硅材料克容量、快充性能优异，是负极材料发展进步的方向 高镍三元&人造石墨已接近理论克容量上限，未来提升电池能量密度依赖硅材料。电池比容量受正负极比容量影响，目前三元正极已经迭代至8系，甚至9系，模拟计算表明,在当前正极材料基础上,在1200mA•h•g−1以内提升负极材料的比容量对提高整个电池的能量密度仍然有较大贡献。目前主流负极企业比容量可做到355-360mAh/g，接近理论比容量372mAh/g，负极材料急需升级，硅材料理论比容量达4200mAh/g，是石墨的10倍以上，我们认为有望成为下一代负极材料。 除了追求高能量密度带来高续航，快充也是锂电池进步的一大方向，决定快充性能更多在负极材料，硅负极快充性能更优。锂离子电池充电的时候，锂离子向负极迁移，快充电芯实际上重要的技术难点为锂离子在负极的嵌入问题。硅从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状的端面方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，因此硅负极快充性能更优。
导电性差、体积膨胀等问题制约了硅材料在负极上的商业化应用
硅材料属于半导体材料，电子导电性和离子导电性差，不利于材料电化学性能的发挥。硅嵌/脱锂过程中伴随着巨大的体积变化，从而影响循环寿命。Si材料在与Li进行合金化的过程中体积膨胀可达300%以上（石墨材料在12%），容易导致颗粒的粉化和破碎、SEI膜的破坏，从而严重影响锂离子电池的循环寿命。
硅易与其他物质发生反应，造成能量快速衰减。锂盐LiPF6分解产生的HF会与Si反应，Si负极与电解液的界面不稳定，Si负极材料表面形成的固体电解质膜（SEI膜）不能适应Si负极材料在脱嵌锂过程中的巨大体积变化而破裂]，使Si表面暴露在电解液中，导致固体电解质膜持续生成、活性锂不断消耗，最终造成容量损失。
目前，硅基负极尚处于发展初期，近些年在负极的渗透率尚不足2%
硅基渗透率仍较低，2021年国内出货在1.1万吨左右，渗透率在1.5%。2021年国内负极出货量72万吨，其中硅基负极出货1.1万吨，渗透率仅为1.5%，发展空间较大。
往后看，硅基负极将在高端数码、电动工具、动力电池领域持续放量
目前，硅基负极主要应用在高端3C数码、电动工具、高端动力电池领域。
高端3C数码：5G技术推广带来的智能手机终端需求、民用无人机、智能可穿戴设备等市场或用到硅基负极。
电动工具：电动工具锂电池头部供应商表示，根据客户对电池性能的需求，部分容量2500-2600mAh的高倍率圆柱电池有硅基负极应用需求，而容量上到3000-3350mAh及3500mAh的产品绝大部分必须用到硅基负极。GGII统计数据显示，受全球电动工具市场增长带动，2021年全球电动工具锂电池出货量为22GWh；预测未来2026年出货规模增至60GWh，相比2021年仍有2.7倍的增长空间。受此带动，硅基负极也将迎来持续增长机会。
动力电池：下游客户对快充性能、续航时间提出更高要求，高能量密度电池受到市场青睐，硅基负极优势更加凸显。
2硅负极如何商业化？以掺杂的形式到人造石墨中，目前看硅氧更为主流
应用：硅氧路线因膨胀更低+循环性能优异，在动力领域应用更为主流
从下游应用来看，硅氧负极商业化领先于硅碳，且在动力领域应用更为主流。硅材料应用于锂电负极的研发始于上世纪90年代，直至13、14年才分别实现硅碳负极、硅氧负极的产业化。现阶段，动力电池领域主要用硅氧负极，虽然硅氧负极容量不如硅碳，但循环性能相对较好，而循环寿命对于动力电池更为重要。硅碳负极由于循环性能劣势，目前主要用于电动工具以及消费电子等领域。
消费：2013年成功应用到三星电动工具。
动力：2017年，松下将硅氧负极应用于特斯拉的Model3电池中，在传统石墨负极材料中加入10%的氧化亚硅，电池克容量增加到550mAh/g以上，单体能量密度达300wh/kg以上。
生产工序：核心难点在前端工序，即硅材料的处理，硅碳核心是研磨，硅氧核心是改性
前文提到硅负极的应用一般是和人造石墨复合（称作硅基负极），故可将生产工序分为：1）前端工序：硅材料处理。2）后端工序： 和人造石墨复合，我们认为难点是在前端工序。
硅基负极分为硅碳和硅氧两条路线，硅碳的核心是制备纳米硅，硅氧的核心是制备氧化亚硅。
硅碳负极：纳米硅制备核心是研磨，此处一般耗能较大。
硅氧负极：氧化亚硅可直接外购，也可通过购买硅粉和二氧化硅自行制备，但直接购买的氧化亚圭也无法直接和人造石墨复合制备硅氧负极，需进行处理。
从制备方式上看，硅负极生产可分成机械球磨法、化学气相沉积法、高温热解法、溶胶凝胶法，我们认为机械球磨和化学气相沉积法在工业化量产中更为主流。
生产工序-硅氧负极：核心是对硅氧的改性处理
从工序上讲，硅氧负极的制备和硅碳负极类似，共同的工序为球磨、碳包覆、造粒，差别为硅碳负极需经过两次球磨再加入石墨负极，而硅氧负极是一次球磨，但其前端制备锂电用氧化亚硅是重点。
3竞争格局：行业发展初期，目前国内仅有贝特瑞大批量供货
海外：日本信越化学在硅氧负极上技术较为领先
日韩企业在硅基负极材料领域处于行业领先地位，如日本信越化学、大阪钛业、日立化成、
昭和电工和韩国大洲等。日本信越化学主营半导体、有机硅和高分子等产业，硅氧负极专利数行业领先。截至2019年，信越化学关于硅负极在全球申请了210项专利，其中硅氧负极187项，这说明信越的研究重心是硅氧。信越化学硅氧最早专利申请时间是在2000年，2007年开始加大专利申请速度，在2017年达到顶峰。信越化学主业在半导体领域，硅负极只是其细分板块有机硅一个应用下游，公司是发展多年的技术型公司，对应硅负极更多是技术领域内领先，且公司不做人造石墨，故我们认为公司产能扩张和出货量相对有限。
国内：贝特瑞在硅负极研发、量产、客户端全面领先同行
贝特瑞研发和量产供货领先同行。公司2010年取得硅基负极材料的技术突破，并于2013年实现批量出货，客户系松下、三星。
贝特瑞硅碳、硅氧两手抓，且在持续更新迭代。截至20年，公司硅碳负极已开发至第三代产品，比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g，正在开发第四代硅碳负极材料产品，硅氧负极部分产品比容量达到1600mAh/g以上。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议