硅基负极特斯拉电池新技术或加速.docx

内容目录一、硅基负极：下一代产业趋势41.1 石墨类负极接近容量极限，硅基材料是下一代负极41.2 .固有性能劣势掣肘应用，材料及电池体系优化是关键61.3 硅基负极规模商业化时点临近9二、特斯拉电池新技术推进，有望加速硅基负极应用122.1 合作+并购，特斯拉推进电池新技术量产 122.2 干电极+预补锂，有望突破硅基负极规模应用瓶颈 12三、硅基负极厂商有望受益133.1 中国宝安（持有贝特瑞75.48%股权）143.2 璞泰来16四、风险提示17图表目录图表Z主要负极材料种类4图表2：主要负极材料性能特征比照5图表3人造石墨及天然石墨是目前负极市场主流 5图表4人造石墨及天然石墨占负极出货972%5图表5：硅基负极是下一代负极材料5图表6硅基材料充放电体积膨胀收缩巨大 6图表Z巨大的体积效应造成颗粒破碎，与极片别离，阳膜增厚6图表8：硅基负极应用需材料改性及电池体系优化 6图表9：硅基材料结构分类7图表10：硅基负极材料开展历程8图表硅基负极主要工艺8图表22电池体系优化缓解硅基材料体积膨胀问题 9图表13宁德时代规划2020年（日开始逐步导入硅基负极 10图表24：比克规划硅基负极电池逐步放量10图表15：国内主要厂商硅碳负极产品11图表16干电极技术工艺13图表17x具备干电极技术专利13图表18：0切伯干电极技术优势13图表29：石墨类负极及硅基负极单价比照14图表27：石墨类负极及硅基负极毛利率比照 14图表21：硅基负极市场规模预测预测14图表22：贝特瑞历年分业务营收（亿元）15图表23：贝特瑞负极贡献主要营收及毛利（2G9） 15图表24：负极出货量连续多年第一 15图表25：人造石墨出货排名第4,市占率稳步提升15图表26：天然石墨市占率遥遥领先，稳固第一15图表2Z 2G9年前五大客户16图表28：盈利能力领先同行（毛利率）16图表29：璞泰来历年分业务营收（亿元）16图表3。：璞泰来负极及涂覆隔膜贡献主要盈利（2019） 16图表3Z璞泰来人造石墨出货量第一17> 星城石墨：已建设完成中试产线，进行成品试生产。> 斯诺实业：目前比容量400450mAh/g的产品已完成小试开发，处于中试和量产准 备阶段。图表15：国内主要厂商硅碳负极产品产品名称D50 (pm)振实密度(g/cm3)比外表积(m2/g)压实密度(g/cm3)容量(mAh/g)首次效率(°/o)贝特瑞硅系S400400-49992-94贝特瑞硅系S500500-59990-92贝特瑞硅系S600600-65089-90贝特瑞硅氧S420-2A16.0±2.00.9±0.1<2.0>1.7>42092.5±1.0贝特瑞硅氧S450-2A15.0±2.00.9±0.1<2.0>1.7>45091.5±1.0贝特瑞-硅氧S500-2A15.0±2.00.9±0.1<2,0>1.7>50090.0 ±1.0江西紫宸Si/C-380mAh/g375-38590-92江西紫宸Si/C-400mAh/g395-40589-91江西紫宸Si/C-420mAh/g415-42587-89江西紫宸Si/C-450mAh/g440-46086-88江西紫宸Si/C-600mAh/g590-61083-85江西紫宸Si/C-950mAh/g590-61083-85杉杉硅氧G1S-C4202420291杉杉硅氧G1S-C4502450290杉杉硅氧G1S-C5002500289杉杉硅氧G1S-C6002600288斯诺实业SN-SC120-23>450287斯诺实业SN-SC210-1320-2521000270星城石墨GCM-45020.3341.63.221.645090.2星城石墨GCM-60022.5241.54.581.560088.7正拓能源SIC45012-1621>450290资料谦藻源各公司官两£42012-16220.92420291正拓能源SIC40015-18211.5 ± 0.52400292二.特斯拉电池新技术推进，有望加速硅基负极应用2.合作+并购，特斯拉推进电池新技术量产特斯拉动力电池自产工程“Roadrunner”已正式启动，预计5月电池日将公布技术细节。