涂覆在銅箔上的負極材料 電池網(wǎng)資料圖
相對于正極材料、隔膜、電解液等三大材料的技術(shù)路線“頻惹爭議”、價格“過山車”、原材料“缺貨危機”，長期以來，負極材料在鋰電材料中都顯得十分低調(diào)：技術(shù)工藝成熟且廠商較多，國產(chǎn)化程度較高，價格波動幅度不大，產(chǎn)能擴產(chǎn)相對理性。
進入2021年，負極材料一反常態(tài)，成為業(yè)內(nèi)外聚焦點：硅碳負極材料頻頻被產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)及各大機構(gòu)“點名”。
風(fēng)起：企業(yè)積極，機構(gòu)看好
1月8日，國軒高科210Wh/kg軟包磷酸鐵鋰電芯正式發(fā)布，公司稱在磷酸鐵鋰化學(xué)體系中首次成功地應(yīng)用了硅負極材料。
1月9日，蔚來汽車正式發(fā)布了一款單體能量密度達360Wh/kg的150kWh半固態(tài)電池包，包含三大技術(shù)創(chuàng)新：原位固化固液電解質(zhì)、無機預(yù)鋰化硅碳負極以及納米級包覆超高鎳正極。
1月13日，上汽智己發(fā)布智能純電轎車、智能純電SUV兩款量產(chǎn)定型車。新車搭載了上汽集團與寧德時代共同開發(fā)的“摻硅補鋰”技術(shù)的電池，該電池的單體能量密度達300Wh/kg。
1月15日，廣汽埃安發(fā)布兩款全新超級動力電池預(yù)告：分別具備“8分鐘充電80%”和“1000km續(xù)航”的性能，前者為石墨烯基超級快充電池，后者為硅負極電池。
而在去年特斯拉的電池日上，特斯拉發(fā)布的全新4680型電池，也用硅基材料替代了舊款產(chǎn)品中的碳基負極。
東北證券研報認(rèn)為，動力電池負極從石墨體系到硅基負極將是未來的升級方向。其解釋稱，石墨材料的理論克容量為372mAh/g（LiC6結(jié)構(gòu)），目前高端產(chǎn)品可達360-365mAh/g，石墨負極材料已接近理論上限。而硅材料的理論克容量為4200mAh/g（Li22Si5結(jié)構(gòu)），隨著動力電池能量密度要求的提高，硅碳負極搭配高鎳三元材料的體系成為發(fā)展趨勢。
華創(chuàng)證券認(rèn)為，新型電池商業(yè)化仍遙遙無期，對于時下商業(yè)化量產(chǎn)最大的鋰離子電池進行材料方面的改良是最有效的技術(shù)手段。如果將石墨負極換成硅負極，電池容量可以提高大約10倍。而且目前鋰硅電池技術(shù)已成熟至接近商業(yè)化應(yīng)用。預(yù)計未來幾年內(nèi)，鋰硅電池將大量應(yīng)用，大幅提高手機、汽車、智能穿戴設(shè)備等的續(xù)航能力。
桎梏：產(chǎn)能稀缺，價格高企
硅碳負極材料雖被寄予厚望，但電池網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，其仍處于商業(yè)化初期，產(chǎn)能稀缺，價格高企。
電池網(wǎng)梳理了負極材料相關(guān)企業(yè)在硅碳負極材料方面的布局情況：
中國寶安（000009）子公司貝特瑞（835185.OC）硅負極材料早已獲得國外訂單，并成功通過供貨松下應(yīng)用于特斯拉Model 3。
貝特瑞硅負極項目負責(zé)人向電池網(wǎng)透露，“目前公司硅負極材料產(chǎn)能3000噸/年，價格比石墨貴，沒起量主要是在EV市場沒有大規(guī)模用起來。堅定看好硅負極良好的發(fā)展前景，未來可期。”
杉杉股份（600884）硅碳負極材料已建成一條中試產(chǎn)線，但出貨占比不高。
