作为锂电池四大主材之一，负极材料对锂电池性能提升，尤其是容量和续航的突破至关重要。在此背景下，硅基负极被行业普遍认定为理想的下一代负极材料。作为国内率先应用硅负极的锂电企业之一，比克电池在此领域深耕多年，近日比克电池首席科学家林建博士在行业会议演讲中传递了比克在高容量硅负极上的研究进展。图为比克电池首席科学家林建博士据 GGII数据，2021 年我国硅基负极出货量 1.1 万吨，同比增长 83.3%，虽仅占 1.5%的负极材料市场份额，处于发展初期，但前景可观，吸引了大批行业先行者。如林建所说，“硅基负极市场需求的攀升主要源于新能源产业的迅猛发展，为满足未来动力电池的高能量密度要求，进而推动新能源汽车续航里程提升，驾乘体验媲美燃油车甚至超越燃油车，推进全面电动化。”凭借行业领先的研发进展和经验优势，比克在国内最早将硅用于圆柱电池负极材料。事实上，相对于方形和软包电池，硅基负极应用于圆柱领域有着天然优势。相比石墨，在充放电过程中，硅会产生巨大的体积膨胀，高达300%，而圆柱电池通常采用钢壳，机械强度大，有着很好的束缚力，能够有效抑制硅的膨胀形成天然屏障。目前，比克硅氧材料由一代硅已发展到三代硅，将首效由77%提升至86%，基本达到与正极效率匹配，并采用了先进的补锂技术，正极利用率逐步提升。机遇的背后往往是巨大的挑战，相比传统材料，硅基负极在比容量、循环寿命和安全性等方面有明显优势，但同时存在着成本高、生产技术门槛高等问题，规模化生产困难。据林建介绍，目前比克正在进行预锂硅氧材料的研究。首效低、容量衰减快是制约硅基负极商业应用的核心原因，预补锂技术正是用于提升硅基材料首效，主要通过在硅基材料中预先补充部分锂，减少充放电过程中的不可逆容量损失。生产一代，研发一代，储备一代，比克电池始终坚持为终端产品超前部署的产品开发模式，这也使得比克在电池性能上持续领先行业。无论是追求无绳便携，智能灵活的小动力领域，还是电动化渗透率不断提升，里程焦虑亟待解决的新能源汽车领域，领先行业的电池技术都将引领行业发展，推动产业变革。如林建所说，比克电池将持续探索高容量硅负极技术，向三元锂电池性能极限发起挑战，致力为客户和消费者提供更高性能的产品和服务。发布于 2022-07-13 11:46

01
传统石墨负极篇
产能过剩明显 负极新增产能近1900万
自2022年以来，市场对于负极材料的热情只增不减，新老玩家不断加码，多股势力不断涌入赛道愈发拥挤。
据统计， 截至2023年3月公布的负极扩产项目产能已有1900多万吨，负极材料之所以近年来产能面临如此快速的扩张，一方面主因下游动力、储能等市场的强劲需求带动；另一方面也与前期负极上游石墨化产能紧缺、关键原料价格大幅上涨等因素造成的行业供应不稳定性及价格风险陡增有关。
在这种大背景下，传统负极企业、电池企业及跨界新势力多家企业相继加入扩产大军，形成三分天下的局面。
其中以杉杉科技、中科电气、璞泰来为代表的等负极材料“老玩家”持续扩产，以期提高自身生产能力，形成规模化效应以降低单位成本、巩固自身行业地位；
以宁德时代、亿纬锂能等为首的动力电池企业亦大举布防负极材料，并希望借此巩固自身供应链稳定性，增强自身议价权；
而君禾股份、石大胜华、索通发展等跨界新玩家入局，更多的是希望在变化较大的负极产业链中找到新的业绩增长点。
