创新驱动新一代电池繁荣

吴光智贝特瑞新材料集团股份有限公司战略市场部副部长许智斌亚德诺半导体（中国）有限公司中国汽车事业部总经理在双碳目标驱动的交通电动化加速转型过程中，动力电池创新成为强化新能源汽车竞争水平、打造国家产业竞争力、稳固企业竞争优势的关键，无论是新能源汽车先发国还是追赶国，或是动力电池链条各企业主体，纷纷瞄准新技术并布局新一代动力电池。当前动力电池创新潜力还很大，新技术竞争格局远未形成，各市场主体有望通过创新技术发展重塑市场与产业格局。在动力电池技术创新百花齐放的关键时期，本报告特别关注车用动力电池材料创新、工艺创新、结构创新及体系创新1.材料创新是新一代动力电池技术发展的基础，缓解上游资源供应风险、降低核心材料成本、提升核心指标与性能等是其创新主要驱动力，高镍低钴/无钴等正极及硅基等负极材料成为主要发展方向。当前部分正极创新产品已经处在规模化应2.工艺创新是新一代动力电池技术发展的保障，电池性能提升需求、结构创新发展需要及降本增效等成为工艺创新的主要驱动力，叠片工艺成为重要选择且具有较广阔的应用潜力。当前我国企业加快布局叠片机细分领域，并在叠片效率方面取得一定进展，2025年国内叠片机市场规模有望突破40亿元。提升制造效率、降低设备投入成本、提升良品率，解决部分装备卡脖子技术，加速方形电池叠片机设备3.结构创新是新一代动力电池技术发展的重要支撑，动力电池规模化与精细化驱动电池结构向集成化、平台化发展。当前国内产业链企业引领结构创新发展，且正在加速动力电池包向大模组、无模组演化的速度。动力电池包高集成下的制造、维修以及标准化等是下一阶段行业需要重点解决的问题，也将带来电池和整车企业4.体系创新是新一代动力电池技术发展的战略性布局，固态电池是被广泛认可的新一代动力电池技术。目前欧美日韩中产业链主体积极布局固态电池，但技术路线仍存在差异性，其中日韩在硫化物上占据先发优势。混合固液电池是固态电池中短期产业化重要发展方向，部分产品已经搭载装车示范应用，全固态电池规模化量钠离子电池将成为锂电池的重要补充。缓解上游资源供给以及与锂离子电池兼容互补是钠离子电池产业化发展的主要驱动力。当前钠离子电池处于产业化阶段初期，我国技术研究处于世界前列地位。钠离子电池未来有望在储能、低速车等领域占据优势，随着技术成熟或逐步走向车用领域。提升能量密度、改善循环特性、完在下一阶段，我国该如何保持动力电池技术创新的竞争力，本报告从国家、行1.国家层面，一是制定新一代动力电池国家级产业发展战略；二是进一步完善动力电池创新体系建设；三是为动力电池产业技术创新创造规范、良性的市场竞争环境；四是主导创建动力电池产业引导基金；五是围绕锂电池和新电池体系，对关2.行业层面，一是充分发挥电池相关行业研究机构的作用；二是提前布局新一代动力电池相关标准；三是促进动力电池产业链各主体高质量合作；四是加强新一代动力电池产业人才队伍建设；五是加快绿色金融一揽子工具在动力电池产业链的3.企业层面，一是加大动力电池创新技术的研发投入；二是明确保证产品质量是企业的立足之本；三是推动智能工厂在动力电池行业中的应用；四是基于新一代 1（一）碳中和加速交通电动化转型，动力电池需求攀升 3 4 （四）高镍低钴/无钴正极材料产业未来发展趋势 三、新一代电池驱动下的硅基负极材料创新发展 七、新一代电池驱动下的钠离子电池创新发展 八、稳固与提升我国新一代电池竞争力的发展建议 图1全球新能源汽车销量及渗透率 3图2中国及全球动力电池装机量 4 6 6 7图6近年动力电池市场格局演变 9 钴动力电池装机量预测与在三元动力电池中的占比（下图） 图29负极材料的分类 图36不同锂电设备价值量占比 图37卷绕工艺与叠片工艺对比 图55清陶能源混合固液电池生产工艺 图59液态电解质和固态电解质界面接触示意图 图63基于固态电池全产业链搭建固态电池标准体系构想 图67不同电芯单体能量密度对比 图68不同电芯单体循环寿命对比 图69国内钠离子电池产业链梳理（不完全统计） 图70钠离子电池和锂离子电池材料成本对比图 5 7表3国内外部分产业链企业在新一代动力电池技术方面的布局 9 表13硅与碳系材料复合后硅基负极性能改善 表20几种补锂方式的预锂化效果对比 表23国内外部分动力电池企业当前方形叠片 表24叠片机类型及国内外主要锂电设备企业 表30各类电池包成组效率汇总 表32宁德时代和弗迪电池部分结构创新应用整车 表38全球部分固态电池相关企业进展情况 表40液态电解质和固态电解质电导率 表42锂离子电池和钠离子电池部分性 11创新是动力电池行业发展的主旋律在双碳目标驱动的交通电动化加速转型过程中,动力电稳固企业竞争优势的关键,无论是新能源汽车先发国还是追赶国,或是动力电池链条各企业主体,纷纷瞄准新技术并布局新—代动力电池。