为什么要发展硅负极发展难点产业化方法

近些年来，正极材料从5系走向8系，甚至超高镍，但负极却鲜见技术进步，众所周知，硅负极是下一代负极，但近些年来放量迟缓，随着大圆柱的催化+正极能量密度推进触及瓶颈，我们认为硅负极或迎来放量拐点（根据产业链看大概率在23年），但值得注意的是硅基负极指的是一定比例的硅+石墨材料（硅占比一般不到10%），故不会影响到人造石墨的需求。

核心要点

1、为什么要发展硅负极？发展难点？产业化方法？硅负极理论克容量高，是石墨的10倍+，且快充性能好，但容易膨胀（硅材料膨胀率在%+，石墨材料在12%）。产业化一般采用和石墨材料复合（硅添加比例在5%-10%），硅材料可采用纳米硅（复合后叫硅碳负极）二氧化硅（复合后叫硅氧负极）。二氧化硅因性能更均衡，膨胀率在%，明显低于硅碳%，故循环性能好，容量在mAh/g低于纳米硅mAh/g），制备更简单，故硅氧负极是动力电池发展硅负极的主流路线。

2、为什么在这个时间点提硅负极？

加速+电池厂/车企加速推进硅负极以寻求能量密度提升。

3、负极其他企业硅负极量产进展？

贝特瑞在量产时间点、客户、产能、产品上全面领先国内同行。

硅材料是锂电负极技术进步的方向，目前产业化以硅氧负极为主流人造石墨是目前负极材料主流。可用做锂电池负极的材料有多种，人造石墨因循环性能、安全性能相对占优，是负极主流材料。根据GGII数据，年我国负极材料出货量为37万吨，其中，人造石墨出货量30.1万吨，占比为81.35%，天然石墨出货量5.8万吨，占比为15.68%，两者合计出货量占比达97%，石墨类负极材料占据主导地位。

硅材料在克容量、快充性能上明显由于石墨材料，是未来负极发展的方向。

硅理论克容量是石墨材料10倍以上。石墨材料的理论克容量上限mAh/g，目前高端产品已经达到-mAh/g，接近理论容量上限，而硅材料理论克容量达mAh/g。

硅负极快充性能更优。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%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。

硅单质能量密度高但体积膨胀大导致循环、倍率性能差，可采用纳米硅、与石墨复合，氧化亚硅改进。

纳米化：硅纳米化后可明显缩小体积，提高循环性能，但纳米粒子合成工艺复杂，粒径大小和形貌不易控制。

与石墨复合：碳材料的体积变化较小、循环性能良好，硅材料体积膨胀大、循环性能差而比容量最大，将两种材料复合可得到具有高容量、体积变化较小、循环性能较好的硅碳复合材料。根据硅颗粒在碳颗粒中的分布形式不同，复合材料可分为包覆型、嵌入型和分子接触型。

采用氧化亚硅：硅氧材料较硅单质有效缓解了体积膨胀，提升了循环性能，但降低了首次效率。由于氧化亚硅（SiOx，0＜x＜2）首次嵌锂的过程中会生成金属锂氧化物LixO及锂硅化合物，可有效缓冲脱嵌锂产生的体积膨胀，从而提高循环性能，SiOx材料在嵌锂过程中的体积膨胀仅为%左右，但带来的副作用是SiO使得Li在首次嵌入到材料的过程中会生成没有电化学活性的Li4SiO4材料，且该过程是不可逆的，导致SiOx材料的首次效率远远低于石墨和硅碳材料，并且比容量相对硅碳及纳米硅也较低，只有Ah/g，但仍然远高于石墨，而且相比而言，具有更小的体积膨胀和更好的循环稳定性对于动力电池更为重要，因此在动力电池领域该路线更具发展前景。