纵观特斯拉自产电池业务布局主要分为三步:1）与松下合资积累电池大规模量产经验。特斯拉与松下合作始于2009年，创新将圆柱 电池应用于汽车，能量密度遥遥领先同行。2014年7月，为保障动力电池供应并降低成 本，特斯拉与松下共同投资50亿美元在美国内华达州建设超级工厂Gigafactory,并于 2017年开始量产，产能逐步爬坡，目前产能约35GWh。通过与松下合资建厂，特斯拉 积累了动力电池大规模量产经验。2）前沿基础研究通过新型配方实现电池性能优化。2016年，特斯拉与杰夫戴恩（Jeff Dahn）团队达成独家电池研究协议，杰夫戴恩是三元材料技术开创者，主要集中于高 锲正极及电解液性能优化，论文中包括高银正极的包覆改性以及新型电解液添加剂开发 降低副反响，改善循环性能。通过与杰夫戴恩的合作，为自产电池性能优化奠定基础。3）工艺与设备一体，通过收购解决产电池量产的最后一步。新工艺环节，2019年5月特斯拉完成超级电容器厂商maxwell的收购，maxwell在干电极及预补锂技术领域具 备领先的工艺经验和专利优势，有望大幅提升动力电池性能。设备环节，2019年10月 完成加拿大Hibar Systems收购，Hibar Systems以精密计量泵业务起家，具备锂电池设 备生产线研发和制造能力。工艺和设备息息相关，尤其对于新工艺技术量产，设备的配 合至关重要。通过合作和并购，特斯拉完成了从前沿基础研究到大规模量产所需的工艺和设备的全面 布局。新型电池技术预计除了正极.电解液方面的性能优化以外，采用干电极+预补锂 技术有望加速硅碳负极的商业化应用。2.2. 干电极+预补锂，有望突破硅基负极规模应用瓶颈干电极相比湿电极的技术区别主要在于：> 湿电极技术：将活性材料、导电剂、粘结剂添加溶剂（通常为NMP）高速搅拌混合 均匀，再用涂布机将浆料涂在集流体上并烘干，在涂布过程中溶剂被蒸发去除。NMP 有毒，需回收、纯化和再利用。> 干电极技术：干电极工艺更简单，不使用溶剂，将活性材料、导电剂、固体粘结剂 （PTFE）通过挤出做成薄膜，再通过热辐压模式与铜箔复合。干电极技术可有效解决硅碳负极的商业化应用瓶颈。硅基负极的商业化应用主要问题在 于：工）循环寿命短：主要因体积效应造成的硅基负极颗粒破碎、与极片脱离；2 ）首次 库伦效率低：主耍因首次反响导致的锂离子永久性损失。采用干电极技术这个关键问题 将得到有效改善：> 硅基负极电池循环寿命得以提升：干电极技术采用的固体粘接剂PTFE,具备弹性, 可有效解决硅基负极膨胀导致与极片脱离的问题，循环寿命将数倍提升。> 预补锂技术有望实施，首效低问题得以有效解决：在湿电极技术下，由于NMP为 极性溶剂，与金属锂会反响，预补锂无法实现。而采用干电极技术无需添加溶剂， 预补锂技术可以顺利实施。添加的锂可以弥补在初始充电时形成S日膜所消耗的锂,从而提升首次库伦效率，可提升电池能量密度。同时由于在电池充放电过程中，SEI 膜会以微小的速度继续增长，消耗锂离子，因此负极补锂亦可提升电池循环寿命。图表16：干电极技术工艺根据特斯拉收购的Maxwell干电极技术方案，电池性能有望大幅提升。采用干电极技 术电池能量密度有望提升到500Wh/kg,循环寿命将延长1倍，生产效率提升16倍，相 比最先进的湿电极技术本钱可下降10-20%o Maxwell干电极电池原计划2022年量产， 在被特斯拉收购后，这一时间点有望提前。IMIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIUS 20I8024I079AI(i9)United States(i2i Patent Application Publication (10)Bub. o.： IS 2018/0241079 Al Duong ct al.