負(fù)極材料：人造石墨主流 硅碳領(lǐng)航其基本原理是什么？
來(lái)源：未知
2019-03-30 12:41
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鋰離子電池是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)工作。
在充放電過(guò)程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時(shí)Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，放電時(shí)則相反。
鋰離子電池由于其工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車等領(lǐng)域。
▲鋰電池工作原理
負(fù)極材料占鋰電池材料成本比重約10%。
鋰電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等組成，由于材料類別不同或價(jià)格變化，分別占材料成本比重為40-46%/ 5-15%/5-11%/10-14%。
▲2016年鋰電池材料成本占比
▲2017年12月LFP/NCM523電池材料成本構(gòu)成
人造石墨已成為主流負(fù)極材料
負(fù)極材料主要分為碳材和非碳材兩類。
鋰電池負(fù)極是由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)過(guò)干燥、滾壓制得，根據(jù)活性物質(zhì)的不同可分為碳材料和非碳材料兩類。
?1、碳材料中的石墨類為鋰離子電池主要負(fù)極材料，具體可分為天然石墨和人造石墨兩種，人造石墨又可分為中間相炭微球和石墨化碳纖維；
?2、非碳材料包括鈦基材料、硅基材料等。
▲ 負(fù)極材料分類
▲負(fù)極材料性能對(duì)比
▲天然石墨與人造石墨對(duì)比
隨著動(dòng)力電池和高端消費(fèi)電池的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)電池性能的要求不斷提高，人造石墨因其優(yōu)異性能逐步成為主流負(fù)極材料。根據(jù)旺鈷鋰材的數(shù)據(jù)，人造石墨的產(chǎn)量占比已從2013年的39.7%持續(xù)增長(zhǎng)至2016年的68.9%， 并有望持續(xù)增長(zhǎng)。
▲2013-2016負(fù)極材料產(chǎn)量（萬(wàn)噸）
動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)負(fù)極材料市場(chǎng)增長(zhǎng)
隨著新能源汽車的快速成長(zhǎng)，交通用動(dòng)力電池已成為主要需求來(lái)源。
2014年起，我國(guó)新能源汽車行業(yè)進(jìn)入發(fā)展快車道，2014年新能源汽車銷量7.5萬(wàn)輛（+323.8%），2015年銷量33.1萬(wàn)輛（+342.9%），2016 年銷量50.7萬(wàn)輛（+53.1%），2017年銷量77.7萬(wàn)輛（+53.3%）。
交通市場(chǎng)鋰電規(guī)模隨之逐漸增大，從2015年的16.0GWh增長(zhǎng)至2017年35GWh，占比從15.63%增長(zhǎng)至50.67%。
▲2015-2020年中國(guó)鋰電池需求（GWh）
▲2015-2020年國(guó)內(nèi)鋰電池需求結(jié)構(gòu)分布
▲2010-2017年新能源汽車銷量（萬(wàn)輛）
在新能源汽車需求的持續(xù)拉動(dòng)下，根據(jù)節(jié)能與新能源汽車網(wǎng)的數(shù)據(jù)，我們測(cè)算出，到2020年，動(dòng)力電池需求量約94GWh，相應(yīng)負(fù)極材料需求量將約7萬(wàn)噸，動(dòng)力電池負(fù)極材料市場(chǎng)規(guī)模約40億元；到2025年，動(dòng)力電池需求量將達(dá)到310GWh，相應(yīng)負(fù)極材料需求量將達(dá)19萬(wàn)噸，動(dòng)力電池負(fù)極材料市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)100億元。
▲動(dòng)力電池負(fù)極總需求量（萬(wàn)噸）
格局基本穩(wěn)定，行業(yè)集中度相對(duì)較高
負(fù)極材料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局基本穩(wěn)定，總體表現(xiàn)為寡頭壟斷。貝特瑞、上海杉杉、江西紫宸三家公司市場(chǎng)份額占整個(gè)負(fù)極市場(chǎng)57%。
▲2016年整體負(fù)極市場(chǎng)份額占比
其中天然石墨市場(chǎng)貝特瑞占比超50%，貝特瑞、長(zhǎng)沙星城、上海杉杉三家公司占比79%。
▲2016年天然石墨市場(chǎng)份額占比
人造石墨市場(chǎng)，江西紫宸、上海杉杉、深圳斯諾三家占比54%。二線廠商深圳斯諾、翔豐華、長(zhǎng)沙星城、湖南創(chuàng)亞也擁有有穩(wěn)定市場(chǎng)份額。
▲2016年人造石墨市場(chǎng)份額占比
隨著市場(chǎng)越發(fā)成熟，以及技術(shù)更新?lián)Q代，具有規(guī)模及技術(shù)優(yōu)勢(shì)的負(fù)極龍頭企業(yè)將更具競(jìng)爭(zhēng)力，行業(yè)將呈現(xiàn)強(qiáng)者恒強(qiáng)的局面。
硅碳負(fù)極潛力巨大，產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)步推進(jìn)
▌硅碳負(fù)極的應(yīng)用有望大幅提升電池能量密度
新能源汽車的發(fā)展對(duì)動(dòng)力電池的比能量不斷提出更高的要求，工信部等四部委發(fā)布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中提出，到2020年， 新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超300Wh/公斤，系統(tǒng)比能量達(dá)260Wh/公斤；到2025年，單體比能量達(dá)500Wh/公斤。
傳統(tǒng)石墨很難達(dá)到這一要求， 而硅碳復(fù)合材料的超高理論能量密度可以顯著提升單體比容量，有望成為未來(lái)主流負(fù)極材料。
▲硅碳負(fù)極的優(yōu)勢(shì)
硅與碳的相似化學(xué)性質(zhì)為其結(jié)合提供了理論依據(jù)，但不同的結(jié)合方式也對(duì)復(fù)合材料的性能起著重大影響。
硅碳復(fù)合材料主要分為三種結(jié)構(gòu)：包覆型、嵌入性、摻雜型。
包覆型的表面碳層主要為無(wú)定型碳，嵌入型碳基質(zhì)主要為無(wú)定型碳、石墨和石墨烯等，目前摻雜型硅碳復(fù)合材料為研究熱點(diǎn)。
▲硅碳復(fù)合材料分類
▌硅碳復(fù)合材料逐步產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)成為制勝關(guān)鍵
國(guó)外企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)硅碳負(fù)極材料量產(chǎn)。
? 松下2013 年量產(chǎn)的NCR18650C 型號(hào)電池即采用硅碳負(fù)極材料；
? 日本GS湯淺推出的硅基負(fù)極材料鋰電池也已應(yīng)用于三菱汽車；
? 特斯拉推出的Model3 成功應(yīng)用硅碳負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)300Wh/kg 比能量，更加明確了硅碳負(fù)極的未來(lái)地位。
我國(guó)硅碳材料發(fā)展較晚，工藝技術(shù)相對(duì)落后，生產(chǎn)成本居高不下，成為限制其應(yīng)用的主要原因。目前主流負(fù)極廠商已擴(kuò)大硅碳負(fù)極投入，新進(jìn)入者也開(kāi)始布局硅碳負(fù)極，新增產(chǎn)能2017 年底開(kāi)始陸續(xù)投產(chǎn)。提前布局硅碳負(fù)極、擁有技術(shù)優(yōu)勢(shì)、更快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，將有望改變負(fù)極產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)有格局。
