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一、蛛絲馬跡，矽納米線和鋰電池
1、矽納米線負極或進入特斯拉視野
8 月 25 日，馬斯克在社交媒體上發文稱，「批量生產能量密度超過 400 瓦時每千克（Wh / kg）的高壽命電 池並不遙遠，大概需要 3 到 4 年。」不鑑別該電池的技術可實現性，僅就單體能量密度而言，該電池的性能超過 現有動力電池 50%以上，加之距量產時間不遠，概念前景誘人。
電動星球 News 進一步分析認為，上述路徑的實現有賴於矽納米線（根據對鋰電壓理論及實際研究情況， 應用於負極）的商用，信息指向電池前沿科技公司 Amprius；特斯拉電池日的宣傳圖片即可能是矽納米線。
2、Amprius，背景與願景
Amprius 的創始人是就職於史丹福大學的 Y. Cui（崔屹）教授，著名華人納米材料科學家。
Amprius 認為，矽負極納米線負極可能將電池單體的能量密度提升至 400Wh/kg、1100Wh/L 的水平。
鑑於納米線本身屬於一大類低維材料，Amprius 又和 Y. Cui 教授強關聯，從 Y. Cui 教授團隊的直接研究成 果/研究綜述中，從 Amprius 的專利中分析以矽為代表的納米線在鋰電領域的前景，就顯得順理成章。
二、納米線-低維材料，智慧之鏈
1、納米線，從低維本質出發
Y. Cui 教授團隊 2019 年在期刊 Chemical Reviews 上發表綜述論文 Nanowires for Electrochemical Energy Storage，系統闡述了納米線在電化學儲能方面的應用（G. Zhou, L. Xu, G. Hu, L. Mai, and Y. Cui, "Nanowires for Electrochemical Energy Storage" Chemical Reviews (2019) DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00326）。而 2019 年之後，團 隊在鋰電池方面的研究多為鋰金屬電池、鋰硫電池等內容。所以我們認為，該綜述有效反映了 Y. Cui 教授團隊 及其同業在納米線電化學儲能方面的突出工作，適合用於分析以矽為代表的納米線在鋰電領域的前景。
研究者歸納，和體材料相比，納米材料具備獨特的電、光、熱、磁、電化學和機械性能，其廣闊的應用前 景也基於此。在納米材料中，一維材料包括納米線、納米管、納米纖維、納米帶、納米棒等，已經在發光二極 管、雷射、場發射、光伏電池、熱電、納米發電機、儲能等諸多領域取得了研究進展。
研究者認為，納米線在電化學儲能方面具備相當前景，主要原因是：其具備很高的表面積-體積比形成電極 和電解質的活性表面；沿納米線方向可以形成有效的電子輸運通道；可以形成有效的離子輸運通道；可以有效 應對電化學循環過程中的材料體積變化；可以探索構建無粘接劑、自支撐柔性電極體系；適合探索電化學反應 機理；適合作為基體構建其他複雜結構等。
研究者同時認為，納米線的電化學儲能應用挑戰也相當明顯：其高比表面積的負面作用是界面反應也得到 了促進，降低了庫倫效率和循環壽命；充放過程中易團聚，提高了內部阻抗，降低了電極容量；壓實密度低， 體積能量密度低；保持產品均勻一致性的合成手段複雜，大規模低成本合成仍需要探索等。
2、如何合成與表徵？集智撥動琴弦
納米線的合成原則與其物理特徵對應，需要原子沿一維方向生長。研究者歸納，這種生長方式分「自髮型」 和「空間限制型」兩類。自髮型用於釩、鈦、鉬、銻等體系，而其他更多的體系需要通過不同的空間限制手段 獲取較好的合成效果。