但另一方面，考虑到负极材料在电芯体系的搭建中，需随正极材料与电解液进行适配调整，定制化意味明显，也因此，当一个负极材料企业进入全新的电池供应体系时，通常需较长验证周期，如消费类电池通常需6-12个月；而动力电池更长，需要1-2年认证周期，且在目前负极环节产能大幅过剩情况下，进入电芯厂供应链验证周期或将拉长。
也因此，对于部分传统负极材料及石墨化扩产企业来说，下游客户相对稳定，产品信誉较高，未来产能释放节奏相对明确；但对跨界企业，尤其对那些是不具备电芯客户结构的跨界企业而言，所规划产能即便建成，后续闲置的可能性仍然较高。
石墨化产能不再制约人造石墨产量 石墨化价格“狂跌”
据SMM数据显示，目前石墨化外协价格在1.0万元/吨-1.1万元/吨，相较2022年近3万元/吨的峰值，下滑约160%。
石墨化价格为何“狂跌”，究其原因根本在于供需不匹配。
2022年下半年以来，石墨化进入产能集中释放期。
在国家对于新能源行业政策支持大环境下，部分石墨化厂家通过负极参股、合资等方式，将企业经营范围划为新能源行业，解决审批过长、审批困难的问题，各地政府对于石墨化企业管控也逐渐放开，结合2021年以来石墨化长期供不应求局面及石墨化行业的高利润，加速了企业石墨化产能在2022年释放。
据SMM数据显示，2022年石墨化新增产能约143万吨，而2021年石墨化有效产能仅约80万吨左右，增长达到180%； 而2022年负极材料产量仅130万吨左右，从产能匹配情况来看，石墨化产能已不再制约人造石墨产量。
2023年年初需求恢复不及预期，产能端过剩叠加行业格局快速变化，石墨化价格加速下跌。
2023年新能源汽车在补贴退坡影响下增速有所放缓，数码3c终端消费持续疲弱，储能端需求向好但短期占比较小，加上下游环节去库策略影响负极石墨化需求持续偏弱；反观供应端石墨化产能情况，尤其是负极一体化企业的石墨化产能都在加速爬坡建设中，市场上供过于求的矛盾越发凸显，叠加小部分企业为抢占市场份额报价让利较多，市场竞争越发激烈，石墨化价格在年初开始加速下跌。
下游降本需求明确，石墨化价格或仍承压运行。短期来看终端需求仍在缓慢恢复，在今年石墨化环节产能均过剩的局面下，下游电芯厂尤其是动力端对于原料价格敏感度较高，负极厂家有意将成本压力向上游石墨化厂传导。
目前石墨化价格承压运行，但在此情况下后续或有脱离成本支撑下跌的可能。
主流负极石墨化工艺介绍
当前石墨化工艺路线按照加热方式的不同可分为间歇式与连续式，其中间歇式占据主流地位，与连续式不同的是,企业在运用间歇式工艺进行生产时，物料除需经历装炉、升温、石墨化等常规工序之外，还存在降温断电等工序。
间歇式包括艾奇逊、厢式与内串三种炉型，前两种行业使用相对较多。
艾奇逊石墨化炉：
石墨化过程主要包括将负极材料均匀放入石墨坩埚内，再通过天车吊起平放入石墨化炉中，将电阻料放入炉芯处石墨坩埚外围，再包覆保温料，将炉体填满，即完成装炉。
将炉体装满后，便可进入电加热过程，通过石墨化炉两侧的电极进行通电加热，在炉内达到一定温度后加盖炉顶并设置集气罩，炉内温度将继续升至2800-3000℃，最终将坩埚内含碳物质在高温热处理下，实现减少无定型碳微晶结构边缘杂质，使其具备石墨晶体结构特征。
通电加热结束后，将炉顶打开，静置冷却至材料恢复常温，即结束该生产过程。通常情况下，石墨化工序或提纯工序一个周期将达到15-22天。
厢式石墨化炉：
厢式炉工艺将整个炉芯空间分成若干个等容积腔室，负极材料直接放置于石墨板材所围成的厢体空间中，石墨板材具有导电性，厢体通电后自身发热，在作为负极材料容器的同时能够达到材料加热的目的。
