電池材料硅碳的大規(guī)模應(yīng)用：任重而道遠(yuǎn)(1)

2017年以來，在國家政策的推動(dòng)下，新能源汽車的快速發(fā)展，國內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)也大幅擴(kuò)產(chǎn)，鋰電負(fù)極材料的需求大增。國家工信部等三部委聯(lián)合出臺(tái)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求，到2020年動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300Wh/kg以上，力爭實(shí)現(xiàn)350Wh/kg。目前國內(nèi)單體電芯能量密度普遍在250Wh/kg以下，要在2020年實(shí)現(xiàn)300Wh/kg這一目標(biāo)是比較困難的，進(jìn)入2018年，許多企業(yè)已經(jīng)在高鎳正極方面取得了許多成果，但在負(fù)極方面行動(dòng)較為緩慢。

負(fù)極材料分類

國內(nèi)現(xiàn)有負(fù)極產(chǎn)品主要為碳材料和非碳材料，其中碳材料又可以分為石墨類碳材料和無定型碳材料，石墨類碳材料應(yīng)用比較多的是天然石墨和人造石墨；而非碳材料方面主要包括錫基材料、硅基材料、氮化物、鈦基材料，其中硅基材料和鈦基材料在市場(chǎng)上有少量應(yīng)用。

圖表 鋰電池負(fù)極材料分類

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院

硅碳類材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

石墨類負(fù)極作為主要的負(fù)極材料，應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是石墨類負(fù)極材料容量已做到360mAh/g，已經(jīng)接近372mAh/g的理論克容量，再想提升其空間已很難實(shí)現(xiàn)。而硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達(dá)3572 mA·h/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)化石墨理論比容量，在地殼元素中儲(chǔ)量非常豐富，成本低、環(huán)境友好，因而硅負(fù)極材料一直備受科研人員關(guān)注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。

圖表 幾種負(fù)極材料性能對(duì)比

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院

但是，由于硅在充放電過程中容易產(chǎn)生體積膨脹(~300%)，這限制了硅負(fù)極的商業(yè)化應(yīng)用。碳質(zhì)負(fù)極材料在充放電過程中體積變化較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，而且碳質(zhì)負(fù)極材料本身是離子與電子的混合導(dǎo)體；另外，硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，因此碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。在 Si/C復(fù)合體系中，Si顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲(chǔ)鋰容量；C既能緩沖充放電過程中硅負(fù)極的體積變化，又能改善Si質(zhì)材料的導(dǎo)電性，還能避免Si顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚。因此Si/C復(fù)合材料綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出高比容量和較長循環(huán)壽命，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。

硅碳材料主要結(jié)構(gòu)

包覆型：包覆結(jié)構(gòu)是在活性物質(zhì)硅表面包覆碳層，緩解硅的體積效應(yīng)，增強(qiáng)其導(dǎo)電性。根據(jù)包覆結(jié)構(gòu)和硅顆粒形貌，包覆結(jié)構(gòu)可分為核殼型、蛋黃-殼型以及多孔型；

嵌入型：嵌入型硅碳復(fù)合材料是將硅顆粒通過物理或者化學(xué)手段分散到碳載體中，硅顆粒與碳基體結(jié)合緊密，形成穩(wěn)定的兩相或者多相體系，依靠碳載體為電子和離子提供傳輸通道和支撐骨架，提供材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

主要負(fù)極材料廠商開始布局硅碳負(fù)極材料

硅碳負(fù)極優(yōu)異的電化學(xué)性能吸引了許多負(fù)極材料廠商投入到硅碳材料的研發(fā)和生產(chǎn)當(dāng)中，負(fù)極材料企業(yè)如貝特瑞、上海杉杉、斯諾和國軒高科等都公布了各自的硅碳負(fù)極產(chǎn)能規(guī)劃。但是由于硅碳材料成本較高和合成工藝較為復(fù)雜，目前只有貝特瑞等少量廠商能夠批量供貨，2017年出貨1000噸，已有部分國外客戶使用。其S1000型號(hào)硅碳負(fù)極材料的比容量高達(dá)1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負(fù)極材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。

圖表 各大負(fù)極企業(yè)布局

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院

電池廠布局硅碳系列電池

硅碳材料早先是在日韓企業(yè)中應(yīng)用較多，松下和三星的產(chǎn)品都有成熟應(yīng)用，特斯拉通過在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入10%以上的硅碳，讓電池容量增加到550mAh/g以上。國內(nèi)方面，由于硅碳是一種新型的負(fù)極材料，與其配套的正極材料和電解液等技術(shù)水平有限，真正實(shí)現(xiàn)硅碳類電池量產(chǎn)的企業(yè)還非常少。國內(nèi)包括國軒高科、寧德時(shí)代、比克電池、比亞迪、天津力神等都已經(jīng)開始布局相關(guān)產(chǎn)品，但是真正量產(chǎn)應(yīng)用的主要在18650產(chǎn)品上面。

圖表 主要電池廠硅碳類電池布局

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院

硅碳價(jià)格高昂

由于硅碳現(xiàn)有產(chǎn)能較小，供應(yīng)量較低，現(xiàn)有市場(chǎng)價(jià)格非常高。2017年底，部分廠商產(chǎn)能不斷釋放，價(jià)格開始下降，但是也基本上維持在400元/kg左右，與傳統(tǒng)的人造石墨和天然石墨70元/kg以內(nèi)的價(jià)格高出非常多，這一原因也導(dǎo)致了硅碳負(fù)極短期內(nèi)很難大量應(yīng)用。以18650為例，單顆電芯負(fù)極材料接近10g，其中摻雜大概1g的硅碳材料，能夠使得整體的能量密度得到很大的提升，單顆電芯所需硅碳成本維持在0.4元/顆，按電量來計(jì)算則為0.04元/wh，用量為0.1g/wh（資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院）。根據(jù)產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2022年中國鋰電池負(fù)極材料行業(yè)市場(chǎng)研究及預(yù)測(cè)報(bào)告》：隨著硅碳應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟和電池對(duì)于能量密度要求的不斷提高，單顆電芯內(nèi)的硅碳含量將會(huì)不斷增加，但將會(huì)在成本和能量密度之間尋求一個(gè)平衡。

圖表 幾種鋰電池負(fù)極材料的價(jià)格（單位：元/kg）

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院

硅碳材料市場(chǎng)短期內(nèi)不會(huì)大規(guī)模爆發(fā)

雖然各大負(fù)極材料廠商紛紛公布了硅碳的產(chǎn)能規(guī)劃，但是產(chǎn)業(yè)研究院認(rèn)為，短期內(nèi)，硅碳負(fù)極市場(chǎng)將難以大規(guī)模爆發(fā)。供應(yīng)端方面，由于硅碳負(fù)極的價(jià)格非常高，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境的要求也非常高，短期內(nèi)產(chǎn)能很難得到釋放。應(yīng)用端方面，與硅碳負(fù)極相匹配的電解液和正極材料體系還不成熟，硅碳負(fù)極的大規(guī)模應(yīng)用也比較困難，目前為止只有少部分圓柱廠商的18650產(chǎn)品得到了量產(chǎn)應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2020年后，隨著國內(nèi)方型鋰電池逐漸開始使用硅碳負(fù)極，硅碳負(fù)極的市場(chǎng)需求才會(huì)快速增長。

圖表 2017-2021年中國硅碳負(fù)極市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)（單位：噸）（不含出口）

資料來源：產(chǎn)業(yè)研究院