快充是電車行業(yè)發(fā)展趨勢，負(fù)極是決定快充性能的關(guān)鍵材料。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的續(xù)航里程不斷提升，與油車差距縮短，續(xù)航焦慮逐步緩解，但充電焦慮仍是行業(yè)需要解決的另一大痛點(diǎn)，故發(fā)展快充技術(shù)是當(dāng)前行業(yè)趨勢之一。快充的目的是提高電動車充電效率，其本質(zhì)是提高充電功率，目前有增大充電電 流和提高充電電壓兩種方法。從電池端來看，據(jù)中南大學(xué)《盤點(diǎn)五類快充負(fù)極材 料》，快充電池需要在電池材料上做出改變和升級，電池的快充性能短板在負(fù)極， 它是電池充電倍率的決定因素，負(fù)極對快充的影響強(qiáng)于正極。
當(dāng)前主流石墨負(fù)極比容量接近極限，且快充性能差。目前鋰離子電池負(fù)極材料以石墨類為主，現(xiàn)階段市場上的石墨負(fù)極產(chǎn)品比容量基本均在 350mAh/g 以上，接近理論比容量上限 372mAh/g，為順應(yīng)電池提升能量密度的發(fā)展趨勢，需要研發(fā) 更高比容量的負(fù)極材料。另外，石墨材料較慢的嵌鋰過程阻礙了鋰離子電池的快 充應(yīng)用，主因石墨負(fù)極存在析鋰問題，會影響動力電池的使用壽命，同時析出的鋰金屬會以枝晶的形式生長，容易刺穿隔膜，引發(fā)電池內(nèi)部短路，造成嚴(yán)重的安全問題。
硅基材料比容量極高，快充性能好，有望成為新一代負(fù)極。硅基材料相較石墨材料優(yōu)勢顯著：（1）硅材料擁有的理論質(zhì)量比容量高達(dá) 4200mAh/g，是石墨材料的 10 倍以上；（2）硅能從各個方向提供鋰離子嵌入和脫出的通道，快充性能優(yōu)異；（3）硅的對鋰電位高于石墨，充電時析鋰的可能性不大，安全性更高。硅基材 料的這些優(yōu)勢滿足了新一代負(fù)極材料的發(fā)展需求。
硅基材料存在首次庫倫效率低、倍率性能和循環(huán)性能差等問題。
（1）硅在嵌鋰過程中將會出現(xiàn)嚴(yán)重的體積膨脹和結(jié)構(gòu)變化，體積膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力不斷破壞硅 顆粒表面的 SEI 膜，多次循環(huán)最終導(dǎo)致鋰離子消耗殆盡，循環(huán)性能變差；
（2）電解液 6 分解產(chǎn)生的微量 ，會對硅造成腐蝕導(dǎo)致硅負(fù)極的容量發(fā)生衰減，使 得電池的首次庫倫效率偏低；
（3）由于硅是半導(dǎo)體材料，電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率低影響其電級反應(yīng)速率，使得倍率性能變低。
硅基負(fù)極的制備工藝及性能優(yōu)化路徑
主流硅基負(fù)極為硅碳復(fù)合材料與硅氧復(fù)合材料。由于硅有體積膨脹的問題，目前 主要通過硅與其他材料混合制成復(fù)合材料來抑制體積膨脹，碳材料在充放電過程 中體積變化較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，且硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，二者能緊 密結(jié)合，因此碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。目前，主流硅基材料有硅碳復(fù)合材 料與硅氧復(fù)合材料，其中硅碳負(fù)極是指納米硅與石墨材料混合，其克容量更高， 首次效率高，但體積膨脹較大導(dǎo)致循環(huán)性能相對較差；硅氧負(fù)極則采用氧化亞硅 與石墨材料復(fù)合，其體積膨脹大大減小，故循環(huán)性能更好，但首次效率較低。
目前國內(nèi)的主流制備工藝為機(jī)械球磨法。從制備工藝上看，制備工藝主要有機(jī)械 球磨法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法、高溫?zé)峤夥ǎ渲袡C(jī)械球磨法對設(shè)備要 求較為簡單，制造成本較低，在國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)中更為主流。
