2022年锂电负极行业发展趋势及空间测算分析.docx

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1、2022年锂电负极行业发展趋势及空间测算分析1.总论负极材料目前以石墨为主，但硅基材料比容量优势明显，市场空间广阔。锂电 池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在集流体（铜箔） 两侧，经过干燥、滚压制得，作用是储存和释放能量，约占锂电池制造成本 8%左右。 目前负极材料以石墨类为主流，2021 年中国负极材料出货量 72 万吨，石墨材料占 比达 98%。但商业化石墨负极接近理论比容量上限 372mAh/g，限制了其进一步应 用。在已知的负极材料中，硅拥有的理论比容量高达 4200mAh/g，是石墨材料的 10 倍以上，并且能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异

2、，有望成 为下一代负极材料。硅材料存在的体积膨胀、导电性差以及首效和循环性能差等问题，制约了其商 业化应用。2021 年中国硅基负极出货量 1.1 万吨，在负极材料中渗透率仅有 1.53%。在目前商业化应用中，硅负极主要采用掺杂的方式加入到人造石墨中，主流技 术路线为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，硅氧负极则采用氧化 亚硅与石墨材料复合。在硅碳负极的制备过程中，需要首先制备纳米硅颗粒，最外 层由碳做包覆层，形成壳核结构。目前硅碳负极的商业化容量在 450mAh/g 以下， 首效高但体积膨胀较大，因此其循环性能相对较差；硅氧负极首效低，成本高，但循 环性能更好。硅氧负极的制备过程并

3、不唯一，通常是先制备锂离子电池用氧化亚硅， 然后进行碳包覆等后续工艺。对比石墨负极和硅基负极投产数据，中科电气石墨负极一体化项目，固定资产投资 额为 2.5 亿/万吨，而贝特瑞硅基负极项目约 9 亿元/万吨，石大胜华硅碳项目约 6 亿元/ 万吨。不同硅基负极企业的一体化程度不同，投资额不同，但是目前均大幅高于石墨负 极。根据产业反馈，规模化投产后，硅基负极投资额会逐步下降。硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成，目前国内人造高端石墨价格 6 万元/ 吨，纯品硅的价格区间较大，且部分纯品硅出厂时已进行预锂化，低价达 30 万左右，最 高价可达 110 万/吨。我们将人造石墨与硅纯品按照不同掺杂比

4、例进行复合，则硅基负极 理论价格区间在 7-17 万元之间，未来随着规模效应和技术降本，长期价格将会下降。硅基负极主要应用在消费电池和动力电池领域，随着新能源车快速发展，快充技术 发展和续航里程焦虑、4680 大圆柱电池带动硅基负极在动力市场需求上量。我们预计 2025 年全球硅基负极市场空间将达到近 300 亿元，主要由三部分组成：1）随着 2022 年特斯拉 4680 大圆柱的量产，硅基负极市场将迎来爆发增长，预计 2025 年特斯拉 4680 驱动的硅基负极市场空间将达到 183.7 亿元； 2）预计 2023 后硅基负极将逐步应用在 除特斯拉之外的其他动力电池市场中，2025 年除特斯

5、拉外其他动力用硅基负极市场空间 将达到 67.7 亿元；3）传统消费用硅基负极将保持稳健发展，渗透率逐年提高，预计 2025 年消费用硅基负极市场空间将达到 46.1 亿元。硅基负极放量将驱动新型粘接剂（PAA）、补锂剂、碳纳米管导电剂等相关衍生材料 发展。新型粘结剂 PAA 国产替代加快，预计 2025 年市场空间为 51.3 亿元；正极预锂 化为目前主流，负极预锂化值得关注，补锂剂需求旺盛，预计 2025 年市场空间为 34.2 亿元；碳纳米管导电剂能显著提升电池性能，渗透率逐步提高，预计 2025 年市场空间 为 73 亿元。2.行业趋势：硅基负极是负极发展方向2.1 石墨类负极是主流，

