下缺陷：（1）形成 SEI 膜，循环过程中造成 Li+损耗与碳 材料结构的破坏；（2）析出锂枝晶，增加安全隐患。在公共交通领域电动化进程中对安全性 的诉求落实到负极材料，需要负极电位稍正于碳、更加安全可靠。尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12） 因具备突出的安全性能优势，在公共交通领域有一定应用：
“零应变材料”，结构稳定。在循环过程中，锂离子逐渐嵌入，最终形成深蓝色的岩盐相 Li7Ti5O12，晶胞参数由 0.836nm 变为 0.837nm，体积变化小于 0.2%，“零应变”下材料 结构稳定，循环性好；
嵌锂电位高，不易引起锂枝晶。钛酸锂嵌锂电位为 1.55V，高于锂离子的还原电位，因 此不易产生锂枝晶，提升安全性；
不生成 SEI 膜，再次提高安全性。因高于电解液的分解电压而不会生成 SEI 膜，没有 SEI 膜被破坏脱落的隐患；
循环过程中锂离子扩散系数也高于碳负极体系，因此是具备高循环优安全的负极材料。
钛酸锂劣势明显，克容量低、倍率性能差、成本高等问题限制更大范围的使用。（1）材料理 论克容量 175mAh/g，电压平台较低，因此比能量较低；（2）导电性能差，导致其在大电流 放电条件下极化严重，容量衰减快，倍率性能差；（3）吸湿性强，导致高温产气严重，高温 循环性能差；（4）材料制备工艺复杂，成本高，电芯成本是相同能量 LFP 电池的 3 倍以上。
钛酸锂改性方法多样，但往往无法保持综合性能，有待更深入开发。（1）改善材料形貌尺寸， 如颗粒纳米化、球化、多孔化等，缩短锂离子进出路径，提高比容量，但易造成与电解液的反应而形成 SEI 膜；（2）金属掺杂后的改性材料导电性提高，但循环稳定性可能会降低；（3） 表面改性如碳包覆技术，可以提高电子电导率，但包覆后锂离子会在脱嵌过程中受到一定阻 碍。综合看，寻找合适的离子、适当的掺杂比例、改性技术的结合是未来工作的重点。
现有负极比容已接近上限，高比容潜力负极中硅基优势显著
高比能诉求下，现有商用负极难以满足需求，需要以更高比容的材料替代。（1）市场上的高 端石墨比容可达 360-365mAh/g，已接近理论上限，而钛酸锂等本身理论比容较小，因此均 难以满足更高比能的需求。（2）商业化负极尤其是碳负极材料，因嵌锂电位低，在循环过程 中可能会形成锂枝晶而引起电池短路。需针对问题开发更高比容的新型负极材料。
在众多可选的新型负极材料中，硅基材料是较具开发潜力的类型。高比容非碳负极包括锡基、 硅基、氧化物、过渡金属氮化物以及金属锂负极等。比较理化性质，硅基具备应用优势：（1） 按照理论比容排序，硅基负极可达 4200mAh/g，而其他负极大部分在 900mAh/g 左右；（2） Si 的嵌锂电位高于碳，析锂风险小；（3）Si 与普遍应用的电解液反应活性低，嵌锂过程中不 会引起溶剂分子与 Li+共嵌入的问题；（4）Si 是地壳中第二丰富元素，价格低廉。
硅基负极的规模应用需解决体积效应等关键问题：（1）巨大的体积变化带来材料的粉化与电 极的破坏。硅与锂的合金化反应使硅发生 1-3 倍的体积膨胀，材料产生裂纹直至粉化，带来 容量的快速衰减，较大的应力下影响结构稳定性，安全风险提高；（2）体积的变化使 SE I 膜 出现破裂与生成的交替，消耗活性物质与电解液，导致电池的内阻增加和容量的迅速衰减；（3）硅的导电性差，在高倍率下不利于电池容量的有效释放。