制備不同硅基負(fù)極的前端工序有所不用，而后端工序基本相同。由于硅碳負(fù)極和 硅氧負(fù)極分別采用納米硅和氧化亞硅與石墨混合，故兩種負(fù)極材料的前端程序不 同，而后端工序（前驅(qū)體的表面處理、篩分、除磁包裝、成品）基本相同。硅碳 負(fù)極方面，其生產(chǎn)工藝的核心難點(diǎn)在于納米硅粉的制備，納米化可以緩沖硅在脫 嵌鋰離子過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和形變。硅氧負(fù)極方面，其氧化亞硅前驅(qū)體制備更加 復(fù)雜，需利用二氧化硅和單質(zhì)硅作為原料制備，然后進(jìn)行后續(xù)工藝。
成本較石墨更高，規(guī)模化下成本有望降低。由于硅料的價格高于石墨，故硅基負(fù) 極的材料成本高于石墨負(fù)極，當(dāng)前硅料價格較高的原因主要是光伏行業(yè)需求旺盛 所致，考慮到當(dāng)前上游硅料端的企業(yè)正在積極布局?jǐn)U產(chǎn)，未來隨著產(chǎn)能的逐步釋 放，硅料價格有望理性回歸。另外，由于硅基負(fù)極對生產(chǎn)設(shè)備的要求較高，也導(dǎo) 致其單噸投資額（約 4-5 億元/噸）高于石墨負(fù)極（約 3-4 億元/噸），根據(jù)產(chǎn)業(yè)反 饋，規(guī)模化投產(chǎn)后，硅基負(fù)極投資額會逐步下降。
考慮到兩大硅基負(fù)極材料的不足，當(dāng)前行業(yè)的優(yōu)化方向主要是解決硅碳負(fù)極的低 循環(huán)壽命問題和硅氧負(fù)極的低首次效率問題：
1、硅碳負(fù)極優(yōu)化：通過縮小硅粉的硅粒尺寸提升循環(huán)壽命。硅碳負(fù)極循環(huán)壽命 低的原因是由于其體積變化率大，致使負(fù)極材料粉化、脫落，使電池失效。目前 行業(yè)主要通過縮小硅粒尺寸來解決，研究表明，隨著粒徑減小，循環(huán)性能相應(yīng)提 升，其核心在于硅粉制備工藝的升級改進(jìn)。
國內(nèi)納米硅粉制備以球磨法為主，海外制備技術(shù)領(lǐng)先。目前，納米硅粉的制備方 法主要有機(jī)械球磨法、化學(xué)氣相沉積法、等離子蒸發(fā)冷凝法三種。西方國家工業(yè) 生產(chǎn)納米硅粉的起步較早，日本帝人、美國杜邦、德國 H.C.Stark、加拿大泰克 納等均能夠應(yīng)用等離子蒸發(fā)冷凝法生產(chǎn)多種不同粒度的高純納米硅粉，生產(chǎn)技術(shù) 方面處于世界地位。國內(nèi)對納米硅粉的研制起步較晚，制造水平相對落后，通常 采用機(jī)械球磨法合成納米硅粉，化學(xué)氣相沉積法和等離子蒸發(fā)冷凝法僅處于實(shí)驗(yàn) 水平，無法達(dá)到批量化生產(chǎn)，未來隨著對新工藝的不斷探索，有望實(shí)現(xiàn)高性能納 米硅粉的國產(chǎn)化突破。
2、硅氧負(fù)極優(yōu)化：通過預(yù)鋰化工藝提升首效。硅氧負(fù)極首效低其嵌鋰機(jī)制密切 相關(guān)，硅氧材料在首次嵌鋰過程生成的不可逆的 Li4SiO4 和 Li2O，消耗了大量的 鋰，導(dǎo)致了其首效低。另外，SEI 的形成和界面副反應(yīng)、材料體積膨脹效應(yīng)大和 固有電導(dǎo)率低也導(dǎo)致了收效降低。業(yè)內(nèi)主要通過預(yù)鋰化，在電池組裝之前對材料 進(jìn)行補(bǔ)鋰，以彌補(bǔ)首次充放電的不可逆損耗。
穩(wěn)定金屬鋰粉預(yù)鋰化應(yīng)用較多，規(guī)模化后成本有望下降。預(yù)鋰化方式主要包含鋰 化添加劑法、自放電預(yù)鋰化法、電化學(xué)預(yù)鋰化法和化學(xué)預(yù)鋰化法。采用穩(wěn)定的金屬鋰粉進(jìn)行預(yù)鋰化是目前商業(yè)化最有效、最直接的方法，但對環(huán)境的生產(chǎn)環(huán)境的 水分、氧氣要求苛刻，需要研發(fā)密閉的混漿設(shè)備，因此成本也較高，但規(guī)模化后 成本有望下降。
4680+快充帶動需求，行業(yè)正處產(chǎn)業(yè)化初期
