车企、电池企积极跟进大圆柱方案我国硅基负极材料行业需求有望加速释放

2024-01-13 09:47

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1、锂离子电池重要材料，石墨、硅基材料等多种负极材料共存

根据观研报告网发布的《中国硅基负极材料行业现状深度研究与发展前景分析报告（2024-2031年）》显示，锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池能否成功地制成，关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。负极材料作为锂电池不可或缺的重要组成部分，直接影响锂电池的容量、首次效率、循环等主要性能，在动力电池成本中占比不超过15%。

随着技术的进步，负极材料已从单一的人造石墨逐步发展为以天然石墨、人造石墨为主，中间相碳微球、石墨烯、钛酸锂等多种负极材料共存的局面。其中，无定形碳、钛酸锂、硅基材料等新型负极材料目前处于试用阶段，在未来几年里预计会逐步进行产业化进程。

三类负极材料主要性能及优缺点

类型	天然石墨负极材料	人造石墨负极材料	硅基负极材料
原材料	鳞片石墨	石油焦、沥青焦、针状焦等	/
实际容量	340-370mAh/g	310-360mAh/g	400-4000mAh/g
首次效率	>93%	>93%	>77%
循环寿命	一般	较好	较差
安全性	较好	较好	一般
倍率性	一般	一般	较好
成本	较低	较低	较高
优点	能量密度高、加工性能好	膨胀低，循环性能好	能量密度高
缺点	电解液相容性较差，膨胀较大	能量密度低，加工性能差	膨胀大、首次效率低、循环性

资料来源：观研天下整理

硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成。硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上。硅基负极材料的制备方法较多，主要包括化学气相沉积法、机械球磨法、溶胶凝胶法、高温热解法等。

硅基负极材料主要生产工艺

制备方法	优点	缺点
化学气相沉积法	具有优良的循环稳定性，较高的首次充放电效率，对设备要求简单，适合工业化生产	总比容量相对较低，成本较高
机械球磨法	粒度较小，分布均匀；工艺简单，成本较低	能效高，效率低，团聚现象严重
溶胶凝胶法	分散性能好;较高的可逆比容量，循环性能好	较其它碳材料稳定性能差,在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大，导致负极材料结构破裂，且凝胶中氧含量过高会生成较多不导电的Si02,导致负极材料的首次充放电效率较低工艺
高温热解法	简单易产业化，且空隙结构般较大，能较好的缓解硅在充放电过程中的体积变化	硅分散性能差;碳层易分布不均匀;易团聚

资料来源：观研天下整理

2、新能源汽车需求带动硅基负极材料需求持续上升

受益于以新能源汽车电池为代表的锂电池下游需求增长，全球及中国硅基负极材料出货量快速提升。中国汽车工业协会数据显示，2023年1-11月，我国新能源汽车产销分别完成842.6万辆和830.4万辆，同比分别增长34.5%和36.7%。全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树近日说，2024年车市将更高更强，新能源汽车市场将继续保持较强增长势头，预计批发销量达到1100万辆，净增量230万辆，同比增长22%，渗透率达40%。

数据来源：观研天下整理

随着新能源汽车行业快速发展，同时基于续航焦虑，硅基负极材料出货量大幅增加。数据显示，2017-2022年我国硅基负极材料出货量由0.15万吨增长至1.5万吨左右。

数据来源：观研天下整理

3、锂离子电池能量密度亟需进一步提高，硅基负极成为极具潜力的赛道

而随着我国新能源汽车产业飞速发展，市场对于锂离子电池需求持续增长。因此，为满足快速增长应用需求，锂离子电池能量密度亟需进一步提高，而通过材料端的技术革新是提升锂离子电池能量密度的最直接有效途径，负极材料成为最佳方案。

锂电负极材料直接影响着锂离子电池的能量密度、循环寿命、充放电速度，是锂离子电池四大主材之一。硅基材料因其高可逆容量、适宜的充放电平台，被认为最具应用前景、也最值得期待的下一代锂电负极材料。硅基负极材料经过多年技术迭代，在新能源汽车和消费电子等领域陆续得到应用。

石墨负极材料和硅基负极材料对比

类型	天然石墨负极材料	人造石墨负极材料	硅基负极材料
理论容量	340-370mAh/g	310-360mAh/g	400-4000mAh/g
首次效率	>93%	>93%	>77%
循环寿命	一般	较好	较差
安全性	较好	较好	一般
倍率性	一般	一般	较好
成本	较低	较低	较高
优点	能量密度高、加工性能好	膨胀低，循环性能好	能量密度高
缺点	电解液相容性较差，膨胀较大	能量密度低，加工性能差	膨胀大、首次效率低、循环性能

资料来源：观研天下整理

4、各大车企和电池企业跟进大圆柱设计方案，硅基负极材料行业需求有望释放

尤其是近几年，各大车企和电池企业跟进大圆柱设计方案，对能量密度要求逐步提升，硅基负极材料逐步成为产业关注焦点，市场将迎来爆发增长，预计到2030年硅基负极市场规模将突破300亿元。

