解读硅碳负极材料正在走向产业化

五连环画

硅碳负极作为新型锂离子电池负极材料，对于提升电池能量密度能发挥比当前石墨负极更显着功效。但是由于其在应用方面存在较高壁垒，所以尚处于产业化前期。当前松下已经现含硅碳负极材料的18650电池的量产，同时特斯拉已经将硅碳负极应用于车用动力电池，硅碳负极材料应用前景越来越光明。然而换言之，我们应该深入了解硫酸镍钴除氟的发展规律，为整个行业带去新的生机，让市场焕发生机。

摘要



提升电池能量密度是永恒话题。对于当前成熟的石墨负极材料，其能量密度潜力基本已被充分发挥。与石墨负极材料相比，硅基负极材料的能量密度势明显。石墨的理论能量密度是372A，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200A。所以硅碳负极的应用，可以提升电池中活性物质含量，从而大大提升单体电芯的容量。



硅碳负极产业应用具有较高技术门槛。硅碳负极材料是一种使用起来非常困难的材料：1、在充放电过程中会引起硅体积膨胀100%~300%，而石墨材料只有10%左右，所以硅碳负极的膨胀收缩会导致负极材料的粉末化，从而严重影响电池使用寿命；2、硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低了其首次库伦效率，其直接效应也是使电池循环寿命变差。所以硅碳负极的应用需要较高的技术壁垒。



海外已经初步现硅碳负极产业化。日本松下2022年发布的NCR18650C型号电池，容量高达4000，并于2022年现量产，如此高容量电芯，松下就是使用了硅碳负极材料。另外，特斯拉加速硅碳负极在车用动力电池领域的规模化应用。



国内硅碳负极产业化尚处于初期，但技术进步非常明显。贝特瑞凭借在负极材料领域技术领先地位，其硅碳负极的研发和生产一直处于国内领先水平。硅碳负极材料在2022年通过星认证之后，2022年~2022年产量处于攀升阶段，其产品市场认可度也在逐步提升。另外，杉杉股份早在2022年开始研发硅碳负极，当前也现月产吨级规模，下游客户包括国内外主流电池生产企业，技术水平领先行业。



预计2022年硅碳负极材料市场空间50亿左右，同时市场集中度将非常高。目前，行业中硅碳负极尚未形成广泛推广的成熟方案，主流的电池生产企业对于硅碳负极的使用，主要以掺杂形式，且各个企业掺杂比例也存在差异。参考当前硅碳负极材料市场售价水平，我们按照负极材料中掺杂10%左右的硅碳负极，预测未来3~5年随着渗透率提升，硅碳负极可拥有的市场空间大约为50亿左右。



一、硅碳负极正在走向产业化应用



1为什么需要硅碳负极



众所周知，不断的提高电池能量密度，是锂电产业技术研革所孜孜不倦的方向。在当前的锂电材料体系中，负极材料多为采用石墨材料（以人造石墨和天然石墨为主），在电池理论设计过程中，基本上已经非常充分发挥了其可现的能量密度，所当前的石墨负极材料在提升电池能量密度方面已经遇到明显的瓶颈。



与石墨负极材料相比，硅基负极材料的能量密度势明显。石墨的理论能量密度是372A，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200A。所以硅碳负极的应用，可以提升电池中活性物质含量，所以能大大提升单体电芯的容量，这也是硅碳负极材料越来越多被锂电领域所关注的重要原因。









2什么是硅碳负极



由于硅是半导体结构材料，为了提供锂离子在硅电极材料中的扩散速度，就需要提高硅材料的导电性能，目前产业中所选择的就是成熟的碳材料。利用不同形态的碳材料来复合硅进行改性处理，使其构成均匀的导电络结构，形成导电性好、附着性好、化学稳定性高的硅碳负极材料。











但是硅碳负极材料是一种使用起来非常困难的材料，其主要有以下两方面：1、在充放电过程中会引起硅体积膨胀100%~300%，而石墨材料只有10%左右，所以硅碳负极的膨胀收缩会导致负极材料的粉末化，从而严重影响电池使用寿命；2、硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低了其首次库伦效率，也就是说会过多电解液和L+源，其直接效应也是使电池循环寿命变差。















