石墨負極潛力挖掘完全

電芯能量密度和負極材料的克容量成正相關(guān)關(guān)系。目前，高端石墨克容量已經(jīng)達到360-365mAh/g，接近理論克容量372mAh/g。因此從負極材料角度看，電芯能量密度的提升需要開發(fā)出具有更高克容量的負極材料。

硅基負極材料最具商業(yè)化前景

硅基負極材料中Si與Li+產(chǎn)生合金化反應(yīng)，最高克容量可達4200 mAh/g，是石墨的10倍多。且硅還具有較低的電化學(xué)嵌鋰電位（約0.4 V vs. Li/Li+），不存在析鋰問題、儲量豐富等優(yōu)點，是非常具有潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。

硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵點：體積劇烈變化和不穩(wěn)定的SEI膜

在充放電過程中，硅鋰合金的生成與分解伴隨著巨大的體積變化，最大膨脹可達320%，而碳材料只有16%。劇烈的體積變化導(dǎo)致如下的挑戰(zhàn)：硅顆粒破裂粉化、負極活性物質(zhì)從電極片上脫落、因粉化和脫落引起固相電解質(zhì)層（SEI膜）持續(xù)形成。目前，主要通過材料設(shè)計（硅的納米化、對硅進行碳包覆、加入氧化亞硅等）和電池體系優(yōu)化（選用電解液添加劑FEC和VC等、負極材料粘接劑CMC-SBR和聚丙烯酸鋰等、導(dǎo)電劑的優(yōu)化）等來應(yīng)對。

碳包覆氧化亞硅、納米硅碳商業(yè)化程度高

硅基負極材料制備方法多，且較石墨的制備工藝更復(fù)雜，產(chǎn)品尚未達到標準化。目前，碳包覆氧化亞硅、納米硅碳是商業(yè)化程度最高的兩種硅基負極材料。量產(chǎn)企業(yè)有國內(nèi)的貝特瑞、天目先導(dǎo)、杉杉等，海外的日本信越化學(xué)、大阪鈦業(yè)、日立化成、昭和電工和韓國大洲等。

硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化時間短；國際上日企領(lǐng)先，國內(nèi)貝特瑞領(lǐng)先

日本日立、湯淺等企業(yè)從2015年開始陸續(xù)將硅基負極應(yīng)用到消費電池和動力電池中，促進了硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。國內(nèi)方面，根據(jù)高工鋰電的調(diào)研，能夠量產(chǎn)硅基負極材料的企業(yè)不超過3家，其中，貝特瑞國內(nèi)領(lǐng)先，于2017年實現(xiàn)量產(chǎn)出貨，現(xiàn)已成功進入松下-特斯拉供應(yīng)鏈。

投資建議

受益公司有負極材料龍頭、硅基負極領(lǐng)域領(lǐng)先的貝特瑞，開啟硅基負極產(chǎn)業(yè)化的杉杉股份，人造石墨龍頭、推進硅基負極產(chǎn)業(yè)化的璞泰來。

1、 石墨負極潛力挖掘完全

1.1、 鋰離子電池通過Li+往返脫嵌于正負極之間實現(xiàn)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換

鋰離子電池主要是由正極、負極、電解液、隔膜等部分組成，其中正、負極為活性組分，是能量存儲的載體。鋰離子電池工作原理：以鈷酸鋰和石墨負極為例，1）充電時，電子從正極轉(zhuǎn)移到負極，同時鈷酸鋰中的鋰失去電子成為鋰離子進入電解液，鋰離子穿過隔膜后進入石墨負極，并在負極接受電子還原成為鋰。2）放電時，鋰在負極失去電子后，穿過隔膜回到正極，并在正極接受電子被還原，完成放電。鑒于鋰離子的這種傳輸特點，鋰離子電池又被稱為“搖椅電池”，其中，電極材料脫嵌性能是鋰離子電池性能的決定因素之一。

1.2、 石墨是目前廣泛使用的負極材料，通過嵌入的方式儲鋰

石墨是目前動力電池負極材料商業(yè)化應(yīng)用的主流。目前商業(yè)化的負極材料主要有石墨（天然石墨和人造石墨等）、無定形碳（軟碳和硬碳）、鈦酸鋰及硅基材料（納米硅碳材料、氧化亞硅和無定形硅合金）。2019年動力電池用負極材料中石墨負極材料的出貨量占比達97%以上。

石墨通過嵌入的方式進行儲鋰。不同的負極材料可以通過嵌入、合金化或者轉(zhuǎn)換反應(yīng)實現(xiàn)儲鋰。石墨為嵌入式的典型代表，嵌入的Li插在層狀石墨層間，形成不同的“階”結(jié)構(gòu)。隨著Li的嵌入量增加，最終形成1階結(jié)構(gòu)，對應(yīng)石墨的理論容量為372mAh/g。

1.3、 石墨負極克容量接近理論值，不能滿足電芯能量密度提升的需求

電芯的能量密度為

其中，Em、Qc、Qa、Uc、Ua、k分別為電芯的能量密度、正極克容量、負極克容量、正極平均電位、負極平均電位和正負極活性材料的質(zhì)量或體積與電池總質(zhì)量或體積的比值，在實際電池體系中，k值通常介于0.42~0.61。

