正拓能源400mAh-g以上硅碳负极批量生产
负极行业专题研究报告
工艺迭代是焦点，一体化和连续石墨化有望拉开成本差距——负极行业专题报告2021.08.05摘要☞负极已经形成“四大三小”的竞争格局，一体化和连续石墨化将导致行业集中度进一步提升：1、从供需看：负极产能扩张基本与下游需求增速基本一致，供需关系健康。
石墨化紧缺将持续至22年；2、从壁垒看：1）限电政策将进一步推动负极企业一体化布局加速，单吨投资额翻倍带来投资门槛提高； 2）连续石墨化等新工艺提高了行业技术壁垒。
☞工艺迭代&石墨化一体布局将是负极企业超额收益的核心来源：1、产品端：差异化较大，中高端产品工艺较复杂。
负极材料的差异化特性导致了其价格方差较大，中高端产品工艺复杂，具备较高的技术壁垒。
2、成本端：工艺领先带来超额利润。
当前正处于一体化布局初始竞争阶段，石墨化工艺从艾奇逊向箱式炉迭代。
我们详细对比了艾奇逊、箱式和连续石墨化等工艺路线的成本结构和工艺难度，连续石墨化未来将成为头部公司强化竞争优势的核心抓手。
☞新技术在生产工艺上类似。
我们对比了人造石墨、硅碳和不定性碳，新技术在生产工艺上和石墨基本一致。
投资建议：我们认为，未来几年负极的竞争将围绕一体化和连续化工艺进行竞争，一体化和连续化领先的公司持续具有超额利润。
看好具备石墨化一体化布局优势、研发工艺迭代领先的负极企业，建议关注中国宝安（贝特瑞）、璞泰来、中科电气、尚太科技等。
风险提示：需求测算不确定性影响的风险，行业产能过剩风险导致竞争格局恶化风险，新技术应用不及预期风险，经目录CONTENTS 下游需求爆发，供需格局改善产品&工艺差异化拉大，集中度提升新技术工艺壁垒高，产业化加速投资建议CONTENTS目录CCONTENTS专业｜领先｜深度｜诚信中泰证券研究所1 下游需求爆发，供需格局改善需求：负极材料随下游高增 负极材料需求高增：预计2021-2023年负极材料需求将从47.7万吨增加到89.5万吨。
图表：2020-2023年负极需求预测全球锂电池合计/Gwh 钴酸锂（3C等）35.0 36.7 38.5 40.5三元（含3C）178.9 261.2 392.3 520.2LFP 49.8 123.7 184.1 231.6其他 5.9 7.7 10.0 13.0总合计263.4 429.4 625.0 805.3 负极材料单耗（吨/Gwh）钴酸锂（3C等）888.0 888.0 888.0 888.0三元（含3C）912.0 912.0 912.0 912.0LFP 1026.0 1026.0 1026.0 1026.0其他1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 负极材料需求（万吨）钴酸锂（3C等） 3.1 3.3 3.4 3.6三元（含3C）16.3 23.8 35.8 47.4LFP 5.1 12.7 18.9 23.8其他0.6 0.8 1.0 1.3总合计25.1 40.5 59.1 76.1实际需求29.6 47.7 69.5 89.5结构：人造石墨市占率持续提升图表：2016-2020年中国锂电池人造石墨与天然石墨材料出货量（万吨）51015202530354020162017201820192020人造石墨天然石墨2016-2020年，人造石墨出货量由2016年的7.7万吨上升至2020年的30.7万吨，人造石墨在负极材料中占比从2016年的68%上升到2020年的84%，人造石墨出货量大幅提高，在负极材料出货量中占比逐年提高。
锂电池负极材料生产现状
锂电池负极材料生产现状锂电池的原材料方面问题，一直都是锂厂家们非常关心的一个问题。
锂电池生产厂家和大家谈谈关于锂电池的负极材料问题,有兴趣了解这方面问题的朋友可以看一下这篇文章，如果我们拿负极材料和正极材料来比的话，负极材料占锂电池成本比重变会显得较低，并且目前负极材料国内已经实现产业化，其主要的生产厂家有深圳贝特瑞、上海杉杉、长沙海容等，这些都是大型的个业，基本能够满足国内市场的需求。