6、但提升空间有限负极材料是锂电池四大关键材料之一，约占整个锂电池制造成本 8%左右，关键功 用在于可逆地脱/嵌锂离子，是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹 在铜箔两侧，经过干燥、压制而成。目前锂离子电池负极材料以石墨类为主。受益于下游新能源车放量，负极材料增速 明显，2016-2021 年，中国负极材料出货量由 2016 年 11.8 万吨上升至 2021 年的 72 万 吨，增速明显。其中石墨类负极占比从 93%进一步提升至 98%，市占率稳步提升。负极比容量的增加对电池比容量提升效果显著，寻找新一代负极材料正当其时。 锂电池的质量能量密度主要由正极克容量、负极克容量以及正负极电

7、势差决定。实 验室测试显示，电池比容量随着正极材料比容量的上升而显著提高，而在正极材料 比容量一定的条件下，负极材料比容量对电池的比容量的提升并非线性关系，在负极材料 300mAh/g1200mAh/g 阶段，电池比容量提升效果显著。随正极三元材料高 镍化趋势正盛，提升负极材料质量比容量的重要性与日俱增。目前主流厂商的石墨 负极产品比容量均在 350mAh/g 以上，接近理论比容量上限 372mAh/g，寻找更高 比容量的新型负极材料正当其时。快充技术的发展需要电芯材料的革新相匹配。快充技术也是锂电池技术进步的方向， 石墨材料由于其层状结构决定锂离子必须从材料的端面嵌入，然后扩散至颗粒内部，致

8、 使传输路径较长，嵌锂过程较慢限制了锂离子电池的快充应用，同时其对锂电位（0.05V） 过低也致使在大电流充电过程中发生锂沉积副反应造成析锂，析出的锂金属以枝晶的形 式生长，有可能会刺穿隔膜，危害电池安全。2.2 硅基负极比容量极高、快充优，但体积膨胀、导电性较弱硅基负极材料的机制与石墨不同，通过合金和去合金化反应进行，在已知的负 极材料中，拥有的理论比容量高达 4200mAh/g，是石墨材料的 10 倍以上，并且硅能 从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异，同时其对锂电位（0.30.4V） 略高于石墨也较好的解决了析锂难题。硅作为负极材料在实际应用中存在首次库伦效率低、倍率性能和

9、循环性能差等问题。 尽管硅具备相当可观的嵌锂容量，但在嵌锂过程中将会出现严重的体积膨胀和结构变化。 体积膨胀产生的机械应力不断破坏硅颗粒表面的 SEI 膜，多次循环最终导致锂离子消耗 殆尽，循环性能变差；在现有电解液中，锂盐6分解产生的微量也会对硅造成腐 蚀，导致硅负极的容量发生衰减，使得电池的首次库伦效率偏低；由于硅是半导体材料， 电子电导率和离子电导率低影响其电级反应速率，使得倍率性能变低。硅基负极处在商业化应用初期，渗透率目前为 1.53%。硅基负极可以有效提升电池 比容量，但由于其体积膨胀、导电性差所带来的的负面影响，制约了其商业化应用。2021 年中国硅基负极出货量 1.1 万吨，在

10、负极材料中渗透率仅有 1.53%。2.3 硅碳与硅氧是主流方向，技术创新空间巨大由于单质硅的体积膨胀系数过大，因此在实际的商业应用中，硅负极主要采用掺杂 的方式加入到人造石墨中，主流技术路线为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材 料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与石墨材料复合。在硅与不同材料的复合过程中，通 常会结合结构设计（纳米化和多孔硅）等辅助工艺手段提供膨胀空间，硅基材料在复合 材料中主要作为活性物质提供容量，其他材料作为载体，缓冲体积膨胀。此外，硅基负 极材料会设计成包覆结构，最外层用碳包覆来充当导电网络，也可避免电解液直接接触 硅基材料发生副反应。从制备方式上看，主要用到的技术手段有

11、机械球磨法、化学气相沉积法、高温热解 法、溶胶凝胶法，其中机械球磨和化学气相沉积法对设备要求较为简单，制造成本较低， 在工业化量产中更为主流。在硅碳负极的制备过程中，需要首先制备纳米硅颗粒，最外层由碳做包覆层，形成 壳核结构。目前硅碳负极的商业化容量在 450mAh/g 以下，首效高但体积膨胀较大，因 此其循环性能相对较差。硅氧负极首效低，成本高，但循环性能更好。硅氧负极的制备过程并不唯一，通常 是先制备锂离子电池用氧化亚硅，然后进行碳包覆等后续工艺。但传统制备氧化亚硅的生产效率低且结构难控制，紫宸新材料提出一种直接将、 2和还原性金属按比例混和，省去了制备氧化亚硅的流程，得到一种有混合晶相的