针对硅基负极的改性研究集中在解决体积效应、维持 SEI 膜稳定和提高首效三个方面。优化的方向包括：（1）硅源的改性研究。即通过制备纳米硅、多孔硅或合金硅的方式改善电化学 性能，但同时也会面临工艺的复杂性等问题；（2）制备复合材料。如制备结构稳定的硅碳负 极，提高导电性，增强机械强度。在开发过程中，碳源选择和结构设计是造成性能差异的关 键；（3）制备氧化亚硅（SiOx）材料。作为石墨与硅的折中方案（比容 1500mAh/g 左右）， 材料体积膨胀大大减小，循环性能提升，但首效较低也限制在全电池中的应用。
硅基负极产业化持续铺开，“硅基时代”临近
硅基负极研发集中度高，中国、日本、美国和韩国为主要申请国。统计 2000-2019 年 6 月与 锂离子电池硅基负极相关的专利数量，共计 28131 件，其中中国、日本、美国、韩国分列前 4 位。但日本、韩国和美国注重海外专利布局，中国申请人主要在国内进行专利布局。
日本申请人具有一定优势，中国申请数量大，但仍需进一步发展。统计前 100 名国际申请人 的国别，日本共有 35 家，且不同排名阶段的数量都占据绝对优势，主要有松下、索尼、日立 等。韩国则主要由三星和 LG 化学申请。中美分别有 23 家和 18 家申请人进入前 100 名。在 中国国内专利申请排名前 20 的申请人中，国外申请人依然占据较大比重，尤其是日本。中 国的企业中，比亚迪、贝特瑞、ATL 和万向集团进入前 20 名。
硅基负极产业化持续铺开，推动电池产品性能提升。特斯拉已将硅碳负极应用于 Model 3， 在人造石墨中加入 10%的硅，负极容量提升至 550mAh/g，单体能量密度达 300Wh/kg；日 本 GS 汤浅公司的硅基负极已成功应用在三菱汽车上。中国方面，宁德时代、国轩高科、万 向集团、比亚迪等正在加紧硅负极体系的研发和试生产。负极企业贝特瑞已实现硅碳负极量 产并为松下配套部分材料，杉杉股份、江西紫宸等具备小量试产能力。CATL 的高镍三元+硅 碳负极电芯比能达到 304Wh/kg，力神的 NCA+硅碳负极电芯也已达到 303Wh/kg。
产业化进程中，材料成本和生产工艺是两大制约因素。尽管硅基负极材料的性能在持续提高， 但在优化材料性能之外，还要考虑到制约产业化的其他因素：（1）材料成本：各家工艺差别较大，产品尚未达到标准化，导致价格较高。此外制备过程中常用到纳米硅粉，其生产对设 备要求高、能耗大，因此增加成本；（2）生产工艺：制备工艺较为复杂，有待成熟，并且所 匹配的主辅材对负极性能发挥影响大，相应的工艺也需要进行优化改善。
广汽应用新型硅负极材料，推动续航再上台阶。2020 年 7 月 28 日，广汽集团宣布采用新型 硅负极材料的方形硬壳电芯比能达到 275Wh/kg，将使电动车续航突破 1000km。2021 年 4 月 9 日的广汽科技日再次强调长续航技术将于 2021 年量产，采用海绵硅负极片电池技术使 电芯比能超过 280Wh/kg（未来提升至 315Wh/kg），同时解决硅材料膨胀问题。这将是全球 首次将新型硅负极材料应用到大型动力电池电芯产品，使硅材料的动力领域实用化更进一步。
来源：DT新材料新材料智库
负极的格局相比正极的格局更加清晰，传统的石墨负极仍然是主流的应用产品。但是更高比 容负极的开发对于未来先进电池体系的推进仍然是有必要的，硅基负极、金属锂负极是研发 的热点。总体来说，负极的开发方向是低成本、高比容。
我们认为，碳材料无论是当下还是未来，仍然是重要的负极基体，在实现更高比容负极的过 渡阶段，碳材料的加入不仅能够起到提升导电性的作用，也是重要的承载物质。在中期的产 业应用上，硅基负极则具备较大的推广可能性，特斯拉的硅碳负极已经实现商用，但并非完 全的硅负极，为将硅的性能更完全的释放，仍然需要通过材料改性等手段持续开发；长期来 看，金属锂负极因高比容低电位而具有应用潜力，但是在动力领域所面临的困难需要较长时 间来解决，如锂枝晶带来的安全风险等，因此金属锂负极可能中短期在无人机等细分领域进 行推广商用，在渐进式的演进前提下，在车用动力领域预计还需 5-10 年的产业化过程。