厢式炉工艺避免了负极材料重复装入、装出坩埚工作，且由于厢体自身材质及形状特点，厢体之间无需添加保温电阻料，仅需保留厢体四周与炉壁之间的保温材料，增大了炉内负极材料的有效容积及使用效率。
箱式炉工艺可以使单炉有效容积成倍增加，于此同时总耗电量仅增加约10%，从而带来产品单位耗电降低40%-50%左右。
厢式法工艺厢板拼接过程精度较高，装料吸料操作难度加大，加热过程需更加精确地控制送电曲线及温度测量，所以整体对石墨化工艺掌握程度及技术优化水平要求较高，目前行业内仅有贝特瑞、璞泰来、杉杉股份、凯金能源、翔丰华等少数头部企业掌握并规模化使用。
连续石墨化炉：
连续石墨化炉其实不是一种特定的石墨化工艺炉，现有的连续石墨化炉有多种形式。所谓连续石墨化工艺是相对于间歇式石墨化工艺来讲的，一般是指生产中没有断电的过程，石墨化的产品需要经过一系列的温区，从而实现连续石墨化。其原理是先将备好的粒度为1~30 mm的散状石油焦由上料装置送入进料斗，经过干燥、煅烧阶段，将产生的蒸汽和挥发分排出；而后进入高温区完成石墨化；最终进入炉底冷却器，冷却到200~300 ℃时，打开冷却器底部的闸板出料，自然冷却至室温。
连续石墨化具备以下优势：
1、热能利用率更高（连续法25%，艾奇逊法10-15%）。
2、生产辅料节约，连续法几乎不消耗辅料，艾奇逊法没生产1吨产品大概消耗4吨辅料。
3、废气集中处理，对环境友好，连续法生产过程密闭，由专门的辅机收集处理废气，艾奇逊法是敞开式冶炼环境，无法有效收集废气。
4、碳排放低，设备法仅为艾奇逊法碳排放当量的25%。
5、连续法生产组织模式具有连续性，中间产品“不落地”，节省大量人力、运输运转费用。目前行业主流的艾奇逊法平均耗电在8000-14000度/吨，而连续法耗电量比传统艾奇逊法降低30%左右，且辅料大大减少，生产能力和效率都得到了大幅提高，能耗大大降低，有害气体的排放也大为减少。
但目前连续性石墨化炉工艺相对不成熟，升温至2800度以上相对困难，且由于其生产过程密闭杂质气化易使炉内压力过高，随着工艺技术的发展及普及，未来连续石墨化会成为最主流的技术路线。
天然石墨负极产业链简介
目前锂电池负极材料主要包括三种：
一是碳系材料，包括天然石墨，人造石墨；二是硅基材料；三是非碳系材料，包括钛酸锂、金属锂等。
天然石墨负极材料原料为天然石墨矿，天然石墨矿依其结晶形态可分成晶质石墨（鳞片石墨）和隐晶质石墨（土状石墨）两种类型，其中晶质石墨根据固定碳含量又可分为高纯石墨（固定碳含量≥99.9%）、高碳石墨（固定碳含量94%-99.9%）、中碳石墨（固定碳含量80%-94%）及低碳石墨（固定碳含量50%-80%）四种类型。
从天然石墨负极加工工序来看，开采出来的天然石墨矿经过破碎、浮选分级等处理加工成鳞片石墨精粉；处理好的鳞片石墨粉通过破碎、整形、提纯后，加工成高纯球形石墨，但进行提纯时行业多选择使用含碳量在94%-95%的高碳石墨，因中碳及以下石墨含碳量较低，球形石墨提纯工艺遍数增加，设备磨损程度增加，总成本也随之增加。
而原料含碳量越高，采购成本也将相应上涨；球形石墨再经过简单包覆、碳化处理，加工成常规的天然石墨负极材料除常规工艺外部分要求较高的厂家还会在此基础上经过石墨化加工，得到性能更为优良的天然石墨负极材料。
人造石墨原料焦类分类及格局简介