12、硅 氧负极材料。制备硅基负极的工艺选择因为制备前驱体的工艺而有所不同，但后端工艺大致相同， 均需经过表面处理，烧结等过程得到最终成品。2.4 高壁垒带来高溢价，规模化后有望持续降本硅基负极单位投资额高于石墨负极，规模化降本是必然趋势。硅基负极项目投资额 普遍较高，但负极企业布局热情不减。对比石墨负极和硅基负极投产数据，中科电气石 墨负极一体化项目，固定资产投资额为 2.5 亿/万吨，而贝特瑞硅基负极项目约 9 亿元/ 万吨，石大胜华硅碳项目约 6 亿元/万吨。不同硅基负极企业的一体化程度不同，投资额 不同，但是目前均大幅高于石墨负极。根据产业反馈，规模化投产后，硅基负极投资额 会逐步下降。硅基

13、负极产品售价目前高于石墨负极，技术进步和规模效应会带来成本下降。硅基 负极的原材料主要由硅材料和石墨构成，目前国内人造高端石墨价格 6 万元/吨，纯品硅 的价格区间较大，且部分纯品硅出厂时已进行预锂化，低价达 30 万左右，最高价可达 110 万/吨。我们将人造石墨与硅纯品按照不同掺杂比例进行复合，则硅基负极理论价格 区间在 7-17 万元之间。后文测算中我们考虑动力电池优先选用制备成本更高的硅氧负 极，且享受新产品溢价，因此我们选用 15 万元/吨进行测算，未来随着规模效应和技术 降本，长期价格将会下降。2.5 下游需求放量，硅基负极有望爆发硅基负极主要应用在消费电池和动力电池领域，随着新能

14、源车快速发展，硅基负极 有望在动力市场迎来放量。2021 年我国动力电池出货量 220GWh，同比增长 170%， 2022 年虽受国内外疫情反复，但下游需求刚性，3 月产量为 39.2GWh，环比增长 247.3%， 景气度不减。我们预计全球锂电池出货量在 2025 年将达到 1550GWh。快充技术发展和续航里程焦虑带动硅基负极需求上量。高功率充电，一般指充电桩 提供超过 150kW，对动力电池进行大电流充电，而选择大电流存在电阻散热等诸多问题， 高电压平台成为重点方向，而高倍率快充下石墨电极极化大，电位容易降到 0V 以下而 析锂，硅基负极与快充技术更加匹配。相比于石墨负极嵌入式储锂而言

15、，硅基负极材料 的合金化储锂机制可以储存更多的锂离子，从而赋予硅更高的理论比容量（4200mAh/g）， 电池能量密度相对较高，从而有效提升续航里程。硅基负极未 来有望在电池能量密度较高的三元电池体系中迎来渗透率的提高。4680 大圆柱进一步推动硅基负极发展。2020 年特斯拉首次发布了 4680 大圆柱电 池，其特色是“大圆柱、硅负极、无极耳、干电极”，是 2170 电池的电芯容量的 5 倍， 单体能量密度可达到 300Wh/kg，充放电明显，能够有效提高相应车型 16%的续航里程， 由于电池数量的降低，也将减少结构件的使用，节约生产成本，特斯拉估算，4680 电池 相较于 2170 电池将

16、实现 14%的成本下降。2022 年 1 月，特斯拉宣布其加州工厂已经量 产了 100 万块 4680 圆柱电池。3.硅基负极放量带动新型材料发展硅基负极的发展，除了对布局硅基负极的企业形成利好外，还有望带动产业链配套 的新型粘接剂（PAA）、补锂剂、碳纳米管导电剂等新型材料发展。3.1 新型负极粘结剂迎来放量，看好 PAA 国产替代粘结剂其主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体，使电极活性物质、 导电剂和集流体间具有整体的连接性，从而减小电极的阻抗。目前负极粘接剂一般选择 对环境无污染的水性粘结剂如 CMC、SBR，其中 SBR 最为常用，约占负极粘接剂总量 的 98%。硅基负极膨胀