负极当下格局：碳基是商用主流，钛酸锂因高安全应用于细分领域
负极是储锂的主体，其中碳材料是负极商业化应用中的首选与主流。锂二次电池负极材料在 充放电过程中实现锂离子的脱嵌，选用时遵循比容高、电势低、循环性能好、兼容性强、稳 定性好与价格低廉等原则。理论上，金属锂因低电势和高比容是理想的负极，但活性锂与锂 枝晶等带来的安全问题阻碍其发展。碳材料因价格低廉、为层状晶体带来较高比容量（LiC6 理论比容为 372mAh/g）、循环性及安全性好，取代金属锂作负极，推动锂二次电池商业化。
碳基材料种类繁多，当下负极材料中人造石墨和天然石墨是主流产品。若按照结构划分锂离 子电池碳材料，包括石墨、非石墨与掺杂型碳，石墨类又可分为天然石墨、人工石墨、中间 相碳微球等。天然石墨成本低、技术成熟度高，但首效较低、倍率性能较差，主要用于消费 类电池。人造石墨则一般采用致密的石油焦或针状焦作前驱体制成，避免天然石墨的表面缺 陷，首次效率与倍率性能提升，因此在动力领域份额不断扩大。据 GGII，2020 年中国锂电 池负极材料出货量 36.5 万吨，同比稳健增长，其中人造石墨占比 84%，份额逐年提升。
石墨类产品应用中存在缺陷，通过改性来提高产品性能。如天然石墨存在表面缺陷多、各向 异性容易析锂等问题：（1）针对其表面缺陷多、电解液耐受性差的问题，采用表面活性剂、 包覆等方式进行改性，提高部分性能；（2）针对其强烈各向异性的问题，工业生产中常采用 机械处理的手段对颗粒形貌进行球形化整形，处理后粒径 D50 范围 15~20μm，首效和循环 性能明显改善。人造石墨因各向异性导致倍率性能、低温性能差，充电易析锂的问题，其改 性不同于天然石墨，一般通过颗粒结构重组降低石墨晶粒取向度。
具备某方面突出性能优势的负极材料如钛酸锂，可满足特定需求，适合在部分细分领域应用。嵌锂碳材料因本身理化性质具有以下缺陷：（1）形成 SEI 膜，循环过程中造成 Li+损耗与碳 材料结构的破坏；（2）析出锂枝晶，增加安全隐患。在公共交通领域电动化进程中对安全性 的诉求落实到负极材料，需要负极电位稍正于碳、更加安全可靠。尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12） 因具备突出的安全性能优势，在公共交通领域有一定应用：
“零应变材料”，结构稳定。在循环过程中，锂离子逐渐嵌入，最终形成深蓝色的岩盐相 Li7Ti5O12，晶胞参数由 0.836nm 变为 0.837nm，体积变化小于 0.2%，“零应变”下材料 结构稳定，循环性好；
嵌锂电位高，不易引起锂枝晶。钛酸锂嵌锂电位为 1.55V，高于锂离子的还原电位，因 此不易产生锂枝晶，提升安全性；
不生成 SEI 膜，再次提高安全性。因高于电解液的分解电压而不会生成 SEI 膜，没有 SEI 膜被破坏脱落的隐患；
循环过程中锂离子扩散系数也高于碳负极体系，因此是具备高循环优安全的负极材料。
钛酸锂劣势明显，克容量低、倍率性能差、成本高等问题限制更大范围的使用。（1）材料理 论克容量 175mAh/g，电压平台较低，因此比能量较低；（2）导电性能差，导致其在大电流 放电条件下极化严重，容量衰减快，倍率性能差；（3）吸湿性强，导致高温产气严重，高温 循环性能差；（4）材料制备工艺复杂，成本高，电芯成本是相同能量 LFP 电池的 3 倍以上。
