锂离子电池性能快速发展 硅碳负极材料市场占比不断提高

锂电池负极材料主要分为碳基材料和非碳基材料。碳基材料中的石墨类材料应用较广，如人造石墨、天然石墨和中间相炭微球。碳基材料中的软碳，例如石油焦和针状焦，直接用作负极材料的比较少，更多是用作制造人造石墨或改性石墨的原材料。非碳基材料中，钛基材料和硅基材料较为常见。

石墨负极材料地位短期难以撼动。根据新思界产业研究中心公布的《2019-2024年硅碳负极材料行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示，2018年负极材料出货19.2万吨(含出口)，其中人造石墨13.3万吨，天然石墨4.58万吨，其他负极材料(钛酸锂、碳硅复合材料等)1.32万吨。因良好的负极性能和优异的性价比，人造石墨和天然石墨占负极材料总出货量的95%，短期内地位难以撼动。2018年硅碳复合负极材料出货量达到1.02万吨，增长超过5倍。

工信部等四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出，到2020年，新型锂离子动力电池单体比能量超300Wh/公斤，系统比能量达260Wh/公斤;到2025年，单体比能量达500Wh/公斤。传统石墨很难达到这一要求，而硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量。

硅材料比容量高，可快充，最具发展前景。石墨的理论能量密度是372mAh/g，而硅的理论能量密度超过其10倍，高达4200mAh/g。使用硅材料作电池负极来提升电池能量密度，已经成为业界公认的方向之一。

硅材料使用的瓶颈在于其循环性能较差:硅颗粒在脱嵌锂时的高膨胀率(硅负极充放电膨胀可达360%，而普通石墨仅为10%)导致负极在循环过程中快速衰减;硅颗粒表面SEI膜持续生长会对电解液和锂离子造成不可逆消耗。目前，相对较为成熟的技术方案是，采用体积效应小、循环稳定性好的碳材料作为载体，掺入高比容量的硅材料作为主要活性体，以此合成硅碳复合材料。硅碳复合材料能够有降低硅材料在充放电过程中体积膨胀造成的负面影响。硅碳复合的工艺方式有包覆、掺杂和嵌入。特斯拉使用了碳包覆氧化亚硅的技术方案，通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，已将硅碳复及材料应用到量产车型Model3。其电池能量密度达到300wh/kg，电池容量达到了550mAh/g以上。

硅碳负极材料在国内的发展处于初期阶段，未来二到三年内将大爆发。在国内，比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了对硅碳负极材料的布局。贝特瑞的硅碳负极材料2017年出货1000吨，已有国外客户使用。其S1000型号硅碳负极材料的比容量高达1050mAh/g，尽管离硅的理论比容量4200mAh/g仍有较大差距，但已经是人造石墨负极材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。

新思界产业研究员认为，随着新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求，未来石墨将逐渐被硅碳负极材料取代，锂离子电池负极也必将向着高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方向发展，预计2020年中国硅碳负极材料产能将突破2.5万吨，2024年硅碳负极材料市场占比将达到31.9%。