18 新能源锂电池系列——硅基负极，锂电材料升级的必经之路.pdf-solarbe文库

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敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告硅基负极，锂电材料升级的必经之路 --新能源锂电池系列报告之九 [Table_IndNameRptType] 新能源与汽车行业研究/深度报告 [Table_IndRank] 行业评级增持报告日期 2022-05-26 [Table_Chart] 行业指数与沪深300走势比较 [Table_Author] 分析师陈晓执业证书号S0010520050001 邮箱chenxiaohazq.com 联系人牛义杰执业证书号S0010121120038 邮箱niuyjhazq.com [Table_Report] 相关报告 1.电动化浪潮势不可挡，把握供需紧张环节和利润分配锂电行业年度策略报告2022-1-2 2.石墨化缺口仍在，工艺迭代及一体化布局重塑负极格局新能源锂电池系列报告之六2022-3-8 3.供需支撑高锂价利润上移-资源为王加速开发新能源锂电池系列报告之七 2022-3-20 4.三元高镍化大势所趋，四个维度考量盈利成本经济性新能源锂电池系列报告之八2022-5-18 3.锂电行业周报上下游合作产业链，锂短缺难解、价持续高位 2022-02-20 主要观点 [Table_Summary] ⚫ 硅基负极是未来发展方向，商业化应用仍需解决体积膨胀等问题目前锂电负极材料以石墨类为主，占比高达 98，石墨类负极比容量均在350mAh/g以上，已经接近理论比容量上限372mAh/g。硅基负极优势明显，理论比容量最高达 4200mAh/g，是石墨材料 10 倍以上，并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异，是未来负极的发展方向。但硅基负极在嵌锂过程中体积膨胀严重、材料导电性差、首效和循环性能等问题制约了其商业化应用，2021 年出货量仅为1.1万吨，渗透率不足2，方向明确，潜力巨大。 ⚫ 硅氧和硅碳主流路线享溢价，技术创新空间大、单位投资与价格趋降在目前商业化应用中，硅负极采用掺杂方式加入到人造石墨中，技术路线分为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，首效高、体积膨胀较大、循环性能较差；硅氧负极则采用氧化亚硅与石墨材料复合，首效低、成本高、循环性能更好。不同硅基负极企业一体化程度不同投资额不同，目前均大幅高于石墨负极，随技术进步规模化投产后，硅基负极投资额会逐步下降；硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成，纯品硅价格区间较大，根据掺硅比重的不同，硅基负极理论价格区间在 7-17万元之间，未来随着规模效应和技术降本，长期价格将会下降。 ⚫ 硅基负极受益4680拉动渗透提升，预计2025年空间或达300亿元随着新能源车快速发展，快充技术发展和续航里程焦虑、4680 大圆柱电池带动硅基负极在动力市场需求快速上量。预计 2025 年由特斯拉 4680驱动市场或达 183.7 亿元，除外，硅基负极也将在 2023 年后应用在其他动力电池尤其是高镍领域，加上消费电池渗透率提升所带的增量，我们预计2025年全球硅基负极市场空间或将达300亿元。 ⚫ 硅基负极放量带动粘结剂PAA、补锂剂、碳纳米管粉体等新型材料发展，2025年市场空间分别为51.3、34.2、73亿元新型粘结剂PAA国产替代加快，预计2025年市场空间为51.3亿元；正极预锂化为目前主流，负极预锂化值得关注，补锂剂需求旺盛，预计 2025年市场空间为34.2亿元；碳纳米管导电剂能显著提升电池性能，渗透率逐步提高，预计2025年市场空间为73亿元。 ⚫ 投资建议建议关注硅基负极龙头贝特瑞，硅氧负极技术领先的杉杉股份，大力发展正极补锂的铁锂龙头德方纳米，以及碳纳米管导电剂龙头天奈科技。 ⚫ 风险提示新能源汽车发展不及预期；4680进展不及预期；硅基负极进展不及预期；硅基负极产能扩张不及预期。 -24 -2 20 42 65 87 3/21 6/21 9/21 12/21 电气设备沪深300 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 2 / 26 证券研究报告正文目录 1总论 . 4 2行业趋势硅基负极是负极发展方向 . 7 2.1 石墨类负极是主流，但提升空间有限 7 2.2 硅基负极比容量极高、快充优，但体积膨胀、导电性较弱 8 2.3 硅碳与硅氧是主流方向，技术创新空间巨大 10 2.4 高壁垒带来高溢价，规模化后有望持续降本 13 2.5 下游需求放量，硅基负极有望爆发 15 3硅基负极放量带动新型材料发展 . 16 3.1 新型负极粘结剂迎来放量，看好 PAA国产替代 . 16 3.2 正极预锂化为目前主流，负极预锂化值得关注 17 3.3 碳纳米管显著提升电池性能，渗透率逐步提高 19 4市场空间测算 . 20 4.1 全球硅基负极市场空间测算 20 4.2 衍生材料市场空间测算 22 5重点公司 . 24 5.1 贝特瑞负极材料龙头企业，硅基负极技术领先 . 24 5.2 杉杉股份硅氧负极逐步上量，技术位居行业前列 24 5.3 德方纳米积极布局正极补锂的铁锂正极龙头 24 5.4 天奈科技碳纳米管龙头企业，受益于导电剂渗透率提升 24 风险提示 25 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 3 / 26 证券研究报告图表目录图表1负极材料性能对比 . 4 图表 2中国负极材料出货量及石墨占比（万吨，） . 4 图表 3中国硅基负极出货量及渗透率（万吨，）. 4 图表 4 全球硅基负极市场空间测算 . 5 图表 5衍生材料（碳纳米管、PAA、补锂剂）市场空间预测 . 6 图表6 硅基负极相关重点公司 . 6 图表7锂电池工作原理 . 7 图表8锂电池成本构成 . 7 图表 9中国负极材料出货量及石墨占比（万吨，） . 7 图表 10锂离子电池总比容量与正负极材料比容量关系 . 8 图表 11锂枝晶生长示意图 8 图表 12负极材料按照储锂机制分类 9 图表 13硅负极体积膨胀带来的负面效应 9 图表14负极材料性能对比 . 10 图表 15中国硅基负极出货量及渗透率（万吨，） . 10 图表 16硅碳负极和硅氧负极性能对比 . 11 图表 17主要硅基负极制备流程中的主要方式 . 11 图表 18贝特瑞的一种硅碳负极制备工艺 . 12 图表 19贝特瑞制备锂离子电池用氧化亚硅 . 12 图表 20溧阳紫宸新材料的硅氧负极制备工艺 . 13 图表 21硅基负极制备一般流程 . 13 图表 22 硅基负极万吨投资额约在5-12亿元（一体化程度不同，金额不同） . 14 图表 23 石墨价格和硅基负极价格对比（万元/吨） 14 图表 24我国动力电池产量（GWH） 15 图表 25全球锂电池出货量预测（GWH） 15 图表26 近年来动力电池于系统能量密度变化（WH/KG） . 15 图表 27特斯拉4680大圆柱电池 16 图表 28特斯拉4680圆柱电池性能总结 16 图表29 部分水性粘接剂厂商及产品 . 17 图表30 部分粘接剂性能对比 . 17 图表31负极预锂化前后电池的电化学性能对比 18 图表32部分正极预锂化方案预锂化试剂的补锂容量以及对电池性能的影响 18 图表 33预锂化硅基负极制备流程 . 18 图表 34单碳壁管（左）与多碳壁管（右）模拟结构示意图 19 图表35常见导电剂优缺点对比 . 19 图表 36 2021年中国动力电池导电剂占比情况 . 20 图表 37 2025年中国动力电池导电剂占比情况预期 . 20 图表 38特斯拉4680电池驱动硅基负极市场空间预测 . 20 图表 39除特斯拉4680电池外动力用硅基负极市场空间预测 . 21 图表40消费用硅基负极市场空间预测 22 图表 41衍生材料（碳纳米管、PAA、补锂剂）市场空间预测 . 23 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 4 / 26 证券研究报告 1总论负极材料目前以石墨为主，但硅基材料比容量优势明显，市场空间广阔。