硅基负极，高能量密度锂离子电池首选

‍新时代电新团队 开文明/丁亚/王琎/赵勇臻/曹瑞元

石墨负极潜力挖掘完全

电芯能量密度和负极材料的克容量成正相关关系。目前，高端石墨克容量已经达到360-365mAh/g，接近理论克容量372mAh/g。因此从负极材料角度看，电芯能量密度的提升需要开发出具有更高克容量的负极材料。

硅基负极材料最具商业化前景

硅基负极材料中Si与Li+产生合金化反应，最高克容量可达4200 mAh/g，是石墨的10倍多。且硅还具有较低的电化学嵌锂电位（约0.4 V vs. Li/Li+），不存在析锂问题、储量丰富等优点，是非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。

硅基负极材料产业化关键点：体积剧烈变化和不稳定的SEI膜

在充放电过程中，硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积变化，最大膨胀可达320%，而碳材料只有16%。剧烈的体积变化导致如下的挑战：硅颗粒破裂粉化、负极活性物质从电极片上脱落、因粉化和脱落引起固相电解质层（SEI膜）持续形成。目前，主要通过材料设计（硅的纳米化、对硅进行碳包覆、加入氧化亚硅等）和电池体系优化（选用电解液添加剂FEC和VC等、负极材料粘接剂CMC-SBR和聚丙烯酸锂等、导电剂的优化）等来应对。

碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度高

硅基负极材料制备方法多，且较石墨的制备工艺更复杂，产品尚未达到标准化。目前，碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度最高的两种硅基负极材料。量产企业有国内的贝特瑞、天目先导、杉杉等，海外的日本信越化学、大阪钛业、日立化成、昭和电工和韩国大洲等。

硅基负极材料产业化时间短；国际上日企领先，国内贝特瑞领先

日本日立、汤浅等企业从2015年开始陆续将硅基负极应用到消费电池和动力电池中，促进了硅基负极材料产业化应用。国内方面，根据高工锂电的调研，能够量产硅基负极材料的企业不超过3家，其中，贝特瑞国内领先，于2017年实现量产出货，现已成功进入松下-特斯拉供应链。

投资建议

受益公司有负极材料龙头、硅基负极领域领先的贝特瑞，开启硅基负极产业化的杉杉股份，人造石墨龙头、推进硅基负极产业化的璞泰来。

风险提示：疫情对新能源汽车需求的影响，硅基负极产业化应用不及预期

1、 石墨负极潜力挖掘完全

1.1、 锂离子电池通过Li+往返脱嵌于正负极之间实现化学能与电能相互转换

锂离子电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜等部分组成，其中正、负极为活性组分，是能量存储的载体。锂离子电池工作原理：以钴酸锂和石墨负极为例，1）充电时，电子从正极转移到负极，同时钴酸锂中的锂失去电子成为锂离子进入电解液，锂离子穿过隔膜后进入石墨负极，并在负极接受电子还原成为锂。2）放电时，锂在负极失去电子后，穿过隔膜回到正极，并在正极接受电子被还原，完成放电。鉴于锂离子的这种传输特点，锂离子电池又被称为“摇椅电池”，其中，电极材料脱嵌性能是锂离子电池性能的决定因素之一。

1.2、 石墨是目前广泛使用的负极材料，通过嵌入的方式储锂

石墨是目前动力电池负极材料商业化应用的主流。目前商业化的负极材料主要有石墨（天然石墨和人造石墨等）、无定形碳（软碳和硬碳）、钛酸锂及硅基材料（纳米硅碳材料、氧化亚硅和无定形硅合金）。2019年动力电池用负极材料中石墨负极材料的出货量占比达97%以上。

石墨通过嵌入的方式进行储锂。不同的负极材料可以通过嵌入、合金化或者转换反应实现储锂。石墨为嵌入式的典型代表，嵌入的Li插在层状石墨层间，形成不同的“阶”结构。随着Li的嵌入量增加，最终形成1阶结构，对应石墨的理论容量为372mAh/g。