17、率高，传统 CMC-SBR 粘附性不强，无法发挥硅基负极的性能优势。 研究表明，PAA 粘结剂粘附性更强，硅基负极更适合用 PAA 类新型粘结剂。新型水性 PAA 类粘结剂则具有如下特点，1）含有较多的羧基，丰富的羧基与硅颗粒形成氢键作 用，赋予活性颗粒与集流体之间较强的结合力，同时还具有缓解硅基材料体积膨胀的作用，PAA 不仅可与 Si 形成强氢键作用，而且能在 Si 表面形成均匀的类似 SEI 膜的包覆 层，抑制电解液的分解；2）离子键也可实现与氢键相似的功能, 使粘结剂在保持电极完 整性的同时, 具有自修复性能, 减小电极容量损失速率。PPA 的应用有望掀起国产替代热潮。目前看，SBR

18、负极粘接剂为海外日本企业所 垄断，但 PAA 产能国内厂商多有布局，国产替代空间广阔。国内有成都茵地乐的 LA136D 锂离子电池专用水性粘合剂，可将粘接剂用量减少 40%，提高极片柔软度，溶胀度远低 于传统负极水性粘结剂，用量约占负极浆料 1.5%2.5%。PAA 与其他材料形成交联粘接剂是新发展方向。PAA-CMC 交联粘结剂、PAA-PVA 交联粘结剂、PAA-PANI 交联粘结剂、EDTA-PAA 粘结剂等在三维共价交联聚合物的探 索性尝试，使复合粘结剂与硅表面形成多点相互作用, 有效防止硅颗粒的脱离, 进一步提 升电池循环稳定性，是新型粘接剂的进一步研究方向。3.2 正极预锂化为目前

19、主流，负极预锂化值得关注为了使硅材料具有高容量的同时，还具备较好的循环性能，对采用硅负极的电池体 系进行预锂化。其含义是对在首次循环中损失的锂离子进行补充，目前常用的预锂化技 术主要分为负极预锂化和正极预锂化两类。负极预锂化：负极预锂化具体是指在负极材料中预先存储一定量活性锂用以补偿首 圈充电过程中 SEI 膜形成与其他副反应发生所造成的不可逆锂损失，或者直接使负极表 面 SEI 膜与其他副反应预先发生以解决锂损失问题，常见的负极补锂方式包括：将锂箔 压延到负极表面进行补锂、锂粉补锂、电化学补锂等。正极预锂化：正极预锂化具体是指在正极材料中存储额外活性锂用以补偿不可逆锂 损失，以确保首圈循环之

20、后电池内活性锂的量仍能够维持较高水平。正极富锂添加剂主 要包括二元富锂添加剂 Li2O、Li2S 与 Li3N，三元富锂添加剂 Li2CO3、Li2C2O4 与 Li5FeO4。特点是：1）质量能量密度和体积能量密度远高于目前商用正极材料；2）能 够在正极材料电压范围内有效释放活性锂，而在正极材料的电压范围内不存储锂，即脱 锂过程不可逆。与目前电池制备工艺兼容性更好的正极预锂化技术具有相对更高的稳定性与安全 性，是目前主流方案。但正极补锂容量低难以解决，而得益于补锂用量少、效果好，负 极补锂仍值得关注。国轩高科提出一种具有壳核结构的预锂化硅基负极方案，避免直接 针对负极片进行操作，将补锂过程加

21、入到硅基负极制备过程，较好的解决了安全性问题。3.3 碳纳米管显著提升电池性能，渗透率逐步提高硅基负极的导电性能弱于石墨类负极，常规导电剂无法满足硅基负极性能要求，因 此需要添加高性能导电剂。碳纳米管导电剂在硅基负极中表现出良好的性能：1）提高硅 基负极材料结构的稳定性，在外力的作用下结构不易破坏；2）优异的导电性能，可弥补 硅基负极导电性差的不足；3）极大的比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过 程中硅材料结构的坍塌。碳纳米管为管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层的石墨烯层围绕中心轴按一定的 螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管状结构。碳纳米管一般分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米 管，碳纳米管管径越