研究者還指出，部分單一物相納米線並不能體現出令人滿意的效果，所以還需要使用其他手段加以改性。 具體的方式包括單步/多步摻雜/構建層級結構等。
納米線的合成手段包括溼化學法、幹化學法、物理法三大類。
溼化學法具體包括水熱/溶劑熱、溶膠-凝膠、共沉澱、電化學沉積、靜電紡絲等合成方法。其中，水熱法成 本低廉，能耗低，技術複雜度低；溶膠-凝膠法容易控制材料的結構和功能；共沉澱法技術複雜度低、成本低廉、 可量產性好（對複雜體系或許引入一定不均勻性）；電化學沉積需要基底，應用相對受限；靜電紡絲在製備前驅體溶液、紡絲與燒結三個環節方面都有調整餘地，但是過程複雜。
幹化學法具體包括高溫固相法、化學氣相沉積法。前者成本優勢極其明顯，但高變溫速率下的相變和形態 變化通常難以規避，所以只適用於熱力學穩定的納米線體系；後者用於製備多種納米線（含矽系納米線），但是 需要高溫，對安全要求也高，成本和規模等實際不及上述幾種同樣適合於製備體材料的方法。
物理法專指物理氣相沉積，可精確引入所需的氣相原子、分子或離子並加以沉積，產品性能和均勻性等較 出色。但是氣相沉積的共同問題是反應速率不快，大規模製備的效率相比之下不高。
納米線的表徵手段除各類形貌、物相、成分表徵的常規方法外，還有一系列原位表徵手段：原位 X 射線吸 收譜、原位 X 射線衍射、原位拉曼、原位掃描電鏡、原位透射電鏡等。
三、納米線鋰電池 CP：負極、正極理論功力何如
1、納米線形貌鋰電池電極，逐步聚焦
研究者認為，當前基於插層式反應的鋰電池電極材料已接近其容量極限，但是離滿足未來應用的需求仍然有較大差距。無論電動工具、新能源汽車還是智能電網，對鋰電池的需求都最終指向大容量電極材料的開發和 應用，以構建高能量密度、高功率密度、長循環壽命的電池儲能系統。
研究者同時認為，和塊體材料相比，應用於鋰電池的納米線電極材料具有突出的優勢：對循環過程中的電 極體積變化具有高容忍度，能夠更大程度上避免電極結構受損；比表面積大，有利於電解液和電極的有效接觸， 縮短充放電時間閾值；縮短電子輸運、離子擴散距離，提升電池容量和倍率；協助實現其他功能，如無集流體、 自支撐等。
研究者最後歸納，納米線在電池中的應用包括負極、正極材料，也包括柔性電極、隔膜/固體電解質。
2、納米線鋰電極：矽基材料領銜負極，正極多體系爭雄
納米線鋰電負極的重頭戲是矽基納米線。
矽材料的理論比容量很高（高溫下形成 Li22Si5，對應容量 4200 mAh/g；室溫下形成 Li15Si4，對應容量 3579 mAh/g，遠高於石墨的 372mAh/g；如比較體積能量密度，則石墨為 837mAh/cm3，Li15Si4 為 9786mAh/cm3），脫 鋰電壓和其他負極材料相比也較低，僅略高於石墨，所以矽基材料有望成為高能量密度鋰電池的配套負極材料。 在體現了優異容量同時，矽負極材料的電導相對較低；在嵌鋰過程中也表現出了非常明顯的本徵體積變化（如 單質矽約 300%，氧化亞矽約 120%，遠高於石墨的幾個百分點），影響循環壽命；和商用石墨負極常規循環過程 中形成的 SEI 膜具備的緻密、薄、規整的特徵不同，矽單質形成的 SEI 膜疏鬆、厚、不均勻、阻抗高，阻礙鋰 離子擴散。而且，矽單質表面的 SEI 膜會在循環過程中多次脫落、再生成、沉積，消耗活性矽與材料體系中的 鋰，嚴重劣化電池性能。上述缺點阻礙了矽負極材料的規模化應用。
這時，矽納米線體現出了若干理論優勢：具備離子、電子通路；適應嵌鋰前後的體積變化；利於電解液滲 透和儲存；具備較高活性物質利用率。研究者還指出，CVD 是最廣泛的矽納米線製備方法。