当前动力电池创新潜力还很大,新技术竞争格局远未形成,各市场主体有望通过创新技术发展重塑1.碳中和目标驱动交通电动化转型加速,新能源汽车渗透率不断提高通工具1,碳中和目标势必会带来交通领域清洁化、电动化的变革,传统燃油汽车的可再生能源占比不断提升,新能源汽车成为道路交通碳减排的最佳选择。时间2020A2021E2022E2025E中国（渗透率）134(6%)320（13%）500(18%)900(30%)欧洲（渗透率）140(10%)177(14%)175(20%)622(40%)美国（渗透率）33(2%)48(3%)100(6%)393(23%)其它（渗透率）17(1%)20(1%)53(3%)327(14%)资料来源:中金研究部与车百智库1lEA数据:2018年,交通领域二氧化碳排放占全球的25%,其中乘用车和商用车等道路交通工具碳排放占比为74%,/data-and-statisticsEV100PLUS•32.动力电池需求猛增,2025年装机量规模将进入Twh时代新能源汽车的大幅增长将拉动全球动力电池需求猛增,202达到1370Gwh。过去十年,中国发展培育出了全球最大的新能源汽车消费市场,荣,将进—步加速电池规模释放。预计未来五年,动力电池装机量将不断攀升,0海外市场主导海外市场主导图2中国及全球动力电池装机量(单位:Gwh)资料来源:中金研究部1.高能量密度、高安全性、低成本诉求驱动新—代动力电池创新动力电池作为电动汽车的核心装备,其技术进步和性能水平直接决定了车辆里程、安全等关键性能指标。随着普及率的不断提高,电动汽车需要取代传统燃4•EV100PLUS油车,满足载客、载货、短途、长途等多样化场景需求,这就要求动力电池必须具备超越当前技术水平的优秀性能。—方面,提高动力电池能量密度是解决消费者里程焦虑的关键,在减小电池包整体体积和质量的同时延长续航里程;另—方面,提升动力电池安全性能是解决消费者安全焦虑的关键,目前,动力电池安全标准已经从单体安全转向强调整体性、系统性安全,涉及单体设计、系统集成、关心因素美国德国韩国中国印度续驶里程28%28%充电基础设施缺乏29%32%26%成本/价格溢价充电时间安全性29%车型选择少4%5%3%4%其他2%4%资料来源:德勤消费者调研动力电池成本约占整车成本的40%,其成本下降是进—月三元电池包价格约775元/kwh(不含税),相比2019年初下降了38%;磷酸铁锂电池包价格约625元/kwh(不含税),相比2019年初下降了46%;虽然短期内受上游资源供应影响,企业成本压力增大,但我们预计未来动力电池的价格仍将保持下降态势,年降幅平均约在8%左右。四大材料在动力电池成本中占比接近50%,其中正极材料是占比最高的压缩自身人工及制造费用控制成本;另—方面,部分电池企业向上游资源进行布局,通过买矿、股权投资、签订长协等方式控制上游原料的量与价,在—定程度EV100PLUS•5——Pack-方形三元 Pack-方形铁锂Cell-方形三元Cell-方形铁锂14001300120011001000900800700600400三元Pack：775元/kWh三元Cell：660元/kWh铁锂Pack：625元/kWh铁锂铁锂Cell：525元/kWh2019/22019/52019/82019/52019/122020/62020/32020/62020/92021/12021/4图3动力电池价格变动情况(不含税)资料来源:中国化学与物理电源行业协会三元电池系统成本构成粘结剂、导电电芯外壳等,PACK箱体及连接件,3.1%电芯外壳等,PACK箱体及连接件,3.1%正极材料,正极材料,负极材料,5.8%BMS及热管理系统,8.8%模组结构件,人工及制造费模组结构件,铜箔、铝壳,9.6%磷酸铁锂电池系统成本构成PACK箱体及连电芯外壳等,PACK箱体及连 接件, 接件,3.6%正极材料,负极材料,7.0%人工及制造费粘结剂、导电剂、模组结构件,模组结构件,铜箔、铝壳,BMS及热管理铜箔、铝壳,资料来源:高工锂电2.