22、细，长度越长，导电性能越好，单壁碳纳米管直径更小、长径比更 大，因此更值得关注。炭黑类导电剂为市场主流，碳纳米管渗透率逐步提高。炭黑类导电剂凭借价格优势， 目前为市场主流，2021 年市占率为 60%，碳纳米管凭借性能优势，逐年提高市占率， 预计 2021-2025 年，碳纳米管导电剂市占率将由 27%提升至 60%以上。4.市场空间测算4.1 全球硅基负极市场空间测算我们预计 2025 年全球硅基负极市场空间将达到近 300 亿元，主要由三部分组成： 1）随着 2022 年特斯拉 4680 大圆柱的量产，硅基负极市场将迎来爆发增长，预计 2025 年 4680 驱动的硅基负极市场空间将达到

23、183.7 亿元； 2）预计 2023 后硅基负极将逐步 应用在除特斯拉之外的其他动力电池市场中，2025 年其他动力用硅基负极市场空间将达 到 67.7 亿元；3）传统消费用硅基负极将保持稳健发展，渗透率逐年提高，预计 2025 年 消费用硅基负极市场空间将达到 46.1 亿元。具体测算过程如下：硅基负极在特斯拉 4680 电池上的应用推演，我们做如下假设：1）4680 电池渗透 率：4680 将在 Model S/X 和未来的 Cyber truck 小产量车型中广泛应用，在热门车型 Model 3/Y 中渗透率在 2023 年加速，在 2025 年将达到 40%；2）硅负极价格：我们给

24、予 22 年硅基负极的均价 15 万元（考虑动力电池优先选用制备成本更高的硅氧负极，且 享受新产品溢价），未来随技术成熟掺硅量逐步提高，硅负极价格将随掺硅量提高而增加， 但随规模效应和技术降本，长期价格将会下降。我们预计 2025 年 4680 电池驱动硅基负 极市场空间将达到 183.7 亿元。除特斯拉主导使用的 4680 大圆柱电池所带来的硅基负极市场，我们预计硅基负极 也将在 2022 年之后在其他动力领域有所运用（主要在高镍三元）。我们预测 2025 年其 他动力用硅基负极市场空间为 67.7 亿元。传统消费用硅基负极将保持稳健发展。我们将小动力、电动工具等纳入消费用硅基 负极考虑，并

25、作出如下假设：1）消费电池增长率：未来消费电池的需求将目前 10%左 右的增速；2）消费用硅基负极渗透率：预计消费用硅基负极将率先在海外高端数码产品、 大功率电动工具中广泛应用，在2024年迎来渗透率加速提升的拐点，2025年达到35%。 我们预计 2025 年消费用硅基负极市场空间为 46.1 亿元。4.2 衍生材料市场空间测算硅基负极放量将驱动相关衍生材料的发展，为测算各衍生材料的市场空间，我们分 别做如下假设：碳纳米管：1）市场空间测算方式：这里我们主要考虑碳纳米管粉体市场空间，暂不 考虑浆料，目前多壁碳纳米管用在正极，而随着硅基负极放量，需要在硅基负极中添加 单壁碳管导电剂，因此我们测

26、算的碳纳米管粉体的总体市场由正极添加的多壁碳管+负 极添加的单壁碳管；2）多壁碳纳米管粉体均价：2020 年多壁碳纳米管粉体的均价 36 万 元/吨，2021 年多壁碳管粉体的均价在 22 万元/吨，我们假设今年均价在 25 万吨，之后 价格有小幅回落。我们预计 2025 年碳纳米管粉体市场空间将达到 73 亿元。PAA：PAA 添加量以负极质量为依据，假设 1）PAA 添加量：目前 PAA 在负极的 添加量在 1-3%之间，假设 1.5%添加量不变；2）PAA 价格：短期受益于产能限制将有 所提升，但其他应用场景 PAA 有望转型，未来价格将会下降。我们预计 2025 年 PAA 粘结剂市场