早在 2008-2009 年，學界即有一系列對矽碳複合（碳包覆矽「芯-殼」結構）納米線的相關研究：從循環形 貌看，納米線的「變粗」優於薄膜及納米粒子；從初始狀態開始循環，雖然首效損失同樣明顯，但是矽碳複合 納米線在 C/20 倍率下的容量保持遠好於納米粒子；0.8C 倍率下 100 次循環，保持了高庫倫效率；高倍率條件下 容量雖然有損失，但是紐扣電池還是體現了較好的容量-電壓特性等。
不限於和現有體系搭配，鋰箔-矽納米線負極和硫正極搭配形成電池也有有關研究。該電池的容量、循環均 不及人意。
除矽之外，鍺、錫等第四主族元素也體現了相當程度的儲鋰能力。當然，其循環壽命、容量、成本等方面 和矽基材料相比有所不如；金屬氧化物、磷化物負極也有相關的研究。以高比容量，且循環壽命達到 100 次為限，有關研究的實際效果歸納於下表。
正極領域的納米線材料體系包括常規的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰，也包括尖晶石錳酸鋰、釩氧化物等。
和矽系納米線相對較短的壽命相比，磷酸鐵鋰納米線實際壽命毋庸置疑，磷酸釩鋰、釩酸鋰的循環壽命都 較長。但是釩價格昂貴，用作規模化儲能元素實際意義有限。
研究者在文章最後總結了納米線電極材料面臨的主要挑戰即後續工作：工業生產納米線困難仍然較大，而 且具有複雜結構的納米線生產成本很高（大規模、低成本、性能出色、結構可控或組成了納米線量產的「權衡 多邊形」-分析師注）；仍然需要精確控制納米線形狀、尺寸的途徑；仍需要進一步研究複雜結構納米線；納米 線電極和電解液的界面問題以及界面保護還需要研究。
最終，研究者認為，在多種理化合成與表徵手段加持之下，存在以納米線構建實用的電化學儲能系統的機 會。
四、一半海水一半火焰：現實和理想之間
1、回歸產品與當前技術水平，Amprius 和矽納米線願景距離多遠
從納米線電化學儲能的學術理想回歸現實，我們注意到 Amprius 中國官網給出了其現有矽基負極的性能， 450-500mAh/g（和我國公司貝特瑞的產品性能相近，但是未給出量產信息）；同時給出了其長期願景，1000mAh/g。
如官網信息為真，Amprius 用於 iphone 6plus 的電池性能高於原電，且低溫性能優勢明顯。但 iphone 已處於 5G 時代，更大的電耗並未驅使蘋果大規模應用其電池。
那麼，矽負極納米線的性能究竟可以實現到什麼程度，我們還需要適度分析 Amprius 的有關專利。
經專利匯檢索，Amprius 全球的各類已公開專利共 140 項（美國 62 項，世界智慧財產權組織 32 項，歐盟 24 項，中國臺灣 16 項，以色列 5 項，韓國 1 項）。
Amprius 的專利主要集中在電池相關領域。
具體而言，Amprius 的幾項近期專利可以較好地代表其研發成果。
專利 US20190088939A1、US10707484B2 等（均申請於 2018 年，分別公開於 2019 年和 2020 年）闡述了在 納米線模板上以不同化學氣相沉積方式包覆矽獲得高容量負極的方法。
研究者描述，該負極包括基底、模板、相對低密度第一矽層（幾十微米厚）、相對高密度第二矽層（不足 1 微米厚）。矽層的生長方式包括離子束增強化學氣相沉積（PECVD）、熱化學氣相沉積（TCVD）兩種。
相比於分別採用，兩者結合的效果最好，首效提升、循環過程中的衰減也降低：300 次循環後，負極容量 還有約 1200mAh/g。但是，容量隨循環次數增加的衰減幅度增加較快。
換算成容量保持率（不考慮首效）再進行性能比較，最佳樣品的 80%容量保持率對應循環壽命超過 250 次。
研究者也表示，可以在矽層外再包覆金屬氧化物保護層。但是未給出實際效果。
專利 US20180090755A1（申請於 2017 年，公開於 2018 年）闡述了高活性物質載量電極的基本構想：電極 結構包含多層，首層從基體上形成，密度、厚度可控；其他層在首層上形成，具有特殊的表面、厚度、孔隙率 等理化參數。最終，高容量活性材料包覆上述層狀結構（形成電極）。各類沉積的手段包括化學氣相沉積、物理 氣相沉積、電鍍、溶液沉澱等。
