1 下一代負極材料，高比容量成核心優勢

負極材料升級在即，硅基材料為首選

負極材料對電池性能影響大，成本占比約 8%。現有技術體系下鋰離子電池四大關鍵 原材料為正極材料、負極材料、隔膜與電解液。作為四大關鍵原材料之一，負極材料在三 元動力電芯的成本中約占 8%。

負極材料在鋰離子電池脫嵌中起著重要作用，其性能對鋰電池的安全性與壽命等影響 很大：1）膨脹性能很大程度上影響電池的循環壽命；2）比容量、首次效率等對電池容量 影響較大；3）壓實密度、極片厚度等指標也影響電池的倍率性能等。

正極材料突破較早，負極材料升級在即。在影響鋰電池性能的關鍵材料中，正極材料 已經從早期的鈷酸鋰材料、錳酸鋰材料升級為磷酸鐵鋰材料和三元材料，而負極材料升級 較為緩慢。近期硅碳材料技術進步較快，為負極材料升級提供了契機。

負極材料種類多元，碳基材料使用率領先。鋰電池負極材料主要分為碳基材料和非碳 基材料。碳基材料包括天然石墨負極、人造石墨負極、中間相碳微球 (MCMB) 、軟炭 (如 焦炭) 負極、硬炭負極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等，非碳基材料主要分為硅基及其復 合材料、氮化物負極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。

硅基材料將成為高端市場首選。目前，以人造石墨為代表的碳基材料是鋰離子電池負極的主要使用材料，石墨類負極材料占據目前負極材料 95%市場份額。從產能規劃看，行業多數企業在積極布局負極及石墨化產能的同時，也持續加大硅基負極研發力度，因此預計人造石墨在未來仍會是主流負極材料，但硅基負極也將擁有穩定的客戶群體。

目前硅基負極比容量優勢明顯，壽命與首充效率是短板

硅的比容量可達 4200mAh/g，且來源豐度極高。硅是地殼中豐度極高的元素之一， 來源廣泛、價格較低。此外，硅的理論儲鋰容量高達 4200 mAh/g，是石墨容量（372 mAh/g） 的 10 倍以上，是比容量最高的可用鋰電池負極材料。硅的電壓平臺略高于石墨，在充電 時難以引起表面析鋰的現象，安全性能優于石墨負極材料。但硅材料在充放電時體積膨脹 可達 120%~300%，導致硅顆粒分化及 SEI 膜的破裂增厚，將影響電池首充效率與壽命。

以碳為基，硅碳復合材料是理想路線

硅基負極材料是以碳作為分散基體，硅作為活性物質的新型負極材料。碳質負極材料 在充放電過程中體積變化較小，具有較好的循環穩定性能，且碳質負極材料本身是離子與 電子的混合導體；另外，硅與碳化學性質相近，二者能緊密結合，因此碳常用作與硅復合 的首選基質。

硅碳復合材料與硅氧復合材料是硅基負極的主要技術路線。目前，硅基材料的主要發 展方向是氧化亞硅（SiO）與硅碳復合材料。其中氧化亞硅主要通過在高溫下氣象沉淀硅 與二氧化硅（SiO2），使硅納米顆粒（2~5nm）均勻分散在二氧化硅介質中制得。氧化硅 材料既能發揮硅的高容量優勢，又能夠抑制硅的體積變化。 硅基負極制作工藝主要有機械球磨法、氣相沉積法、溶膠凝膠法等，我們以機械 球磨法為例，對比硅碳負極與硅氧負極的優勢與劣勢。

硅基負極種類多樣，技術路線仍在探索。硅碳復合負極材料根據硅的分布方式不同可 分為包覆型、負載型和分散型硅基負極材料，根據硅基負極中物質種類的多少可分為硅碳 二元復合材料與硅碳多元復合材料。

制備方法：硅基負極材料制備方式較為復雜，尚未形成標準化制備方法。目前常見的 制備方法有化學氣相沉積法、機器球磨法、高溫熱解法等。工業上為了保證更好的性能， 通常是多種手段組合來制備，例如高溫熱解—機械球磨或機械球磨—化學氣相沉積。硅基負極材料的制備較石墨負極材料更為復雜，各廠商尚未形成標準的制備方法。