深圳贝特瑞公司可能很多人对它都有所了解了，它是中国宝安(000009）控股55%的子公司，并且是国内锂电碳负极材料标准制定者。
其碳负极材料产能是6000吨/年，价格为6万元/吨左右，市场占有率高达80%,居全球第二。
客户包括松下、日立、三星、TCL、比亚迪等130多家厂商。
2008年，贝特瑞收购了天津铁诚公司，使其碳负极材料成本下降30％。
不过锂电池生产厂家们了解到贝特瑞宣传资料显示，具有磷酸铁锂正极材料1500吨/年的产能。
而据其销售部门透露，目前贝特瑞的磷酸铁锂正极材料实际产能为800吨/年，产量只有40多吨/年，主要给大型电池厂商实验供货,如天津力神、江苏双登等。
其产品价格比天津斯特兰贵，达到18万-20万元/吨。
据了解，其毛利率在60%以上。
据华普锂电池生产厂家了解到的加一个问题是中国宝安控股75%的天骄公司也从事正极材料的生产。
该公司主营钴镍锰酸锂三元正极材料，目前产量为800吨/年左右,销量650吨左右，2009年计划产能1400吨/年，增长来自于通讯电子类、笔记本等下产品中对传统高成本的钴酸锂的替代。
杉杉股份公司可以说是贝特瑞的个巨大的竞争对手.我们都知道杉杉股份是在1999年开始涉足电池负极材料时采用CMS(中间相炭微球）技术，之后为降低成本转用人工石墨和天然石墨，此后,因为电池循环放电次数不高，又回到了CMS的技术上。
目前,杉杉股份的CMS 价格每吨在10万元以上，年产能为1200吨。
锂电池生产厂家了解到目前杉杉股份的锂电池材料销售收入已达9.9亿元，占总收入比重超过40%。
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究王英;孙文;唐仁衡;肖方明;黄玲【摘要】以商品化纳米硅粉和沥青为原料,采用喷雾干燥热解法制得Si@C复合物.将Si@C复合物和人造石墨混合,制得Si@C/G硅碳复合材料作为锂离子电池的负极材料.借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试等方法,对Si@C复合物和Si@C/G复合材料的结构、形貌和电化学性能进行表征.结果表明,当硅碳复合材料中Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85时,在100 mA/g的恒电流下,首次放电比容量为695.4 mAh/g,首次库仑效率为86.1％,循环80周后容量仍有596.6mAh/g.【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2018(012)003【总页数】6页(P161-166)【关键词】锂离子电池;硅碳复合负极材料;纳米硅;人造石墨;碳包覆【作者】王英;孙文;唐仁衡;肖方明;黄玲【作者单位】广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510641;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650【正文语种】中文【中图分类】TM912 9;TM531为了不断提升新能源汽车的续航里程，近年来对锂离子电池的能量密度要求越来越高.到2020年，我国对锂离子电池电芯能量密度的期望值将达到350 Wh/kg.由于现有的商用负极材料石墨难以满足上述要求，因此，开发新型高容量负极材料成为研究热点.硅的理论嵌锂容量高达4200 mAh/g，且具有脱锂电位低、资源丰富、成本低和环境友好等优势，成为综合性能最具发展潜力的新型负极材料[1-5].硅材料虽然储锂容量较大，但锂离子在嵌入硅过程中会引起体积膨胀(300%)，易造成材料结构的崩塌和活性物质的脱落，使循环稳定性大大下降.同时，这种体积效应也使电极表面难以形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜)，导致不断有硅裸露到电解液中.