钛酸锂改性方法多样，但往往无法保持综合性能，有待更深入开发。（1）改善材料形貌尺寸， 如颗粒纳米化、球化、多孔化等，缩短锂离子进出路径，提高比容量，但易造成与电解液的反应而形成 SEI 膜；（2）金属掺杂后的改性材料导电性提高，但循环稳定性可能会降低；（3） 表面改性如碳包覆技术，可以提高电子电导率，但包覆后锂离子会在脱嵌过程中受到一定阻 碍。综合看，寻找合适的离子、适当的掺杂比例、改性技术的结合是未来工作的重点。
现有负极比容已接近上限，高比容潜力负极中硅基优势显著
高比能诉求下，现有商用负极难以满足需求，需要以更高比容的材料替代。（1）市场上的高 端石墨比容可达 360-365mAh/g，已接近理论上限，而钛酸锂等本身理论比容较小，因此均 难以满足更高比能的需求。（2）商业化负极尤其是碳负极材料，因嵌锂电位低，在循环过程 中可能会形成锂枝晶而引起电池短路。需针对问题开发更高比容的新型负极材料。
在众多可选的新型负极材料中，硅基材料是较具开发潜力的类型。高比容非碳负极包括锡基、 硅基、氧化物、过渡金属氮化物以及金属锂负极等。比较理化性质，硅基具备应用优势：（1） 按照理论比容排序，硅基负极可达 4200mAh/g，而其他负极大部分在 900mAh/g 左右；（2） Si 的嵌锂电位高于碳，析锂风险小；（3）Si 与普遍应用的电解液反应活性低，嵌锂过程中不 会引起溶剂分子与 Li+共嵌入的问题；（4）Si 是地壳中第二丰富元素，价格低廉。
硅基负极的规模应用需解决体积效应等关键问题：（1）巨大的体积变化带来材料的粉化与电 极的破坏。硅与锂的合金化反应使硅发生 1-3 倍的体积膨胀，材料产生裂纹直至粉化，带来 容量的快速衰减，较大的应力下影响结构稳定性，安全风险提高；（2）体积的变化使 SE I 膜 出现破裂与生成的交替，消耗活性物质与电解液，导致电池的内阻增加和容量的迅速衰减；（3）硅的导电性差，在高倍率下不利于电池容量的有效释放。
针对硅基负极的改性研究集中在解决体积效应、维持 SEI 膜稳定和提高首效三个方面。优化的方向包括：（1）硅源的改性研究。即通过制备纳米硅、多孔硅或合金硅的方式改善电化学 性能，但同时也会面临工艺的复杂性等问题；（2）制备复合材料。如制备结构稳定的硅碳负 极，提高导电性，增强机械强度。在开发过程中，碳源选择和结构设计是造成性能差异的关 键；（3）制备氧化亚硅（SiOx）材料。作为石墨与硅的折中方案（比容 1500mAh/g 左右）， 材料体积膨胀大大减小，循环性能提升，但首效较低也限制在全电池中的应用。
硅基负极产业化持续铺开，“硅基时代”临近
硅基负极研发集中度高，中国、日本、美国和韩国为主要申请国。统计 2000-2019 年 6 月与 锂离子电池硅基负极相关的专利数量，共计 28131 件，其中中国、日本、美国、韩国分列前 4 位。但日本、韩国和美国注重海外专利布局，中国申请人主要在国内进行专利布局。
日本申请人具有一定优势，中国申请数量大，但仍需进一步发展。统计前 100 名国际申请人 的国别，日本共有 35 家，且不同排名阶段的数量都占据绝对优势，主要有松下、索尼、日立 等。韩国则主要由三星和 LG 化学申请。中美分别有 23 家和 18 家申请人进入前 100 名。在 中国国内专利申请排名前 20 的申请人中，国外申请人依然占据较大比重，尤其是日本。中 国的企业中，比亚迪、贝特瑞、ATL 和万向集团进入前 20 名。
