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负极材料:人造石墨主流 硅碳领航

北极星储能网  来源:锂电池news    2018/3/5 10:22:20  我要投稿  

北极星储能网讯:负极材料是锂电池的关键构成部分

锂离子电池是一种二次电池,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态,放电时则相反。锂离子电池由于其工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点广泛应用于消费电子、汽车等领域。

锂电池工作原理

负极材料占锂电池材料成本比重约10%。锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成,由于材料类别不同或价格变化,分别占材料成本比重为40-46%/ 5-15%/5-11%/10-14%。

2016年锂电池材料成本占比

2017年12月LFP/NCM523电池材料成本构成

人造石墨已成为主流负极材料

负极材料主要分为碳材和非碳材两类。锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后,涂抹在铜箔两侧,经过干燥、滚压制得,根据活性物质的不同可分为碳材料和非碳材料两类。(1)碳材料中的石墨类为锂离子电池主要负极材料,具体可分为天然石墨和人造石墨两种,人造石墨又可分为中间相炭微球和石墨化碳纤维;(2)非碳材料包括钛基材料、硅基材料等。

负极材料分类

石墨类是较早应用的负极材料,与其他碳材料相比,其导电性、结晶度更高,良好的层状结构和充放电电压也十分适合正极材料的脱/嵌运动,且目前工艺成熟、成本较低,是较为理想的负极材料。

钛酸锂作为钛基材料的代表,具有高热稳定性,是一种安全性能优异的负极材料,但是其能量密度低、价格高等问题限制了它的发展。硅基材料具有极高的比容量,被认为是最有潜力的新一代高容量锂离子电池负极材料。

负极材料性能对比

天然石墨是从天然石墨矿石中提纯得到,是成本最低的一种负极材料,比容量较高,但其充放电循环性能不佳,首次效率一般只能达到90%,主要应用于消费类电池领域。

人造石墨是易石墨化碳(石油焦、针状焦)经过高温处理后生成的石墨产品。虽然其工艺流程较为复杂、成本相对较高、能量密度也略低于天然石墨,但是其循环性能、大倍率充放电效率、与电解液的相容性、容量区间均优于天然石墨,现已成为动力电池和中高端消费电池的主流负极材料。

天然石墨与人造石墨对比

随着动力电池和高端消费电池的发展,市场对电池性能的要求不断提高,人造石墨因其优异性能逐步成为主流负极材料。根据旺钴锂材的数据,人造石墨的产量占比已从2013年的39.7%持续增长至2016年的68.9%, 并有望持续增长。

2013-2016负极材料产量(万吨)

动力电池驱动负极材料市场增长

随着新能源汽车的快速成长,交通用动力电池已成为主要需求来源。2014年起,我国新能源汽车行业进入发展快车道,2014年新能源汽车销量7.5万辆(+323.8%),2015年销量33.1万辆(+342.9%),2016 年销量50.7万辆(+53.1%),2017年销量77.7万辆(+53.3%)。交通市场锂电规模随之逐渐增大,从2015年的16.0GWh增长至2017年35GWh,占比从15.63%增长至50.67%。

2015-2020年国内锂电池需求结构分布

2010-2017年新能源汽车销量(万辆)

在新能源汽车需求的持续拉动下,根据节能与新能源汽车网的数据,我们测算出,到2020年,动力电池需求量约94GWh,相应负极材料需求量将约7万吨,动力电池负极材料市场规模约40亿元;到2025年,动力电池需求量将达到310GWh,相应负极材料需求量将达19万吨,动力电池负极材料市场规模将达100亿元。

动力电池负极总需求量(万吨)