各国相继出台规划目标,力争在新—代动力电池发展中取得优势近年来,欧盟、美国、日本、韩国和中国等纷纷出台动力电池规划路线,力争新—代动力电池技术发展中的国际领先竞争地位。虽然目前中日韩垄断池市场的格局已经形成,使得欧美国家在本轮动力电池竞赛中处于被动,但由于欧美汽车和化工工业体系完备发达,创新研发能力强,在下—轮动力电池竞争中极有可能通过研发新—代电池来与中日韩竞争。电池技术方面,中国和欧盟侧重6•EV100PLUS发展锂离子电池、日韩和美国侧重发展固态电池。电池能量密度方面,各国和地50040030020010005004003002001000300Wh/kg250Wh/kg235Wh/kg350Wh/kg330Wh/kg300Wh/kg400Wh/kg500Wh/kg能量密度（Wh/kg）2020年2025年2030年2030年后资料来源:中国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，日本NEDO《二次电池技术开发路线图2013》，美国家/地区时间动力电池技术发展规划欧盟推出《BATTERY2030+》计划,对动力电池的全生命周期进行了详尽规划。为提高动力电池的能量功率密度,推出电池界面基因组-材料加速平台计划,利用人工智能大幅减少电池材料的开发周期;为提高电池系统寿命和安全性,提出研发可探测电化学反应的传感器,将新型传感器嵌入电池中连续监控其安全状态,并通过自愈合功能来提高电池容量和性能。此外,《BATTERY2030+》还对电池回收做出了规划,未来电池的回收率至少达到75%,并实现关键原材料的回收率接近100%美国拜登政府推出基建计划拟投资1740亿美元发展电动汽车,推动从原材料到零部件的国产化,并帮助美国企业制造电池和电动车美国先进电池联盟发布《美国锂电池国家蓝图2021-2030》,推动锂电高速发展。替代稀缺材料方面,计划到2030年实现电池去钴化和去镍化;建设原材料生产能力方面,计划到2025年将电池成本降至60美元/kwh,2030年规EV100PLUS•7国家/地区时间动力电池技术发展规划模化量产无钴无镍电池材料;电池组生产能力方面,计划到2030年将动力电池组制造成本进—步降低50%;推进科研和保持技术领先方面,计划到2030年实现固态电池和锂金属电池在内的前沿电池规模化量产,并将生产成本降低至60美元/kWh、能量密度达到500Wh/kg日本新能源与产业技术开发组织(NEDO)投资90亿美元启动了固态锂离子电池研发的第二阶段,以开发具有高能量密度和高安全性的动力电池。目标至2030年普及第二代全固态电池,并将成本从3万日元/kWh降至1万日元/kWh、将能量密度从约150Wh/kg提升至约500Wh/kg。此外,日本还着力推进新型电池的研究,例如金属空气电池、硫化物电池等韩国韩国电池产业协会制定了动力电池路线图,设定了单体电池能量密度的阶段发展目标。2020年达到300Wh/kg,2023年达到320Wh/kg,2025年达到韩国三大电池制造商LG化学、三星SDl和Skl宣布成立1000亿韩元的基金,以推进全固态电池、锂金属电池、锂硫电池相关材料、工艺和设备的研发中国推出《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,对动力电池各阶段技术发展提出了明确规划和目标,提出发展高比容量和热稳定性好的正负极材料、耐高温隔膜材料、耐高压阻燃电解液等关键材料技术,并布局了全固态锂离子和锂硫电池等新体系电池的研发《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中提出,开展正负极材料、电解液、隔膜、膜电极等关键核心技术研究,加强高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池和燃料电池系统短板技术攻关,加快固态动力电池技术研发及产业化资料来源:中国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》、《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,日本NEDO《二次电池技术开发路线图2013》,美国《美国锂电池国家蓝图2021-2030》、《BATTERY500》,3.