(o)Pub. Dale:/ug. 23.2018S1ORM3： IHM< I(71)MbvwyIInc. Son12，. CA(72>IIleu Minh 1>«<. Ro»ancadL CA(USX VEb MMcbrM ( hiixlkr / (g SUbammcd-Na/ld SaidL lu Me. CA (US) Jmmi IU Mila Saa Diep. CA lUS? llalB IciccBbeiiai. Ia iiw. CA (VS)(21 ) AnU No: (221 Filed Feb. M 20|ffRc""J U«K.Date(60) PvwhmjJ appbcrtm No 62>46M5Q. filed un I cb 21. 2017.IhsbNc'trien <(SI) lai. <X(200601)/#/.W M2 (2OO6OI)(200601)/t/ W 44J9JEMM 01)<2006 Oh SB(XMKOI)(52» ISCl< K。/“ /»<25 «X” 101)/ M 4X25(2»l X 01 r 119IMI OH IM/W“ ”6 <X)I V0! »/>/。必(201V0I). IWU4/U2 ,20110l> H9IW 4/1U (20B0I)(S7»ABsrttU Iucae drvxv can inciuic i tlnlRCTXxxl ckKfn«ic and a 彳 befween the tinl ekefrudk and the veumd dccUink wlwcm the ftrwt ckvlndc iMluk .0 Hrcifitchrwik-AUy 11cleg matcruil und a pxm* caffem iiMtcriiJ. jrJ Z gund ckWinie ivludo dcincnul lithMim kmiI and orh. farlKk nuthed for fuhncsnng an energy wragc de% nr cjr mclnJc fumhg «i hrtl dcc- Ina mJ * mad ckcUtMW. wl inaerti. wfwd ifw firwl deem wk and ihe mnnd cEmdr史Ei” tlr HrM dcctnUc iiwludrt ciwnbeomf jh cicvti XsiKjlh aicr3 uod « poftMH c«tua nMlowbJ KciWMi eked?皿 ludn ctwnbinmf Hilfcnu I liihmanhiaihl a pluruhiy of catuo资料来源：maxwell,资料来源：maxwell,图表18： mawe干电极技术优势Dry Battery Electrode: Completing Major Performance MilestonesTransformational Battery Technology Enabling Electric Vehicle MegatrendEnergy Density:>300 Wh/kg Demonstrated with Path to >500Wh/kg identifiedExtended Battery Life:Improved Durability; Extending Battery Life up to 2xCost Reduction:16x Production Capacity Density Increase;10-20%+ Cost Reduction versus State-of-the-Art Wet ElectrodesTechnology Enablement & Environmentally Responsible:No Solvents, Next Gen Materials, Cobalt-Free, Solid State资料来源：maxwell,三.硅基负极厂商有望受益硅基负极以容量定价，最低端的硅基负极价格均在10万以上，毛利率40%以上，单价、 盈利能力均高于目前的石墨类负极材料。国内外电池厂商硅基负极电池产业化稳步推进, 叠加特斯拉电池新技术，硅基负极规模化应用有望加速，我们预计2022年硅基负极市 场需求将超3万吨，市场规模预计超35亿。