锂电池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在集流体（铜箔）两侧，经过干燥、滚压制得，作用是储存和释放能量，约占锂电池制造成本8左右。目前负极材料以石墨类为主流，2021 年中国负极材料出货量 72万吨，石墨材料占比达 98。但商业化石墨负极接近理论比容量上限 372mAh/g，限制了其进一步应用。在已知的负极材料中，硅拥有的理论比容量高达4200mAh/g，是石墨材料的10 倍以上，并且能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异，有望成为下一代负极材料。图表1负极材料性能对比类型天然石墨人造石墨硅基负极理论容量（mAh/g） 340370 310360 4200 膨胀率 1225 1225 300以上循环性能（次）＞1000 ＞1500 ＞300-500 首次效率（）＞93 ＞93 ＞77 工作电压（V） 0.2 0.2 0.30.5 快充性能一般一般优秀安全性一般一般良好优点工艺成熟，成本低比容量大缺点安全性差，比容量接近上限导电性差，体积膨胀资料来源贝特瑞公告、华安证券研究所硅材料存在的体积膨胀、导电性差以及首效和循环性能差等问题，制约了其商业化应用。2021年中国硅基负极出货量1.1万吨，在负极材料中渗透率仅有1.53。在目前商业化应用中，硅负极主要采用掺杂的方式加入到人造石墨中，主流技术路线为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与石墨材料复合。在硅碳负极的制备过程中，需要首先制备纳米硅颗粒，最外层由碳做包覆层，形成壳核结构。目前硅碳负极的商业化容量在 450mAh/g 以下，首效高但体积膨胀较大，因此其循环性能相对较差；硅氧负极首效低，成本高，但循环性能更好。硅氧负极的制备过程并不唯一，通常是先制备锂离子电池用氧化亚硅，然后进行碳包覆等后续工艺。图表 2中国负极材料出货量及石墨占比（万吨，）图表 3中国硅基负极出货量及渗透率（万吨，）资料来源GGII、华安证券研究所资料来源GGII、华安证券研究所 0.05 0.15 0.25 0.5 0.6 1.1 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 2016 2017 2018 2019 2020 2021 出货量（万吨）渗透率 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 5 / 26 证券研究报告对比石墨负极和硅基负极投产数据，中科电气石墨负极一体化项目，固定资产投资额为2.5亿/万吨，而贝特瑞硅基负极项目约9亿元/万吨，石大胜华硅碳项目约 6亿元/ 万吨。不同硅基负极企业的一体化程度不同，投资额不同，但是目前均大幅高于石墨负极。根据产业反馈，规模化投产后，硅基负极投资额会逐步下降。硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成，目前国内人造高端石墨价格 6 万元/ 吨，纯品硅的价格区间较大，且部分纯品硅出厂时已进行预锂化，低价达30万左右，最高价可达110万/吨。我们将人造石墨与硅纯品按照不同掺杂比例进行复合，则硅基负极理论价格区间在7-17万元之间，未来随着规模效应和技术降本，长期价格将会下降。硅基负极主要应用在消费电池和动力电池领域，随着新能源车快速发展，快充技术发展和续航里程焦虑、4680 大圆柱电池带动硅基负极在动力市场需求上量。我们预计 2025 年全球硅基负极市场空间将达到近 300 亿元，主要由三部分组成1）随着 2022 年特斯拉4680大圆柱的量产，硅基负极市场将迎来爆发增长，预计2025年特斯拉4680 驱动的硅基负极市场空间将达到 183.7 亿元； 2）预计 2023 后硅基负极将逐步应用在除特斯拉之外的其他动力电池市场中，2025年除特斯拉外其他动力用硅基负极市场空间将达到67.7亿元；3）传统消费用硅基负极将保持稳健发展，渗透率逐年提高，预计2025 年消费用硅基负极市场空间将达到46.1亿元。