中科電氣（300035）在硅基負極材料已進行多年的持續(xù)研發(fā)投入，對硅碳和硅氧等硅基負極材料技術(shù)皆有研究和儲備，目前已建設(shè)完成中試產(chǎn)線，進行成品試生產(chǎn)。
硅寶科技（300019）2019年完成了中試放大，并建成產(chǎn)能50噸/年的硅碳負極材料中試生產(chǎn)線，瞄準(zhǔn)硅碳負極材料。目前，公司已送樣多家電池廠商進行共同開發(fā)，將根據(jù)與廠商的合作進度放量生產(chǎn)。
璞泰來（603659）與中科院物理所開展“高能量密度鋰離子電池納米硅碳負極材料”的合作研發(fā)，去年公司在接待機構(gòu)調(diào)研時透露，“硅碳中試車間已經(jīng)做完，中科院物理所建在溧陽紫宸工廠，預(yù)計2021年出貨1000噸級別，用于消費類電池。”
翔豐華（300890）去年底在回答投資者提問時表示，公司硅碳負極處于中試階段，并已具備了產(chǎn)業(yè)化基本條件，產(chǎn)品性能指標(biāo)已達到行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)的水平。
國民技術(shù)（300077）近日透露，其子公司斯諾實業(yè)硅碳負極研發(fā)處于完成中試階段。
電池網(wǎng)還了解到，電解液溶劑龍頭企業(yè)石大勝華（603026）2019年底成立孫公司東營石大勝華創(chuàng)世新材料科技有限公司，投建4000噸/年硅碳負極材料項目。電池網(wǎng)從石大勝華項目負責(zé)人處獲悉，目前公司在建1000噸硅碳負極材料產(chǎn)能，產(chǎn)房建設(shè)接近完工，設(shè)備制作基本完成，待進場進行調(diào)試。
除了上市公司，天目先導(dǎo)、壹金新能源等硅基負極材料創(chuàng)新公司也在加快其產(chǎn)能建設(shè)。據(jù)悉，天目先導(dǎo)鋰離子電池硅負極材料目前年產(chǎn)能可以達到2000噸；壹金新能源年產(chǎn)5000噸鋰離子電池硅基負極材料項目計劃于2021年年底投產(chǎn)。
產(chǎn)能桎梏之外，價格因素也是硅碳負極材料發(fā)展的“短板”：
SMM數(shù)據(jù)顯示，上周（1月18日-1月22日）人造石墨高端價格為6.5-7萬元/噸，中端價格為5.7-6.2萬元/噸；天然石墨高端價格為4.8-6萬元/噸，中端價格為3-4萬元/噸。
另一組數(shù)據(jù)顯示，目前穩(wěn)定量產(chǎn)的硅碳負極材料價格約11-12萬元/噸。據(jù)一家生產(chǎn)企業(yè)透露，硅碳負極材料“價格從10-30萬元都有。”
從價格方面來看，與石墨負極材料相比，硅碳負極材料完全沒有優(yōu)勢。
技術(shù)：尚需優(yōu)化，難點待解
中俄新能源材料技術(shù)研究院院長王慶生對電池網(wǎng)表示，除了硅碳負極材料改性后成本上市帶來的推廣問題，目前硅碳負極材料出貨量少，在技術(shù)方面還有三大因素：材料本身的性能穩(wěn)定性還存在很多問題；與之匹配的應(yīng)用工藝還尚需優(yōu)化穩(wěn)定；產(chǎn)品應(yīng)用后的性能優(yōu)勢不突出。
在王慶生看來，硅碳負極材料亟需解決以下幾個問題：
一是Si基負極材料在脫嵌鋰時存在體積膨脹效應(yīng)引起硅粒破裂和粉化現(xiàn)象，致使硅粒與基底之間發(fā)生分離，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、容量降低，循環(huán)性能變差。
二是，隨著硅含量的增加，比容量增大但首化效率則更低，硅碳負極材料中鋰離子擴散緩慢（擴散系數(shù)約10-14 cm2/s），電導(dǎo)率偏低 （約10-4 S/cm）導(dǎo)致硅負極的倍率性能和容量利用率偏低。