全产业链技术创新使得动力电池产业竞争格局不断深化至今,中、日、韩三国的动力电池企业在全球电气化进程加速的背景下,不断扩大产能规模、降本增效、整合下游产业链优势,导致全球动力电池市场格局不断演变,座次排名变化频繁,但逐渐形成了宁德时代、8•EV100PLUS威能威能2%SKI力神3%3%SKI力神3%3%LEJ4%三星SDI5%其他10%松下36%LG化学8%AESC8%比亚迪11%PEVE10%2016年其他21%其他21%比亚迪19%3%三星SDI松下松下17%PEVE3%AESC沃特玛6%沃特玛6%CATL16%LG化学4%国轩高科4%2017年松下17%其他松下17%AESC3%CATLAESC3%PEVE3%比克3%比亚迪LG化学3%比克3%8%沃特玛4%三星SDI沃特玛4%三星SDI4%2018年2020年SKI2019年2018年2020年SKI2%力神2%国轩高科中航锂电2%2%力神2%其他10%其他13%PEVE2%力神其他10%其他13%PEVE2%力神3%三星SDI3%国轩高科其他19%PEVE2%CATL22%CATL25%CATL28%国轩高科3%AESCAESCCATL22%CATL25%CATL28%国轩高科3%AESC5%三星SDI3%三星SDI3%三星SDI松下21%比亚迪LG化学22%松下松下21%比亚迪LG化学22%松下24%9%4%LG化学LG化学10%松下18%LG松下18%LG化学8%比亚迪12%AESC3%AESC4%资料来源:SNEResearch整车、电池以及材料企业等重视新—代动力电池技术的开发。随着电型进程的推进,动力电池在汽车产业链中的地位愈加重要。在各国电池技术发展规划的指导下,产业链中整车企业、电池企业、材料企业等,纷纷加快新—代电企业类别企业名称技术布局整车企业大众2020年6月,增持在美国固态电池公司Quantumscape中的股份,并追加投资2亿美元通用2020年5月,宣布正在和LG化学合作开发动力电池ultium,是—种NCMA四元锂电池;同时,还在研究无钴电池、固态电解质、超充等技术EV100PLUS•9企业类别企业名称技术布局上汽2021年6月,宣布计划2021年底投产零热失控、高性价比、可快充、可快换、可升级的新—代动力电池;2025年投产技术全球领先的固态电池蔚来2021年1月,发布—款单体能量密度达360wh/kg的150kwh固态电池包产品,并宣布将于2022年四季度将该款固态电池装配到旗下的量产车上电池企业宣布将从2021年开始向通用汽车供应钴含量低于10%的NCMA电池,并与通用汽车成立合资公司共同进行电池研发SKl目前主要以NCM811为主,宣布将在2021年开始量产NCM9/0.5/0.5宁德时代目前NCM523及NCM811均有应用;全固态电池在开发中,公司预计2030年后实现商业化蜂巢能源2019年7月,发布了NCMA四元正极材料,公司预计2022年完成中高镍四元正极C样,进入量产;2021年4月,无钴正极材料在常州金坛工厂正式量产下线,7月首款无钴电池量产下线卫蓝新能源2022年计划推出混合固液电池产品,并和车企合作,实现装车;2022年计划在湖州建成2Gwh动力固态电池产线;公司预计2025年,全固态电池(氧化物路线)实现商业化,可以小批量生产材料企业韩国公司,正在研究NCMA高镍正极材料,其中镍含量达到92%,公司预计2021年实现四元正极材料量产林奈新能源美国林奈公司在中国分公司申请了四元正极材料的专利,并于2019年2月5日公开了公告容百科技布局无钴层状正极材料、NCMA四元正极材料,向下游客户送样,进—步完善性能各项指标贝特瑞较早布局硅基负极的研发,公司硅基负极产品对日韩主流电池厂商大批量发货(折合硅纯品年发货量达千吨级)资料来源:公司新闻、蜂巢能源调研、卫蓝新能源调研10•EV100PLUSEV100PLUS•111.动力电池生命周期长链条、多体系特点为创新发展提供了巨大想象空间动力电池产业链全面创新，推动新—代电池技术发展。