專利有限的細節最後，是一組未知電極成分（從「各種各樣」的矽基材料中選出）和工藝（相對細節較多的描述仍是 CVD 方法，推測工藝也還是 CVD）的容量-循環曲線。專利顯示，在 160 次循環之後，負極容量仍 有 1000mAh/g 以上，而且庫倫效率高達 99.1%。專利也給出了若干納米線形貌及示意圖片，但未搭配比例尺。
在稍早一些的專利 US9692056B1 中，Amorius 給出了數據詳盡度略高的部分結果。納米線通過模板法-化學 氣相沉積-模板去除獲得，而集流體通過氣相沉積/液相沉積獲得。
該專利給出的半電池性能相比之下較高：循環壽命達到 500 次，衰減不明顯；C/20 倍率下容量 1400mAh/g，C/2 倍率下容量 1050mAh/g
考慮到矽基負極材料較低的首效，Amprius 也研究了部分補鋰的方法。如預鋰化的矽氧化物粒子等。
總體而言，Amprius 專利實際數據相對不算詳實。如果和同樣加持了特斯拉「光環」的若干研究成果相比：
Dahn 團隊在長壽命電解液的研究論文中給出了全電池相關的性能。雖然電池容量在 1Ah 以內，還要面臨單 體容量擴大、生產工藝匹配優化、整車不同成熟度樣品測試的考驗。
在不同正極材料壽命比較的研究工作中，給出了正負極容量退降的對應關係。
對於前瞻性非常強的「無負極」鋰電池，給出了不同條件（電解液濃度、外壓、循環溫度等）下電池容量的變化，以及和常規鋰離子電池的性能對比。
Maxwell 的幹法電極相關專利數據詳實程度略差，高鎳三元全電池循環性能的缺失讓研究報告作者耿耿至 今，但畢竟給出了 NMC111 樣品的循環-容量關係：
也給出了 NMC622 樣品的多組充放倍率-容量關係，促使我們思考幹法工藝-電極不均勻性-電池倍率性能之 間的邏輯聯繫：
我們毫不懷疑 Y. Cui 教授團隊的專業性，也不懷疑納米線領域諸多研究團隊的聰明才智，同樣不懷疑 Amprius 的進取心。那麼，我們估計，全電池數據的相對匱乏，最大的可能性是因為矽納米線電極研究工作實 際所處的階段更早期，從電極材料到電池單體的門檻非常高。那麼，獲得實驗室級別的高性能電池單體再到工 程化、商業化，極大概率也是漫長而複雜的過程。
2、憧憬如果成真，400Wh/kg 我們還需要什麼
Amprius 的預期是將矽負極容量提升到 1000mAh/g 以上，學術研究及 Amprius 自己的專利在相當程度上可 以認為支持這一基本假設。那麼我們來分析，在負極容量達到 1000mAh/g（在已經考慮了首效和循環壽命的條 件下，這個基本假設比較理想）的條件下，我們需要如何實現 400Wh/kg 的電池單體（軟包單體）質量能量密 度。
首先，如前所述，將負極容量提升至 1000mAh/g。此時電池質量能量密度達到 334Wh/kg。
其次，按照 Amprius 路線，將標準工作電壓提升至 4.35V。事實上這需要對正極、電解液乃至整個體系繼 續進行大幅改良。此時電池質量能量密度達到 382Wh/kg，距離 400Wh/kg 仍有 5%差距。
對 5%差距的彌補，理論上可以通過進一步提升正極容量（至 198mAh/g）、進一步提升電壓（至 4.55V）、 進一步提升負極容量（至 2003mAh/g）、進一步降低非活性物質質量百分比（減少 10%以上）等手段實現。