针对硅负极材料循环稳定性的问题，近年来，研究人员将硅进行纳米化处理，即硅单质材料体系的改性.通过制备各种纳米硅材料来缓解硅嵌锂产生的体积膨胀.研究表明[6-7]，当硅颗粒尺寸小于单个硅纳米颗粒嵌锂过程中的破碎临界值，纳米硅颗粒在参与电化学反应过程所产生的应力能不足以使得电极表面生成裂纹，从而避免颗粒的破碎粉化.但是，纳米硅的高活性表面则会使电极发生较多的副反应，造成较高的不可逆容量损失.因此，除了硅纳米化改性技术外，还应通过硅与碳材料的二元或多元复合来制备复合材料，即建立硅复合材料体系[8-12].基本原理是利用第二相的机械性能和导电性来抑制硅的体积效应和增强硅的导电性，减少电极副反应的发生，并防止嵌脱锂过程中纳米颗粒的团聚.李纯莉[13]先采用酸浸蚀方法从铝硅合金得到纳米硅，然后将纳米硅与石墨烯进行复合制得石墨烯/多孔硅复合负极材料.复合结构中的石墨烯片或均匀分散在多孔纳米硅颗粒间，或包裹着小尺寸的纳米硅颗粒，有效改善了纳米硅的导电性和减缓多孔硅结构的衰变.用复合材料制成的电极在循环120周后，其放电比容量仍可达1843 mAh/g.Julien[14]利用激光化学沉积热解法(LCVP)制备出包覆1 nm厚度碳层的纳米非晶硅复合材料，经充放电循环后，极片厚度从循环前的12.6 μm到嵌脱锂300周后的14.9 μm，体积膨胀率仅18%，表现出良好的循环性能，所设计的核壳结构保持了材料结构和电极的稳定性.Zhuang[15]以纳米氧化镁为造孔剂，将纳米硅嵌入多孔碳中，制备的复合材料在循环40周后仍有1172 mAh/g的可逆容量，主要归功于多孔碳支架为纳米硅提供充足的空间以缓冲硅的体积变化.综上所述，采用硅纳米化和复合化相结合的方法制备电化学性能优异的硅碳复合材料是切实可行的.本文以纳米硅粉和沥青为原料，通过喷雾干燥热解法在纳米硅颗粒表面包覆一层无定形碳层制得Si@C复合物，将Si@C复合物和人造石墨颗粒混合可制得用于锂离子动力电池的Si@C/G复合负极材料.1 试验部分1.1 硅碳材料的制备以平均粒径80 nm硅粉、沥青为原料，按硅粉和沥青质量比为1∶1混合均匀，然后依次加入无水乙醇和去离子水搅拌，搅拌均匀后得到浆料，再经喷雾干燥制得Si@C前驱物(喷雾干燥设备进口温度180 ℃，出口温度110 ℃).将前驱物放入充有高纯氩气保护的管式炉内在1050 ℃保温3 h，然后冷却至室温，再研磨筛分，获得Si@C复合物.将Si@C复合物和人造石墨分别按质量比10∶90，15∶85，20∶80混合，制得硅碳复合负极材料Si@C/G，分别标记为样品a、样品b和样品c.1.2 硅碳材料的性能表征将活性物质(Si@C或Si@C/G)、导电乙炔黑和粘结剂(羧甲基纤维素钠CMC和丁苯橡胶SBR混合物，质量比3∶5)按质量比8∶1∶1混合，以去离子水为溶剂混合成浆料，然后将浆料均匀涂敷于铜箔基体上，充分干燥后制成正极.以金属锂片为负极，Celgard 2500型聚丙烯多孔膜为隔膜，1 mol/L的LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲基乙基酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)(体积比1∶1∶1)为电解液，在真空手套箱中组装成2032型扣式电池.采用蓝电CT2001A二次电池性能检测装置对电池进行充放电性能测试，测试电流密度为100 mA/g，电压范围为0.01～1.5 V.采用荷兰Philips X'pert MPD diffractometer XRD衍射仪(20 kV，40 mA，Cu Kα)分析样品结构，扫描角度为10°～90°，步长为0.02°/s；用德国蔡司公司Zeiss supra 40扫描电镜(SEM)和日本精工JOEL JSM-2100F透射电镜(TEM)观察复合材料的微观形貌.2 试验结果与讨论2.1 Si@C复合物的性能图1为纳米硅和Si@C复合物的XRD谱图.