图表 4 全球硅基负极市场空间测算 2021A 2022E 2023E 2024E 2025E 特斯拉总产量（万辆） 93 180 290 400 480 4680电池总需求（GWh） 10 50 122 242 掺硅比重 6 8 10 12 比容量（mAh/g） 543 608 672 737 4680硅基负极需求（万吨） 0.6 2.9 6.3 11.5 硅基负极价格（万元/吨） 15 15 16.6 17 16 4680驱动硅基负极市场空间（亿元） 9.6 48.0 107.8 183.7 其他动力电池需求（GWh） 256.31 373.90 502.90 648.55 753.70 高镍三元电池需求（GWh） 51.26 102.82 163.44 226.99 282.64 硅基负极在高镍三元电池中的渗透率 10 20 35 掺硅比重 8 10 12 其他动力用硅基负极需求（万吨） 0.8 2.1 4.2 其他动力用硅负极市场空间（亿元） 14.1 36.2 67.7 全球消费电池出货量（GWh 120.0 132.0 145.2 159.7 175.7 消费用硅基负极出货量（万吨） 1.1 1.3 2.1 3.1 5.4 消费用硅基负极市场空间 16.6 19.5 25 31.8 46.1 硅基负极出货量合计（万吨） 1.11 1.94 5.24 10.34 18.60 全球硅基负极市场空间（亿元） 16.6 29.2 87.1 175.8 297.5 资料来源华安证券研究所测算 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 6 / 26 证券研究报告硅基负极放量将驱动新型粘接剂（PAA）、补锂剂、碳纳米管导电剂等相关衍生材料发展。新型粘结剂PAA国产替代加快，预计2025年市场空间为51.3亿元；正极预锂化为目前主流，负极预锂化值得关注，补锂剂需求旺盛，预计2025年市场空间为34.2 亿元；碳纳米管导电剂能显著提升电池性能，渗透率逐步提高，预计 2025 年市场空间为73亿元。图表 5衍生材料（碳纳米管、PAA、补锂剂）市场空间预测 2022E 2023E 2024E 2025E 全球锂电池出货量（GWh） 800 1120 1500 1900 正极材料出货量（万吨） 160 224 300 380 多壁碳纳米管均价（万元/吨） 25 22 20 20 多碳纳米管粉体需求量（万吨） 0.72 1.34 2.04 2.81 多壁碳纳米管粉体市场空间（亿元） 18.0 29.6 40.8 56.2 硅基负极出货量（万吨） 1.9 5.2 10.3 18.6 单壁碳管粉体出货量（万吨） 1000 950 900 900 单壁碳管粉体价格（万元/吨） 0.002 0.005 0.010 0.019 单壁碳管粉体市场空间（亿元） 1.9 5.0 9.3 16.7 碳纳米管粉体市场空间（亿元） 19.9 34.6 50.1 73.0 全球负极材料出货量（万吨） 72.0 100.8 135.0 171.0 PAA价格（万元/吨） 20.0 25.0 22.0 20.0 PAA市场空间（亿元） 21.6 37.8 44.6 51.3 正极材料出货量（万吨） 160 224 300 380 补锂剂渗透率（） 3 7 11 15 补锂剂在正极添加量 2 2 2 2 补锂剂出货量（万吨） 0.10 0.3 0.7 1.1 补锂剂价格（万元/吨） 40 35 30 30 补锂剂市场空间（亿元） 3.8 11.0 19.8 34.2 资料来源华安证券研究所测算我们建议关注硅基负极龙头贝特瑞，硅氧负极技术领先的杉杉股份，大力发展正极补锂的铁锂龙头德方纳米，以及受益于碳纳米管导电剂渗透率提升的天奈科技。图表6 硅基负极相关重点公司公司市值（亿）归母净利润（亿元）利润增速 PE 2021 2022E 2023E 2022E 2023E 2022E 2023E 贝特瑞 440 17.5 22.6 31.4 29 39 19 14 杉杉股份 448 33.3 33.3 43.3 0 30 13 10 德方纳米 395 8 17.6 20.1 120 14 22 20 天奈科技 275 2.9 6.3 10.8 111 72 44 26 资料来源德方纳米为华安证券研究所预测，其他为wind一致预期 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 7 / 26 证券研究报告 2行业趋势硅基负极是负极发展方向 2.1 石墨类负极是主流，但提升空间有限负极材料是锂电池四大关键材料之一，约占整个锂电池制造成本8左右，关键功用在于可逆地脱/嵌锂离子，是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、压制而成。