硅材料产业化时一般和碳材料复合使用，根据硅来源的不同分为硅碳（Si/C）负极材料及硅氧（SiO/C）负极材料两种：

硅碳负极：采用纳米硅和基体材料形成前驱体，目前商业化容量在mAh/g以下，首效高，但体积膨胀系数过大，导致其循环差，一般在-周，无法达到国标规定的动力电池循环周的标准，一般用于消费电池。

硅氧负极：采用纯硅和二氧化硅合成一氧化硅形成前驱体，目前商业化应用容量主要在-mAh/g，成本较高，首效相对较低，但循环性能相对较好，既可用于消费也可用于动力。

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。硅材料应用于锂电池负极的研发始于上世纪90年代，直至-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：年硅碳材料首次成功应用于智能手机商业化产品中池。

动力：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，电池容量增加到mAh/g以上，单体能量密度达wh/kg以上。

从商业化量产难度上看，硅氧负极最容易实现。氧化亚硅的制备难度不大，原料是二氧化硅和单质硅，在制成氧化亚硅后一般还需要采用真空蒸镀炉在表面沉积一层碳，形成SiOx/C复合材料，以免和电解液发生反应。

表：各种硅负极制备方法

硅负极过去几年渗透率在1%-2%徘徊，有望加速渗透率提升

国内硅基渗透率仍较低，年出货不足万吨。年国内负极出货量36.5万吨，其中硅基负极出货0.9万吨，渗透率仅为2%，发展空间较大。

量产在即，硅负极有望迎来放量。从材料体系全面提高能量密度，正极采用高镍三元，负极采用硅材料。此外，圆柱天生更适合用硅负极，因为其各向同性的特点使得圆柱电池更耐膨胀（硅负极最大问题是膨胀）。

特斯拉在年9月22日明确自产电池也将采用硅负极，计划采用冶金硅作为原料，通过离子导电高分子进行涂覆、以及特殊胶粘剂（Binder）混合的形式，通过包覆方法以及改进粘结剂的方式来提升性能。

特斯拉21年11月收购了美国电池初创公司SiILion，其重要专利“包含硅颗粒的大型电池负极”。特斯拉的干电极技术可有效解决硅基负极膨胀导致与极片脱离的问题，预补锂技术则有望改善首效低的问题。根据特斯拉的专利，特斯拉将锂粉预锂化和干法硅碳负极工艺结合，由24.6g石墨、8.2g氧化亚硅、0.g锂金属制成的干法负极材料相比于对照组的首效从73.9%提升至80.4%。

电池厂车企硅负极布局加速。在硅基负极材料的使用方面，松下处于领先地位，早已将硅基负极材料批量应用于动力电池；此前三星SDI、LG化学主要将硅基负极材料用于消费电池。

松下：12年发布NCRC电池，率先将硅碳负极应用于锂电池。17年将硅基负极应用于特斯拉的Model3电池中。

三星SDI：今年将推出第二代含硅量7%的硅基负极电池，预计年发布第三代硅含量为10%的电池。

蔚来：年1月9日上发布kWh固态电池，该技术采用原位固化工艺的固液电解质，确保电芯安全；使用无机预锂化工艺的硅碳负极，配合纳米级包覆工艺的超高镍正极，可实现50%的能量密度提升，达到Wh/kg。

广汽：AionLX采用海绵硅负极片电池技术，电芯能量密度可提高到Wh/kg左右，NEDC续航高达km。

上汽：智己采用宁德时代的“掺硅补锂”电池，提高负极中硅的含量，同时增加锂的含量，使电池实现Wh/kg的单体能量密度。

值得注意的是硅只是按照一定比例（一般在5%-10%）掺杂到石墨材料中，故不会显著影响石墨材料的需求，负极材料仍是以石墨为主。

硅负极发展初期可享受技术溢价，贝特瑞量产进展遥遥领先

硅基负极单价、单吨盈利明显高于石墨负极。以贝特瑞为例，-年硅基负极均价为22万元/吨，我们预计成本在15万元/吨，单吨毛利7万元，单吨净利在6.5万元左右，较石墨类高10倍左右。