需求端引領+供給端產出，硅基負極歷蟄伏將迎爆發

需求面：高能量密度電池加速導入，硅基材料

下游需求持續景氣，鋰電池市場高速增長。硅基負極主要應用于動力電池、消費電池 市場。以動力電池為例，根據 GGII 數據，2021年我國動力電池出貨量為 220GWh，同比 增長 175%，實現超預期增長。預計我國 2022年動力電池出貨量將達到 450GWh，全球 動力電池需求將超650GWh。受鋰電池市場，尤其是動力電池市場增長帶動，硅基負極需求將進一步增加。

終端客戶續航需求提升，高能量密度電池成為行業要求。我國鋰電池行業已步入成長期，新能源汽車、消費電子等終端市場中，客戶對續航時間、續航里程和輕量化提出更高要求。目前石墨電極已發展至接近 372mAh/g 的理論比容量上限，行業正在探索下一代高 比容量負極材料。

以碳輔硅，硅基負極高比容量優勢充分顯現。在 Si/C 復合體系中，硅顆粒作為活性 物質，提供儲鋰容量；碳既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化，又能改善硅質材料的 導電性，且能避免硅顆粒在充放電循環中發生團聚，因此硅碳復合材料綜合了二者的優點， 具有較高比容量和較長循環壽命。目前，硅基負極已成為各廠商重點攻關方向。

爆發點：特斯拉 4680 電池量產引領行業，大圓柱電池市場將迎來爆發

4680 電池技術引領行業，特斯拉未來 4680 電池產能預計將超過 100GWh/年。特斯 拉于 2020 年 9 月發布使用硅基負極的 4680 電池，能量密度達 300Wh/kg，電池容量較 21700 電池提高 5 倍。此前未量產主要由于良率與一致性水平不佳。我們預計，4680 電 池將于 2022 年量產后，在 2022-2025 年集中放量，根據特斯拉此前規劃，未來 4680 電 池年產能將超過 100GWh。

特斯拉 4680 電池已實現量產，需求快速提升。2022 年 2 月 19 日，特斯拉宣布 1 月份已生產出第 100 萬塊 4680 電池，同時本季度德州工廠將交付首批搭載 4680 電池的 Model Y。我們預計隨著 4680 電池良品率的提升，產品將在特斯拉更多車型 推廣，預計 2023~2025 年特斯拉 4680 電池需求將達到 58/99/128GWh。

眾多廠商跟進，大圓柱電池將成為硅基負極增長爆發點：

海外方面，除特斯拉在美國德州、德國的超級工廠外，松下、LG 化學均在推動 4680 大圓柱電池配套設施建設；

國內方面，寧德時代正加快研發節奏，計劃 2024 年量產；比克動力于 2019 年 開始研發大圓柱電池，預計 2023 年量產；億緯鋰能于 2021 年 11 月 5 日發布公 告，將于荊門市建設年產 20GWh 大圓柱電池產線，預計 2024 年可實現量產。 我們預計受特斯拉引領，國內企業將跟進布局 4680 電池，帶動圓柱電池滲透率 將進一步提升。

小結：預計 2025 年全球硅基負極出貨量將達 10 萬噸，2021-2025 年 CAGR 達 53%。 電池端，隨著 4680 大圓柱電池量產，帶動國內企業跟進布局，疊加鋰電池下游持續景氣， 將打開硅基負極市場空間。整車端，未來兩年是整車廠品牌向上最佳時間窗口，高端車型 有望密集推出，帶動快充等補能需求的提升，硅碳材料高比容量優勢逐漸凸顯。

市場規模：2021~2022 年，考慮到硅基負極預計將優先大規模應用于圓柱電池中， 我們假設硅基負極主要在特斯拉車型上使用，假設 4680 電池中所用的負極材料 均為硅基負極，根據4680 電池需求測算，則硅基負極的滲透率下限為 10% 左右；2023 年以后，隨著國內電池廠對于大圓珠電池的跟進布局，我們預計硅 基負極在中高端車型上將率先應用，行業將迎來快速提升，期間隨著滲透率的提 升，硅基負極行業規模將快速擴大。

