产业链研究|硅碳负极的六个竞争者

单质硅负极理论比容量4200mAh/g,是石墨负极材料理论比容量372 mAh/g的11.29倍,但纯硅负极在充放电过程容易体积膨胀且导电性不佳。目前有硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等改性技术,硅氧化、复合化两种技术产业化进程较快。

产业链研究|硅碳负极的六个竞争者

Z链资深研究员|肖文邦

编辑|LZ

全球头号新能源汽车公司特斯拉【1】2020年9月发布4680电池【2】,能量密度 300Wh/kg,电池容量较2170电池提高5.48倍。2022年,特斯拉宣布在1月份已生产出第100万块4680电池,同时一季度德州工厂将交付首批搭载4680电池的Model Y。

特斯拉4680电池采用的负极便是硅基负极。

一、为什么放弃石墨负极?

石墨负极材料目前实际比容量360-365mAh/g,已接近理论比容量372 mAh/g

锂离子电池四大关键原材料分别是正极材料、负极材料、隔膜与电解液。

正极材料突破较早,已从早期钴酸锂、锰酸锂材料升级为磷酸铁锂材料和三元材料,而负极材料升级缓慢,一直以石墨为主,2020年石墨类负极材料出货量占负极材料97%市场份额。

存在的问题是,石墨负极材料目前实际比容量360-365mAh/g,已接近理论比容量372 mAh/g,因此改善石墨材料性能对锂离子电池性能提升作用不大。

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二、为什么是硅基负极?

单质硅负极理论比容量4200mAh/g,是石墨负极材料理论比容量372 mAh/g的11.29倍,硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等改性技术

被认为具有前途的下一代负极材料是硅基负极,硅基负极制备方法较石墨负极材料更复杂,各厂商尚未形成标准制备方法。

单质硅负极理论比容量4200mAh/g,是石墨负极材料理论比容量372 mAh/g的11.29倍,但纯硅负极在充放电过程容易体积膨胀且导电性不佳。目前有硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等改性技术,硅氧化、复合化两种技术产业化进程较快。

氧化硅技术路线多用氧化亚硅,采用氧化硅掺杂,掺杂含量约5%,氧化亚硅负极理论比容量2600mAh/g且循环稳定性较好,各大负极材料厂商对氧化亚硅负极均有所布局。日本信越化学,韩国大洲,中国杉杉股份及贝特瑞均可量产硅氧负极。

复合化技术路线多采用硅碳复合材料,是目前产业化进展最快、也是最为常用改性方法。硅材料比容量高,碳材料稳定性好、体积变化小、导电性优异,二者结合形成的硅碳负极可有效提升锂离子电池负极比容量,也可改善电极导电性能。

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目前商业化硅碳负极中掺硅量一般不超过10%,比容量400-700mAh/g。2021年4月广汽集团首发的海绵硅负极片电池技术,特斯拉2021年11月收购SiILion公司,其持有的硅负极专利均为硅与碳材料复合形成的复合结构。

软包电池采用正极材料NCM811和搭配比容量450/550/800 mAh/g硅碳负极材料,较搭配360mAh/g石墨负极提升全电池能量密度280Wh/kg至295/310/330 Wh/kg。

目前硅碳负极商业化应用集中在对成本敏感度相对不高的消费电子、电动工具领域,在动力电池领域渗透率相对较低。据GGII统计,2020年中国硅碳负极出货量0.6万吨,占锂电池负极材料比例2%。

特斯拉4680电池、宁德时代【3】265kWh/kg NCM三元电池、国轩高科【4】210Wh/kg LFP电芯、广汽集团【5】海绵硅电池包均使用了硅碳负极技术。

三、参与公司与进程?

贝特瑞硅基负极已突破至第三代产品,正研发第四代

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贝特瑞【6】是中国最早量产硅基负极材料的企业,硅基负极以硅氧负极材料、硅基负极材料为主,还包括少量软碳、硬碳等新型负极材料。

目前拥有3000吨/年硅基负极材料产能,产品已供应核心客户,可用于生产动力电池与消费电池。它的硅基负极材料已突破至第三代产品,提升比容量650mAh/g至1500mAh/g,更高比容量的第四代硅碳产品正在开发。

贝特瑞2021年营业总收入105.96亿元,同比增长138.02%;净利润14.21亿元,同比增长187.46%;扣非净利润预计11亿元,同比增长232.19%。