由图1可知，Si和Si@C均在位于2θ为28.43°，47.29°，56.13°，69.13°，76.45°，88.07°左右处出现Si峰，分别对应硅的晶面(111)，(220)，(311)，(400)，(331)，(422).包覆碳前后硅特征峰的位置基本一致.图谱中2θ为25°左右处有一个宽化的弥散峰，没有观察到其他明显的特征峰，表明沥青热解生成的碳为无定形态.图1 材料的XRD图Fig.1 XRD patterns of the materials图2为 Si@C复合物的SEM和TEM及Si材料SEM图.由图2(a～e)给出的Si@C 复合物的SEM和TEM图可以清晰地看出，纳米硅颗粒表面包覆着一层稳定致密的碳层，硅颗粒通过包覆碳层连接成的导电性骨架形成良好的电接触.多个这样的一次小颗粒组成较大的二次颗粒，如图2(b)、2(c)和2(e)所示.Si@C二次颗粒尺寸大小均匀，分散性较好.图2(f)为纳米硅的SEM图，与图2(c)相比，发现通过喷雾干燥热解可以有效地在纳米硅表面包覆碳膜.图2 Si@C复合物的SEM和TEM图及Si材料SEM图(a),(b),(c)Si@C复合物的SEM；(d),(e) Si@C复合物的TEM；(f) Si材料的SEMFig.2SEM(a,b,c) ,TEM(d,e) images of Si@C composites and image of SEM(f) of Si 图3 Si和Si@C复合物的电化学性能 (a) 首次充放电曲线；(b)循环性能曲线Fig.3 The electrochemical performance of Si@C composites and Si (a) the first charge/discharge curves；(b) the cycling performance curves将Si和Si@C复合物分别组装模拟电池进行充放电循环测试，其电化学性能如图3所示.图3(a)为电池的首次充放电曲线.由图3(a)可知，两种硅材料在首次放电曲线0.9 V左右处均出现倾斜下降的一个小平台，对应电解液浸润活性物质时，在活性物质颗粒表面形成SEI膜的过程.包覆Si@C复合物的平台电压略低于未包覆Si 材料，说明包碳可以促进电极表面SEI膜的生成.首次放电曲线上较长的电压平台是典型的晶体硅嵌锂电压平台.与Si材料的嵌锂平台电压相比，Si@C复合物的嵌锂平台低，主要原因是碳包覆层增强了Si@C复合物的表面电性，降低了电极表面极化.图3(b)为电池的循环曲线.由图3(b)可知，Si@C的首次循环放电比容量为1706.4 mAh/g，首次库仑效率为86.5%.循环80周后，容量仍有731.2 mAh/g，容量保持率达到42.9%；纳米硅的首次放电比容量为2915.8 mAh/g，首次库伦效率为79.4%.经80周循环后，放电比容量仅有66.6 mAh/g.与纯硅材料相比，Si@C复合物的库仑效率和循环性能明显提高.将硅颗粒均匀分散于碳基体获得具有包覆型的Si@C复合物，热解碳在硅颗粒表面形成的一层无定形碳膜具有缓冲硅体积效应和增强复合材料电子导电率的作用，可避免内部硅颗粒与电解液直接接触，形成完整的SEI膜，在一定程度上改善了复合材料电极的充放电性能.2.2 Si@C/G复合材料的性能将Si@C复合物直接应用于锂离子动力电池，循环稳定性仍然难以达到使用要求.基于石墨的高导电性，在牺牲一定放电容量的前提下，将Si@C复合物和石墨混合后制得Si@C/G复合材料，可进一步提升负极材料的充放电性能.图4(a)为Si@C/G复合材料样品a,b,c的首次充放电曲线.由图4(a)可知，首次放电曲线在0～0.2 V之间的一个明显的放电平台与锂离子嵌入活性物质硅和石墨的过程相对应，由于两种物质的嵌锂电位较相近，曲线上仅显示出一个平台.首次充电曲线上位于0.15 V，0.45V左右的两个电压平台则分别对应着锂离子从石墨、硅中脱出的过程.