新一代 4680 電池推出，有望成為動力電池主流之一。2020 年 9 月特斯拉在電池 日上公布 4680 電池，相比上一代 2170 電池，4680 電池直徑增加到 46mm，pack 系統(tǒng)管理難度減小，降低電池材料成本，每 kWh 成本下降約 14%；同時，4680 采用激光雕刻的無極耳技術(shù)，縮短電子運(yùn)動距離，電池內(nèi)阻減少，電芯容量提高 且更加安全，續(xù)航里程增加 16%，單體能量密度提高 5 倍，能量密度可達(dá) 300Wh/kg。優(yōu)異的性能有望使 4680 電池成為未來動力電池主流之一。
4680 布局迅速推進(jìn)，2023 年或?yàn)榉帕吭辍Ｌ厮估l(fā)布 4680 電池以來，國內(nèi) 外各廠商迅速推進(jìn)布局，從各個廠商公告來看，目前海外的特斯拉、松下、LG 布局進(jìn)度較為領(lǐng)先，國內(nèi)億緯鋰能也明確表示有 4680 電池的產(chǎn)能布局。從各廠 商產(chǎn)能規(guī)劃進(jìn)度來看，預(yù)計(jì) 2023 年有望成為 4680 電池放量元年。
硅基負(fù)極更適配圓柱電池，4680 電池有望推動硅基負(fù)極量產(chǎn)。硅基負(fù)極膨脹系 數(shù)較大，圓柱電芯相比方形電芯內(nèi)應(yīng)力分布更均勻，不易造成內(nèi)部材料損毀，故 硅基負(fù)極更適合圓柱電池，早在特斯拉 Model3 的 2170 電池負(fù)極中，就有采用硅 基材料。同時，圓柱電池的成組效率較低，為了達(dá)到和方形電池相同的能量密度， 需要使用比容量更高的硅基負(fù)極。特斯拉推出的 4680 圓柱電池已明確搭配硅基 負(fù)極，4680 電池的量產(chǎn)有望推動硅基負(fù)極的應(yīng)用。
2022 年后快充電車陸續(xù)推出，快充性更好的硅基負(fù)極有望受益。早在 2019 年保 時捷的 Taycan 全球首次推出 800V 高電壓電氣架構(gòu)，搭載 800V 直流快充系統(tǒng)并 支持 350kw 大功率快充。進(jìn)入 2021 年后更多車企加入高壓快充路線，先后有?現(xiàn)代、起亞、比亞迪、長城、廣汽、小鵬等車企布局高壓快充，且蔚來和廣汽埃 安等車企在電池技術(shù)上均提及硅負(fù)極，高壓快充車型的量產(chǎn)有望帶動快充性能更 加優(yōu)秀的硅基負(fù)極需求。
預(yù)計(jì) 2025 年硅基負(fù)極的需求量有望達(dá)到 26 萬噸。假設(shè)：
（1）據(jù)特斯拉公告，其 2022 年銷售目標(biāo)為 150 萬輛，到 2030 年銷售目標(biāo)為 2000 萬輛，考慮到特斯拉產(chǎn)能建設(shè)規(guī)劃，我們預(yù)計(jì) 2025 年特斯拉銷量有望達(dá)到 422 萬輛；
（2）考慮到硅基負(fù)極高比容量、快充性能的優(yōu)勢，以及規(guī)模化生產(chǎn)后成本降低，預(yù)計(jì)其他車企 也有望在高鎳三元電池技術(shù)中加入硅基負(fù)極來應(yīng)用于中高端車型，假設(shè)高鎳三元 正的裝車占比為 40%，到 2025 年硅基負(fù)極在高鎳三元電池的滲透率為 30%；
（3）在高端消費(fèi)電子領(lǐng)域以及小動力電池領(lǐng)域（包括電動工具等），高端領(lǐng)域?qū)Τ杀久?感性不高，對電池的能量密度和快充性能要求較高，有望推動硅基負(fù)極的滲透， 我們假設(shè) 2025 年硅基負(fù)極的滲透率為 25%；
（4）根據(jù)石大勝華 2021 年 11 月會 議紀(jì)要，按添加量 10%的硅計(jì)算，1GWh 的 4680 電池大概需要消耗 750 噸左右 的硅碳負(fù)極材料。綜上，我們預(yù)計(jì) 2025 年硅基負(fù)極的需求量有望達(dá)到 26 萬噸。
企業(yè)積極布局，有望逐步放量。硅基負(fù)極前景較好，從布局企業(yè)來看，傳統(tǒng)石墨 類負(fù)極企業(yè)如貝特瑞、璞泰來等企業(yè)布局較早；同時也有電池和其他領(lǐng)域的公司 如寧德時代、國軒高科等企業(yè)跨界進(jìn)入。從進(jìn)度上看，已有少量產(chǎn)能釋放，多數(shù)項(xiàng)目推進(jìn)順利，正在進(jìn)行中試，有望逐步放量滿足下游需求。
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