硅基负极产业化持续铺开，推动电池产品性能提升。特斯拉已将硅碳负极应用于 Model 3， 在人造石墨中加入 10%的硅，负极容量提升至 550mAh/g，单体能量密度达 300Wh/kg；日 本 GS 汤浅公司的硅基负极已成功应用在三菱汽车上。中国方面，宁德时代、国轩高科、万 向集团、比亚迪等正在加紧硅负极体系的研发和试生产。负极企业贝特瑞已实现硅碳负极量 产并为松下配套部分材料，杉杉股份、江西紫宸等具备小量试产能力。CATL 的高镍三元+硅 碳负极电芯比能达到 304Wh/kg，力神的 NCA+硅碳负极电芯也已达到 303Wh/kg。
产业化进程中，材料成本和生产工艺是两大制约因素。尽管硅基负极材料的性能在持续提高， 但在优化材料性能之外，还要考虑到制约产业化的其他因素：（1）材料成本：各家工艺差别较大，产品尚未达到标准化，导致价格较高。此外制备过程中常用到纳米硅粉，其生产对设 备要求高、能耗大，因此增加成本；（2）生产工艺：制备工艺较为复杂，有待成熟，并且所 匹配的主辅材对负极性能发挥影响大，相应的工艺也需要进行优化改善。
广汽应用新型硅负极材料，推动续航再上台阶。2020 年 7 月 28 日，广汽集团宣布采用新型 硅负极材料的方形硬壳电芯比能达到 275Wh/kg，将使电动车续航突破 1000km。2021 年 4 月 9 日的广汽科技日再次强调长续航技术将于 2021 年量产，采用海绵硅负极片电池技术使 电芯比能超过 280Wh/kg（未来提升至 315Wh/kg），同时解决硅材料膨胀问题。这将是全球 首次将新型硅负极材料应用到大型动力电池电芯产品，使硅材料的动力领域实用化更进一步。
来源：DT新材料新材料智库
【科技+智造 双翼助力青啤再腾飞】11月5日，青岛啤酒科技研发中心 （国家重点实验室新基地）开工仪式在青岛蓝谷举行，青岛啤酒智慧产业园120万千升扩建项目开工仪式在青岛平度举行。青岛啤酒两个项目同一天启动，“科技”与“智造”两翼齐飞，助力青啤高质量发展再上新台阶。不久的将来，我们会看到，一座集国际学术交流、国际酿造饮料创新、人才培训、消费者测试、科技展示于一体的科技研发中心及国家重点实验室新基地，将在青岛蓝谷落成；而随着120万千升扩建项目启动、新增国际一流生产线等，青岛啤酒智慧产业园将成为国内单体工厂产业链条更全、单体规模更大、智能化水平更高的啤酒生产基地。
青岛啤酒科技研发中心 （国家重点实验室新基地）项目是依托中国酿酒行业唯一的啤酒生物发酵工程国家重点实验室，面向全球，对标世界一流，与国际知名研究院所协同打造多家联合实验室，达到国际先进水平。项目建成后将成为具有国际影响力的啤酒酿造技术研究新高地、高层次国际化啤酒酿造人才培养新高地、多学科啤酒酿造国际学术交流新高地、全球啤酒文化传播及消费者体验新高地。
11月5日，记者在开工现场看到，中心收到了来自世界各国酿造领域的高校研究机构、重点实验室的贺信，他们纷纷肯定了青岛啤酒科技研发中心作为中国酿酒技术创新的重要力量，为全面提升中国生物发酵工业的国际竞争力作出了突出贡献，同时祝福青岛啤酒科技研发中心新基地成功开工，在新的起点上取得更大的辉煌，为中国科技事业发展作出更大的贡献。
近年来，青岛啤酒新产品的上市数量、销售收入和市场占有率均居行业首位。凭借科技创新和啤酒前沿技术的研究，青岛啤酒科技创新转换为产品创新的落地速度不断加快，不仅打造出自身高质量发展的有力引擎，也为传统酿造行业插上了科技变革的翅膀。率先发力产品高端化，推出百年之旅、琥珀拉格等艺术酿造新品，成功引领中国啤酒行业的超高端发展和结构升级，为行业打开了向上空间。
科技创新能力是国家竞争力的核心，也是企业竞争力的源泉。采访中，记者了解到，毕业于北京大学的秦青青和德国不来梅大学的张欣作为博士后，不约而同地选择来到青岛啤酒继续自己喜爱的科研事业。这个让许多博士后们看重的科研平台，硬实力和软实力正在不断升级迭代。