随着样品a,b,c中Si@C复合物含量的增加，充电平台延长，复合材料的比容量增大.图4 Si@C/G复合材料的电化学性能(a)首次充放电曲线；(b)循环性能曲线Fig.4 The electrochemical performance of Si@C/G composites (a) the first charge/discharge curves；(b) the cycling performance curves图4(b)为Si@C/G复合材料a,b,c三种样品的循环性能曲线.由图4(b)可知，三种复合材料首次放电比容量分别为559.5 mAh/g，695.4 mAh/g和779 mAh/g，首次库仑效率分别为86.8%，86.1%，86.2%.循环80周后，放电比容量分别为497 mAh/g，596.6 mAh/g和627.1 mAh/g，容量保持率分别为88.8%，85.8%和80.5%，平均每周容量衰减率分别仅为0.14%，0.18%和0.24%.三种复合材料表现出良好的循环稳定性，主要是由于纳米硅颗粒的表面包覆碳层和石墨有效缓解了硅材料在锂化过程中的体积膨胀.特别是石墨基体在硅颗粒膨胀时能够承受较大的弹性形变，使嵌锂过程中的残余应力较小.同时，石墨的良好导电性和容量特性也显著改善了Si@C复合物的综合电化学性能.从平衡放电容量、首次库仑效率和循环稳定性的角度来看，Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85(样品b)的硅碳复合材料的电化学性能稍优.该复合材料的XRD图如图5所示.图5 复合材料样品b的XRD图Fig.5 XRD patterns of sample b从图5可以看出，在2θ为26.56°，44.39°和54.54°处出现石墨特征峰.复合材料的Si@C复合物颗粒均匀地附着在石墨表面，分散性较好，见图6.图6 复合材料样品b不同放大倍数的SEM图Fig.6 SEM images of sample b3 结论通过喷雾干燥热解的方法制备核壳型Si@C复合物，将Si@C复合物和石墨混合制得Si@C/G复合材料，可作为锂离子动力电池的负极材料.当Si@C/G复合材料中Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85时，在100 mA/g的恒电流下，首次放电比容量为695.4 mAh/g，首次库仑效率为86.1%.循环80周后容量仍有596.6 mAh/g，容量保持率达到85.8%.【相关文献】[1] 王静，陈志柠，郭玉忠，等.有序介孔硅/碳复合结构负极材料的制备与电化学性能研究[J].无机材料学报，2018，33(3)：313-319.[2] 罗金华，倪伟.三维纳米硅/多孔碳的储锂性能[J].电池，2017，47(6)：328-331.[3] 白雪君，刘婵，侯敏，等.锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究[J].无机材料学报，2017，32(7)：705-712.[4] PAIREAU C，JOUANNEAU S，AMMAR M R，et al. 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锂电池负极材料用量
锂电池负极材料用量
锂电池负极材料的用量主要取决于电池的规格和容量，以下提供两种测量负极材料用量的方法：
1. 通过两个指标来衡量负极材料在锂电池中的单位用量，分别是比容量（mAh/g）和比能量密度（Wh/kg）。
比容量是指负极材料每克可以储存的锂离子数量，一般以mAh/g表示。
比容量越高，意味着单位质量的负极材料可以储存更多的锂离子，从而提高电池的容量。
常见的负极材料如石墨，其比容量约为300\~400mAh/g。
比能量密度是指负极材料单位质量可以释放的电能，一般以Wh/kg 表示。
