负极材料：人造石墨主流 硅碳领航其基本原理是什么？
来源：未知
2019-03-30 12:41
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锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动工作。
在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，放电时则相反。
锂离子电池由于其工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点广泛应用于消费电子、汽车等领域。
▲锂电池工作原理
负极材料占锂电池材料成本比重约10%。
锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，由于材料类别不同或价格变化，分别占材料成本比重为40-46%/ 5-15%/5-11%/10-14%。
▲2016年锂电池材料成本占比
▲2017年12月LFP/NCM523电池材料成本构成
人造石墨已成为主流负极材料
负极材料主要分为碳材和非碳材两类。
锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、滚压制得，根据活性物质的不同可分为碳材料和非碳材料两类。
▶1、碳材料中的石墨类为锂离子电池主要负极材料，具体可分为天然石墨和人造石墨两种，人造石墨又可分为中间相炭微球和石墨化碳纤维；
▶2、非碳材料包括钛基材料、硅基材料等。
▲ 负极材料分类
▲负极材料性能对比
▲天然石墨与人造石墨对比
随着动力电池和高端消费电池的发展，市场对电池性能的要求不断提高，人造石墨因其优异性能逐步成为主流负极材料。根据旺钴锂材的数据，人造石墨的产量占比已从2013年的39.7%持续增长至2016年的68.9%， 并有望持续增长。
▲2013-2016负极材料产量（万吨）
动力电池驱动负极材料市场增长
随着新能源汽车的快速成长，交通用动力电池已成为主要需求来源。
2014年起，我国新能源汽车行业进入发展快车道，2014年新能源汽车销量7.5万辆（+323.8%），2015年销量33.1万辆（+342.9%），2016 年销量50.7万辆（+53.1%），2017年销量77.7万辆（+53.3%）。
交通市场锂电规模随之逐渐增大，从2015年的16.0GWh增长至2017年35GWh，占比从15.63%增长至50.67%。
▲2015-2020年中国锂电池需求（GWh）
▲2015-2020年国内锂电池需求结构分布
▲2010-2017年新能源汽车销量（万辆）
在新能源汽车需求的持续拉动下，根据节能与新能源汽车网的数据，我们测算出，到2020年，动力电池需求量约94GWh，相应负极材料需求量将约7万吨，动力电池负极材料市场规模约40亿元；到2025年，动力电池需求量将达到310GWh，相应负极材料需求量将达19万吨，动力电池负极材料市场规模将达100亿元。
▲动力电池负极总需求量（万吨）
格局基本稳定，行业集中度相对较高
负极材料市场竞争格局基本稳定，总体表现为寡头垄断。贝特瑞、上海杉杉、江西紫宸三家公司市场份额占整个负极市场57%。
▲2016年整体负极市场份额占比
其中天然石墨市场贝特瑞占比超50%，贝特瑞、长沙星城、上海杉杉三家公司占比79%。
▲2016年天然石墨市场份额占比
人造石墨市场，江西紫宸、上海杉杉、深圳斯诺三家占比54%。二线厂商深圳斯诺、翔丰华、长沙星城、湖南创亚也拥有有稳定市场份额。
▲2016年人造石墨市场份额占比
随着市场越发成熟，以及技术更新换代，具有规模及技术优势的负极龙头企业将更具竞争力，行业将呈现强者恒强的局面。
硅碳负极潜力巨大，产业化稳步推进
▌硅碳负极的应用有望大幅提升电池能量密度
新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求，工信部等四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出，到2020年， 新型锂离子动力电池单体比能量超300Wh/公斤，系统比能量达260Wh/公斤；到2025年，单体比能量达500Wh/公斤。
传统石墨很难达到这一要求， 而硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量，有望成为未来主流负极材料。
▲硅碳负极的优势
硅与碳的相似化学性质为其结合提供了理论依据，但不同的结合方式也对复合材料的性能起着重大影响。
硅碳复合材料主要分为三种结构：包覆型、嵌入性、掺杂型。
包覆型的表面碳层主要为无定型碳，嵌入型碳基质主要为无定型碳、石墨和石墨烯等，目前掺杂型硅碳复合材料为研究热点。
▲硅碳复合材料分类
▌硅碳复合材料逐步产业化，技术成为制胜关键
国外企业已经实现硅碳负极材料量产。
▶ 松下2013 年量产的NCR18650C 型号电池即采用硅碳负极材料；
▶ 日本GS汤浅推出的硅基负极材料锂电池也已应用于三菱汽车；
▶ 特斯拉推出的Model3 成功应用硅碳负极材料，实现300Wh/kg 比能量，更加明确了硅碳负极的未来地位。
我国硅碳材料发展较晚，工艺技术相对落后，生产成本居高不下，成为限制其应用的主要原因。目前主流负极厂商已扩大硅碳负极投入，新进入者也开始布局硅碳负极，新增产能2017 年底开始陆续投产。提前布局硅碳负极、拥有技术优势、更快实现产业化的企业，将有望改变负极产业的现有格局。