27、空间将达到 51.3 亿元。补锂剂：1）补锂剂在正负极选择：目前正极补锂剂技术较为成熟，因此我们选择正 极补锂剂来进行测算；2）补锂剂在正极添加量：目前正极补锂剂在正极材料中占比为 2%，我们假设添加量保持不变；3）补锂剂价格：与上游锂价格相关，目前锂处于价格高位， 未来价格将随着锂供给增加而有所回调。我们预计 2025 年补锂剂市场空间将达到 34.2 亿元。5.重点公司分析5.1 贝特瑞：负极材料龙头企业，硅基负极技术领先作为国内最早量产硅基负极的企业之一，公司的硅碳负极材料已经突破至第三代产 品，比容量从第一代的 650mAh/g 提升至第三代的 1,500mAh/g，且正在开发更高容量

28、 的第四代硅碳负极材料产品。此外，公司生产的硅氧负极材料部分产品比容量也已达到 1,600mAh/g 以上。目前公司拥有硅负极产能 3000 吨，22 年拟扩建 2000 吨形成 5000 吨产能，预计 23 年底形成产能 2 万吨，将成为 4680 电池等新需求的直接受益者。我们保守假设贝特瑞 2025 年拥有 30%的市占率，则当年出货量将达到 5.58 万吨， 20%的净利率可为公司贡献近 18 亿的利润。5.2 杉杉股份：硅氧负极逐步上量，技术位居行业前列公司大力发展硅基负极领域，目前第二代硅氧产品已实现量产，主要应用于消费和 电动产品，正在开发第三代硅氧以及新一代硅碳产品，为动力电池

29、应用做准备，目前已 经通过主流动力电池客户认可。公司在硅基、硬碳、软碳布局全面，卡位优势明显，公司目前已具备配套年产千吨 级硅氧负极产线能力。5.3 德方纳米：积极布局正极补锂的铁锂正极龙头公司主作为铁锂正极龙头，目前拥有磷酸铁锂正极产能 12 万吨，同时规划有 23 万 吨产能，其中与宁德时代合资 8 万吨、与亿纬锂能合资 10 万吨，另有 5 万吨自有产能， 预计 2022 年末磷酸铁锂正极产能达到 35 万吨左右。在新材料方面，公司积极布局建设 产能，2021 年 9 月和 2022 年 1 月分别签订年产 10 万吨、33 万吨新型磷酸盐系正极材 料生产基地项目，规划产能合计 43 万

30、吨，预计 10 万吨新型正极产能 2022 年底投产， 23 年贡献出货量。公司率先布局补锂剂业务，于 2021 年 9 月公告计划投资 35 亿元建设 2.5 万吨补锂 剂项目，正式布局补锂剂产业链。并与 2022 年 1 月进一步投资 20 亿元，再扩 2 万吨补 锂剂项目，累计扩产规划 4.5 万吨。补锂剂主要用于提升锂电池首次效率和循环寿命， 随着硅基负极需求上量，公司有望分享补锂业务高成长带来的超额受益，进一步提升盈 利能力。5.4 天奈科技：碳纳米管龙头企业，受益于导电剂渗透率提升公司作为碳纳米管龙头，2021 年浆料出货 3.3 万吨，同比高增 125%，国内碳纳米 管浆料市占率

31、 43.4%，龙头地位稳固。公司通过工艺改进优化，单 GWh CNT 导电剂添 加成本已比炭黑导电剂低 12.4%，在硅基负极放量带动下，性价比凸显有望带动渗透率 提升加速，公司将充分受益。公司的核心优势包括开发并掌握了纳米聚团流化床宏量制备碳纳米管的产业化技 术，彻底解决了碳纳米管连续化宏量制备生产的世界性难题；同时是最早成功将碳纳米 管通过浆料形式导入锂电池的企业之一，推动了碳纳米管在锂电池领域的广泛运用，有 一系列相关技术专利储备；掌握的碳纳米管催化剂制备技术，可以保证公司产品未来的 持续升级，公司储备的催化剂工艺能够更好的控制碳纳米管的管径和长径，有助于公司 不断提升碳纳米管长径比，增加导电性能，于同行产品相比优势更加明显。