三是，硅碳負極表面SEI膜的持續(xù)生長對電解液以及來自正極的鋰源造成的不可逆消耗，硅負極的粉化現(xiàn)象影響了表面穩(wěn)定均一的SEI膜的形成，新SEI膜的持續(xù)形成會不斷消耗鋰離子和電解質(zhì)，導(dǎo)致容量的快速下降。
四是硅碳負極的應(yīng)用，在電池正負極匹配及電極工藝制備上，容量相差越大電極制備工藝難度也越大，壓實密度影響庫倫效率的發(fā)揮，與黏結(jié)劑、電解液的相容性等均影響電池的電化學(xué)性能。
王慶生補充說，硅作為地殼中儲存含量第二位的元素，其來源豐富、價格便宜，環(huán)境友好，因而硅負極材料的研究受到廣泛的關(guān)注，作為鋰離子電池負極材料，在比容量方面與其他材料相比也具有較大的優(yōu)勢。但是，如果想在維持硅負極材料高比容量的同時，又要改變其循環(huán)性能差、首化效率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差問題，就必須通過納米化、復(fù)合化、多孔化、薄膜化和合金化、預(yù)鋰化等各種改性方法提高其產(chǎn)品性能。“我們在開發(fā)負極材料時需要完善其自身結(jié)構(gòu)與性能，還要考慮其電極制備工藝、材料相容性的匹配等，而在這些方面，硅碳負極材料都無優(yōu)勢可言，這也是導(dǎo)致其商業(yè)化進度較慢的原因。”
趨勢：大廠跟進 未來可期
盡管存在諸多短板，硅碳負極材料依舊被認(rèn)為是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。
上述石大勝華項目負責(zé)人表示，目前國際上已經(jīng)有圓柱類電池成熟應(yīng)用，主要在動力電池和電動工具上，國內(nèi)各個電池企業(yè)也正在加速應(yīng)用，包括部分消費類電池，最近國內(nèi)某些高端車型已經(jīng)發(fā)布應(yīng)用基于硅碳類的電池，預(yù)計今年各大電池廠會相繼推出跟進；未來兩年硅碳類市場主要集中于動力、電動工具兩塊，3C類后續(xù)也將持續(xù)跟進。
“目前，日韓企業(yè)在其高容量產(chǎn)品，尤其是高容量和高倍率的圓柱產(chǎn)品中已經(jīng)有較大比例使用高鎳+硅碳的材料體系，比如高容量的3C電池，高倍率的電動工具電池中已經(jīng)有較大比例的硅碳負極使用量。”中國電池產(chǎn)業(yè)研究院/伊維經(jīng)濟研究院院長吳輝告訴電池網(wǎng)，2020年，國內(nèi)以貝特瑞為代表的硅負極主要生產(chǎn)商大量給日韓企業(yè)供貨。
EV Tank聯(lián)合中國電池產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國硅碳負極行業(yè)發(fā)展白皮書（2021年）》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年中國硅碳負極的出貨量0.9萬噸，占全部負極材料出貨量的比例僅為2%左右。
吳輝預(yù)計，未來隨著對高能量密度電池需求量的增加，預(yù)計2025年，中國硅碳負極的出貨量或?qū)⒔咏?0萬噸。
不過，王慶生也強調(diào)，“鋰離子電池材料的短板其實不是負極材料而是正極材料，故我個人認(rèn)為更應(yīng)關(guān)注正極材料的研究開發(fā)工作，如作為負極材料的研究，建議考慮三元硅碳（硅/無定型碳/石墨）復(fù)合材料更具有性能優(yōu)勢。”
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