石墨負極潛力挖掘完全
電芯能量密度和負極材料的克容量成正相關關係。目前，高端石墨克容量已經達到360-365mAh/g，接近理論克容量372mAh/g。因此從負極材料角度看，電芯能量密度的提升需要開發出具有更高克容量的負極材料。
矽基負極材料最具商業化前景
矽基負極材料中Si與Li+產生合金化反應，最高克容量可達4200 mAh/g，是石墨的10倍多。且矽還具有較低的電化學嵌鋰電位（約0.4 V vs. Li/Li+），不存在析鋰問題、儲量豐富等優點，是非常具有潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。
矽基負極材料產業化關鍵點：體積劇烈變化和不穩定的SEI膜
在充放電過程中，矽鋰合金的生成與分解伴隨著巨大的體積變化，最大膨脹可達320%，而碳材料只有16%。劇烈的體積變化導致如下的挑戰：矽顆粒破裂粉化、負極活性物質從電極片上脫落、因粉化和脫落引起固相電解質層（SEI膜）持續形成。目前，主要通過材料設計（矽的納米化、對矽進行碳包覆、加入氧化亞矽等）和電池體系優化（選用電解液添加劑FEC和VC等、負極材料粘接劑CMC-SBR和聚丙烯酸鋰等、導電劑的優化）等來應對。
碳包覆氧化亞矽、納米矽碳商業化程度高
矽基負極材料製備方法多，且較石墨的製備工藝更複雜，產品尚未達到標準化。目前，碳包覆氧化亞矽、納米矽碳是商業化程度最高的兩種矽基負極材料。量產企業有國內的貝特瑞、天目先導、杉杉等，海外的日本信越化學、大阪鈦業、日立化成、昭和電工和韓國大洲等。
矽基負極材料產業化時間短；國際上日企領先，國內貝特瑞領先
日本日立、湯淺等企業從2015年開始陸續將矽基負極應用到消費電池和動力電池中，促進了矽基負極材料產業化應用。國內方面，根據高工鋰電的調研，能夠量產矽基負極材料的企業不超過3家，其中，貝特瑞國內領先，於2017年實現量產出貨，現已成功進入松下-特斯拉供應鏈。
1、 石墨負極潛力挖掘完全
1.1、 鋰離子電池通過Li+往返脫嵌於正負極之間實現化學能與電能相互轉換
鋰離子電池主要是由正極、負極、電解液、隔膜等部分組成，其中正、負極為活性組分，是能量存儲的載體。鋰離子電池工作原理：以鈷酸鋰和石墨負極為例，1）充電時，電子從正極轉移到負極，同時鈷酸鋰中的鋰失去電子成為鋰離子進入電解液，鋰離子穿過隔膜後進入石墨負極，並在負極接受電子還原成為鋰。2）放電時，鋰在負極失去電子後，穿過隔膜回到正極，並在正極接受電子被還原，完成放電。鑑於鋰離子的這種傳輸特點，鋰離子電池又被稱為「搖椅電池」，其中，電極材料脫嵌性能是鋰離子電池性能的決定因素之一。
1.2、 石墨是目前廣泛使用的負極材料，通過嵌入的方式儲鋰
石墨是目前動力電池負極材料商業化應用的主流。目前商業化的負極材料主要有石墨（天然石墨和人造石墨等）、無定形碳（軟碳和硬碳）、鈦酸鋰及矽基材料（納米矽碳材料、氧化亞矽和無定形矽合金）。2019年動力電池用負極材料中石墨負極材料的出貨量佔比達97%以上。
石墨通過嵌入的方式進行儲鋰。不同的負極材料可以通過嵌入、合金化或者轉換反應實現儲鋰。石墨為嵌入式的典型代表，嵌入的Li插在層狀石墨層間，形成不同的「階」結構。隨著Li的嵌入量增加，最終形成1階結構，對應石墨的理論容量為372mAh/g。
1.3、 石墨負極克容量接近理論值，不能滿足電芯能量密度提升的需求
電芯的能量密度為
其中，Em、Qc、Qa、Uc、Ua、k分別為電芯的能量密度、正極克容量、負極克容量、正極平均電位、負極平均電位和正負極活性材料的質量或體積與電池總質量或體積的比值，在實際電池體系中，k值通常介於0.42~0.61。