从人造石墨使用原料情况来看，目前人造石墨的原料主要为 油系针状焦、煤系针状焦、低硫石油焦（以下简称为低硫焦），常规动力、储能，多用低硫焦做原料的产品，因为这部分人造石墨需求较大，对应的在人造石墨原料中低硫焦的使用占比最大；但对人造石墨容量、循环、压实有要求的话，也会使用低硫焦加针状焦掺混来提升性能。
从人造石墨原料针状焦的市场格局来看，国内煤系主要生产企业为宏特、宝武、喜科墨，有接近80万吨产能是2017年针状焦价格暴涨后陆续释放出来的；油系在2018年以前，国内就锦州石化，后面山东益大、山东京阳逐步起来，新投产的也有山东联化、潍坊孚美、辽宁宝来，加一起产能约100多万吨；海外这边，美国康菲有两个工厂，美国工厂供应本土石墨电极，只有在行情特别好的时候才有少量针状焦流入国内；英国工厂每年产能27.5万吨，供给中国是负极材料市场，每年10万吨左右；韩国企业只有浦项；日本有水岛、JX、三菱及新日矿等，大多供应昭和电工的石墨电极，JX已经有一定量进入中国，三菱、新日矿近几年有在用但是比例不高。
低硫焦长期供应存在限制，负极企业正加快中高硫焦的使用。
石油焦的原料是减压渣油，通过延迟焦化生产出焦化汽柴油和石油焦，石油焦根据含硫不同，牌号从1#A—4#B。
一般而言，硫含量小于1%的石油焦称为低硫焦，也是能用在负极上的低硫石油焦。
但低硫石油焦长期看供应偏紧，延迟焦化涉及污染，不太会持续大规模的扩产，而目前大多新增的石油焦产能以大炼油项目为主，加工出来的产品多为高硫份焦，无法用在负极上，同时大炼油的延迟焦化装置，多配套石油焦制氢装置，其外销或是自用存在极大不确定性。
目前负极厂家正在加快原料开发研究，把中高硫焦用在负极上，虽然技术理论可行，但成本太高，并且涉及在石墨化过程中硫排放的环保问题，目前并没有大规模使用，行业内仅有头部企业有部分应用于储能人造石墨产品使用中硫焦作为原料。
天然石墨VS人造石墨：谁更具潜力？
负极材料主要分为碳系材料和非碳系材料，碳系材料以人造石墨与天然石墨为主，非碳系材料以硅基负极材料为主，那么在目前主流使用的负极材料中，天然石墨和人造石墨谁更具潜力呢？
1、从产品性能来看
天然石墨的容量高，压实密度高，价格也比较便宜，但是由于颗粒大小不一，表面缺陷较多，与电解液的相容性比较差，副反应比较多；而人造石墨的各项性能则比较均衡，循环性能好，与电解液的相容性也比较好，因此价格也会贵一些。
2、从产品应用场景来看
天然石墨多用于小型锂电池和一般用途的电子产品锂电池，人造石墨则凭借优良的循环性能、大倍率充放电效率和电解液相容性等显著优势，广泛应用于车用动力电池及中高端电子产品领域。
3、从国内外技术路线选择来看
人造石墨和天然石墨技术路线并没有明确的优劣之分，更多的是根据自身技术路线的选择。天然石墨的结构决定了石墨在锂嵌入和脱嵌过程中体积产生较大的变化，导致石墨层结构破坏，进而造成了较大的不可逆容量损失和循环性能的剧烈恶化，因此，天然石墨在使用时往往侧重于对其进行改性研究，改善其自身结构缺点提升电池性能。天然石墨技术路线在海外应用较为成熟广泛，国内市场以人造石墨技术路线为主。
目前随着动力电池市场的持续扩大，对材料成本、加工性能、能量密度、循环寿命、快充倍率等因素的综合要求提升，预计未来几年，人造石墨占比将继续上升；而天然石墨由于其优良的特性，例如，在膨胀石墨方面，人造石墨无法取代天然石墨；并且目前人造石墨掺杂天然石墨的复合石墨路线，也使天然石墨的需求量逐步提升，未来的经济发展中天然石墨还是有自己不可取代的市场。