图表7锂电池工作原理图表8锂电池成本构成资料来源CNKI，华安证券研究所资料来源GGII，wind，华安证券研究所目前锂离子电池负极材料以石墨类为主。受益于下游新能源车放量，负极材料增速明显，2016-2021年，中国负极材料出货量由2016年11.8万吨上升至2021年的72万吨，增速明显。其中石墨类负极占比从93进一步提升至98，市占率稳步提升。图表 9中国负极材料出货量及石墨占比（万吨，）资料来源GGII、华安证券研究所负极比容量的增加对电池比容量提升效果显著，寻找新一代负极材料正当其时。锂电池的质量能量密度主要由正极克容量、负极克容量以及正负极电势差决定。实验室测试显示，电池比容量随着正极材料比容量的上升而显著提高，而在正极材料比容量一定的条件下，负极材料比容量对电池的比容量的提升并非线性关系，在负 11.8 14.8 19.2 27 37 72 93 93 95 96 97 98 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年人造石墨天然石墨其他石墨材料占比（天然人造） [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 8 / 26 证券研究报告极材料300mAh/g1200mAh/g阶段，电池比容量提升效果显著。随正极三元材料高镍化趋势正盛，提升负极材料质量比容量的重要性与日俱增。目前主流厂商的石墨负极产品比容量均在350mAh/g以上，接近理论比容量上限372mAh/g，寻找更高比容量的新型负极材料正当其时。图表 10锂离子电池总比容量与正负极材料比容量关系资料来源CNKI、华安证券研究所快充技术的发展需要电芯材料的革新相匹配。快充技术也是锂电池技术进步的方向，石墨材料由于其层状结构决定锂离子必须从材料的端面嵌入，然后扩散至颗粒内部，致使传输路径较长，嵌锂过程较慢限制了锂离子电池的快充应用，同时其对锂电位（0.05V）过低也致使在大电流充电过程中发生锂沉积副反应造成析锂，析出的锂金属以枝晶的形式生长，有可能会刺穿隔膜，危害电池安全。图表 11锂枝晶生长示意图资料来源GGII、华安证券研究所 2.2 硅基负极比容量极高、快充优，但体积膨胀、导电性较弱硅基负极材料的机制与石墨不同，通过合金和去合金化反应进行，在已知的负极材料中，拥有的理论比容量高达4200mAh/g，是石墨材料的10倍以上，并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异，同时其对锂电位（0.30.4V）略高于石墨也较好的解决了析锂难题。 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 9 / 26 证券研究报告图表 12负极材料按照储锂机制分类资料来源CNKI、华安证券研究所硅作为负极材料在实际应用中存在首次库伦效率低、倍率性能和循环性能差等问题。尽管硅具备相当可观的嵌锂容量，但在嵌锂过程中将会出现严重的体积膨胀和结构变化。体积膨胀产生的机械应力不断破坏硅颗粒表面的SEI膜，多次循环最终导致锂离子消耗殆尽，循环性能变差；在现有电解液中，锂盐𝐿𝑖𝑃𝐹6分解产生的微量𝐻𝐹也会对硅造成腐蚀，导致硅负极的容量发生衰减，使得电池的首次库伦效率偏低；由于硅是半导体材料，电子电导率和离子电导率低影响其电级反应速率，使得倍率性能变低。图表 13硅负极体积膨胀带来的负面效应资料来源谷智强纳米硅基复合负极材料的构建及其电化学性能研究、华安证券研究所负极材料嵌入型碳基材料石墨中间相炭微球硬碳碳纳米管石墨烯 Li4Ti5O12 合金型硅基材料锡基材料转化型 SnO2 Co3O4 Fe2O3，Fe 3O4 CuO [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 10 / 26 证券研究报告图表14负极材料性能对比类型天然石墨人造石墨硅基负极理论容量（mAh/g） 340370 310360 4200 膨胀率 1225 1225 300以上循环性能（次）＞1000 ＞1500 ＞300-500 首次效率（）＞93 ＞93 ＞77 工作电压（V） 0.2 0.2 0.30.5 快充性能一般一般优秀安全性一般一般良好优点工艺成熟，成本低比容量大缺点安全性差，比容量接近上限导电性差，体积膨胀资料来源贝特瑞公告、华安证券研究所硅基负极处在商业化应用初期，渗透率目前为 1.53。