比容量：當前硅基負極的摻混量約在 10%左右，我們預計隨著材料改性技術的提 升，硅的摻混量將逐步提升，帶動比容量提升。

我們預計至 2025 年，全球硅基負極材料市場用量將達到 9.8 萬噸，其中動力電池用 量為 8.7 萬噸，硅基負極市場估計將達到約 150 億元，其中動力電池市場空間約為 132 億 元。（報告來源：未來智庫）

行業端：供給端提前布局，技術積累將迎收獲

供給端進駐企業多元，多數企業處于研發與試生產階段。硅基負極的應用前景，吸引 了負極材料、新能源電池以及硅、碳等新材料行業企業的加入。目前眾多國內企業正在針 對硅基負極的應用進行技術研發。但國內僅有貝特瑞、杉杉股份、石大勝華等少數企業已 進入量產階段。

領軍企業貝特瑞已實現規?；慨a，供應下游核心客戶。貝特瑞率先在國內實現了硅 基負極材料的技術突破，并在 2013 年實現批量出貨，目前已實現了對部分核心客戶的大 批量供貨。截至 2020 年，貝特瑞硅基負極材料已經突破至第三代產品，比容量從第一代 的 650mAh/g 提升至第三代的 1500mAh/g，且正在開發更高容量的第四代硅基負極材料產 品。貝特瑞布局硅基負極多年，在產能和客戶方面具有明顯優勢。

各企業前期投入將迎收獲，量產條件將陸續成熟。截至 2021 年底，杉杉股份、貝特 瑞、石大勝華已經實現硅基負極量產。我們預計行業前期研發投入即將步入收獲期，更多 企業將突破技術壁壘，進入產能建設及量產階段，行業產能有望開啟快速增長。

2 性能重點：預鋰化與材料端優化是前進方向

現存問題：體積膨脹降低壽命與低首次充電效率

硅基材料主要問題：

1）充放電時體積膨脹嚴重，導致材料產生裂紋直至粉化。硅材料在充/放電時膨脹嚴 重，體積變化達到 300%。這種不斷收縮膨脹會造成硅基負極材料產生裂紋直至粉化，破 壞電極材料與集流體的接觸性，使得活性材料從極片上脫離，引起電池容量的快速衰減。

2）首次充電效率與電池壽命低：鋰電池充電時，鋰離子先由正極進入負極，放電時 又從負極回到正極，決定鋰電池容量的是參與正負極循環的鋰離子數量。在首次充放電時， 部分鋰離子會在負極表面形成 SEI 膜，退出之后的循環。此外，部分鋰離子嵌入負極后不 能再回到正極，形成不可逆嵌鋰，也會導致鋰離子衰減，電池放電量小于充電量。首次充 放電中充電量與放電量的比值就是首次充電效率（首次庫倫效率）。首次充電效率越高， 電池壽命越長。

硅材料體積變化會導致硅負極表面的固體電解質（SEI）膜隨著硅體積的變化而發生 破裂，新暴露在表面的硅在充放電過程中會持續生成新的 SEI 膜，繼而不斷地消耗來自正極的鋰和電解液；極大的體積變化還會破壞負硅電極結構，使得鋰離子不能順利脫嵌離開 負極，不可逆嵌鋰比其他電極更為嚴重。此外，SEI 膜不穩定會使電解液直接接觸硅鋰合 金，加劇損耗。因此，硅基負極首次充電效率低于其他負極材料。硅基負極電池鋰離子損 耗也比其他負極材料電池更快，引起更嚴重的壽命衰減。

3）硅的導電性較差：此外，硅的導電性能相較碳材料來說較差，在高倍率下不利于 電池容量的有效釋放，也是制約硅基負極進一步得到應用的因素之一。

預鋰化提升首效短板，規模化帶動成本下降

負極預鋰化能大幅度提高鋰離子電池的首次庫倫效率、彌補不可逆容量損失。硅基負 極首效較低，主要是因為硅材料比表面積較大，導致電極在首次嵌鋰的過程中產生大面積 SEI 膜，從而消耗電池中的鋰離子。預鋰化（預嵌鋰），是指在鋰離子電池工作前向電池內 部增加鋰來補充鋰離子。預鋰化不僅可以增加鋰離子電池在循環過程中的活性鋰含量，從 而獲得更高的比容量，還有利于提前調節負極表面 SEI 膜的形成，保證了鋰電池循環穩定 性與能量密度。

