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锂电材料之电池负极

大成基金

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锂电池成本=正极45%+负极15%+电解液20%+隔膜10%+其他10%

核心结论:

技术路线上看,目前主流是石墨,未来方向是硅基。高硅基处于小批量应用阶段,主要问题是膨胀大、首次充放电效率低、成本高,产业普遍看好硅碳的化学气象沉积法路线(CVD)。

动力电池负极材料高同质化,技术壁垒低,技术路线透明,比拼的是性价比。人造石墨成本主要来自石墨化环节和原材料,负极材料企业间的成本差异取决于石墨化和原材料的自供率,企业普遍采用一体化经营思路向上游延伸。

2023-2024年是负极材料产能释放期,2023年以来,由于产能释放、电池客户去库、高价库存消化等,负极材料企业盈利大幅恶化(尤其是2023Q3)。

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技术路线:短期(3-5年)石墨仍为主流,长期硅基是未来方向

技术路线:天然石墨——人造石墨——硅基材料

图:负极材料分类

数据来源:大成基金,2023-11

目前电池负极材料主要是人造石墨,市占率超80%,剩余大部分是天然石墨。人造石墨因其高倍率、长循环、低膨胀等优势,主要用于大容量的汽车动力电池和中高端消费电池,天然石墨主要用于小型锂离子电池和一般用途的消费电池。

硬碳负极是钠电池首选,除非解决循环问题(很难),否则难打开储能市场,应用仅局限于两轮车、部分A00级车,需求量小。因首周效率低、低电位储锂倍率性能差、全电池满充电态易于析锂、压实密度低等问题无法在锂电池中大量应用。

图:人造石墨综合性能好于天然石墨

数据来源:公司公告,大成基金,2023-11

硅基负极因高能量密度,普遍被看好是下一代负极。石墨负极理论克容量372mAh/g,量产品可做到360+mAh/g,接近理论上限。硅基负极目前的克容量>400mAh/g,但理论克容量可以达到4200mAh/g,是石墨负极的10倍以上,潜力巨大。

硅的问题是膨胀大(硅是四面体结构,嵌锂过程体积膨胀300%、脱锂后体积收缩,导致硅粒开裂、破碎,影响寿命和添加比例 vs 石墨是平层结构,膨胀只有10%)和首次充放电效率低(形成的SEI膜疏松、厚、不均匀、阻抗高,硅基首效只有50%  vs 石墨首效90+%)。

硅基常用的改性方式:包括硅氧化、纳米化、多孔化、复合化、预锂化等。

硅氧:氧化亚硅。优点是膨胀小、寿命长,缺点是首效低(除了形成SEI膜外,还会产生不可逆反应)。

硅碳:纳米硅粉+碳材料包覆改性。优点是首效高,缺点是膨胀大、寿命短。

硅碳和硅氧目前均有小批量应用(几千吨量级 vs 2023Q1-Q3负极材料出货量120w吨),用于掺混在石墨负极中,掺混比例5%-10%。动力电池选硅氧负极,因为循环寿命高,消费电池多选硅碳,因为首效高。但均因膨胀大和成本高两个问题,两者都没能大范围推广(膨胀率在100%以上,性能最差的纯品的硅氧或硅碳均价在20+w元/吨 vs 人造石墨3w元/吨)。

硅碳之前完全无法用在动力,但工艺迭代后,膨胀问题大幅改善,远期成本预期能降,被宁德和部分负极厂视为硅基负极在动力上的终极方案。

球磨法(当前主流方案):百纳米级别,粒径大,膨胀大而寿命短,但成本最低。

化学气象沉积法(CVD):20-100nm,膨胀小,且改善了硅的粉化问题,但目前成本高。

等离子蒸发冷凝法(PVD):几十纳米级别,膨胀小,且改善了硅的粉化问题,但目前成本高

虽然CVD和PVD两条路线都在走,但从量产、成本、综合性能多维度考虑,业内贝特瑞(都做)、璞泰来、兰溪致德、天目先导等主流玩家普遍看好CVD路线。CVD路线透明,但目前具备供货能力的只有这四家。

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主要成本差异来自石墨化和原材料的自给率

动力电池能量密度的瓶颈是正极,正极理论比容量为磷酸铁锂170mAh/g、三元材料280mAh/g,明显低于负极360mAh/g。所以电池厂对于负极材料看重性价比>性能,更偏好中低端的负极材料,低端产品70%+中端产品20%。

汽车动力电池负极主要采用人造石墨,生产工序包括破碎、造粒、焙烧、高温石墨化、炭化和成品加工等,主要成本是石墨化和原材料。e.g.尚太科技(石墨化自给率100%)成本中石墨化和原材料分别占40%和20%。

石墨化工艺分为2种工艺,3种炉型。

艾奇逊炉与厢式炉可通过技改实现转换,厢式炉单位能耗更低,艾奇逊炉石墨化加工效果更好,两者各有优缺点,厢式炉无法完全替代艾奇逊炉。连续石墨化工艺存在工艺瓶颈,包括找不到合适的耐高温材料、冷却问题、设备稳定性差等。

图:不同石墨化工艺对比

数据来源:李子坤《石墨化技术的现状与发展》,大成基金,2023-11

各家负极材料企业在同种炉型工艺上没有显著差异,成本差异主要来自石墨化和原材料的自给率。负极材料企业一般通过产业链的一体化降低成本,向上游石墨化环节延伸提高石墨化的自给率,并将产能布局在电价相对便宜的地区;入股化工企业提高原材料(石油焦、针状焦等)的自给率。

发布于:中国香港

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