硅基负极可以有效提升电池比容量，但由于其体积膨胀、导电性差所带来的的负面影响，制约了其商业化应用。2021 年中国硅基负极出货量1.1万吨，在负极材料中渗透率仅有1.53。图表 15中国硅基负极出货量及渗透率（万吨，）资料来源GGII、华安证券研究所 2.3 硅碳与硅氧是主流方向，技术创新空间巨大由于单质硅的体积膨胀系数过大，因此在实际的商业应用中，硅负极主要采用掺杂的方式加入到人造石墨中，主流技术路线为硅碳和硅氧，硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与石墨材料复合。在硅与不同材料的复合过程中，通常会结合结构设计（纳米化和多孔硅）等辅助工艺手段提供膨胀空间，硅基材料在复合材料中主要作为活性物质提供容量，其他材料作为载体，缓冲体积膨胀。此外，硅基负极材料会设计成包覆结构，最外层用碳包覆来充当导电网络，也可避免电解液直接接触硅基材料发生副反应。 0.05 0.15 0.25 0.5 0.6 1.1 0.42 1.01 1.30 1.85 1.62 1.53 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 2016 2017 2018 2019 2020 2021 出货量（万吨）渗透率 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 11 / 26 证券研究报告图表 16硅碳负极和硅氧负极性能对比硅碳负极硅氧负极体积膨胀率较高较低首次充放效率较高较低首次库伦效率较高较低循环性能较弱较强倍率性能较弱较强成本较低较高工艺相对成熟复杂现有改性方案纳米化（提高容量、充放能力）、多孔化设计（提高电极材料的循环性能、倍率性能）预锂化处理（提高首次库伦效率）资料来源华经情报网、华安证券研究所从制备方式上看，主要用到的技术手段有机械球磨法、化学气相沉积法、高温热解法、溶胶凝胶法，其中机械球磨和化学气相沉积法对设备要求较为简单，制造成本较低，在工业化量产中更为主流。图表 17主要硅基负极制备流程中的主要方式制备方式特点化学气相沉积法（CVD）硅碳两组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性和较高的首次充放电效率，碳层均匀稳定、不易出现团聚现象。对设备要求简单，反应过程环境友好，复合材料杂质含量少，适合工业化生产。机械球磨法机械球磨法制备的复合材料颗粒粒度小、各组分分布均匀，而且机械球磨法制备硅/碳复合材料具有工艺简单、成本低、效率高，适合工业生产；但是该法是两种反应物质在机械力的作用下混合，颗粒的团聚现象难以解决。高温热解法此种方法合成的复合材料中碳的空隙结构一般较大，能较好的缓解硅在充放电过程中的体积变化。但是，高温热解法产生的复合材料中的硅的分散性较差，碳层会有分布不均的状况，并且颗粒容易产生团聚等现象。溶胶凝胶法该方法能够实现硅碳材料的均匀分散，而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量。但是碳凝胶较其它碳材料稳定性能差，在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大，导致负极材料结构破裂；且凝胶中氧含量过高会生成较多不导电的SiO2，导致负极材料的首次充放电效率较低。资料来源贝特瑞招股书、华安证券研究所在硅碳负极的制备过程中，需要首先制备纳米硅颗粒，最外层由碳做包覆层，形成壳核结构。目前硅碳负极的商业化容量在450mAh/g以下，首效高但体积膨胀较大，因此其循环性能相对较差。 