除了传统的碳系负极材料，近年来，由于终端消费者对于产品能量密度、快充性能的需求，非碳系材料——硅基负极逐渐冲上市场“热搜”。
02
新型负极篇
新型负极材料最新发展趋势解析：硅基负极方向确定
从2022年负极出货占比来看，人造石墨占比达87%，天然石墨负极占比约10.5%，硅基负极占比约2.5%左右。硅基负极的发展主要受到能量密度与快充需求的推动。
石墨的理论克容量为372mAh/g，部分厂家产品可以达到365mAh/g，基本达到极限值，而硅基负极理论比容量为4,200mAh/g；并且传统负极石墨没有足够能力满足快充这一市场应用进一步的需求。为了实现快充，即达到容量性能和倍率性能的平衡，需要引入更高容量的硅基负极。
从目前硅基负极技术路线及应用来看：主流为硅碳负极与硅氧负极。
硅碳负极比容量高、首次充放电效率更高、工艺更加成熟但循环较差，目前多以人造石墨掺杂纯纳米硅的形式使用，掺杂比例在5%左右，其克容量在1600-1700 mah/g，首效达到90%，循环在500-600周左右，多用于消费端产品；硅氧负极循环高、倍率性能好，但首效较低，目前多以氧化亚硅掺杂6%左右人造石墨来使用，其首效问题主要通过预镁（阻止SEI 膜合成）、预锂（直接补充 Li）工序实现。目前小电动工具及消费产品均有使用。
从目前硅基产业化进程来看：目前硅基负极多应用于消费品，但未来大规模应用还是在4680动力电池上，其终端应用车型主要是特斯拉Model Y及Model 3，而特斯拉4680的供应主要是自供和指定松下供应。
从布局来看，目前特斯拉4680电池已达到了量产标准，2023年实现规模化上市；松下将在2023年量产4680车用锂电池组，首批将交付给特斯拉使用；而国内宁德、亿纬、比克的量产集中在2024年，SMM预计2024年达到硅基产业化进程拐点。
硅碳VS硅氧：谁是未来趋势？
目前传统石墨负极容量已达到372mah/g理论最大值，但仍未能满足新能源终端消费者对长续航及快充需求的性能要求。
在这种情况下，被认为是下一代负极材料技术的主要方向、能量密度10倍于当前传统负极、理论克容可至4200mah/g的硅基负极材料正作为这一问题的最理想解决方案引发世人关注。
据SMM了解，硅基负极材料目前仍处于不断研发阶段，目前市面上技术路线分为硅碳和硅氧两种，产品大致可分为四代：
硅基一代品走硅碳路线，但因为硅碳负极高膨胀性难以解决，首效及循环表现较差，因此市场开始研发膨胀性较低的硅氧路线；
二代硅氧产品使用常规氧化亚硅，其终端应用在电动工具上；
硅氧三代预镁化产品是在二代基础上，牺牲部分容量提升首效至85%，终端应用除电动工具外增加了数码端应用，硅氧三代预锂化也在二代氧化亚硅的基础上，用金属锂进行预锂化，最高提升首效至90%，循环可以做到1300周以上，达到动力市场的应用门槛；目前市场也在积极研发硅碳产品，已出现第四代硅碳产品，其终端应用预计主要在4680电池上使用。
目前硅氧负极技术路线相对成熟，在硅基负极出货量中占比超过九成，随后续技术逐渐成熟， SMM认为中长期来看硅基仍以技术较为成熟的硅氧负极为主，而长期来看硅碳负极膨胀问题解决，硅基成本降低、渗透率提高，硅碳负极会是未来最终的应用方向。（信息来源：SMM负极）返回搜狐，查看更多
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