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技术资讯 | 硅基负极材料现状、技术、产业链盘点

2023-10-13 10:10:03

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硅基负极属于比较新型的锂电池负极材料,属于特种负极里面的一种。


经过二十多年发展,现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极限(372mAh/g),为进一步提升电池能量密度,寻找更高比容量负极材料成为产业研究重点。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,不存在析锂隐患,安全性好于石墨类负极材料,且储量丰富,成本低廉,是Z 具潜力的新一代锂电池负极材料。

硅碳复合材料与硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线,两者是较为成熟的品种,应用领域各有侧重。硅系与碳复合体系综合吸收了碳与硅系材料稳定与高容量密度的优点,在锂电池上表现出高质量比容量和长循环寿命。

硅基负极材料行业现状分析


【应用现状】硅基负极材料因其相对人造石墨类负极材料价格高昂,目前大部分厂家以消费电子电动工具应用为主,动力电池应用暂未放量。

【生产现状】硅基负极材料的生产基本集中在中国、日本和韩国,中国是硅基负极材料的主要产区,日本硅基负极材料厂商慢慢开始掉队。韩国的Daejoo和浦项化学近年在该领域增长较快,产能扩张迅速,已经在市场上占据了一席之地。

【市场集中度现状】硅基负极材料市场集中度较高,前3家企业贝特瑞、信越化学和韩国大洲(Daejoo)2022年占据了全球接近80%的出货。

2022年全球硅基负极材料市场销售额达到了4.33亿美元,预计2029年将达到42.54亿美元,年复合增长率(CAGR)为41.89%(2023-2029)。

地区层面来看,中国市场在过去几年变化较快,2022年市场规模为1.34亿美元,约占全球的30.98%,预计2029年将达到17.02亿美元,届时全球占比将达到40.02%。

消费层面来说,目前中国地区是全球Z 大的消费市场,2022年占有30.98%的市场份额,之后是日本和欧洲,分别占有23.09%和14.92%。预计未来几年,欧洲地区增长Z快,2023-2029期间CAGR大约为58.23%。

生产端来看,中国和日本是两个重要的生产地区,2022年分别占有54.63%和28.82%的市场份额,预计未来几年,中国地区将保持Z快增速,预计2029年份额将达到62.19%。

从产品类型方面来看,短期硅氧负极材料占有重要地位,但长期来看,硅碳负极将逐渐占据主导地位,2022年硅碳负极份额为17.01%,预计2029年硅碳负极份额将达到34.62%。同时就应用来看,汽车在2022年份额大约是85.27%,未来几年CAGR大约为38.97%。

从生产商来说,全球范围内,硅基负极材料核心厂商主要包括贝特瑞、信越化学、韩国大洲(Daejoo)、天目先导、洛阳联创、凯金能源、杉杉股份、正拓能源和兰溪致德等。2022年,全球第 一梯队厂商主要有贝特瑞、信越化学、韩国大洲(Daejoo),第 一梯队占有大约86%的市场份额;第二梯队厂商有天目先导、洛阳联创、杉杉股份、兰溪致德、凯金能源、Group14和正拓能源等,共占有8.88%份额。

行业主流技术路线


解决硅基负极材料的膨胀、失效等问题,行业内开发了多种硅基负极改性方式,包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等。其中复合化、硅氧化、纳米化技术、预锂化技术已较为成熟,已开始应用于产业化中。



氧化硅技术



氧化硅技术路线多用氧化亚硅,相较于单质硅颗粒,氧化亚硅(SiOx)在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小,因此相对纯硅负极,其循环稳定性有较为明显改善,但是氧化亚硅负极在充放电过程中会生产Li2O等非活性物质,导致SiOx材料首次效率较低(约70%)。


一般采用氧化硅掺杂,掺杂含量约5%,氧化亚硅负极理论比容量2600mAh/g且循环稳定性较好,各大负极材料厂商对氧化亚硅负极均有布局。日本信越化学、韩国大洲、中国杉杉股份及贝特瑞均可量产硅氧负极。硅氧负极在电动工具、高端数码等领域已经得到了部分应用。



纳米化



通过降低硅基材料粒径至纳米级别,也可以改善硅基材料在充放电过程中发生的体积变化。纳米级硅材料拥有较小的颗粒尺寸和更多的空隙,更容易缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。此外,纳米颗粒可以缩短锂离子扩散距离,增加硅材料储锂能力。虽然硅纳米线负极具有诸多优势,但生产成本较高,材料均一性不好等缺陷在一定程度上限制了其大规模应用。



复合化



通过复合其他材料来制备硅基复合材料,不但可以改善硅基材料的导电性,还可以作为缓冲层来承受硅在充放电过程中发生的体积效应。

硅碳复合材料(硅碳负极)由于具有稳定性好,体积变化小和导电性优异等优点,是产业化进展Z为迅速的制备方法。广汽集团发布的海绵硅负极,特斯拉于2021年收购的SiILion公司持有的硅负极专利实质上均为硅与碳材料复合形成的复合结构。


多孔话



除减小硅颗粒尺寸外,设计具有空隙空间的多孔硅也是有效减缓体积膨胀的方法。多孔硅中的空隙空间能有效减轻锂在硅颗粒中嵌入和脱出时引发的体积效应,此外,空隙还可以加快电解液的浸润性,提高锂离子在活性材料中的传输和扩散效率,提升材料的导电性能。



预锂化



预锂化技术是改善硅负极首次效率低的重要途径。为保障硅基负极性能,需要对在首次循环中损失的锂离子进行补充。预锂化技术主要包括电化学预锂化和在正负极材料中添加预锂化添加剂(补锂剂)两种形式,其中添加补锂剂的方法已相对成熟。

硅基负极产业链




上游



硅基负极材料行业上游原材料主要包括石墨、锂盐、二氧化硅、硅以及其他材料。上游主要原材料石墨供应充足,价格平稳;受新能源、半导体行业快速发展,上游原材料硅和锂需求旺盛、价格大幅上涨。



中游



硅基负极材料的中游主要为各类硅基负极材料生产商。根据技术路径不同,分为氧化亚硅、硅碳、纳米硅三类。目前市场上出货量Z 大的为氧化亚硅负极材料。



下游



行业产品下游企业均为电池厂商,主要集中在动力电池、储能、3C电子等领域。目前硅碳负极商业化应用集中在对成本敏感度相对不高的消费电子、电动工具领域,在动力电池领域渗透率相对较低。

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