图表/raxwe具备干电极技术专利图表21：硅基负极市场规模预测预测资料来源：GGIL20192020E2021E2022E特斯拉销量（万辆）36.856.182.2120.2特斯拉动力电池需求（GWh）29.342.063.295.7特斯拉负极需求（万吨）3.515.047.5911.49硅碳负极渗透率10%10%15%20%特斯拉硅碳负极需求（万吨）0.40.51.12.3其他车企销量（万辆）195.4229.8332.5419.2其他车企动力电池需求（GWh）76.295.0141.3178.3其他车企负极需求（万吨）9.9012.3518.3723.18硅碳负极渗透率1.0%20%3M4.0%其他车企硅碳负极需求（万吨）0.10.20.60.9合计硅碳负极需求（万吨）0.450.751.693.22单价（万元/吨）14.0013.5012.5011.00市场规模（亿元）6.3010.1321.1135.47YOY60.8%108.3%68.0%图表19：石墨类负极及硅基负极单价比照图表19：石墨类负极及硅基负极单价比照资料来源：GGIL资料来源：GGIL图表2。石墨类负极及硅基负极毛利率比照3.1 .中国宝安（持有贝特瑞75.48%）股权）中国宝安定位控股平台型企业，拥有多家A/H/新三板上市公司股权。产业布局上有高新 技术（新能源汽车为主）、生物医药、房地产以及其他产业（工程投资、物业管理等）四 个业务板块。由于其他产业板块亏损以及母公司费用对利润蚕食较多，整体盈利能力一 般。其中两个主要子公司贝特瑞（新三板上市，202亿）、马应龙（A股上市，74亿） 对应股权市值174亿。贝特瑞主营锂电池负极及正极业务，其中负极业务贡献主要利润，正极业务亏损。2019 年公司负极出货量约6万吨，市占率22.6%,出货量已连续多年第一。公司在天然石墨 负极领域具备绝对优势，本钱、性能领先，2019年市占率63.3%；人造石墨起步相对 较晚，但局部工艺相同，产品定位中高端，市占率稳步提升，2019年市占率11.3%, 行业排名第四。图表22贝特瑞历年分业务营收(亿元)营收占比毛利占比资料来源：公司财报,资料来源：公司财报,图表24负极出货量连续多年第一25%20%15%10%5%0%贝特瑞T-江西紫宸宁波杉杉东莞凯金翔丰华22.7%22.4%22.6%2016201720182019资料来源：GGIL图表25：人造石墨出货排名第4,市占率稳步提升图表26：天然石墨市占率遥遥领先，稳固第一江西紫宸 贝特瑞东莞凯金宁波杉杉中科星城2016201720182019贝特瑞:翔丰华宁波杉杉-中科星城T-江西正拓资料来源：GGIL资料来源：GGIL2019年前三大客户分别为松下、三星及LG,三者营收占比49.1%。其中对松下收入规 模增长最快，从2017年的2.31亿增长至2019年的11.40亿。三星持续攀升，从2017 年的2.77亿增长至2019年的7.22亿。垂直一体化布局，负极材料业务涵盖矿山开采、图表23：贝特瑞负极贡献主要营收及毛利(2019)图表2Z 2G9年前五大客户浮选到负极材料成品一体化的全产业链，盈利能力领先同行, 图表28：盈利能力领先同行（毛利率）资料来源：公司财报,资料来源：各公司财报,贝特瑞硅基负极材料2006年起步，在国内率先实现技术突破，2013年通过三星认证并 开始批量出货。公司同时供应松下、LG、三星，并已进入特斯拉供应链，是特斯拉核心 供应商。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650mAh/g提升至 第三代的1500mAh/g,正在开发第四代硅碳负极材料产品；硅氧负极局部产品比容量达 到1600mAh/g以上。公司硅基产品具备高容量、低膨胀和长循环的特点，技术领先国 内同行2-3年，目前硅基负极产能3000吨。3.2 .璞泰来璞泰来以负极材料业务起家，通过外延并购逐步实现涂布机、涂覆隔膜及铝塑膜等业务 板块布局，目前业务结构中，负极及涂覆隔膜贡献主要利润及增量。公司全资子公司江 西紫宸是人造石墨负极龙头厂商，2019年人造石墨出货量约4.6万吨，市占率22.4%, 在人造石墨负极领域市占率第一。