硅碳负极的开发和应用具备较高的技术壁垒。如前文所述，硅碳负极虽然在能量密度方面具有比石墨材料更明显的势，但是其缺陷也非常显着。所以对于硅碳负极的开发和应用，需要较高的技术要求。当然，对于硅碳负极材料学术性研究已经开展多年，科研人员也提出多种解决方案，目前产业化过程中相对来说比较成熟的，是将硅碳负极纳米化、惰性缓冲以及适度的以及表面包覆，其中表面包覆，一般会通过以球形人造或者天然石墨为基底，在石墨表面钉扎一层S纳米颗粒，再在其外表包覆一层定形碳或石墨烯。











3硅碳负极的市场空间测算



由于硅碳负极材料的应用开发尚处于初期阶段，所以全球只有少数的电池生产企业将硅碳负极应用于商业化产品，目前硅碳负极在整个锂电负极材料市场中，占比尚处于非常低的水平。











目前，行业中硅碳负极尚未形成广泛推广的成熟方案，主流的电池生产企业对于硅碳负极的使用，也主要是以掺杂到石墨负极材料中使用，各个企业掺杂的比例也存在一定差异。参考当前硅碳负极材料市场售价水平，我们按照负极材料中掺杂10%左右的硅碳负极，预测未来3~5年随着渗透率提升，硅碳负极可拥有的市场空间大约为50亿左右。但需要强调的是，该市场有较高的技术门槛，所以行业集中度将非常高。











二、硅碳负极产业化应用的进程



相比于石墨负极材料，硅碳负极材料在产业中应用案例还是比较小众。目前，国内大多数材料企业在硅基负极材料领域的应用还处于初级阶段，正在探索商业化之路。而一些日韩企业则已开始将硅负极材料应用于汽车动力电池中，并现商品化。例如，据行业媒体报道，日本某已推出采用硅基负极材料的锂电池，并成功应用在了菱汽车上;日立麦克赛尔则宣布已开发出可现高电流容量硅负极锂电池。



1海外已经现硅碳负极的产业化应用



据深圳贝特瑞新闻，研发生产的早在2022年通过某认证并具备产业化应用要求。与此同时，我们通过与行业交流，星、松下等日韩电池生产企业，也已将硅碳负极作为负极添加材料，产业化应用于比较新的圆柱形电池。海外在硅碳负极应用的探索，也为我国锂电技术进步方向提供重要参考。



日本某2022年发布的比较新NCR18650C型号电池，容量高达4000，并于2022年现量产。当前国内主流的18650圆柱电池容量主要在2800以内（大部分为2600及以下，国内只有部分企业现2800的18650电池的量产），但是松下之所以能够做到4000，主要是其在负极中使用了硅的混合材料。据松下介绍，该NCR18650C型号电池可以在循环500次以后，依然保持80%以上的电池储电能力。











特斯拉加速硅碳负极在车用动力电池领域的规模化应用。在特斯拉向市场发布比较新车型M3的同时，行业媒体也同期披露，特斯拉将在M3中采用了电池新材料，“特斯拉采用的松下18650电池此次在传统石墨负极材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550A以上”。



2国内已经初步现硅碳负极的商业化生产



如前文所述，贝特瑞凭借在负极材料领域技术领先地位，其硅碳负极的研发和生产一直处于国内领先水平。硅碳负极材料在2022年通过星认证之后，2022年~2022年产量处于攀升阶段，其产品市场认可度也在逐步提升。



如前文所述，硅碳负极由于需要对电池负极材料、碳材料等有深入的研究，而国内负极材料市场集中度非常高，所以行业中存在的产业化壁垒、技术壁垒等，使得国内具备硅碳负极生产能力、应用能力的企业屈指可数。当然，目前已有部分企业涉足到硅碳负极相关的研发。















此外，非上市企业中，江西某、湖北某等负极材料生产企业硅碳负极的研发和生产在国内处于领先地位；电池企业方面，ATLCATL、天津力神、万向A123、微宏动力等企业也已经就硅碳负极应用进行了数年的研发。