鋰離子電池的能量密度不斷提升。1991年索尼公司第一批商業化鋰離子電池能量密度相對較低(能量密度80 Wh/kg或200 Wh/L)，現在先進的高能量密度鋰離子電池可以實現300 Wh/kg或720 Wh/L。
目前，高端石墨克容量已達到360-365mAh/g，接近理論克容量372 mAh/g。因此從負極材料角度看，電芯能量密度的提升需要開發出具有更高比容量的負極材料。
2、 矽基負極材料最具商業化前景
2.1、 矽鋰合金的克容量是石墨的10倍多，電芯能量密度提升空間大
具有高克容量和低電位等優勢，矽基負極材料是最具商業化潛力。矽鋰化後具有很高的理論克容量，約4200 mAh/g，是石墨的10倍左右。同時，矽還具有較低的電化學嵌鋰電位（約0.4 V vs. Li/Li+），不存在析鋰問題、儲量豐富等優點，是公認的非常具有潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。根據《高能量密度鋰離子電池矽基負極材料研究》中指出，如果不使用富鋰正極，當電芯能量密度要達到280Wh/kg以上時，就必須使用矽基負極。
2.2、 矽基負極材料產業化關鍵點：體積劇烈變化和不穩定SEI膜
Li+在脫嵌過程中巨大的體積膨脹效應會導致矽顆粒產生裂紋粉化和結構崩塌。矽表面與電解液接觸，重複形成的固相電解質層（SEI）使電化學性能惡化。
矽是通過合金化儲存鋰，合金化反應伴隨巨大的體積變化。在充電時，矽被鋰化，Si和Li+產生一系列的反應，並且體積變化不斷增大。首先，矽顆粒外層出現非晶態的LixSi，內層依然保持晶態矽。隨著鋰化程度的加大，矽完全鋰化生成Li22Si5時，其理論容量將達到4200 mAh/g ，體積膨脹320%，而碳材料只有16%。放電時，Li22Si5會分解成Li+和Si，體積隨之變小。
根據中科院物理所研究發現，矽柱陣列電極在嵌鋰過程中（充電）體積膨脹，由初始的圓柱形最終演變成類似於圓屋頂形，而脫鋰過程中（放電）體積收縮，最終演變成碗狀形貌。
巨大體積變化導致矽顆粒的粉化、負極材料活性物質脫落和SEI膜持續形成。1）對於整個電極而言，由於每個顆粒膨脹收縮會「擠拉」周圍顆粒，這將導致電極材料因應力作用從電極片上脫落，進而導致電池容量急劇衰減，循環壽命縮短。2）對單個矽粉顆粒來說，嵌鋰過程中，外層嵌鋰形成非晶LixSi發生體積膨脹，內層還未嵌入鋰不膨脹，導致每個矽顆粒內部產生巨大應力，造成單個矽顆粒開裂粉化。3）充放電循環過程中，矽顆粒開裂粉化和電極材料的脫落會不斷產生新的表面，進而導致固相電解質層（SEI膜）持續形成，不斷消耗鋰離子，造成電池整體容量持續衰減。
材料設計和電池體系優化是解決矽基負極材料商業化的主要方式：1）材料設計，通過矽的納米化、對矽進行碳包覆、加入氧化亞矽等方式，減小體積變化帶來的負面影響。2）電池體系，目前主要是通過電解液添加劑、負極材料粘接劑、導電劑的優化來來減少矽基負極的膨脹影響。3）電極結構改進，省去粘接劑或集流體，直接將活性材料複合在導電網絡中製得極片，該技術路線處於研發階段。
2.3、 矽基負極材料的製備方法多、產品未標準化
矽基負極材料可以通過多種製備方法獲得，主要包括化學氣相沉積法、機械球磨法、溶膠-凝膠法等。矽基負極材料相對於石墨負極材料的製備工藝複雜，大規模生產存在一定困難，且每個企業生產工藝不盡相同，產品目前沒有達到標準化。
3、 矽基負極材料的產業化發展
3.1、 矽基負極產業化時間短，日企處於行業領先
矽基負極材料由日本企業首先在2015年和2017年陸續推向消費和動力電池領域。1996年開始矽基負極的研究，日本松下2012年推出含矽電池，2015年日立Maxwell的SiO/C負極電池運用到消費電池領域，並在2017年特斯拉採用日立化成的矽基負極應用到電動車中。日本GS湯淺推出矽基負極材料的鋰電池，應用在三菱汽車上。