硅基负极材料在能量密度方面有明显优势，大圆柱电池的极片为受力均匀的圆柱形，在极片发生膨胀时不易受到损伤。例如，2020年9月22日的电池日上，特斯拉表示计划采用冶金硅作为原材料，通过离子导电高分子进行涂覆、以及特殊胶粘剂（Binder）混合的形式，通过包覆方法以及改进粘结剂的方式来提升性能。

整体具体从企业布局来分析，特斯拉作为大圆柱电池的最大推动者之一，2020年电池日上提出大圆柱电池的方案，2022年开始部分model y车型已开始搭4680电池。此后，宝马、大众、戴姆勒、小鹏、蔚来、江淮等车企也在积极跟进布局大圆柱电池。

车企布局大圆柱电池情况

企业	布局情况
特斯拉	2020年，公司在电池日推出了4680电池，同年在弗里蒙特工厂建设了一条电池试验线。22Q2在德州工厂开始向客户交付带有4680电池组的ModelY。2023年6月，公司德州工厂4680电池电芯累计产量超1000万颗，对应约1.2万辆ModelY需求。公司大圆柱中短期规划100GWh，2030年计划达到3TWh产能
宝马	2022年9月，宝马官方宣布自2025年开始在“NEUEKLASSE新世代”车型中使用46系大圆柱电芯，并与宁德时代、亿纬锂能签订合约，两家电池公司将为其在中国和欧洲各自建立两座电池工厂，每座工厂年产能20GWh。2022年10月，公司与远景动力达成合作，远景动力将从2026年起为宝马提供46系电池，并在美国南卡罗莱纳州新建30GWh工厂为其供货，2026年投产。
蔚来	自研4680圆柱电池，计划量产，供给蔚来旗下车型及子品牌阿尔卑斯使用。
大众	大众考虑从2025年开始使用圆柱电池，Northvolt或将成为大众的圆柱电池主要供应商之一。
通用	在未来的新电动车平台上将支持使用类似4680规格的大圆柱电池。
江淮	CBAK能源科技宣布，已与江淮汽车签署了一项为期三年的联合产品开发战略协议，联合开发包括4680型号的圆柱形锂电池及电池组。目前江淮汽车正在进行基于46系列的全新平台规划。未来将开发4680/46105系列电芯，并实现整包CTP。

资料来源：观研天下整理

除了上述车企外，电池企业也在积极跟进大圆柱设计方案，为硅基负极材料行业提供巨大的需求。例如，特斯拉在2020年9月的电池日推出4680电池，截至2023年6月17日，特斯拉美国得克萨斯州超级工厂4680电池电芯累计产量已突破1000万颗；国内电池企业亿纬锂能、宁德时代均已拿到宝马的大圆柱电池定点，预计会在国内和海外同时建设大圆柱电池产能。

电池企业大圆柱电池规划情况

企业	量产时间	大圆柱规划
松下	2023年	2021年，松下首次展示其为特斯拉打造的新型4680电池。2022年2月，松下宣布在日本和歌山工厂新建两条生产线，预计年产能10GWh。2022年5月，松下小量试产4680电池芯。2022年11月，松下在美国堪萨斯州30GWh动力电池工厂正式动工，将为特斯拉生产4680圆柱电池。2023年5月，松下宣布推迟其4680电池的商业化生产时间，由原定的2023年4月至2024年3月推迟至2024年4-9月；同月公司宣布2031年前在美国新建两家或以上工厂提高4680电池产能。
LG新能源	2023年	2022年6月，LG新能源宣布，将在韩国梧仓工厂，新建约9GWh的4680电池生产线，计划量产时间为2023年下半年。
三星SDI	2024年	2022年7月，三星SDI建设4680电池试产线，产能接近1GWh，后续预计扩建至8-12GWh。2023年3月三星SDI与通用汽车签署协议，在美国新建电池合资工厂（约30GWh），主要生产大圆柱电池。近日，公司预计最快2023Q3开始给特斯拉ModelY供应4680电池。
宁德时代	2024年	宁德时代已规划8条产线12GWh的大圆柱电池产能，2022年9月与宝马达成合作，将于中国和欧洲各建20GWh大圆柱电池产能，预计2024年开始量产并于2025年为宝马批量供应圆柱电池。
比克电池	2023年	比克46系列大圆柱电池高度尺寸覆盖80mm至120mm，计划22下半年小批量量产，23年规模量产，预计未来几年将产能扩充至80GWh。
亿纬锂能	2024年	2021年公司与以色列StoreDot合作开发4680和4695电池。公司荆门年产20GWh大圆柱电池工厂已经建成，预计在2023年下半年开始量产。2022年9月，公司收到宝马的大圆柱电池定点函。截止2023年6月，46系列动力储能电池已取得的未来5年的客户意向性需求合计约392GWh。
Storedot	2024年	2021年9月宣布生产出第一款4680电池，计划2024年实现量产。