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 12 / 26 证券研究报告图表 18贝特瑞的一种硅碳负极制备工艺资料来源贝特瑞专利书、华安证券研究所硅氧负极首效低，成本高，但循环性能更好。硅氧负极的制备过程并不唯一，通常是先制备锂离子电池用氧化亚硅，然后进行碳包覆等后续工艺。图表 19贝特瑞制备锂离子电池用氧化亚硅资料来源贝特瑞专利书、华安证券研究所但传统制备氧化亚硅的生产效率低且结构难控制，紫宸新材料提出一种直接将𝑆𝑖、 𝑆𝑖𝑂2和还原性金属按比例混和，省去了制备氧化亚硅的流程，得到一种有混合晶相的硅氧负极材料。 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 13 / 26 证券研究报告图表 20溧阳紫宸新材料的硅氧负极制备工艺资料来源溧阳紫宸新材料专利书、华安证券研究所制备硅基负极的工艺选择因为制备前驱体的工艺而有所不同，但后端工艺大致相同，均需经过表面处理，烧结等过程得到最终成品。图表 21硅基负极制备一般流程资料来源CNKI，华安证券研究所 2.4 高壁垒带来高溢价，规模化后有望持续降本硅基负极单位投资额高于石墨负极，规模化降本是必然趋势。硅基负极项目投资额普遍较高，但负极企业布局热情不减。对比石墨负极和硅基负极投产数据，中科电气石墨负极一体化项目，固定资产投资额为 2.5 亿/万吨，而贝特瑞硅基负极项目约 9 亿元/ 万吨，石大胜华硅碳项目约6亿元/万吨。不同硅基负极企业的一体化程度不同，投资额不同，但是目前均大幅高于石墨负极。根据产业反馈，规模化投产后，硅基负极投资额会逐步下降。 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 14 / 26 证券研究报告图表 22 硅基负极万吨投资额约在5-12亿元（一体化程度不同，金额不同）企业项目产品投资额产能规划贝特瑞硅基负极材料项目硅基负极 50亿（35亿固定资产） 4万吨石大胜华硅基负极装置及配套工程硅基负极材料，氧化亚硅材料 7.3亿（建设投资为 3.6亿，流动资金为 3.7亿） 2万吨，预期年收入 14.6亿，成本12.3 亿元，税后净利润 1.7亿硅碳负极材料项目硅碳负极 6200万 1000吨已试生产杰瑞股份硅碳纯品、氧化亚硅纯品及硅基复合负极材料硅碳纯品、氧化亚硅合计2.5亿知识产权作价（具体数据还需进一步验证）硅碳纯品400吨氧化亚硅1400吨硅基复合负极18000 吨硅宝科技锂电池用硅碳负极材料及专用粘合剂项目硅碳负极 5.6亿元（4.6 亿固定资产） 1万吨/年锂电池用硅碳负极材料、4万吨/年专用粘合剂资料来源公司公告、华安证券研究所硅基负极产品售价目前高于石墨负极，技术进步和规模效应会带来成本下降。硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成，目前国内人造高端石墨价格6万元/吨，纯品硅的价格区间较大，且部分纯品硅出厂时已进行预锂化，低价达 30 万左右，最高价可达 110万/吨。我们将人造石墨与硅纯品按照不同掺杂比例进行复合，则硅基负极理论价格区间在 7-17 万元之间。后文测算中我们考虑动力电池优先选用制备成本更高的硅氧负极，且享受新产品溢价，因此我们选用15万元/吨进行测算，未来随着规模效应和技术降本，长期价格将会下降。图表 23 石墨价格和硅基负极价格对比（万元/吨）资料来源鑫椤锂电、华安证券研究所 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 15 / 26 证券研究报告 2.5 下游需求放量，硅基负极有望爆发硅基负极主要应用在消费电池和动力电池领域，随着新能源车快速发展，硅基负极有望在动力市场迎来放量。2021 年我国动力电池出货量 220GWh，同比增长 170， 2022年虽受国内外疫情反复，但下游需求刚性，3月产量为39.2GWh，环比增长247.3，景气度不减。我们预计全球锂电池出货量在2025年将达到1550GWh。图表 24我国动力电池产量（GWh）图表 25全球锂电池出货量预测（GWh）资料来源GGII、华安证券研究所资料来源GGII、华安证券研究所快充技术发展和续航里程焦虑带动硅基负极需求上量。