2022年动力电池负极材料行业研究与展望报告.docx

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1、2022年动力电池负极材料行业研究与展望报告1、石墨类负极为当前主流1.1 锂离子电池由四大要素组成，负极是重要一环锂离子电池充放电过程可逆，循环寿命高：锂电池分为锂一次电池（又称锂原电池）和锂二次电池（又称锂可充电电池）。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用Mn02,S0C12,（CF）n等材料作为正极。锂二次电池分为金属锂二次电池和锂离子电池。锂一次电池的研究始于20世纪50年代，于70年代实现应用，后基于环保和资源利用的考虑，人们将研究重点转向可重复充电使用的锂二次电池。与锂一次电池不同，锂二次电池用嵌入化合物替代了金属锂，电池正负极均由嵌入化合物充当。普通电池的工作原理大部分基于“

2、氧化-还原反应”，而锂离子电池正负极材料都有“空间”让锂离子嵌入和脱嵌，其机理除了“氧化-还原反应”以外，还基于电化学嵌入/脱嵌反应。在电极电压降的驱动下，锂离子（Li+）可以从电极材料提供的空间中嵌入或者脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正负极间定向移动，由于“嵌入”与“脱嵌”并没有造成电极材料晶格结构的变化，反应具有良好的可逆性。这让锂离子电池具有一般高能量密度可充电电池所不具备的高循环寿命。以LiCo02/C体系锂离子电池为例，其在充电过程中锂从正极移动到石墨，电子由石墨从外电路移动到正极。其中正极部分Co3+被氧化成Co4+,负极发生还原反应生成LixC60放电是充电的逆过程。在充放电时，

3、锂离子在正负极间来回穿梭，因此也被称为“摇椅式电池”。锂离子电池由四大要素组成：锂电池大致可分为4个组成要素，分别是正极、负极、电解液和隔膜。这四大要素是目前液态锂离子电池中不可或缺的存在，缺少其一则电池无法发挥作用。正极由集流体（铝箔）和活性物质组成。正极所使用的活性物质往往决定电池的容量和电压，活性物质所含的锂越多，则电池容量越大；正极材料电势越高，与负极组成的全电池电压就越高。因此，正极在决定电池的性能上发挥重要作用。负极的结构与正极相同，也是采用在集流体（铜箔）上涂布活性物质的方式，其作用是对正极放出的锂离子进行可逆性的吸收/释放，并通过外部电路流出电子。电解液的作用是承担锂离子在正负

4、极间移动，因此需要使用离子电导率较高的物质，同时要有绝缘性。隔膜在电池中承担的作用主要是分隔正负极，防止短路，同时保证离子能通过其内部细微的孔隙进行移动。1.2 负极材料种类繁多，石墨类负极应用最广负极材料种类繁多，碳材料应用最广：锂离子电池负极材料应具有尽可能低的电极电位、较高的Li+迁移速率、高度的Li+嵌入/脱嵌可逆性、良好的电导率及热力学稳定性。目前锂离子电池负极材料主要分为碳材料和非碳材料两大类。与其他的嵌锂负极材料相比，碳材料具有高比容量、低电化学电势、良好的循环性能、廉价、无毒、在空气中稳定等优点，是目前市场上最成熟的锂离子电池负极材料。碳材料又可以分为石墨与非石墨两大类：石墨是

5、锂离子电池碳材料中研究的最多的一种，包括人造石墨、天然石墨和各种石墨化碳，例如石墨化中间相碳微球（MCMB）和石墨化纤维等。非石墨类材料根据其热处理时易于结晶的程度又可以分为软碳（易石墨化碳）和硬碳（难石墨化碳）。软碳的结晶度可以通过热处理过程自由控制，一般是以煤或石油制成的沥青和其衍生物。硬碳是一种无定型结构的碳，如各种低温热解碳，其前驱物为含有氧原子的吠喃树脂或含氮异原子的丙烯胞树脂等，这些异原子的存在阻碍了热处理过程中材料结晶度的增加。非碳类负极材料目前大多数还处于研发阶段：非碳负极主要包括过渡金属氧化物、多元锂合金、锂金属氮化物和过渡金属氮化物、磷化物、硫化物、硅化物等等。尽管这些材料