負極預鋰化工藝難度高，規模使用利好成本下降。預鋰化有正極補鋰與負極補鋰兩種 方法。負極補鋰的方式主要包括鋰箔補鋰、硅化鋰粉補鋰和電解鋰鹽補鋰等。但是現階段， 由于金屬鋰的使用與生產環境、常規溶劑、粘結劑及熱處理等過程不兼容，相比于正極補 鋰，負極補鋰由于成本與工藝原因，難度相對較高，預計隨著硅基負極的需求提升，相關 成本將會下降。

材料端持續改進，多路線齊頭并進

改進硅碳材料可使其性能更高，主要改進方法包括改進碳材料和添加新材料。目前硅 基材料的改進方向包括：（1）選用硅碳（Si-C）復合材料或者硅氧（SiO-C）復合材料； （2）選用納米碳、石墨烯等新型導電劑材料。

1）硅-碳（Si-C）復合材料：硅的低導電性與體積膨脹問題是前期硅基負極商業化應 用限制的主要原因。而減小硅的尺寸到納米級別，可以減小材料在充放電期間的應力影響。 硅顆粒的臨界尺寸為 150nm，因此當尺寸小于 150nm 的硅顆粒用于負極端的時候，即使 在嵌鋰過程中發生體積改變，開裂的幾率將大幅度減少，因此納米硅-碳（Si-C）負極作為 商用化較早的負極使用。

2）硅氧（SiOx-C）復合材料：相比于硅碳（Si-C）復合材料，硅氧負極的理論比容 量為 2400mAh/g，完全鋰化膨脹率為 150%左右，由于氧化亞硅在嵌鋰過程中會原位形成 氧化鋰，有助于克服體積膨脹，使得材料形成穩定的 SEI 膜，但由于氧化鋰的形成會消耗 大量鋰離子，因此通過將氧化亞硅與碳材料復合后，可以提升材料的導電性、循環穩定性。

3）導電劑-碳納米管：有效抑制硅基負極的膨脹，極大提升導電性。碳納米管分為多 壁碳納米管和單壁碳納米管，單壁碳納米管的導電性是多壁碳納米管的 10 倍，添加量少 但效果好。此外，單壁碳納米管的高柔韌性和長徑比，還可有效解決硅基負極的膨脹問題。

4）導電劑-石墨烯：極大提高鋰電池的容量和循環穩定性。石墨烯柔韌性好、比表面積 大、導電性高、放電能力良好，可極大地提高鋰電池的可逆容量、循環穩定性和倍率特性，是 包覆硅納米顆粒的理想材料。研究表明，在 100 mAh/g 的低電流密度下，該種材料的初始可 逆性為 1599 mAh/g，當在 200 mA/g 下循環多次后的容量保持率高達 94.9%。此外，即使在 2000 mA/g 的高電流密度下，硅/碳/石墨烯負極也仍有 951 mAh/g 的高可逆比容量。

3 迭代加速，技術為先，關注電解液與粘結劑更替

電解液行業：硅基負極用電解液添加劑作用關鍵，技術壁壘將不斷提高

電解液為電池反應提供條件，電解液添加劑劑量小作用大。電解液是電池正負極之間 用于傳導鋰離子的載體，對于倍率性能、循環性能和溫度適應性都有重要影響。電解液由 溶劑、鋰鹽和添加劑組成，其中添加劑約占電解液質量的 5%~8%，約占總成本的 15%~30%。 電解液添加劑對于提高電池導電率、安全性、阻燃性能、穩定性具有重要作用。

維持 SEI 膜的穩定性是提升電化學性能的重要條件。對于硅基負極而言，由于 SEI 膜具有不穩定性，因此維持 SEI 膜的穩定性是提升硅基負極電化學性能的重要條件。

VC、FEC、1,3-PS 是主流負極成膜添加劑。碳酸亞乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯 酯（FEC）、1,3-丙磺酸內酯（1,3-PS）是目前使用廣泛的負極成膜添加劑。其中碳酸 亞乙烯酯（VC）是動力電池中應用最為廣泛的添加劑，氟代碳酸乙烯酯（FEC）的滲透率 則正在不斷提升。