比能量密度越高，意味着单位质量的负极材料可以释放更多的电能，从而提高电池的能量密度。
常见的负极材料如石墨，其比能量密度约为0.3\~0.35Wh/kg。
2. 负极材料在锂电池中的单位用量可以通过两个指标来衡量，分别是比容量（mAh/g）和比能量密度（Wh/kg）。
具体来说，负极材料的用量主要取决于电池的规格和容量，因此在实际应用中，需要根据电池的具体规格和容量来确定负极材料的用量。
此外，我国锂电池相关行业发展快速，负极材料市场需求增大。
2022年中国锂电池负极材料出货量约为143.3万吨，同比增长84%。
中商产业研究院预测，由于受到石墨出口管控的影响，2023年出货量将保持增长但增速将减缓，出货量将达167万吨，2024年将达189万吨。
以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅相关文献或咨
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锂离子电池负极材料的分类
锂离子电池负极材料的分类锂离子电池是一种广泛应用于电动汽车、手机、平板电脑等领域的重要能源储存设备。
在锂离子电池中，负极材料起着储存和释放锂离子的关键作用。
根据材料的不同特性和结构，锂离子电池负极材料可以分为石墨材料、硅基材料和金属氧化物材料三个主要类别。
1. 石墨材料石墨是目前最常用的锂离子电池负极材料之一。
石墨具有良好的导电性和稳定的化学性质，能够有效嵌入和释放锂离子。
石墨材料的结构特点是层状结构，锂离子能够在层间进行扩散。
石墨材料通常具有较高的比容量和良好的循环稳定性，但其比容量相对较低，无法满足当前高能量密度锂离子电池的需求。
2. 硅基材料硅基材料是一种具有高比容量潜力的新型锂离子电池负极材料。
硅具有较高的理论比容量，可达到4200mAh/g，远高于石墨材料的372mAh/g。
硅基材料的主要特点是能够通过合金化反应嵌入和释放锂离子。
然而，硅基材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致电极的结构破坏和容量衰减。
因此，目前的研究重点是开发能够抑制硅材料体积膨胀的复合材料或纳米结构，以提高硅基材料的循环稳定性和可靠性。
3. 金属氧化物材料金属氧化物材料是另一种具有高比容量潜力的锂离子电池负极材料。
金属氧化物材料的结构复杂多样，包括二氧化钛、三氧化二铁、四氧化三铁等。
这些材料通常具有较高的比容量和良好的循环稳定性，但其导电性较差。
因此，目前的研究重点是开发导电性较好的碳包覆或导电剂改性的金属氧化物材料，以提高其电极性能。
锂离子电池负极材料的分类主要包括石墨材料、硅基材料和金属氧化物材料。
石墨材料是目前最常用的负极材料，但其比容量有限。
硅基材料具有高比容量潜力，但体积膨胀问题限制了其应用。
金属氧化物材料具有高比容量和良好的循环稳定性，但导电性较差。
未来的研究重点是开发新型负极材料，以提高锂离子电池的能量密度、循环稳定性和安全性，满足不断增长的能源储存需求。
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正拓能源400mAh/g以上硅碳负极批量生产
摘要
正拓能源携研发生产的硅碳负极，可取代传统的石墨负极材料，具有
克容量高（400mAh／g-650mAh／g）、循环性能好等优点。
主题为“寻找EV时代实力派”的高工锂电&电动车金球奖正在火爆进
行。
江西正拓新能源科技股份有限公司(下称“正拓能源”)报名角逐“年度创
新技术/产品”、“年度客户信赖品牌”两大奖项。
正拓能源是一家集研发、生产和销售锂离子电池石墨负极材料的国家
级高新技术企业，是江西省唯一锂离子电池负极材料工程技术研究中心、省
级企业技术中心、江西省质量信用AAA级企业。该公司已通过
ISO9001:2008质量管理体系、ISO14001:2004环境管理体系的认证和