1.3、 石墨负极克容量接近理论值，不能满足电芯能量密度提升的需求

电芯的能量密度为

其中，Em、Qc、Qa、Uc、Ua、k分别为电芯的能量密度、正极克容量、负极克容量、正极平均电位、负极平均电位和正负极活性材料的质量或体积与电池总质量或体积的比值，在实际电池体系中，k值通常介于0.42~0.61。

锂离子电池的能量密度不断提升。1991年索尼公司第一批商业化锂离子电池能量密度相对较低(能量密度80 Wh/kg或200 Wh/L)，现在先进的高能量密度锂离子电池可以实现300 Wh/kg或720 Wh/L。

目前，高端石墨克容量已达到360-365mAh/g，接近理论克容量372 mAh/g。因此从负极材料角度看，电芯能量密度的提升需要开发出具有更高比容量的负极材料。

2、 硅基负极材料最具商业化前景

2.1、 硅锂合金的克容量是石墨的10倍多，电芯能量密度提升空间大

具有高克容量和低电位等优势，硅基负极材料是最具商业化潜力。硅锂化后具有很高的理论克容量，约4200 mAh/g，是石墨的10倍左右。同时，硅还具有较低的电化学嵌锂电位（约0.4 V vs. Li/Li+），不存在析锂问题、储量丰富等优点，是公认的非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据《高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究》中指出，如果不使用富锂正极，当电芯能量密度要达到280Wh/kg以上时，就必须使用硅基负极。

2.2、 硅基负极材料产业化关键点：体积剧烈变化和不稳定SEI膜

Li+在脱嵌过程中巨大的体积膨胀效应会导致硅颗粒产生裂纹粉化和结构崩塌。硅表面与电解液接触，重复形成的固相电解质层（SEI）使电化学性能恶化。

硅是通过合金化储存锂，合金化反应伴随巨大的体积变化。在充电时，硅被锂化，Si和Li+产生一系列的反应，并且体积变化不断增大。首先，硅颗粒外层出现非晶态的LixSi，内层依然保持晶态硅。随着锂化程度的加大，硅完全锂化生成Li22Si5时，其理论容量将达到4200 mAh/g ，体积膨胀320%，而碳材料只有16%。放电时，Li22Si5会分解成Li+和Si，体积随之变小。

根据中科院物理所研究发现，硅柱阵列电极在嵌锂过程中（充电）体积膨胀，由初始的圆柱形最终演变成类似于圆屋顶形，而脱锂过程中（放电）体积收缩，最终演变成碗状形貌。

巨大体积变化导致硅颗粒的粉化、负极材料活性物质脱落和SEI膜持续形成。1）对于整个电极而言，由于每个颗粒膨胀收缩会“挤拉”周围颗粒，这将导致电极材料因应力作用从电极片上脱落，进而导致电池容量急剧衰减，循环寿命缩短。2）对单个硅粉颗粒来说，嵌锂过程中，外层嵌锂形成非晶LixSi发生体积膨胀，内层还未嵌入锂不膨胀，导致每个硅颗粒内部产生巨大应力，造成单个硅颗粒开裂粉化。3）充放电循环过程中，硅颗粒开裂粉化和电极材料的脱落会不断产生新的表面，进而导致固相电解质层（SEI膜）持续形成，不断消耗锂离子，造成电池整体容量持续衰减。

材料设计和电池体系优化是解决硅基负极材料商业化的主要方式：1）材料设计，通过硅的纳米化、对硅进行碳包覆、加入氧化亚硅等方式，减小体积变化带来的负面影响。2）电池体系，目前主要是通过电解液添加剂、负极材料粘接剂、导电剂的优化来来减少硅基负极的膨胀影响。3）电极结构改进，省去粘接剂或集流体，直接将活性材料复合在导电网络中制得极片，该技术路线处于研发阶段。

2.3、 硅基负极材料的制备方法多、产品未标准化

硅基负极材料可以通过多种制备方法获得，主要包括化学气相沉积法、机械球磨法、溶胶-凝胶法等。硅基负极材料相对于石墨负极材料的制备工艺复杂，大规模生产存在一定困难，且每个企业生产工艺不尽相同，产品目前没有达到标准化。