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。

国内，贝特瑞研发和量产供货领先同行，拟扩产4万吨预示硅负极放量在即。13年开始做硅碳，15年开始做硅氧，是目前国内率先实现硅负极规模出货的公司，目前年出货量近0吨，主要客户包括三星、松下（客户系特斯拉）。目前公司硅碳负极已开发至第三代产品，比容量从第一代的mAh/g提升至第三代的1mAh/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1mAh/g以上。

22年2月17日，公司拟扩产4万吨硅基负极，加上现有的0吨产能，总产能在4.3万吨。

表：贝特瑞硅负极技术进展

国内其他负极企业亦有布局，其中璞泰来、杉杉股份进展较快。

璞泰来：硅碳与中科院物理所合作研发，并在江西紫宸厂房建立了中试车间，目前已完成第二代产品研发。硅氧路线在溧阳亦建立了氧化亚硅中试线（吨级别）。

杉杉股份：硅基负极研发始于年，目前圆柱电池用硅氧材料正在进行中试，计划进入海外圆柱电池客户，可用于电动工具和电动汽车，EV用硅氧材料已进入整车测试。

凯金能源：氧化亚硅材料已经开发至第三代，首次效率从一代的77%（容量大于1mAh/g）提升至三代的90%（容量大于mAh/g，公司已有小试和中试平台，同时建有年产吨的生产线，已实现对宁德时代的批量出货（21H1在9.8吨）。

总结：目前，仅有贝特瑞硅负极有大批量出货，且贝特瑞在研发时间、产能、客户，以及高代产品性能上领先国内同行。

表：负极企业硅基产品对比

非负极企业也开始了布局，如硅宝科技、石大胜华。

硅宝科技：17年成立了新能源事业部，19年建成50吨/年的硅碳负极材料中试生产线，目前公司硅碳负极材料已通过数家电池厂商测评并实现小批量供货。21年8月公司与宁德时代签订《框架合作协议》，11月10日，公告称建设1万吨/年锂电用硅碳负极材料项目。硅宝科技：17年成立了新能源事业部，19年建成50吨/年的硅碳负极材料中试生产线，目前公司硅碳负极材料已通过数家电池厂商测评并实现小批量供货。21年8月公司与宁德时代签订《框架合作协议》，11月10日，公告称建设1万吨/年锂电用硅碳负极材料项目。

石大胜华：拟投资建设2万吨/年硅基负极项目，建设周期为24个月，预计年12月份建成投产。

硅负极放量为衍生材料带来放量契机，典型如单壁碳管、补锂剂

传统石墨负极无需导电剂，硅负极一定要加导电剂碳纳米管。硅负极体积膨胀，会导致硅负极颗粒化，硅负极材料颗粒之间连接断裂，导致硅负极电池快速衰竭，因此需要添加碳纳米管，碳纳米管由于具备良好的导电性、高强度、高柔性、高长径比，以及在加入低剂量的情况下即可在材料内部形成发达网络的能力，在引入硅负极后可覆盖硅颗粒表面并在硅颗粒之间建立高度导电和持久的连接，同时可以显著提升硅负极的循环寿命。结合天奈科技产业链调研我们发现，硅负极一般采用性能更佳的单壁碳管。

硅负极增加对补锂剂的需求。硅基负极表面SEI膜的形成需消耗大量锂源，氧化亚硅也由于锂硅氧化物的不可逆形成进一步消耗锂源，这使得硅基负极的首次效率显著低于石墨，现有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆锂损耗，而对于高容量负极材料，首次锂损耗甚至更高；硅的不可逆容量损失达15%～35%，故硅负极一般需要搭配补锂剂使用。

硅负极单价：17-19年贝特瑞硅负极产品价格在20万元/吨+，我们预计其他中低端价格低于此，给了均价在20万元/吨，预计23/25年降至15/8万元。

来源：天风证券