鋰離子電池的能量密度不斷提升。1991年索尼公司第一批商業(yè)化鋰離子電池能量密度相對較低(能量密度80 Wh/kg或200 Wh/L)，現(xiàn)在先進的高能量密度鋰離子電池可以實現(xiàn)300 Wh/kg或720 Wh/L。

目前，高端石墨克容量已達到360-365mAh/g，接近理論克容量372 mAh/g。因此從負極材料角度看，電芯能量密度的提升需要開發(fā)出具有更高比容量的負極材料。

2、 硅基負極材料最具商業(yè)化前景

2.1、 硅鋰合金的克容量是石墨的10倍多，電芯能量密度提升空間大

具有高克容量和低電位等優(yōu)勢，硅基負極材料是最具商業(yè)化潛力。硅鋰化后具有很高的理論克容量，約4200 mAh/g，是石墨的10倍左右。同時，硅還具有較低的電化學(xué)嵌鋰電位（約0.4 V vs. Li/Li+），不存在析鋰問題、儲量豐富等優(yōu)點，是公認的非常具有潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。根據(jù)《高能量密度鋰離子電池硅基負極材料研究》中指出，如果不使用富鋰正極，當(dāng)電芯能量密度要達到280Wh/kg以上時，就必須使用硅基負極。

2.2、 硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵點：體積劇烈變化和不穩(wěn)定SEI膜

Li+在脫嵌過程中巨大的體積膨脹效應(yīng)會導(dǎo)致硅顆粒產(chǎn)生裂紋粉化和結(jié)構(gòu)崩塌。硅表面與電解液接觸，重復(fù)形成的固相電解質(zhì)層（SEI）使電化學(xué)性能惡化。

硅是通過合金化儲存鋰，合金化反應(yīng)伴隨巨大的體積變化。在充電時，硅被鋰化，Si和Li+產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，并且體積變化不斷增大。首先，硅顆粒外層出現(xiàn)非晶態(tài)的LixSi，內(nèi)層依然保持晶態(tài)硅。隨著鋰化程度的加大，硅完全鋰化生成Li22Si5時，其理論容量將達到4200 mAh/g ，體積膨脹320%，而碳材料只有16%。放電時，Li22Si5會分解成Li+和Si，體積隨之變小。

根據(jù)中科院物理所研究發(fā)現(xiàn)，硅柱陣列電極在嵌鋰過程中（充電）體積膨脹，由初始的圓柱形最終演變成類似于圓屋頂形，而脫鋰過程中（放電）體積收縮，最終演變成碗狀形貌。

巨大體積變化導(dǎo)致硅顆粒的粉化、負極材料活性物質(zhì)脫落和SEI膜持續(xù)形成。1）對于整個電極而言，由于每個顆粒膨脹收縮會“擠拉”周圍顆粒，這將導(dǎo)致電極材料因應(yīng)力作用從電極片上脫落，進而導(dǎo)致電池容量急劇衰減，循環(huán)壽命縮短。2）對單個硅粉顆粒來說，嵌鋰過程中，外層嵌鋰形成非晶LixSi發(fā)生體積膨脹，內(nèi)層還未嵌入鋰不膨脹，導(dǎo)致每個硅顆粒內(nèi)部產(chǎn)生巨大應(yīng)力，造成單個硅顆粒開裂粉化。3）充放電循環(huán)過程中，硅顆粒開裂粉化和電極材料的脫落會不斷產(chǎn)生新的表面，進而導(dǎo)致固相電解質(zhì)層（SEI膜）持續(xù)形成，不斷消耗鋰離子，造成電池整體容量持續(xù)衰減。

材料設(shè)計和電池體系優(yōu)化是解決硅基負極材料商業(yè)化的主要方式：1）材料設(shè)計，通過硅的納米化、對硅進行碳包覆、加入氧化亞硅等方式，減小體積變化帶來的負面影響。2）電池體系，目前主要是通過電解液添加劑、負極材料粘接劑、導(dǎo)電劑的優(yōu)化來來減少硅基負極的膨脹影響。3）電極結(jié)構(gòu)改進，省去粘接劑或集流體，直接將活性材料復(fù)合在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中制得極片，該技術(shù)路線處于研發(fā)階段。

2.3、 硅基負極材料的制備方法多、產(chǎn)品未標準化

硅基負極材料可以通過多種制備方法獲得，主要包括化學(xué)氣相沉積法、機械球磨法、溶膠-凝膠法等。硅基負極材料相對于石墨負極材料的制備工藝復(fù)雜，大規(guī)模生產(chǎn)存在一定困難，且每個企業(yè)生產(chǎn)工藝不盡相同，產(chǎn)品目前沒有達到標準化。