人造石墨技术领先，产品定位高端，单价领先同行。 切入LG、三星、ATL、宁德时代等国内外锂电巨头供应体系，是LG和ATL核心供应商。 LG全球车企订单第一，以群众为代表的国际车企第一轮产品周期开启，增长确定。涂覆 隔膜与宁德时代深度绑定，稳步增长，持续放量，新增产能稳步释放，成长可期。图表29璞泰来历年分业务营收（亿元）资料来源：公司财报,图表30：璞泰来负极及涂覆隔膜贡献主要盈利（2019）资料来源：公司财报,图表31：璞泰来人造石墨出货量第一图表31：璞泰来人造石墨出货量第一资料来源：GGIL图表32产品定位高端，单价领先同行（万元/屯）资料来源：各公司财报,公司稳步推进产能扩张的同时不断深化产业链垂直整合，一体化布局初显成效。隔膜业 务通过参股、收购已完成从基膜到涂覆材料、涂布设备和涂覆隔膜的全线布局。负极材 料业务石墨化、炭化产能释放，毛利率有望企稳，通过参股针状焦环节的振兴炭材，将 于2020年开始贡献业绩。在硅基负极上，正积极推进硅氧/硅碳等新产品的性能改善、 首次效率提升和制作工艺研发。已与相关单位签署了硅碳专利合作和使用授权，重点推 进硅碳、硅氧的研发和产业化。风险提示特斯拉电池新技术进展不及预期。特斯拉采用的新电池技术面临着设备、工艺、材料的 变化，在量产过程中存在较多的不确定性。特斯拉电池新技术进展不及预期可能导致硅 基负极的应用进度低于预期。硅基负极产业化应用不及预期。硅基负极应用上仍需要在材.料、电池体系级别的进一步 优化，存在着一定的不确定性，产业化应用上可能不及预期。17图表32：产品定位高端，单价领先同行（万元/吨）硅基负极：下一代产业趋势工,石墨类负极接近容量极限，硅基材料是下一代负极负极材料在锂电池充电过程中主要起储锂作用，其脱嵌锂电压和比容量对电池能量密度 影响较大。优异的负极材料需同时具备低的脱嵌锂电压、高的比容量以及良好的倍率特 征和循环性能。电池的能量密度：E_m = Q_c * Q_a/(Q_c + Q_a ) * (t/_c - U_a其中，Em、Qc、Qa、Uc、Ua、K,分别为电池的能量密度、正极比容量、负极比容量、 正极平均电压、负极平均电压以及正负极活性材料的质量与电池总质量比值。负极材料种类较多，可分类碳材料和非碳材料两大类。前者包括人造石墨、天然石墨等石墨类碳材料以及软碳、硬碳等无定型碳材料；后者包括硅基、锡基、钛基等合金型材 料。不同材料性能特征差异明显:> 石墨类碳材料为插入型负极材料，储锂过程锂离子以固溶或者一阶相变进入材料的主体结构，主体结构基本不变，具有较好的放电循环稳定性，目前商业化应用以人 造石墨及天然石墨为主。> 无定形碳材料应用较少，包括硬碳及软碳材料。其中硬碳材料首周效率低、低电位储锂倍率性能差、全电池满充电态易于析锂、压实密度低。软碳材料首周不可逆容 量较大，对锂平均电位较高，压实密度低，能量密度偏低。非碳材料为合金化型负极材料，储锂过程通过合金化反响，因此比容量高，但由于锂离子通过与材料加成反响形成合金相，造成材料相结构变化，导致颗粒粉碎及其外表的固相电解质层重复形成从而引起容量的损耗和循环性能较差等问题，目前商业化应用主要通过纳米化及碳包覆等技术形成复合材料。硅基负极材料在合金类负 极材料中具备最高的比容量、最低的脱嵌锂电压，且储量丰富，最具备大规模商业化应用前景。资料来源：GGIL图表2：主要负极材料性能特征比照负极材料比容量mAh/g首周效率%振实密度g/cm3压实密度g/cm3工作电压V循环寿命次平安性倍率性能天然石墨340-37090-930.2>1000一般一般人造石墨310-37090-960.2>1500良好一般MCMB280-34090-940.2>1000良好良好软碳250-30080-850.52>1000良好良好硬碳250-40080-850.52>1500良好良好LTO165-17098-991.55>30000优秀良好硅基材料380-95060-92300-500良好良好资料来源：GGIL人造石墨及天然石墨为目前商业化应用主流，硅基负极为下一阶段产业趋势。经过二十多年开展，现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极限(372mAh/g),为进 一步提升电池能量密度，寻找更高比容量负极材料成为产业研究重点。硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达4200mAh/g ,是前石墨类负极材料的十倍以上，不存在析锂隐患，平安性好于石墨类负极材料，且储量丰富，本钱低廉，是最具潜力的下一代锂 电池负极材料。图表4：人造石墨及天然石墨占负极出货971%图表3人造石墨及天然石墨是目前负极市场主流资料来源：GGIL其他负极人造石墨天然石墨资料来源：GGIL图表5：硅基负极是下一代负极材料1.61.41.23 1.0多0.8J 0.60.40.201.61.41.23 1.0多0.8J 0.60.40.20Si-based matcnalPerformance comparition of common anode materialsMCMBArtificial graphite0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Capacity / (mAh g !)LUTisOuSoft carbon Hard carbon资料来源：新材料在线,1.2有性能劣势掣肘应用，材料及电池体系优化是关键由于硅材料在充放电过程中与锂合金化反响，存在严重的体积效应，导致循环性能及库 伦效率较差 大规模商业化仍存掣肘。硅材料在储锂过程与锂离子加成反响形成合金相， 因此存在严重的体积效应。在充电过程中膨胀率可达300% （碳材料只有16%）,放电 时体积收缩，反复的体积变化容易引致硅颗粒破裂、材料粉化、极片脱落等问题，从而 导致循环性能较差。同时在膨胀过程中容易导致负极外表的SEI膜（固体电解质界面膜，防止因溶剂分子共 嵌入对负极材料造成破坏）破碎，而在放电过程中SEI膜重新形成。因此硅外表的SEI 膜始终处于破坏-重构的动态过程中，最终导致SEI膜厚度持续增加，界面阻抗升高，活 性物质消耗，致使容量衰减，库伦效率较差。图表6：硅基材料充放电体积膨胀收缩巨大图表7：巨大的体积效应造成颗粒破碎，与极片别离，阳膜增厚资料来源：高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展,资料来源：高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展,资料来源：高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展,通过材料改性及电池体系优化，提升循环寿命及首次效率是硅基材料大规模商业化应用 的关键。> 材料改性：主要包括结构化改性和碳包覆改性。通过纳米化、氧化亚硅及碳包覆等 手段形成硅碳复合材料减小体积效应对硅颗粒及SEI膜破坏从而提升循环性能。电池体系：除了粘结剂,导电剂、电解液的综合匹配以降低硅基材料体积膨胀的负 面影响外，干电极技术及预补锂技术有望成为突破的关键。图表8：硅基负极应用需材料改性及电池体系优化首效过低首效过低体积收缩膨胀率高达300%,材料易粉化电极活牲物质与集流体脱离，表失电接触预补锂技术循环寿命降低解决方案资料来源：锂电池用硅基负极材料开展现状及展望,图表9：硅基材料结构分类类型结构描述特性多孔型多孔硅结构多孔结构提供离子传输通道，大 外表积提供反响活性，利于快充包覆结构核壳型硅颗粒为核，碳层为壳碳层提高导电率且缓冲硅的体积效应；减少硅与电解液直接接触，提高电池循环性纳米化：颗粒尺寸小有利于应力释放，当硅颗粒粒径<150nm时，体积效应减弱， 纳米硅在充放电过程中会膨胀但不容易破碎，可提升循环性能。主要包括纳米颗粒、 纳米线、纳米片等，可以提高材料的结构稳定性，缓冲材料的体积膨胀，并且可以 增加材料的活性界面。> 碳包覆：由于纳米硅比外表积较大，容易团聚，压实密度低，以及硅材料巨大的体 积效应，将纳米硅与碳分散复合那么是一种较好的技术方案。碳包覆可提升硅颗粒导 电性，提升倍率性能，防止纳米硅团聚，完整的碳包覆可减小硅材料与电解液直接 接触，抑制SEI膜过度生长，稳定界面，提升库仑效率。