格局基本稳定,行业集中度相对较高

负极材料市场竞争格局基本稳定,总体表现为寡头垄断。贝特瑞、上海杉杉、江西紫宸三家公司市场份额占整个负极市场57%。

2016年整体负极市场份额占比

其中天然石墨市场贝特瑞占比超50%,贝特瑞、长沙星城、上海杉杉三家公司占比79%。

2016年天然石墨市场份额占比

人造石墨市场,江西紫宸、上海杉杉、深圳斯诺三家占比54%。二线厂商深圳斯诺、翔丰华、长沙星城、湖南创亚也拥有有稳定市场份额。

2016年人造石墨市场份额占比

随着市场越发成熟,以及技术更新换代,具有规模及技术优势的负极龙头企业将更具竞争力,行业将呈现强者恒强的局面。

硅碳负极潜力巨大,产业化稳步推进

硅碳负极的应用有望大幅提升电池能量密度

新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求,工信部等四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出,到2020年, 新型锂离子动力电池单体比能量超300Wh/公斤,系统比能量达260Wh/公斤;到2025年,单体比能量达500Wh/公斤。传统石墨很难达到这一要求, 而硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量,有望成为未来主流负极材料。

硅碳负极的优势

硅与碳的相似化学性质为其结合提供了理论依据,但不同的结合方式也对复合材料的性能起着重大影响。硅碳复合材料主要分为三种结构:包覆型、嵌入性、掺杂型。包覆型的表面碳层主要为无定型碳,嵌入型碳基质主要为无定型碳、石墨和石墨烯等,目前掺杂型硅碳复合材料为研究热点。

硅碳复合材料分类

硅碳复合材料逐步产业化,技术成为制胜关键

国外企业已经实现硅碳负极材料量产,松下2013 年量产的NCR18650C 型号电池即采用硅碳负极材料;日本GS汤浅推出的硅基负极材料锂电池也已应用于三菱汽车;特斯拉推出的Model3 成功应用硅碳负极材料,实现300Wh/kg 比能量,更加明确了硅碳负极的未来地位。

我国硅碳材料发展较晚,工艺技术相对落后,生产成本居高不下,成为限制其应用的主要原因。目前主流负极厂商已扩大硅碳负极投入,新进入者也开始布局硅碳负极,新增产能2017 年底开始陆续投产。提前布局硅碳负极、拥有技术优势、更快实现产业化的企业,将有望改变负极产业的现有格局。

国内企业硅碳负极进展及规划

贝特瑞

硅碳负极产业:产能1000 吨,2016 年出货300 吨,2017 年出货1000 吨;是最早从事硅碳负极产业化生产的企业,也是唯一拥有硅碳负极外国订单的企业;贝特瑞研究所推出的硅碳负极和NCA 正极材料,能量密度较传统正负极材料提升一倍以上,有望提升新能源汽车续航里程至500公里以上。

杉杉股份

硅碳负极产业:月出货量吨级水平,技术储备充足;预计2017年底形成4000 吨/年产能。

璞泰来

硅碳负极产业:计划投资50 亿元在江苏溧阳建隔膜、负极材料等项目,其中包括与中科院物理所合作量产新型硅碳复合负极材料。

紫宸科技

硅碳负极产业:璞泰来全资子公司,硅碳负极材料系列,比容量380mAh/g-900mAh/g不等,可用于3C、储能及新能源汽车动力电池。

力神电池

硅碳负极产业:承担国家项目“高比能量密度锂离子动力电池开发与产业化技术攻关”,开发完成能量密度达260Wh/kg 的动力单体电池,350 次循环后容量保持率达83.28%,该款电池使用硅碳复合材料。

国轩高科

硅碳负极产业:牵头承担“高比能量动力锂离子电池的研制与集成使用”项目开发完成,能量密度达281Wh/kg 和302Wh/g的电池选用硅基负极材料。

普莱德

硅碳负极产业:开始导入能量密度更高的“高镍正极+硅碳负极”电芯。

斯诺

硅碳负极产业:Si-C石墨材料2016 年处于研究阶段,2017年实现试产且小批量供货,预计2018年达到500吨/年产能;SiO-C石墨材料2016年处于研究阶段,2017年试产且小批量供货,预计2018年形成5000吨/年生产能力。

湖州创亚

硅碳负极产业:硅碳负极材料可达600mAh/g,2017年上半年进入中试量产。

比亚迪

硅碳负极产业:计划2018年三元电池能量密度达240Wh/kg,2020年达300Wh/kg。正极采用高镍三元,负极采用氧化亚硅或纳米硅。

宁德时代

硅碳负极产业:“十三五”期间希望实现350Wh/kg 目标,材料体系为高镍三元/硅碳材料

原标题:负极材料:人造石墨主流 硅碳领航

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