3、 硅基负极材料的产业化发展

3.1、 硅基负极产业化时间短，日企处于行业领先

硅基负极材料由日本企业首先在2015年和2017年陆续推向消费和动力电池领域。1996年开始硅基负极的研究，日本松下2012年推出含硅电池，2015年日立Maxwell的SiO/C负极电池运用到消费电池领域，并在2017年特斯拉采用日立化成的硅基负极应用到电动车中。日本GS汤浅推出硅基负极材料的锂电池，应用在三菱汽车上。

3.2、 目前碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度最高

目前，商业化的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳、无定型硅合金、硅纳米线四种，其中，碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度最高的两种硅基负极材料。1）碳包覆氧化亚硅，目前较好的碳包覆氧化亚硅碳产品搭配石墨到 450-500m Ah/g容量后使用，已经可以做到在钢壳电芯中循环1000-2000周，在软包电芯中循环500-1000周。2）纳米硅碳，目前商业化的软包电池和方形铝壳电池对膨胀依然非常敏感，以致纳米硅碳材料仍然较难使用在这类电池上。目前纳米硅碳材料的主要应用领域仍是在圆柱钢壳电池中，以18650和21700型号为代表。

3.3、 国内大批量生产企业少，贝特瑞优势明显

目前，硅碳负极材料在我国的发展尚处于初级阶段，实际应用还比较小众，市场总体产量较小。根据高工产研统计，2019年我国硅基（包括硅碳和硅氧）负极材料出货量仅3700吨，在负极材料中的渗透率约1.4%。

国内量产企业少，贝特瑞处于领先地位。根据高工锂电的调研，国内能够量产的企业不超过3家。其中，只有贝特瑞能够大批量供货，贝特瑞已经进入了松下的供应链，间接供应特斯拉。国内其他厂商处于研发或者小批量量产阶段。当前稳定量产硅基负极型号较少，以420mAh/g、450mAh/g两款为主。

4、 硅基负极厂商将受益于电芯能量密度提升

在行业下游，特斯拉已搭载硅基负极电池。近年来随着下游动力电池的行业对高能量密度负极材料需求的增长，硅基负极材料未来将快速增长。根据高工锂电预测，到2022年硅基负极材料需求量将达到2.2万吨，2019-2022年年复合增长率高达80%。目前，稳定量产硅基负极价格介于10-12万元/吨，远高于石墨类负极3.5-7.5万元/吨的价格。价格按照5%年降计算 ，到2022年，硅基负极材料市场空间有望超20亿元。

4.1、 贝特瑞：负极材料龙头，硅基负极国内领先

公司主营负极材料和正极材料，其中2019年负极材料营收占比达69%。2019年，公司人造石墨国内市占率11%，排名第四；天然石墨国内市占率63%，排名第一；硅基负极材料出货量国内领先。

公司硅基负极材料不断升级迭代。1）硅碳负极材料，公司已经突破至第三代产品，比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g，且正在开发更高容量的第四代硅碳负极材料产品。2）氧化亚硅负极材料，目前公司已完成多款产品的技术开发和量产工作，部分产品的比容量达到1600mAh/g以上。

4.2、 杉杉股份：硅基负极开启产业化

2019年公司营收约76亿元，其中负极材料占比进一步提升至33%。根据高工锂电数据，公司人造石墨国内市占率20%，排名第三；天然石墨国内市占率6%，排名第三。

公司硅基负极材料和电解液方面均有布局。公司圆柱电池用硅氧材料，计划进入海外圆柱电池客户，可用于电动工具和电动汽车，目前正在进行中试。EV用硅氧材料，已进入整车企业测试。硅碳复合材料及宽适配系列电解液已量产。

4.3、 璞泰来：人造石墨龙头，推进硅基负极产业化

2019年公司营收约48亿元，负极材料占比约64%。公司下属子公司江西紫宸是人造石墨龙头，2019年公司人造石墨国内市占率22%，排名第一。

公司推进硅基负极研发和产业化进程。溧阳研究院试验基地和检测中心正抓紧建设中，其中硅碳试验车间已于2019 年投入使用。公司与相关单位签署了硅碳专利合作，重点推进硅碳、硅氧的研发和产业化。

5、 风险提示

疫情反复对新能源汽车需求的影响，硅基负极产业化应用不及预期