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硅基负极材料的行业概况及发展趋势

2021-06-22
锂离子电池负极材料主要分为碳材料和非碳材料两大类,碳材料包括石墨类、无定形碳、纳米碳等,非碳材料包括硅基负极、钛酸锂负极以及其他非碳负极。其中具有高能量密度的硅基负极材料被认为是新一代锂离子电池最具潜力负极材料之一。

硅基负极材料市场行业概况

截至2022年底,硅基负极材料纯料年产值为10.7亿元(出货量为1.5万吨),仅占有了锂电负极材料市场的2%,98%的锂电负极材料市场依然是石墨(石墨负极2022年产值为500亿元,年出货量为156万吨)。
硅基负极目前两大技术路径主要是硅碳复合材料和硅氧复合材料。
其中硅碳负极主要是通过减小硅的尺寸至纳米级别进而减小材料膨胀影响,而硅氧负极中的Si团簇、SiO2团簇及其氧化界面,可以在合金化反应过程中起到缓冲体积膨胀的作用。硅碳的能量密度高但循环次数较少,主要应用于3C数码领域。硅氧能量密度相对较低,循环次数较多,因此动力电池领域主要应用硅氧负极。
2023年上半年,硅碳产业取得了群体性突破,多家负极材料领头企业表示硅基材料的膨胀问题得到有效解决,硅碳产品的膨胀性能明显优于硅氧产品,膨胀问题不再是硅基负极材料商用化的瓶颈。

日韩企业处于行业领先地位

目前,日韩企业在硅基负极材料领域处于行业领先地位,如日本信越化学、大阪钛业、日立化成、昭和电工和韩国大洲等。日本信越化学硅氧负极专利数行业领先,硅氧最早专利申请时间是在2000年。截至2019年,信越化学关于硅负极在全球申请 了210项专利,其中硅氧负极187项,这说明信越的研究重心是硅氧。

硅基负极量产应用

2021年以来,下游车企加大了硅基负极的量产应用。特斯拉将硅负极应用于Model3,在人造石墨中加入10%的硅,使得负极容量为550mAh/g,电池能量密度达300Wh/kg。
蔚来发布预锂化硅碳负极,用带电量为150kWh、续航里程达1,000km的半固态电池配套蔚来ET7,于2022年四季度量产。
广汽埃安AIONLX采用海绵硅负极片电池技术,使得电芯比能量超过 280Wh/kg、NEDC续航超过1,000km。
杉杉股份2023年半年度报告显示,公司硅基负极产品不断实现技术突破,持续获得海内外客户认可,实现批量供应。硅氧产品已在消费电子、动力市场实现批量应用,且第二代硅氧新型负极,采用连续式混合气包覆技术,具有优异的低温循环性能,已批量供应海外头部客户;硅碳产品不断迭代,新一代硅碳产品已进行下游客户的测试,相关核心技术已获得美国、日本的专利授权。

硅基负极材料未来的发展趋势

中国制造2025》明确规定,动力电池能量密度规划为:2020年-300Wh/kg;2025年-400Wh/kg;2030年-500Wh/kg。硅基负极材料是能达到要求的理想材料之一。
根据相关报告《硅基负极材料行业市场调查分析及未来趋势报告2023-2029》可知,2022年全球硅基负极材料市场规模约28亿元,预计未来将持续保持平稳增长的态势,到2029年市场规模将接近299亿元,未来六年年复合增长率CAGR约为41.9%。
全球硅基负极材料的核心厂商包括贝特瑞,信越化学和韩国大洲等,全球前三大厂商约占有90%的市场份额。就产品类型而言,硅氧负极材料占有大约66%的份额,是最大的份额;同时就应用来说,电动汽车是最大的下游领域,占有85%份额。

总结

目前,主要的硅基材料的制备方案与结构设计,已经解决了许多关键问题。但是可以大规模生产的制备方案仍在开发中,对于动力电池所需要的高能量密度的要求还远未达到。例如碳涂层工艺不成熟,导致碳层厚度不均匀、不连续的问题。目前,大多碳包覆是通过物理研磨来形成的,因此在原子尺度上实现均匀的碳涂层技术也是有待解决的问题之一。从实际应用方面来看,仍有很多问题需要改善,例如提高能量密度、循环稳定性和充放电性能等方面。随着研究的进一步深入,相信硅碳负极在锂离子电池中会有更大的发展空间,为人类提供更加方便安全的清洁能源。