硅基负极材料的市场发展与技术对比

时间：2022-10-11

1、硅基市场发展现状

硅基负极材料产业化持续加速，有望22年之后大规模放量。从企业布局看，贝特瑞06年开始研发硅基负极，13年通过三星认证并批量出货，成功切入松下、LG、特斯拉产业链，技术良好**2-3年；杉杉股份09年开始研发，17年实现量产；璞泰来与中科院物理所合作量产硅基负极。20年国内硅碳负极出货量0.9万吨，负极渗透率达到2.5%。而根据各企业进程，我们预计22年之后硅基负极材料有望快速放量。我们测算21年**硅基负极材料需求量为2.5万吨，假设25年硅基负极15%/40%/**渗透率，对应需求20/60/150万吨。

2、硅基主要技术路径对比

硅基负极材料高比容、资源广，是较有前景的硅基负极材料之一。当前高端石墨克容量已达到360-365mAh/g，接近理论克容量372mAh/g，难以满足日益增长的高能量密度要求。而硅基负极理论比容量高达4200mAh/g，是石墨负极的理想替代材料。硅基负极的主要优势为：1）电位低、克容量高，能量密度高；2）地壳中含量高，理论成本低；3）高倍率、高安全性，其本身为均匀的纤维，能够缓解脱嵌和吸附中表面吸力引起的安全问题；4）工作电压适宜，略**石墨，低于钛酸锂和过渡金属氧化物。

硅基负极材料主要问题是膨胀大、首销低、倍率低，可通过改善材料设计、改良电池体系等实现性能提升。硅基负极主要的应用挑战：1）硅材料在进行合金化反应时，体积膨胀率可达300%（碳材料仅为16%），材料易粉化；2）负极活性物质易脱落；3）膨胀使得SEI膜破碎，放电时SEI重构，使得其处于破损-修复动态阶段，厚度会持续增加，界面阻抗提高，活性物质消耗。主要解决方案有两种：1）改善材料设计，如尺寸控制、包覆高导电材料、预锂化、构建空腔等；2）改良电池体系，如开发更为合适的粘结剂、导电添加剂、电解液。

3、硅基技术优化发展方向

目前，商业化的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳、无定型硅合金、硅纳米线四种，其中碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度较高的两种硅基负极材料。1）碳包覆氧化亚硅，目前较好的碳包覆氧化亚硅碳产品搭配石墨到450-500mAh/g容量后使用，已经可以做到在钢壳电芯中循环1000-2000周，在软包电芯中循环500-1000周。2）纳米硅碳，目前商业化的软包电池和方形铝壳电池对膨胀依然非常敏感，以致纳米硅碳材料仍然较难使用在这类电池上。目前纳米硅碳材料的主要应用领域仍是在圆柱钢壳电池中，以18650和21700型号为代表。

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