负极材料是锂离子电池的核心材料之一。在锂电池充放电过程中,负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。负极材料占锂电池制造成本的5%~15%,三元电芯的负极材料成本占比约7%。
新型负极材料有硅基负极和硬碳等,硅基负极搭配高镍三元正极材料成为未来高端长续航锂电池发展趋势。
1 ) 硅基负极材料主要优势是超高理论比容量 ( 4200mAh/g ) 、 低脱嵌锂电位 ( 0.3V-0.5V ) 、 硅资源储量丰富 、 低成本等 ; 主要缺点是低导电率和易体积膨胀。为解决上述缺点,目前主要通过掺杂碳系石墨和改性的方法来优化材料性能,例如硅氧复合材料和硅碳复合材料。除优化材料性能外,电池体系优化路径也在研究中。
2 ) 硬碳的可逆比容量较高 ( 500~700mAh/g ),并拥有极佳的低温倍率性能和优异的电解液兼容性,是最具有潜力的负极材料之一。
1.锂离子电池负极材料介绍及行业格局
1.1锂离子电池四大主材之一:负极材料
负极材料是锂离子电池四大核心材料之一。锂电池负极主要由负极活性物质碳材料或非碳材料 、 粘合剂和添加剂混合制成,涂抹于铜箔的两侧,后经干燥 、 滚压等工序加工完成。在锂电池充放电过程中,受电极电压作用,正极中的锂离子发生 “ 嵌入 ” 和 “ 脱嵌 ” 电化学反应,负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。
1.2负极材料分类及产业链
锂电池负极主要分为碳材料和非碳材料两大类。人造石墨和天然石墨是目前最主流的两大石墨类碳材料负极,复合石墨与中间相碳微球经过掺杂改性和化合物处理加工制成 ; 无定形碳和碳纳米材料石墨烯也同属碳材料负极。非碳材料涵盖硅基 、 钛基 、 锡基 、 氮化物和金属锂,这类新型负极目前仍处研发或小规模生产阶段,尚未实现商业化。
1.3负极材料核心指标对比
负极材料对锂电池的容量 、 能量密度 、 充电效率 、 循环寿命 、 安全性等核心指标均产生直接影响。天然石墨和人造石墨成本较低 、 生产技术和配套设施完善 、 石墨类材料稳定性较高,占据负极市场主导地位。但由于天然石墨和人造石墨克容量已应用至材料理论极限,因此以硅基负极为主的高容量新型负极材料正成为主要的研究和发展方向。
1.4负极材料竞争格局:龙头企业率先布局新型负极材料、二线企业份额提升
锂电负极行业集中度高,龙头企业率先研发生产新型负极材料 ; 第二梯队厂商专攻人造石墨负极,企业市占率稳步提升。国内一线负极材料企业市场占有率较为集中,CR3和CR5分别达到45%和65%。负极龙头企业贝特瑞 、 杉杉股份 、 璞泰来凭借企业研发生产优势,领跑新型负极材料赛道。
1.5负极材料企业下游客户
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在新能源汽车动力电池 、 储能电池和消费电池的需求带动下,电池企业对负极材料需求旺盛。国内负极龙头企业与国内外优质电池厂商合作紧密,深度绑定下游客户。
1.6负极材料产业发展迅猛,出货量逐年拉升
国内负极材料市场规模快速扩张,出货量逐年拉升。据高工锂电统计数据显示,2021年中国负极材料出货量约为72万吨,同增94.6%,为近年来最高增速。
2.新型负极材料技术与未来
2.1锂电池迈入硅基负极时代
锂电池下游对高能量密度 、 长续航 、 快充等性能需求提升,硅基负极的超高比容量将推动电动汽车续航迈入新的里程碑。目前行业正朝着高镍正极搭配硅基负极的技术体系迈进,综合提升了锂电池能量密度 、 环境友好性及安全性。
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