相較于 VC，FEC 對硅基負極電池性能改善效果更優。VC 能夠提升電極表面 SEI 膜 的均一性和光滑程度，改善硅基負極電池的循環性能。但 VC 性質不穩定，易發生聚合反 應，在保存方面仍存在問題。氟代碳酸乙烯酯（FEC）因其優異的性能從眾成膜添加劑中 脫穎而出，表現出優于 VC 的綜合性能。

新型硅基負極配套添加劑仍在研發，技術壁壘將不斷提高。除了已經大規模使用的 VC 與 PEF 添加劑外，天賜新材、新宙邦、杉杉股份等鋰電池材料企業仍在不斷研發配套 硅基負極使用的新型電解液添加劑。電解液添加劑用量小，種類多，且根據鋰電池性能要 求不同，電解液添加劑配方需要進行相應調整。在研發過程中需要對添加劑的效果進行反 復實驗，研發周期較長。因此，電解液添加劑的技術壁壘將隨著硅基負極的廣泛應用而進 一步提高。

負極粘結劑：高膨脹率需求處于研發開發上升期，國內企業加速追趕

用量小，種類多，對電池循環性能有較大影響。粘結劑用量極小，占鋰電池成本不到 1%，其作用在于將活性物質和導電劑混合均勻，粘附于集流體上，減小電極的阻抗。粘結 劑的合理選擇，可以保證活動物質制漿時的均勻性和安全性，提高電池的循環性能和快速 充放能力。

按照分散介質不同，粘結劑可以分為水性粘結劑和油性粘結劑。其中油性粘結劑的分 散介質為有機溶劑，水性粘結劑分散介質為水。按照粘結劑在電極中的分散情況可以分為 點型、線性和三維網絡三類。

硅材料高膨脹率高，要求粘結劑具有更好的粘結性能。相比于其他材料，硅基負極對 于粘結劑的要求更高，主要是由于： 硅材料膨脹率高，對于粘結劑的粘附性要求更高； 硅材料收縮過程中容易脫離極片，導致周圍導電劑流失。

主流硅基負極粘結劑包括 CMC、PAA、PI 等。PVDF（聚偏氟乙烯）是鋰電池中最 常用的油性粘結劑，主要用于電池正極，在負極中也有使用。SBR（丁苯橡膠）是應用最 為廣泛的水性粘結劑，主要用于電池負極。PVDF 雖具有較高的機械強度和電化學穩定窗 口，但是其柔韌性較差，不能有效地抑制硅基材料的體積膨脹，不適合作為硅基負極用粘 結劑。而 SBR 的彈性較好，能夠改善極片的柔韌性，因此石墨負極中廣使用 SBR 乳液與 CMC（羧甲基纖維素鈉）共混形成的粘結劑，在硅基負極中，SBR 乳液也被越來越多的 嘗試，除此之外，PAA（聚丙烯酸）、PI（聚酰亞胺）等粘結劑也是硅基負極的選擇。

新型粘結劑材料不斷出現，性能不斷提升。新型硅基負極用粘結劑主要包括兩種研發 思路，第一是在傳統 SBR、CMC 等材料的基礎上進行改進，第二是研發新型粘結劑材料， 目前兩個方向均有較多成果涌現。

國際巨頭壟斷粘結劑市場，SBR 國產替代加速。在負極粘結劑市場上，以日本瑞翁、 A&L、JRS 為代表的國外企業在技術和產品方面都大幅領先。近年來，晶瑞電材等自主企 業加速國產替代，根據前瞻產業研究院數據，2021 年晶瑞電材負極粘結劑市占率已超過 40%。

晶瑞電材新型負極粘結劑有所突破，技術研發仍需追趕國際先進水平。2020 年，晶 瑞電材實現了 CMCLi 粘結劑的規模量產，年產量達千噸以上，已成功進入數碼及動力電 池客戶并被硅基負極體系成功采用。該產品性能優于 CMCNa，打破了國外廠商對高端粘 結劑的壟斷。此外，晶瑞新材在丙烯酸粘結劑技術方面也取得了突破。在硅基負極用新型 負極粘合劑領域，自主企業起步較晚，需通過持續研發打破國際巨頭的技術壁壘，才可實 現彎道超車。

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