3.2、 目前碳包覆氧化亞矽、納米矽碳商業化程度最高
目前，商業化的矽基負極材料主要包括碳包覆氧化亞矽、納米矽碳、無定型矽合金、矽納米線四種，其中，碳包覆氧化亞矽、納米矽碳是商業化程度最高的兩種矽基負極材料。1）碳包覆氧化亞矽，目前較好的碳包覆氧化亞矽碳產品搭配石墨到 450-500m Ah/g容量後使用，已經可以做到在鋼殼電芯中循環1000-2000周，在軟包電芯中循環500-1000周。2）納米矽碳，目前商業化的軟包電池和方形鋁殼電池對膨脹依然非常敏感，以致納米矽碳材料仍然較難使用在這類電池上。目前納米矽碳材料的主要應用領域仍是在圓柱鋼殼電池中，以18650和21700型號為代表。
3.3、 國內大批量生產企業少，貝特瑞優勢明顯
目前，矽碳負極材料在我國的發展尚處於初級階段，實際應用還比較小眾，市場總體產量較小。根據高工產研統計，2019年我國矽基（包括矽碳和矽氧）負極材料出貨量僅3700噸，在負極材料中的滲透率約1.4%。
國內量產企業少，貝特瑞處於領先地位。根據高工鋰電的調研，國內能夠量產的企業不超過3家。其中，只有貝特瑞能夠大批量供貨，貝特瑞已經進入了松下的供應鏈，間接供應特斯拉。國內其他廠商處於研發或者小批量量產階段。當前穩定量產矽基負極型號較少，以420mAh/g、450mAh/g兩款為主。
4、 矽基負極廠商將受益於電芯能量密度提升
在行業下遊，特斯拉已搭載矽基負極電池。近年來隨著下遊動力電池的行業對高能量密度負極材料需求的增長，矽基負極材料未來將快速增長。根據高工鋰電預測，到2022年矽基負極材料需求量將達到2.2萬噸，2019-2022年年複合增長率高達80%。目前，穩定量產矽基負極價格介於10-12萬元/噸，遠高於石墨類負極3.5-7.5萬元/噸的價格。價格按照5%年降計算 ，到2022年，矽基負極材料市場空間有望超20億元。
4.1、 貝特瑞：負極材料龍頭，矽基負極國內領先
公司主營負極材料和正極材料，其中2019年負極材料營收佔比達69%。2019年，公司人造石墨國內市佔率11%，排名第四；天然石墨國內市佔率63%，排名第一；矽基負極材料出貨量國內領先。
公司矽基負極材料不斷升級迭代。1）矽碳負極材料，公司已經突破至第三代產品，比容量從第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g，且正在開發更高容量的第四代矽碳負極材料產品。2）氧化亞矽負極材料，目前公司已完成多款產品的技術開發和量產工作，部分產品的比容量達到1600mAh/g以上。
4.2、 杉杉股份：矽基負極開啟產業化
2019年公司營收約76億元，其中負極材料佔比進一步提升至33%。根據高工鋰電數據，公司人造石墨國內市佔率20%，排名第三；天然石墨國內市佔率6%，排名第三。
公司矽基負極材料和電解液方面均有布局。公司圓柱電池用矽氧材料，計劃進入海外圓柱電池客戶，可用於電動工具和電動汽車，目前正在進行中試。EV用矽氧材料，已進入整車企業測試。矽碳複合材料及寬適配系列電解液已量產。
4.3、 璞泰來：人造石墨龍頭，推進矽基負極產業化
2019年公司營收約48億元，負極材料佔比約64%。公司下屬子公司江西紫宸是人造石墨龍頭，2019年公司人造石墨國內市佔率22%，排名第一。
公司推進矽基負極研發和產業化進程。溧陽研究院試驗基地和檢測中心正抓緊建設中，其中矽碳試驗車間已於2019 年投入使用。公司與相關單位籤署了矽碳專利合作，重點推進矽碳、矽氧的研發和產業化。
來源：新時代新能源開文明團隊