高功率充电，一般指充电桩提供超过150kW，对动力电池进行大电流充电，而选择大电流存在电阻散热等诸多问题，高电压平台成为重点方向，而高倍率快充下石墨电极极化大，电位容易降到 0V 以下而析锂，硅基负极与快充技术更加匹配。相比于石墨负极嵌入式储锂而言，硅基负极材料的合金化储锂机制可以储存更多的锂离子，从而赋予硅更高的理论比容量（4200mAh/g），电池能量密度相对较高，从而有效提升续航里程。中国制造2025明确了2025年电池能量密度达到400Wh/kg，2030年电池能量密度达到500Wh/kg的远景目标，硅基负极未来有望在电池能量密度较高的三元电池体系中迎来渗透率的提高。图表26 近年来动力电池于系统能量密度变化（Wh/Kg） 2016 2017 2018 2019 2020 圆柱三元单体 180 215 250 270 273 圆柱三元系统 130 140 145 155 162.5 方形三元单体 190 200 225 245 245 方形三元系统 132.5 140 145 165 175 软包三元单体 210 225 240 260 260 软包三元系统 140 155 150 160 165 资料来源GGII，华安证券研究所 4680 大圆柱进一步推动硅基负极发展。2020 年特斯拉首次发布了 4680 大圆柱电池，其特色是“大圆柱、硅负极、无极耳、干电极”，是2170电池的电芯容量的 5倍，单体能量密度可达到300Wh/kg，充放电明显，能够有效提高相应车型16的续航里程，由于电池数量的降低，也将减少结构件的使用，节约生产成本，特斯拉估算，4680电池相较于2170电池将实现14的成本下降。2022年1月，特斯拉宣布其加州工厂已经量产了100万块4680圆柱电池。 29.7031.80 39.20 0 10 20 30 40 50 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月12月 2019年 2020年 2021年 2022年 371 650 1550 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2021年 2022E 2025E CAGR33 75 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 16 / 26 证券研究报告图表 27特斯拉4680大圆柱电池资料来源特斯拉电池日、华安证券研究所图表 28特斯拉 4680圆柱电池性能总结特点描述大圆柱大圆柱可降低成本（外径越大，成本越低），且相比方形与软包电池，对体积膨胀的容忍性更高。硅负极 4680 采用高镍三元正极，以NCM811为主，高能量密度适配硅负极，预计掺硅量可达10以上。无极耳 “无极耳”（tabless）设计，降低电流距离，实现内阻下降，解决快充时出现的发热问题，4680能20 分钟内完成从 10到 80SOC 的快充。干电极排除了极性溶剂对金属锂制品的腐蚀，避免了能量损失，同时带来了一定的成本节约。 CTC一体化压铸车身与宁德时代CTP技术类似，通过减少中间件，提高体积利用效率。资料来源特斯拉电池日、华安证券研究所 3硅基负极放量带动新型材料发展硅基负极的发展，除了对布局硅基负极的企业形成利好外，还有望带动产业链配套的新型粘接剂（PAA）、补锂剂、碳纳米管导电剂等新型材料发展。 3.1 新型负极粘结剂迎来放量，看好PAA国产替代粘结剂其主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体，使电极活性物质、导电剂和集流体间具有整体的连接性，从而减小电极的阻抗。目前负极粘接剂一般选择对环境无污染的水性粘结剂如CMC、SBR，其中SBR最为常用，约占负极粘接剂总量的98。硅基负极膨胀率高，传统 CMC-SBR 粘附性不强，无法发挥硅基负极的性能优势。研究表明，PAA粘结剂粘附性更强，硅基负极更适合用 PAA类新型粘结剂。新型水性 PAA 类粘结剂则具有如下特点，1）含有较多的羧基，丰富的羧基与硅颗粒形成氢键作用，赋予活性颗粒与集流体之间较强的结合力，同时还具有缓解硅基材料体积膨胀的作 [Table_CompanyRptType] 行业研究敬请参阅末页重要声明及评级说明 17 / 26 证券研究报告用，PAA不仅可与Si形成强氢键作用，而且能在Si表面形成均匀的类