6、在某些方面比碳材料具有更大的优势，例如具有更高的比容量、更好的循环性能、更好的倍率性能等，但同时存在很多问题有待解决，例如充放电过程中的体积膨胀，电压滞后、安全性差等。目前最有可能率先取得突破的是硅材料，市场上已有相关应用，但其成本和售价高昂，性能有待进一步验证和评价，还没有大范围铺开。石墨类是最常用的负极材料：石墨类材料嵌锂有以下特点：嵌锂电位低且平坦，可以提供高且平稳的工作电压。嵌锂容量高，LiC6的理论容量为372mAh/g。与有机溶剂相容性差，易发生溶剂共嵌入，降低嵌锂性能。人造石墨由石油焦、针状焦、沥青焦等原料通过粉碎、造粒、分级、高温石墨化加工等过程制成。人造石墨在循环性能，倍率性

7、能、与电解液的相容性等方面具有优势，但是容量一般低于天然石墨，因此决定其价值的主要因素是容量。天然石墨采用天然鳞片晶质石墨，经过粉碎、球化、分级、纯化、表面处理等工序制成。天然石墨压实密度高，容量一般相对人造石墨较高，因此循环性能，倍率性能，高低温性能等指标是判断天然石墨性能的重要指标。石墨负极生产流程较长，企业工艺细节存在差异：人造石墨生产流程主要分为破碎、造粒、石墨化和筛分四大环节近十余个小工序，各个企业在细分环节可能采取不同工艺流程，比如江西正拓和星城石墨会在造粒流程末端对原料进行碳化，紫宸在石墨化后对材料进行碳化包覆等，这些工艺细节均会影响产品的最终性能。人造石墨工艺流程中最能体现技术

8、门槛的是造粒和石墨化环节。石墨颗粒的大小、分布和形貌影响负极材料的多个性能指标，颗粒越小倍率和循环性能越好，但首次效率和压实密度变差，反之亦然，负极企业需要根据应用和下游需求设计颗粒粒度和表面形貌。石墨化过程中的温度、升温速度、保温时间、冷却方式等都会影响产品的最终性能。天然石墨生产流程主要分为提纯、改性、混合、碳化四大环节，因为不需要石墨化这一高能耗环节，天然石墨的生产成本要低于人造石软碳硬碳尚未取得规模化应用：软碳即易石墨化碳，指在2,50(TC以上的高温下能石墨化的无定形碳，软碳结晶度低，晶粒尺寸小，晶面间距较大,与电解液相容性好，倍率性能好，但首次充放电的不可逆容量高，输出电压较低，无

9、明显的充放电平台电位。硬碳指难石墨化碳，是高分子聚合物热解碳，比容量高。目前硬碳应用规模较小，大部分还是作为包覆改性材料使用，国内硬碳材料技术进展缓慢，短期内批量应用于动力电池可能性不大。硅基负极有望成为未来发展方向：负极材料对锂电池的安全性能、能量密度及循环寿命等技术指的不断提高，锂电池负极材料也在向着高比容量方向发展。石墨负极材料虽有高电导率和稳定性的优势，但在能量密度方面的发展已接近其理论比容量标有重要的影响。随着新能源汽车对续航能力要求(372mAh/g)o硅的理论比容量为4,200mAh/g,该理论比容量远超石墨类负极材料，是已知的容量最高的负极材料，在电池能量密度不断提升的大趋势下

10、有望成为未来发展方向。但硅负极材料在嵌脱锂过程中会发生近300%的体积膨胀，极大地限制了硅负极的产业化应用。目前硅基负极材料主要分为硅碳负极材料和硅氧负极材料两大类别。从制备工艺和流程上看，相对石墨负极材料，硅基负极的制备工艺复杂，各家生产流程不同，没有统一的产品标准，目前常见的制备方法有化学气象沉积法、机械球磨法、高温热解法等，工业上为了保证更好的性能通常使用多种手段组合来制备。其他负极材料尚未开启商业化应用：其他负极材料还包括中间相碳微球、钛酸锂、碳纳米管、氮化物、锡基氧化物等，由于生产条件苛刻，产品一致性难以把控且价格高，或者循环性、稳定性、不可逆容量等一个或几个指标存在较明显缺陷，均未