“在这样一个消费日新月异、产品快速迭代的时代，青岛啤酒的科研成果转化能力非常强，拥有多元化口感和高端化产品的科研引领能力。”取得了北京大学硕士和博士学位的90后秦青青在工作岗位上有着深切体会，近年来青岛啤酒中高端产品增速迅猛，进一步引领消费者对于产品的高端化、时尚化、个性化需求，也助推了青岛啤酒的高质量发展，企业背后强大的科技研发实力发挥了巨大的作用。
打好 “科技王牌”，擦亮 “金字招牌”。在科技创新上，依托行业唯一的国家重点实验室，青岛啤酒科技研发中心先后承担了国家、省市级科技研发项目20余项；国内首次拉格酵母全基因组测序，达到国际领先水平；构建啤酒风味稳定性综合评价体系及保鲜技术，支持产品远销全球100多个国家……而当前随着研发中心等项目在青岛蓝谷的聚焦聚集，也将为青岛市和蓝谷的高质量发展注入强劲动力。
百年青啤以科技创新为着力点，优化科技资源配置，建设创新体系，从而优化青岛啤酒及产业链上下游的科技创新生态，激发创新创造活力。
进入11月，青岛啤酒智慧产业园里的啤酒瓶装生产线仍然是满负荷生产。“虽然暑热早过，但我们的生产没有淡旺季。”青岛啤酒三厂生产部部长盛贤斌介绍，截至10月31日，青岛啤酒三厂销量同比增幅33.8%，提前61天完成了全年的产销计划。
据了解，伴随着市场需求的大幅增加，青岛啤酒三厂满产运转，但仍有产能缺口。随着青岛啤酒智慧产业园120万千升扩建项目启动，新增国际一流的生产线，新添糖化、发酵等基础设施以及光伏发电、智能化无人仓库等系列项目，这些都将大幅提高工厂的智能化水平。
同时此次扩产，不仅实现了规模扩张，青岛啤酒还积极补链、延链、强链，配套了原料生产、包装材料、物流仓储、商贸流通、时尚文旅等多业态，加快了产业要素的集聚，助力啤酒产业集群快速崛起。青岛啤酒智慧产业园建成后，将成为国内单体工厂产业链条更全、单体规模更大、智能化水平更高的啤酒生产基地。
行棋观大势，落子谋全局。如何下好以科技资源集聚、高端智能制造发展新动能的关键一步棋，青岛啤酒科技研发中心项目落户青岛蓝谷、青岛啤酒智慧产业园建设，当属下活这盘高质量发展棋局的关键一招。更是积极布局国家重点实验室新基地，提升企业技术创新能力，推动产业规模化、集群化、园区化，打造产业集群快速崛起，推进创新链和产业链深度融合的重要一极。
对百年青啤而言，创新不是某个领域的单兵突进，而是整体性跨越。通过科技、产品、模式、管理等全方位、系统性创新，助推青岛啤酒经营业绩屡创历史新高，今年前三季度收入、利润在连续三年高速增长的基础上，再次双创历史新高。
采访结束时，青啤集团党委书记、董事长黄克兴表示：“科技创新与高端智造是青啤推动技术与产业融合的深度实践，是数字经济与传统产业融合发展的深度实践，科技与智造将两翼助飞百年青啤高质量发展再越新高峰，为美好生活创造更多快乐，为经济社会发展贡献更多青啤力量。 ”
本版撰稿摄影 观海新闻/青岛早报记者 杨健
青岛啤酒科技研发中心 （国家重点实验室新基地）项目是依托中国酿酒行业唯一的啤酒生物发酵工程国家重点实验室，面向全球，对标世界一流，与国际知名研究院所协同打造多家联合实验室，达到国际先进水平。项目建成后将成为具有国际影响力的啤酒酿造技术研究新高地、高层次国际化啤酒酿造人才培养新高地、多学科啤酒酿造国际学术交流新高地、全球啤酒文化传播及消费者体验新高地。
11月5日，记者在开工现场看到，中心收到了来自世界各国酿造领域的高校研究机构、重点实验室的贺信，他们纷纷肯定了青岛啤酒科技研发中心作为中国酿酒技术创新的重要力量，为全面提升中国生物发酵工业的国际竞争力作出了突出贡献，同时祝福青岛啤酒科技研发中心新基地成功开工，在新的起点上取得更大的辉煌，为中国科技事业发展作出更大的贡献。
