硅基负极材料 能量密度优势巨大 有望快速放量！
随着4680 大圆柱和快充技术等技术的迭代，动力电池对高能量密度的需求越来越高。硅基负极相比石墨负极具有更高的比容量，有望脱颖而出成为理想的下一代负极。本文将从负极材料基本知识、硅基负极性能优劣势、4680、麒麟电池高能量密度电池需求放量、核心公司梳理等方面阐述该行业投资机会。
一、 负极材料基本知识
锂电池负极材料在锂离子电池中起关键作用。其工作原理是：在充电过程负极材料中不断地与锂离子发生反应，将外部的功以能量的形式存储在电池中。在电池的放电过程中，锂离子从负极转移到正极，电池对外做功。因此，锂离子电池性能的提高在一定程度上取决于对负极材料性能的改善。
锂电池负极材料分为碳类材料和非碳材料，碳类材料包括天然石墨负极、人造石墨负极、石墨烯、碳纤维等。非碳基材料主要分为硅基及其复合材料、钛酸锂、合金材料等。
目前广泛使用负极材料是仍是石墨材料。但是商业化的石墨负极容量发挥已接近其理论比容量（372 mAh/g），限制其进一步的应用。而硅负极具有很高的理论比容量（4200 mAh/g，并且有较低的电化学嵌锂电位，快充性能优异，符合目前电池技术发展的需求。
二、为什么硅基负极性能如此好，没有大范围商用？
硅基负极如果想大范围商用，这些缺点必须解决好。
一点是：硅负极在充放电过程中存在巨大体积膨胀。这样会导致较差的循环寿命和不可逆容量。
第二点是：硅负极的首次充电效率较低。在锂离子电池首次充电过程中，有机电解液会在负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(SEI)膜，不可逆地消耗大量来自正极的锂离子，造成首次循环的库仑效率偏低。现有的石墨材料有5%~10%的首次不可逆锂损耗，由于硅材料的表面积高于石墨，首次不可逆锂损耗达15%~35%。
目前主流解决方案，将硅负极与碳复合材料混合使用，原理上，碳负极材料具有良好的循环稳定性能和优异的导电性，且锂离子对其层间距并无明显影响，在一定程度上可以缓冲和适应硅的体积膨胀。同时硅与碳化学性质相近，二者结合紧密，改善硅系材料的导电性，还能避免硅碳颗粒在充放电循环中发生团聚。
硅基负极技术路线：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。硅氧负极的综合性能较好，是下一代高比能硅基负极材料的选择。在硅氧负极中的Li+在SiO 中具有更高的扩散速度，表现出更好的倍率性能；同时，嵌锂过程中体积膨胀也显著小于硅碳负极，循环寿命更长。
三、特斯拉 4680、麒麟电池高能量密度电池需求放量 硅基负极迎来高光时刻
随着新能源汽车的发展，客户对续航时间、续航里程和轻量化提出更高要求。《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。硅基负极材料相对石墨负极可以储存更多的锂离子，理论比容量可达（4200mAh/g），电池能量密度相对较高，从而有效提升续航时间及里程。
高端动力电池需求带动下，，硅基负极市场需求将快速提升。目前应用硅基负极的主要为4680 大圆柱电池以及长续航快充车型，硅基负极搭配能量密度较高的高镍三元正极优势更加突出。
大圆柱电池可以较好匹配高镍三元和硅基负极，大圆柱电池受力均匀、自动化程度高的特点能够有效缓解高镍三元热稳定性弱、易产气的劣势。对于硅基负极材料，其膨胀性较高限制了以往的大规模普及，而4680 的封装形式对体积膨胀的容忍度更高，可以有效帮助硅碳负极的普及。
除了特斯拉。国内很多头部厂商也纷纷布局大圆柱电池，松下、LG 化学均在推动4680 大圆柱电池配套设施建设；国内方面，宁德时代正加快研发节奏，规划了8 条4680 电池产线，共12GWh；比克动力于 2019 年开始研发大圆柱电池，预计 2023 年量产；亿纬锂能具备4680 的技术储备。国内企业将跟进布局 4680 电池，带动圆柱电池渗透率将进一步提升。将成为硅基负极增长催化剂。
快充时代来临，促进硅基负极应用
新能车快充加速应用，高倍率快充与高电压平台加速渗透。宁德时代麒麟电池发布，4C 快充有望逐步落地。负极材料是实现快充的关键所在。目前正极材料对锂电池的快充影响不大，而负极材料对其影响较大，特别是析锂反应的问题。（什么是析锂反应？负极的嵌锂空间不足、锂离子嵌入负极阻力太大、锂离子过快从正极脱嵌但无法快速等量嵌入负极，还存在锂离子在负极上沉积为锂金属、而非嵌入负极的析锂反应。容易导致热失控）。硅基负极可有效改善普通石墨负极的析锂问题。
负极出货量快速增长，渗透率稳中有升，未来发展空间巨大：数据显示，2021年中国硅基负极材料在负极渗透率仅为1.4%，机构预测2025年硅基负极需求将达23.1 万吨。
四、硅基负极布局核心企业梳理
小编梳理负极产业链企业均有在布局硅基材料，但是杉杉股份和贝特瑞在硅基负极布局较早，产品最为成熟。同时已经在批量供货。他们两家2022年4万吨/年的硅基负极项目投建。其余公司均在中试阶段。
目前，硅基负极的市场集中度高，量产企业不超过3 家，在研发及小试企业超过20 家。各企业的硅基材料性能各有不同。当前稳定量产硅基负极型号较少，以420mAh/g、450mAh/g 两款产品为主。材料的比表面积，首次容量，首次效率等是影响电池性能的关键指标，材料的性能越好，越能满足高功率密度锂离子电池的需求。
这里要特别分析一下杉杉股份和贝特瑞在硅基负极的布局情况：
杉杉股份：硅氧负极优势明显，性能和产业化水平行业领先。公司突破硅基负极材料前驱体批量化合成核心技术，已经完成了第二代硅氧产品的量产，正在进行第三代硅氧产品和新一代硅碳产品的研发。2021年硅氧负极出货量千吨级别，已在消费类市场和高端电动工具市场批量应用，在动力电池应用领域进入送样认证阶段。公司在硅氧负极产品上布局领先，目前公司第三代硅氧产品（克容量1350mAh/g）首次效率已达到90%。
贝特瑞：贝特瑞生产的硅基负极材料主要用于制造动力电池和消费电子电池。公司完全掌握了硅基负极材料的生产技术、获得了定制化产品的开发和生产能力。目前硅碳负极材料已经突破至第三代产品，比容量从第一代的650mAh/g 提升至第三代的1,500mAh/g，且正在开发更高容量的第四代硅碳负极材料产品。
行业投资总结：随着动力电池能量密度要求的提高，硅碳负极搭配高镍三元材料的体系成为发展趋势。石墨负极材料的容量上限已无法满足快速发展电动汽车更高能量密度的需求。硅基负极能量密度优势明显，伴随4680电池量等产进程加快，硅负极产业化大势日益明朗。同时，硅基负极技术迭代很快，在膨胀系数大、首效低、电导性弱、倍率较差等核心技术难点已逐步找到解决途径。相关收益公司有望快速放量，建议关注杉杉股份、贝特瑞这种行业龙头，产能释放较快的公司。