> 氧化亚硅（SiOx ,0 vxw2 ）:由于SiOx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，提高循环性能。但同时LixO及 锂硅化合物的产生是不可逆过程，进一步加剧首效过低的问题，低于纳米硅，且比 容量也相对较低（SQ为2680mAh/g, Si为4200mAh/g）。不过相比而言，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，因此更具开展前景。根据不同的硅碳复合方式，硅基负极材料按结构类型主要分为：> 包覆型硅基负极：包覆型硅基负极材料将不同纳米结构的硅材料进行碳包覆，这类 材料以硅为主体提供可逆容量，碳层主要作为缓冲层以减轻体积效应，同时增强导 电性，碳包覆层通常为无定形碳。> 负载型硅基负极：负载型硅基负极材料通常是在不同结构的碳材料（如碳纤维、碳 纳米管、石墨烯等）外表或内部，负载或者嵌入硅薄膜、硅颗粒等，这类硅碳复合 材料中，碳材料往往起到结构支撑的力学作用，它们良好的机械性能有利于硅在循 环中的体积应力释放，形成的导电网络提高了电极整体的电子电导率。空心核壳型核壳改进版-内核外壳中有间隙护固态电解质膜空腔对硅体积膨胀可以容纳，保分散结构负载结构硅碳元素形成分子接触、高度均匀的复合物体系硅颗粒分散在碳载体，碳载体作为支架,提供电子离子通道抑制硅的体积膨胀循环性好，但硅含量低，比容量低资料来源：新材料在线,> 分散型硅基负极：分散型硅基负极材料是一种较为宽泛的复合材料体系，包括硅与 不同材料的物理混合，也涵盖硅碳元素形成分子接触的高度均匀分散复合物体系。 事实证明将硅材料均匀分散到碳缓冲基质中，可以一定程度抑制硅的体积膨胀。目前硅基负极材料商业化应用主要有硅碳（Si/C）负极材料及硅氧（SiO/C ）负极材料 两种。90年代开始研发硅材料应用于锂电池负极，直至2013、2014年才分别实现硅碳 负极、硅氧负极的产业化，真正产业化历程相对较短。图表10：硅基负极材料开展历程90 年代：1999-2000年：Si材料应用于锂电Si-Mg合金负极材料2013年：池负极SINi合金负极材料硅碳负极产业化90 年代：1999-2000年：Si材料应用于锂电Si-Mg合金负极材料2013年：池负极SINi合金负极材料硅碳负极产业化19951999年：2000年至今：2014 年：纳米硅开发硅碳复合优化SiOx负极产业化SiO/C开发硅基材料结构设计Si/C被开发SiOx产品开发资料来源：新材料在线,硅碳负极材料：将纳米硅与基体材料通过造粒工艺形成前驱体，然后经外表处理、 烧结、粉碎、筛分、除磁等工序制备而成。目前商业化应用容量在450mAh/g以下, 本钱较低，虽然首效相对较高，但循环寿命较差，主要用于3C数码领域。> 硅氧负极材料：将纯硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧负极材料前驱体，然后 经粉碎、分级、外表处理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成。目前商业化应用容 量主要在450-500mAh/g,本钱较高，虽然首效相对较低，但循环性能相对较好， 主要用于动力电池领域，特斯拉即使用硅氧负极掺混人造石墨方式应用。硅基负极材料的制备工艺复杂，无标准化工艺，技术壁垒高。硅基负极材料的技术难度 主要在硅材料纳米化及与硅碳复合材料的制备工艺方面。由于硅基材料的固有缺陷，材 料层面需纳米化、碳包覆等综合处理，工艺复杂，目前行业仅少数企业掌握，且各家工 艺均不同，目前没有标准化工艺，要保证高一致性、高平安性、高循环性和低膨胀的同 时，稳定批量生产难度大。当前采用较普遍的制备方法主要有化学气相沉积法、机械球 磨法、溶胶凝胶法、高温热解法，其中前两者适合于工业化生产。图表IZ硅基负极主要工艺制备方式技术特点化学气相 沉积法溶胶凝胶 法硅碳两组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性和较高的首次 充放电效率，碳层均匀稳定、不易出现团聚现象。