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2022年信达证券-电力设备与新能源行业:硅基负极材料应用有望迎来加速PDF

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文本描述
硅基负极材料应用有望加速
[Table_Industry]
[Table_ReportDate]
2022年06月30日
[Table_Title]
证券研究报告硅基负极材料应用有望迎来加速
行业专题研究[Table_ReportDate]2022年6月30日
本期核心观点
[Table_ReportType]
[Table_S[Table_Summary硅基负极是未来发展方向。um]随着新能源汽车的蓬勃发展,核心部件动
[Table_StockAndRank]电力设备与新能源力电池对高能量密度的需求越来越高。近年来电池能量密度的提升主
要靠电池结构创新,但在当前电池生产工艺下,通过结构创新难以进
投资评级看好
一步提升能量密度。材料体系的升级未来仍有较大空间。正极比容量
不断提升对负极比容量提出了更高的要求,硅基负极相比石墨负极具
上次评级看好
有更高的比容量,有望成为理想的下一代负极。
武浩[Table_Author]电力设备与新能源行业首席分析
硅碳负极和硅氧负极是硅基负极的主要技术路线。体积膨胀率高和导

电率差的本征缺陷限制了硅基负极的商业化应用,为此需要从抑制体
执业编号:S1500520090001
膨胀、稳定SEI膜、增强导电性三方面综合考虑来提升硅基负极性能。
联系电话:010-83326711
硅碳负极和硅氧负极结合了碳材料的高导电率、稳定性及硅材料的高
邮箱:wuhao@cindasc
容量且工艺相对成熟,成为硅基负极的主要技术路线。
动力接棒消费,硅基负极未来市场空间巨大。硅基负极最早应用于电
张鹏电力设备与新能源行业分析师
动工具和消费领域,根据GGII统计,我国硅基负极出货量由2015年
执业编号:S1500522020001
的0.03万吨增长至2020年的0.6万吨,年复合增速达到了82%。近
联系电话:18373169614
年特斯拉、蔚来、广汽、奔驰等都表示最新车型使用含硅电池,动力电
邮箱:zhangpeng1@cindasc
池的需求爆发将逐渐打开硅基负极的市场空间。我们预计硅基负极材
料比例将逐年提升,2025年将达23.1万吨。
4680大圆柱和快充技术有望加速硅基负极的应用。4680大圆柱电池
的封装形式对硅基负极的体积膨胀容忍度更高,随着特斯拉、宝马、保
时捷等车企对大圆柱电池的市场需求增长,将有效帮助硅基负极的普
及。电池无热扩散技术可以带动高镍、快充等电池的应用加速,高倍率
充放电下石墨负极容易析锂,影响电池安全,掺硅的石墨负极可以有
效改善析锂问题,提高倍率性能。
负极企业纷纷布局硅基材料,杉杉股份硅氧负极优势明显。国内负极
龙头杉杉股份和贝特瑞在硅基负极布局较早,产品最为成熟,且已实
现并批量出货。此外,石大胜华,硅宝科技、杰瑞股份等公司扩产力度
也较大。杉杉股份已经完成第二代硅氧产品的量产,率先实现在消费
和电动工具领域的规模化应用,动力领域已通过了全球优质动力客户
的产品认证,有望迎来规模放量。
风险因素:疫情导致产业链需求不及预期风险;技术路线变化风险;原
材料价格波动风险;市场竞争加剧风险等。
信达证券股份有限公司
CINDASECURITIESCO.,LTD
北京市西城区闹市口大街9号院1号楼
邮编:100031
请阅读最后一页免责声明及信息披露cindasc2
一、硅基负极是未来发展方向
随着新能源汽车的蓬勃发展,作为核心部件的动力电池在满足长寿命、高安全、低成本的前提下,
对高能量密度的需求越来越高。2021年12月10日,工信部对《锂离子电池行业规范条件》和《锂
离子电池行业规范公告管理暂行办法》进行了修订,推出了2021年版本。新版本将“能量型电池能
量密度≥180Wh/kg,电池组能量密度≥120Wh/kg。循环寿命≥1000次且容量保持率≥80%。”调整为
“使用三元材料能量型单体电池能量密度≥210Wh/kg,电池组能量密度≥150Wh/kg;其他能量型单
体电池能量密度≥160Wh/kg,电池能量密度≥115Wh/kg。”此外,《中国制造2025》明确2025年
动力电池能量密度达到400Wh/kg的发展规划,因此开发具有安全、低成本、良好稳定性、高性能、
高容量等优点的锂离子电池至关重要。
近年来电池能量密度的提升主要靠电池结构创新,材料体系的升级未来仍有较大空间。电池结构
创新原理是通过减少电池包中非活性组分的比例,提升电池的能量密度,如宁德时代的CTP高效
成组技术,通过高集成结构设计,提升电池包体积利用率,从第一代CTP到最新的第三代麒麟电
池,电池包体积利用率从55%提升到72%。三元体系的麒麟电池系统能量密度可达255Wh/kg,
磷酸铁锂体系可达160Wh/kg。然而当前电池生产工艺下,非活性组分已经降到很低,能量密度难
以进一步提升,因此新型电极材料的升级开发是后续在能量密度上实现突破的关键。