杉杉股份路线是氧化亚硅,出货量千吨级别,动力电池通过多办评测

杉杉股份【7】主营锂离子电池正极材料、负极材料和电解液、LCD偏光片,其研制的硅基负极以氧化亚硅为主,2021年硅氧负极出货量千吨级别,已在消费类市场批量应用,在动力电池应用领域通过多轮评测。

掌握硅基负极材料前驱体批量化合成核心技术,制成材料已通过下游核心客户测试;预锂化硅材料嵌入均匀性技术瓶颈已突破,目前处于海外主流客户测试第一梯队。另外,公司也在推进纳米硅研发。

杉杉股份2021年业绩预增公告,预计净利润31亿元至33.9亿元,同比增长2146%至2356%。

璞泰来与中科院合作完成第二代,建成溧阳中试线

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璞泰来【8】主营负极材料及石墨化加工、隔膜及涂覆加工。

与中科院物理所合作量产硅基负极材料,硅碳试验车间2019 年投入使用,已完成第二代产品研发,产品已送样下游客户进行测试和认证。另外,在溧阳已建成硅负极材料中试线。

璞泰来拥有 CVD 包覆、硅氧合成、纳米硅研磨、喷雾造粒等核心设备,支持对氧化亚硅、纳米硅碳产品研究开发。

2020年营业收入52.81亿元,净利润6.68亿元;2021上半年收入39.23亿元,同比上升107.82%;净利润7.75亿元,同比上升293.93%;扣非净利润7.16亿元,同比上升308.4%。

石大胜华规划2万吨产能,产品包括普通型 SiOx-C负极及高首效型SiOx-C负极

石大胜华【9】是电解液溶剂及锂盐六氟磷酸锂供应商。

硅基负极材料产品包括普通型 SiOx-C负极以及高首效型SiOx-C负极,已送样下游客户测试。

2021年11月,石大胜华1000吨/年硅基负极材料生产设施已安装完毕并通过竣工验收,进入试生产阶段,12月子公司胜华新能源规划2万吨/年硅基负极产能,建设期24个月,预计2023年12月份建成投产。

石大胜华2021年预计净利润11.7亿元到 12.5亿元,,同比增加350.36%到381.15%,扣非净利润11.64亿元到12.44万元,同比增加360.42%到392.06%。

硅宝科技建成50吨中试生产线,在建设1万吨产线,30个月内投产

硅宝科技【10】主营有机硅新材料。2015年进入锂电池包市场,2016年与中国科学院共同开发硅基负极材料,2019年建成50 吨/年硅碳负极中试生产线,项目通过四川省经济和信息化厅成果鉴定,鉴定结论为国际先进水平。

2021年11月,建设1万吨/年锂电池用硅基负极材料产线,预计一期工程30个月内投产,二期工程于一期建成后12个月内投产。

硅宝科技2021年预告净利润2.52亿元至2.92亿元,同比增长25%至45%;扣非净利润2.34亿元至2.74亿元,同比增长26%至48%

翔丰华处于中试阶段,已具备产业化条件

翔丰华【11】是锂电负极材料供应商。硅碳负极材料产品处于中试阶段,已具备产业化条件。

翔丰华2021年收入11.18亿元,同比上升168.78%;净利润9983.94万元,同比上升119.65%;扣非净利润1.03亿元,同比上升206.95%。

注解与参考:

【1】特斯拉:美股纳斯达克上市公司,代码:TSLA

【2】4680电池 :特斯拉发布的新型圆柱形锂离子动力电池,直径46mm,高度80mm

【3】宁德时代:深圳证券交易所创业板上市公司,代码:SZ300750

【4】国轩高科:深圳证券交易所中小板上市公司,代码:SZ002074

【5】广汽集团:上海证券交易所主板上市公司,代码:SH601238

【6】贝特瑞:全国中小企业股份转让系统挂牌公司,代码:835185

【7】杉杉股份:上海证券交易所主板上市公司,代码:SH600884

【8】璞泰来:上海证券交易所主板上市公司,代码:SH603659

【9】石大胜华:上海证券交易所主板上市公司,代码:SH603026

【10】硅宝科技:深圳证券交易所创业板上市公司,代码:SZ300019

【11】翔丰华:深圳证券交易所创业板上市公司,代码:SZ300890

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