11、达到产业化标准。2、竞争格局稳定，需求景气无忧2.1 锂电负极产能集中于中国，市场格局相对稳定全球锂电负极产能集中于中国，海外企业市占率逐渐式微：负极是高能耗和技术密集型行业，和海外相比，中国负极企业在产业链布局、产品性能和成本上具有显著优势。根据高工锂电统计，2020年全球负极材料出货53万吨，其中中国负极材料企业出货37万吨，占全球出货量的69.81%o2021年全球负极材料产量中95%集中于中国，占绝对主导，其余产能主要集中于日本和韩国。国内负极材料供应商主要有贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、凯金能源、中科电气、翔丰华、尚太科技等。国外负极材料企业主要有日立化成、三菱化学以及韩国浦项化学等。头

12、部企业持续领跑，仍未走出真正龙头：国内负极材料市场占有率呈现“四大三小”格局，四大分别是贝特瑞、江西紫宸、上海杉杉和广东凯金，以上四家企业在2020年和2021年前三季度市占率分别为55%和57%,格局基本保持稳定三小”分别是中科星城、翔丰华和尚太科技。以上7家企业在2020年和2021年前三季度市占率分别达到71%和77%,市场集中度较高。2021年全球负极材料产量占比日本韩国中国95%负极出货以人造石墨为主，市占率持续提升：基于成本与性能综合考虑，人造石墨因循环性能好,安全性能相对占优，在动力电池市场应用较多。天然石墨因性价比高，容量，低温性能较好，在消费电子电池市场、动力电池市场均有应用

13、。其他碳系和非碳系材料，如软/硬碳，钛酸锂，锡基材料，硅碳合金等新型负极材料目前处于试用阶段，可能在未来几年逐步产业化，其中石墨烯，硅碳复合材料的发展前景较好，目前总体市占率不足2虬受国内动力电池市场爆发式增长带动，人造石墨负极自2018年开始加速渗透，2020年渗透率达83.6%,相比2016年提升15.5个百分点。2.2 下游行业景气高涨，负极材料需求无忧下游需求以动力、3C数码和储能为主：锂电池负极材料属于锂电池的上游行业，需求受锂电池相关行业景气度影响。锂电池目前主要分为动力，3C消费电子和工业储能等三大领域，其中动力和储能属于新兴市场，增速较快。据GGII统计，2021年动力电池、数

14、码及其他3C消费电子和储能合计占锂离子电池消费市场份额的91%o新能源汽车景气延续，带动负极需求快速增长：自2019年以来全球新能源汽车市场呈现逐年加速增长态势，2021年新能源汽车市场全面爆发，月度销量屡创新高，渗透率不断提升。2021年全球新能源汽车销量达611万辆，同比增长110%；全年渗透率8%,相比2020年4%的渗透率实现翻倍增长。展望2022年，从新能源汽车主流市场来看，尽管国内市场新能源汽车补贴标准在2021年基础上退坡30%,同时部分新能源车型开启涨价，但多家车企新能源销量淡季不淡，仍在1月迎来“开门红”。2021年锂离子电池下游市场占比两轮车电/产数码及其他储能需求6%、_

15、。一一 一26%动力需求55%中长期来看，国内新能源市场仍将保持较快增长，渗透率将持续提升。欧洲市场部分国家补贴出现退坡，但幅度有限，且主要新能源汽车市场德国、西班牙和爱尔兰新能源汽车补贴都进行了延期，Fitfor55法案碳排放标准大幅趋严，将加速推动欧洲车企电动化进程。美国重建更好法案大幅提高新能源汽车单车补贴金额且取消单一车企销量额度限制，如获通过则有望极大带动新能源汽车市场发展，同时传统车企发力，优质供给不断推出，特斯拉一家独大的局面有望改变。整体来看，2022年全球新能源汽车市场有望迎来中、美、欧三方共振，景气度高企，将带动动力电池产销进一步放量，负极材料需求持续向好。3C数码消费电子市场稳定增长：受新兴5G技术商业应用的推动以及疫情以来线上教育、线上办