此种制备方法对设备要求简单，反响过程环境友好，复合 材料杂质含量少，适合工业化生产。该方法能够实现硅碳材料的均匀分散，而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量。但是碳凝胶较其它碳 材料稳定性能差，在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大，导致负极材料结构破裂；且凝胶中氧含量过高 会生成较多不导电的Si02,导致负极材料的首次充放电效率较低。高温热解 此种方法合成的复合材料中碳的空隙结构一般较大，能较好的缓解硅在充放电过程中的体积变化。但是，高温 法热解法产生的复合材料中的硅的分散性较差，碳层会有分布不均的状况，并且颗粒容易产生团聚等现象。机械球磨法制备的复合材料颗粒粒度小、各组分分布均匀，而且机械球磨法制备硅/碳复合材料具有工艺简单、 本钱低、效率高，适合工业生产；但是该法是两种反响物质在机械力的作用下混合，颗粒的团聚现象难以解决。资料来源：贝特瑞申报材料,电池体系优化：由于硅基负极的膨胀特性，电池体系需针对优化，如PAI/PTFE新型粘 结剂，以及VC、FEC等新型电解液添加剂的使用。> 粘结剂油于硅基材料巨大的体积效应，粘结剂应具有较高的导电性和机械延展性， 以保持在循环过程中负极结构的完整性，同时保持电极的高导电性。高模量的粘结 剂有利于硅基材料的循环性能。> 电解液：由于硅基材料巨大的体积效应，会导致材料外表的SEI膜不断破碎-重构， 消耗锂离子，从而导致材料的循环性能降低。FEC添加剂可在硅基负极形成紧致且 具备优异导锂性能的SEI膜，高含量的FEC添加剂可以有效提升性能。> 导电剂：导电剂需要具有良好的导电性能的同时还需要较大的长径比，在电极体系 中形成三维导电网络，在循环过程中硅基负极不会与导电剂发生脱离，保持电极高 导电性。图表12：电池体系优化缓解硅基材料体积膨胀问题电解液电解液体系优化导电剂资料来源：锂电池用硅基负极材料开展现状及展望,L3.硅基负极规模商业化时点临近硅基负极应用中，国际厂商领先，日韩电池厂率先实现应用，国内厂商跟进。目前硅基 材料应用仍主要以掺混石墨类负极为主。松下应用最为领先，已批量应用于动力电池， 供应特斯拉。三星、LG化学硅基负极目前主要应用于消费电池领域，动力电池在未来 1-2年有望导入。国内动力电池相对靠后，龙头电池厂商亦开始逐步导入。国际厂商：> 2012年，松下发布NCR18650c型号电池，容量达4000mah,并于2013量产，最 早将硅碳负极应用于锂电池。> 日本汤浅电池已推出硅基负极材料电池，应用在三菱汽车上；2015年，日立Maxell开发出硅氧负极电池，应用于智能手机等产品中；> 2017年，松下将硅基负极应用于特斯拉的Model 3电池中，在传统石墨负极材料中 加入10%的硅，电池容量增加到550mAh/g以上，单体能量密度达300wh/kg以上。国内厂商：宁德时代、力神、国轩高科、比亚迪、比克动力等电池企业正在加快硅基负极电池的研 发和试生产。其中承接国家科技部300wh/kg高能量密度重大科技专项的宁德时代、力 神、国轩高科均已通过工程中期验收。从宁德时代、比克等厂商规划来看，2020年有望 开始小规模起量。> 宁德时代：2018年9月，“新一代锂离子动力电池产业化技术开发”工程通过中期 检查，采用高银正极和硅碳负极开发出比能量2304Wh/kg的锂离子电池样品，样 品容量65.9Ah,常温1C/1C循环580次后容量保持率97%。> 力神：2018年9月，“高比能量动力锂离子电池开发与产业化技术攻关”通过中期 检查，完成了高银正极材料的开发，可逆克容量到达213mAh/g,首次效率到达 91.4%；完成了硅碳复合负极材料开发，可逆克容量到达了 754.8mAh/g,首次效 率达至U 89.87%；开发了高比能量电池单体，比能量到达了 303Wh/kg。> 国轩高科：2018年10月，“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”通过中期 检查，已完成Ni80-Ni90系