近年来，青岛啤酒新产品的上市数量、销售收入和市场占有率均居行业首位。凭借科技创新和啤酒前沿技术的研究，青岛啤酒科技创新转换为产品创新的落地速度不断加快，不仅打造出自身高质量发展的有力引擎，也为传统酿造行业插上了科技变革的翅膀。率先发力产品高端化，推出百年之旅、琥珀拉格等艺术酿造新品，成功引领中国啤酒行业的超高端发展和结构升级，为行业打开了向上空间。
科技创新能力是国家竞争力的核心，也是企业竞争力的源泉。采访中，记者了解到，毕业于北京大学的秦青青和德国不来梅大学的张欣作为博士后，不约而同地选择来到青岛啤酒继续自己喜爱的科研事业。这个让许多博士后们看重的科研平台，硬实力和软实力正在不断升级迭代。
“在这样一个消费日新月异、产品快速迭代的时代，青岛啤酒的科研成果转化能力非常强，拥有多元化口感和高端化产品的科研引领能力。”取得了北京大学硕士和博士学位的90后秦青青在工作岗位上有着深切体会，近年来青岛啤酒中高端产品增速迅猛，进一步引领消费者对于产品的高端化、时尚化、个性化需求，也助推了青岛啤酒的高质量发展，企业背后强大的科技研发实力发挥了巨大的作用。
打好 “科技王牌”，擦亮 “金字招牌”。在科技创新上，依托行业唯一的国家重点实验室，青岛啤酒科技研发中心先后承担了国家、省市级科技研发项目20余项；国内首次拉格酵母全基因组测序，达到国际领先水平；构建啤酒风味稳定性综合评价体系及保鲜技术，支持产品远销全球100多个国家……而当前随着研发中心等项目在青岛蓝谷的聚焦聚集，也将为青岛市和蓝谷的高质量发展注入强劲动力。
百年青啤以科技创新为着力点，优化科技资源配置，建设创新体系，从而优化青岛啤酒及产业链上下游的科技创新生态，激发创新创造活力。
进入11月，青岛啤酒智慧产业园里的啤酒瓶装生产线仍然是满负荷生产。“虽然暑热早过，但我们的生产没有淡旺季。”青岛啤酒三厂生产部部长盛贤斌介绍，截至10月31日，青岛啤酒三厂销量同比增幅33.8%，提前61天完成了全年的产销计划。
据了解，伴随着市场需求的大幅增加，青岛啤酒三厂满产运转，但仍有产能缺口。随着青岛啤酒智慧产业园120万千升扩建项目启动，新增国际一流的生产线，新添糖化、发酵等基础设施以及光伏发电、智能化无人仓库等系列项目，这些都将大幅提高工厂的智能化水平。
同时此次扩产，不仅实现了规模扩张，青岛啤酒还积极补链、延链、强链，配套了原料生产、包装材料、物流仓储、商贸流通、时尚文旅等多业态，加快了产业要素的集聚，助力啤酒产业集群快速崛起。青岛啤酒智慧产业园建成后，将成为国内单体工厂产业链条更全、单体规模更大、智能化水平更高的啤酒生产基地。
行棋观大势，落子谋全局。如何下好以科技资源集聚、高端智能制造发展新动能的关键一步棋，青岛啤酒科技研发中心项目落户青岛蓝谷、青岛啤酒智慧产业园建设，当属下活这盘高质量发展棋局的关键一招。更是积极布局国家重点实验室新基地，提升企业技术创新能力，推动产业规模化、集群化、园区化，打造产业集群快速崛起，推进创新链和产业链深度融合的重要一极。
对百年青啤而言，创新不是某个领域的单兵突进，而是整体性跨越。通过科技、产品、模式、管理等全方位、系统性创新，助推青岛啤酒经营业绩屡创历史新高，今年前三季度收入、利润在连续三年高速增长的基础上，再次双创历史新高。
采访结束时，青啤集团党委书记、董事长黄克兴表示：“科技创新与高端智造是青啤推动技术与产业融合的深度实践，是数字经济与传统产业融合发展的深度实践，科技与智造将两翼助飞百年青啤高质量发展再越新高峰，为美好生活创造更多快乐，为经济社会发展贡献更多青啤力量。 ”
本版撰稿摄影 观海新闻/青岛早报记者 杨健
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