如我們所知，在石墨負極相對成熟度較高的條件下，僅高鎳三元正極的規模化應用歷時就不止 3-4 年，而 獲得量產 400Wh/kg 能量密度電池所需的科學、技術與工程問題答案，其難度要遠高於研發、生產高鎳三元正極。再考慮到專利中應用的各類模板與模板去除、氣相沉積/原子層沉積等手段，該類型電池具備基礎經濟性的 路徑同樣漫長。綜上可以看出，馬斯克所希望的，「批量生產能量密度超過 400 瓦時每千克（Wh / kg）的高壽 命電池並不遙遠，大概需要 3 到 4 年，」是一個非常樂觀的估計。當然，這也和馬斯克的一貫風格相當契合。
3、靈感、汗水，還有運氣：再回首，心依舊
新能源汽車和傳統燃油汽車相比，三電系統、電子電氣架構等具備足夠實力佔據明顯優勢，但電池相比於 油箱性能還有所不如；智慧型手機邁入 5G 時代，加之更大尺寸、高刷新率屏幕使用體驗更佳，電耗增長明顯； 儲能電站面對多種需求都有顯著的技術作用並可發揮社會效益，但是經濟性尚不盡如人意——一切都指向更高 性能、更低成本（至少是和需求相匹配的性能、成本）的電池，如果我們不安於現狀的話。
多場景對高性能、低成本電池的需求是確定的，但是對需求的滿足節奏則是難於量化、給出明確時間表的。 有的事情我們可以確定：鋰電替代鉛酸，是名副其實的「顛覆」、「革命」；同等程度的「顛覆」、「革命」要真正 意義上再發生一次，所需的時間、智慧、人力物力財力都是難以估計的，我們甚至連發生的可能性如何都不能 給出確定的答案。漸進式的更新速度方面，自商業化產品誕生以來，以能量密度計算，鋰離子電池性能的「年 化增幅」僅約 3%，遠遠趕不上儲存信息的介質，如硬碟，對應性能的「年化增幅」。
雖然如此，在電池領域仍有眾多的奮進者，直面各種未知，為載流子，為正極、負極、電解質的底層體系 搭建，理化行為的分析進行原創性的工作。我們粗識這些的艱辛與複雜，同時仍願意心懷不滅的希望，努力講 述那些有幸被看到的，誕生於靈感、汗水和一部分運氣之中的探索的故事。
我們同時也略懂電池從象牙塔中的鍊金實驗室，一步步走向尋常大眾的「超級零部件」的特殊處境。和可 選消費品整車不同——購買整車的催化劑，也許只需要偶像一個的眼神，觸動內心的笑容；和極其前瞻的腦機 接口不同——可以直接感受的進步就會引發尖叫與喝彩；和籌備中的火星之旅不同——近了又近了本身就可以 收穫掌聲；和自動駕駛晶片設計也不同——消費者對它的實際效果顯然更寬容。以鋰離子電池為代表的電池已 經經歷科學的考驗，經歷規模化的考驗，經歷時間的考驗，經歷複雜工況的考驗，經歷成本的考驗，走入千家 萬戶；試圖採用新體系的電池同樣需要經歷這一切，在漫長的考驗通過後才可以真正成為文明的一部分。所以， 同時也請允許我們在講述各種激動人心的探索故事的同時保持謹慎和淡然。
能源革命的中樞，其關鍵養分來源於電池產業鏈，不論這個革命的進程是順風順水，還是充滿曲折。請珍 視電池產業鏈的「中國製造」乃至「中國創造」。這些「中國元素」提升我們在全球範圍內的地位，也在拓展文 明的邊界，豐富物質的產出。請珍視核心標的公司們的努力與它們蘊含的價值。
最後，我們覺得，真正意義的原始創新，而不只是「從 1 到 10」或者「從 10 到 100」級別的技術、工程、 商業創新，除了可能自象牙塔濫觴以外，同樣可能在核心標的們不懈的奮鬥之下，悄然誕生。
投資評價和建議 （詳見報告原文）
矽納米線快速顯著提升電池性能的可能性很小，但是我們可以從創新驅動出發，建議投資者關注在相關領 域持續進行研發投入、技術實力出色的有關標的。我們同樣建議關注以質優價廉的輔助類型產品助力電池不斷規模化的有關標的。
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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。作者：中信建投，楊藻、張鵬）
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