图1:锂离子电池正极材料发展历程
资料来源:《高镍三元层状锂离子电池正极材料:研究进展、挑战及改善策略》,信达证券研发中心
正极比容量的提升对负极比容量提出了更高的要求。以往的正极是限制电池能量密度提升的主要
瓶颈,因此一直以来针对正极的升级开发层出不穷,从最早的锰酸锂(约120mAh/g)到现在的三
元材料(约210mAh/g),正极比容量不断提升。正极比容量的提升对负极比容量提出了更高的要
求,目前商用石墨负极的实际比容量在360-365mAh/g,已十分逼近其理论比容量372mAh/g,因
此,开发比容量更高的负极材料正当其时。
3
cXdV9XwWoOpM8O9R7NtRoOsQsQiNqRnNkPoMrObRsQtQNZtOoPxNpPnQ
图2:正负极比容量与全电池的比容量的关系图
资料来源:《Si_石墨复合负极材料的制备方法研究进展》,信达证券研发中心
硅基负极相比石墨负极具有比容量高的优势。硅基负极的比容量最高可达4200mAh/g,是碳基负
极的10倍以上,是目前已知比容量最高的负极材料,高理论比容量(4200mAh/g)、较低的脱锂电
位(0.4V),以及极高的储量(地壳中储量排第二)使得硅基材料被视为理想的下一代负极材料。
随着高镍三元材料NCM811、NCA的放量,硅基负极搭配高镍三元体系有望成为未来高端电动车
的标配。同时由于硅基负极能够提高电芯能量密度,相同能量下可以降低电池包整体重量,便于整
车设计,提高整车的操纵性和底盘强度。
表1:石墨负极与硅基负极对比
类型天然石墨负极材料人造石墨负极材料硅基负极材料
理论容量340-370mAh/g310-360mAh/g400-4000mAh/g(目前可达到水平)
首次效率>93%>93%>77%
循环寿命一般较好较差
安全性较好较好一般
倍率性一般一般较好
成本较低较低较高
优点能量密度高、加工性能好膨胀低,循环性能好能量密度高
缺点电解液相容性较差、膨胀较大能量密度低、加工性能差膨胀大、首次效率低、循环性能差
资料来源:贝特瑞募集说明书,信达证券研发中心
硅存在体积膨胀率高和导电率差的本征缺陷。硅在嵌锂过程中体积膨胀率可达300%(碳基材料体
积膨胀率只有16%),膨胀产生的较大应力致使硅负极粉化破碎脱离集流体,导致容量衰减,同时
膨胀效应也会导致SEI膜不断破碎与形成,加速容量的衰减,导致库仑效率降低。硅基负极的初始
库仑效率通常为65%-85%,远低于商业化应用的石墨负极(90%-94%),硅基负极的后续库仑效
率通常为98%-99.7%,仍需改进至适用于商业化的99.9%。此外,硅是一种半导体材料,其本征
导电性较差(<10-3S/cm,25℃),影响锂离子和电子的传输速度,从而其倍率性能和循环性能较差。
请阅读最后一页免责声明及信息披露cindasc4
图3:硅电极失效机制
资料来源:《锂离子电池硅基复合材料的制备与电化学性能研究》,信达证券研发中心
图4:硅锂化过程中SEI膜形成、破坏、重排
资料来源:《锂离子电池硅基复合材料的制备与电化学性能研究》,信达证券研发中心
为解决硅基负极库伦效率低、倍率性能和循环性能差等问题,需要从抑制体膨胀,稳定SEI膜,
增强导电性三方面综合考虑来提升硅负极性能。目前研究人员采取的策略有:进行纳米化工程以减
少Si的机械破裂;构建多孔结构以缓解电极膨胀;复合缓解应力的缓冲基质;预锂化改性;控制
粘结剂以适当连接分离的颗粒;开发新电解质以适应硅基负极的发展需求等。然而诸如纳米化等材
料合成加工工艺成本高昂,商业化应用需要在性能和成本之间进行权衡,因此高难度的生产工艺和
产品批量制备能力是进入硅基负极材料领域的主要门槛。
硅碳复合材料与硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。将Si与基体材料进行复合得到硅基复
合材料,一方面可以缓解硅的体积膨胀效应,同时提供导电性,可以充分发挥硅材料高容量特性。
根据分散基体的不同,硅基负极材料主要有SiO、硅碳复合负极材料及硅基合金负极材料三大类,
其中,硅碳负极(Si/C)和硅氧负极(SiO/C)结合了碳材料的高电导率、稳定性及硅材料的高容
量优点且工艺相对成熟,成为了引领锂离子电池负极材料行业发展的方向。硅基合金负极材料相对
碳负极材料克容量提升效果明显,但是因为其工艺难度高、生产成本高,且首次充放电效率较低,
目前尚未大规模使用。
表2:三类硅基负极材料优劣势对比
主要种类优势劣势
A、可逆容量高,达1700-1800mAh/g,接近理论容A、首次库伦效率低(71.4%),无法单独使用,需要预锂化处理
硅氧负极
B、循环性能和倍率性能相对于其他硅基负极材料好B、SiO工艺复杂,生产成本非常高
A、克容量高A、大批量生产电化学性能优异的产品难度较高
硅碳负极B、首次充放电效率高B、循环性能和库伦效率有待提高
C、工艺相对于其他硅基负极材料较为成熟C、电极膨胀率较高
A、工艺难度大、成本高
硅基合金负极体积能量密度高B、首次充放电效率低
C、循环性能较差
资料来源:凯金能源公告,信达证券研发中心
请阅读最后一页免责声明及信息披露cindasc5