硅基負(fù)極材料的行業(yè)概況及發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子電池負(fù)極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類，碳材料包括石墨類、無(wú)定形碳、納米碳等，非碳材料包括硅基負(fù)極、鈦酸鋰負(fù)極以及其他非碳負(fù)極。其中具有高能量密度的硅基負(fù)極材料被認(rèn)為是新一代鋰離子電池最具潛力負(fù)極材料之一。

硅基負(fù)極材料市場(chǎng)行業(yè)概況

截至2022年底，硅基負(fù)極材料純料年產(chǎn)值為10.7億元（出貨量為1.5萬(wàn)噸），僅占有了鋰電負(fù)極材料市場(chǎng)的2%，98%的鋰電負(fù)極材料市場(chǎng)依然是石墨（石墨負(fù)極2022年產(chǎn)值為500億元，年出貨量為156萬(wàn)噸）。

硅基負(fù)極目前兩大技術(shù)路徑主要是硅碳復(fù)合材料和硅氧復(fù)合材料。

其中硅碳負(fù)極主要是通過(guò)減小硅的尺寸至納米級(jí)別進(jìn)而減小材料膨脹影響，而硅氧負(fù)極中的Si團(tuán)簇、SiO2團(tuán)簇及其氧化界面，可以在合金化反應(yīng)過(guò)程中起到緩沖體積膨脹的作用。硅碳的能量密度高但循環(huán)次數(shù)較少，主要應(yīng)用于3C數(shù)碼領(lǐng)域。硅氧能量密度相對(duì)較低，循環(huán)次數(shù)較多，因此動(dòng)力電池領(lǐng)域主要應(yīng)用硅氧負(fù)極。

2023年上半年，硅碳產(chǎn)業(yè)取得了群體性突破，多家負(fù)極材料領(lǐng)頭企業(yè)表示硅基材料的膨脹問(wèn)題得到有效解決，硅碳產(chǎn)品的膨脹性能明顯優(yōu)于硅氧產(chǎn)品，膨脹問(wèn)題不再是硅基負(fù)極材料商用化的瓶頸。

日韓企業(yè)處于行業(yè)領(lǐng)先地位

目前，日韓企業(yè)在硅基負(fù)極材料領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位，如日本信越化學(xué)、大阪鈦業(yè)、日立化成、昭和電工和韓國(guó)大洲等。日本信越化學(xué)硅氧負(fù)極專利數(shù)行業(yè)領(lǐng)先，硅氧最早專利申請(qǐng)時(shí)間是在2000年。截至2019年，信越化學(xué)關(guān)于硅負(fù)極在全球申請(qǐng) 了210項(xiàng)專利，其中硅氧負(fù)極187項(xiàng)，這說(shuō)明信越的研究重心是硅氧。

硅基負(fù)極量產(chǎn)應(yīng)用

2021年以來(lái)，下游車企加大了硅基負(fù)極的量產(chǎn)應(yīng)用。特斯拉將硅負(fù)極應(yīng)用于Model3，在人造石墨中加入10%的硅，使得負(fù)極容量為550mAh/g，電池能量密度達(dá)300Wh/kg。

蔚來(lái)發(fā)布預(yù)鋰化硅碳負(fù)極，用帶電量為150kWh、續(xù)航里程達(dá)1,000km的半固態(tài)電池配套蔚來(lái)ET7，于2022年四季度量產(chǎn)。

廣汽埃安AIONLX采用海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)，使得電芯比能量超過(guò) 280Wh/kg、NEDC續(xù)航超過(guò)1,000km。

杉杉股份2023年半年度報(bào)告顯示，公司硅基負(fù)極產(chǎn)品不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，持續(xù)獲得海內(nèi)外客戶認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)。硅氧產(chǎn)品已在消費(fèi)電子、動(dòng)力市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，且第二代硅氧新型負(fù)極，采用連續(xù)式混合氣包覆技術(shù)，具有優(yōu)異的低溫循環(huán)性能，已批量供應(yīng)海外頭部客戶；硅碳產(chǎn)品不斷迭代，新一代硅碳產(chǎn)品已進(jìn)行下游客戶的測(cè)試，相關(guān)核心技術(shù)已獲得美國(guó)、日本的專利授權(quán)。

硅基負(fù)極材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

《中國(guó)制造2025》明確規(guī)定，動(dòng)力電池能量密度規(guī)劃為：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。硅基負(fù)極材料是能達(dá)到要求的理想材料之一。

根據(jù)相關(guān)報(bào)告《硅基負(fù)極材料行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查分析及未來(lái)趨勢(shì)報(bào)告2023-2029》可知，2022年全球硅基負(fù)極材料市場(chǎng)規(guī)模約28億元，預(yù)計(jì)未來(lái)將持續(xù)保持平穩(wěn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，到2029年市場(chǎng)規(guī)模將接近299億元，未來(lái)六年年復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR約為41.9%。

全球硅基負(fù)極材料的核心廠商包括貝特瑞，信越化學(xué)和韓國(guó)大洲等，全球前三大廠商約占有90%的市場(chǎng)份額。就產(chǎn)品類型而言，硅氧負(fù)極材料占有大約66%的份額，是最大的份額；同時(shí)就應(yīng)用來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車是最大的下游領(lǐng)域，占有85%份額。 

總結(jié)

目前，主要的硅基材料的制備方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)解決了許多關(guān)鍵問(wèn)題。但是可以大規(guī)模生產(chǎn)的制備方案仍在開發(fā)中，對(duì)于動(dòng)力電池所需要的高能量密度的要求還遠(yuǎn)未達(dá)到。例如碳涂層工藝不成熟，導(dǎo)致碳層厚度不均勻、不連續(xù)的問(wèn)題。目前，大多碳包覆是通過(guò)物理研磨來(lái)形成的，因此在原子尺度上實(shí)現(xiàn)均勻的碳涂層技術(shù)也是有待解決的問(wèn)題之一。從實(shí)際應(yīng)用方面來(lái)看，仍有很多問(wèn)題需要改善，例如提高能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性和充放電性能等方面。隨著研究的進(jìn)一步深入，相信硅碳負(fù)極在鋰離子電池中會(huì)有更大的發(fā)展空間，為人類提供更加方便安全的清潔能源。

參考來(lái)源：

黃雨辰等. 鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

寧波杉杉股份有限公司2023年半年度報(bào)告

下一代鋰電池負(fù)極材料——硅碳負(fù)極. 恒旭資本

硅基負(fù)極材料的現(xiàn)狀及展望. 索理德新材料

《硅基負(fù)極材料行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查分析及未來(lái)趨勢(shì)報(bào)告2023-2029》

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