3、 硅基負極材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

3.1、 硅基負極產(chǎn)業(yè)化時間短，日企處于行業(yè)領(lǐng)先

硅基負極材料由日本企業(yè)首先在2015年和2017年陸續(xù)推向消費和動力電池領(lǐng)域。1996年開始硅基負極的研究，日本松下2012年推出含硅電池，2015年日立Maxwell的SiO/C負極電池運用到消費電池領(lǐng)域，并在2017年特斯拉采用日立化成的硅基負極應(yīng)用到電動車中。日本GS湯淺推出硅基負極材料的鋰電池，應(yīng)用在三菱汽車上。

3.2、 目前碳包覆氧化亞硅、納米硅碳商業(yè)化程度最高

目前，商業(yè)化的硅基負極材料主要包括碳包覆氧化亞硅、納米硅碳、無定型硅合金、硅納米線四種，其中，碳包覆氧化亞硅、納米硅碳是商業(yè)化程度最高的兩種硅基負極材料。1）碳包覆氧化亞硅，目前較好的碳包覆氧化亞硅碳產(chǎn)品搭配石墨到 450-500m Ah/g容量后使用，已經(jīng)可以做到在鋼殼電芯中循環(huán)1000-2000周，在軟包電芯中循環(huán)500-1000周。2）納米硅碳，目前商業(yè)化的軟包電池和方形鋁殼電池對膨脹依然非常敏感，以致納米硅碳材料仍然較難使用在這類電池上。目前納米硅碳材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域仍是在圓柱鋼殼電池中，以18650和21700型號為代表。

3.3、 國內(nèi)大批量生產(chǎn)企業(yè)少，貝特瑞優(yōu)勢明顯

目前，硅碳負極材料在我國的發(fā)展尚處于初級階段，實際應(yīng)用還比較小眾，市場總體產(chǎn)量較小。根據(jù)高工產(chǎn)研統(tǒng)計，2019年我國硅基（包括硅碳和硅氧）負極材料出貨量僅3700噸，在負極材料中的滲透率約1.4%。

國內(nèi)量產(chǎn)企業(yè)少，貝特瑞處于領(lǐng)先地位。根據(jù)高工鋰電的調(diào)研，國內(nèi)能夠量產(chǎn)的企業(yè)不超過3家。其中，只有貝特瑞能夠大批量供貨，貝特瑞已經(jīng)進入了松下的供應(yīng)鏈，間接供應(yīng)特斯拉。國內(nèi)其他廠商處于研發(fā)或者小批量量產(chǎn)階段。當(dāng)前穩(wěn)定量產(chǎn)硅基負極型號較少，以420mAh/g、450mAh/g兩款為主。

4、 硅基負極廠商將受益于電芯能量密度提升

在行業(yè)下游，特斯拉已搭載硅基負極電池。近年來隨著下游動力電池的行業(yè)對高能量密度負極材料需求的增長，硅基負極材料未來將快速增長。根據(jù)高工鋰電預(yù)測，到2022年硅基負極材料需求量將達到2.2萬噸，2019-2022年年復(fù)合增長率高達80%。目前，穩(wěn)定量產(chǎn)硅基負極價格介于10-12萬元/噸，遠高于石墨類負極3.5-7.5萬元/噸的價格。價格按照5%年降計算 ，到2022年，硅基負極材料市場空間有望超20億元。

4.1、 貝特瑞：負極材料龍頭，硅基負極國內(nèi)領(lǐng)先

公司主營負極材料和正極材料，其中2019年負極材料營收占比達69%。2019年，公司人造石墨國內(nèi)市占率11%，排名第四；天然石墨國內(nèi)市占率63%，排名第一；硅基負極材料出貨量國內(nèi)領(lǐng)先。

公司硅基負極材料不斷升級迭代。1）硅碳負極材料，公司已經(jīng)突破至第三代產(chǎn)品，比容量從第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g，且正在開發(fā)更高容量的第四代硅碳負極材料產(chǎn)品。2）氧化亞硅負極材料，目前公司已完成多款產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)工作，部分產(chǎn)品的比容量達到1600mAh/g以上。

4.2、 杉杉股份：硅基負極開啟產(chǎn)業(yè)化

2019年公司營收約76億元，其中負極材料占比進一步提升至33%。根據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)，公司人造石墨國內(nèi)市占率20%，排名第三；天然石墨國內(nèi)市占率6%，排名第三。

公司硅基負極材料和電解液方面均有布局。公司圓柱電池用硅氧材料，計劃進入海外圓柱電池客戶，可用于電動工具和電動汽車，目前正在進行中試。EV用硅氧材料，已進入整車企業(yè)測試。硅碳復(fù)合材料及寬適配系列電解液已量產(chǎn)。

4.3、 璞泰來：人造石墨龍頭，推進硅基負極產(chǎn)業(yè)化

2019年公司營收約48億元，負極材料占比約64%。公司下屬子公司江西紫宸是人造石墨龍頭，2019年公司人造石墨國內(nèi)市占率22%，排名第一。

公司推進硅基負極研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。溧陽研究院試驗基地和檢測中心正抓緊建設(shè)中，其中硅碳試驗車間已于2019 年投入使用。公司與相關(guān)單位簽署了硅碳專利合作，重點推進硅碳、硅氧的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

5、 風(fēng)險提示

疫情反復(fù)對新能源汽車需求的影響，硅基負極產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不及預(yù)期