动力电池资源、原材料研发制造到电芯制造集成、应用及回收的长极、隔膜、电解液材料与加工制造等方面多技术路线体系。目前动力电池技术仍处于快速创新发展迭代阶段，新材料、新工艺、新结构不断涌现，很多技术将逐对动力电池总体目标、系统集成、材料体系、智能制造及关键装备、新体系电池普及型比能量>250Wh/kg寿命>3000次/12年成本<0.32元/Wh比能量>200Wh普及型比能量>250Wh/kg寿命>3000次/12年成本<0.32元/Wh比能量>200Wh/kg寿命>3000次/12年成本<0.35元/Wh能量型电池比能量>300Wh比能量>300Wh/kg寿命>3000次/12年成本<0.30元/Wh2035年商用型商用型比能量>225Wh/比能量>225Wh/kg寿命>6000次/8年成本<0.40元/Wh比能量>200Wh/kg寿命>6000次/8年成本<0.45元/Wh比能量>250Wh/kg寿命>6000次/8年成本<0.35元/Wh高端型比能量>350高端型比能量>350Wh/kg比能量>400Wh/kg比能量>500Wh/kg寿命>1500次/12年寿命>1500次/12年寿命>1500次/12年成本<0.50元/Wh成本<0.45元/Wh成本<0.40元/Wh总体目标总体目标兼顾型比能量>300Wh/kg兼顾型比能量>300Wh/kg寿命>5000次/12年成本<0.55元/Wh比能量>250Wh/kg寿命>5000次/12年成本<0.60元/Wh比能量>325Wh/kg寿命>5000次/12年成本<0.50元/Wh能量动力兼顾型电池快充型比能量>250Wh/kg快充型比能量>250Wh/kg寿命>3000次/10年成本<0.65元/Wh充电时间<12分钟比能量>225Wh/kg寿命>3000次/10年成本<0.70元/Wh充电时间<15分钟比能量>275Wh/kg寿命>3000次/10年成本<0.60元/Wh充电时间<10分钟功率型型比能量>80Wh/kg寿命>30万次/12年成本<1.20元/Wh比能量>100功率型型比能量>80Wh/kg寿命>30万次/12年成本<1.20元/Wh比能量>100Wh/kg寿命>30万次/12年成本<1.00元/Wh系统集成成组效率>70%成组效率>73%成组效率>75%热扩散时间>90分钟不发生热扩散不发生热扩散标准化比例>30%标准化比例>60%标准化比例>90%材料体系橄榄石结构磷酸盐类材料、层状结构高镍多元氧化物材料、富锂锰基材料、尖晶石结构氧化物材料和其他新型高电压、高容量正极材料石墨类材料、软硬碳材料、硅等合金化负极材料、铌酸钛等高电位负极材料LiPF、LiFSI、LiTFSI等电解质盐，酯类、醚类及氟代酯类、醚类溶剂，新型电解质盐、溶剂及功能添加剂，固体电解质等PE、PP及其复合膜、表面改性膜剂及新型耐高温隔膜等智能制造及关键智能化、无人化、洁净化，Cpk>2.0，材料利用率>98%，动力电池新型工艺技术（如干电极、复合固体电解质电极等），电池、模组及电池系统实现规格化、标准化新体系电池材料体系的构效关系与材料设计、电极/电解质固固两相界面调控与反应机制研究、固态体系中锂离子嵌脱过程引起的材料应力分布变化和对电池性能的影响及调控；新型固态电池结构设计和制造；硫正极稳定性提升和锂负极循环性能提升等新体系资料来源:《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，中国汽车工程学会12•EV100PLUSEV100PLUS•132.新—代动力电池技术发展集中体现在材料创新、工艺创新、结构创新、体系创新本报告研究的新—代电池技术主要聚焦在,未来5-10年内具有产业化前景的、可应用于新能源汽车中、当前较受关注的技术方向。由于时间和篇幅所限,本报告在材料、工艺、结构、体系创新方向中选取了部分技术产业化进展进行调研分析,未来将跟随技术和产业最新进展持续对报告进行完善和更新。材料创新是新—代动力电池技术发展的基础,正负极材料作为重要活性组分对电池性能影响大。通过电池材料创新,将从根本上改善电池系统的性能表现、产品质量;正负极材料是四大材料中的重要活性组分和关键资源消耗中心,通过发展高镍低钴/无钴正极材料、添硅/补锂负极材料等,能够有效提升电池性能、工艺创新是新—代动力电池技术发展的保障,叠片工艺具有广泛应用多种电芯形状的潜力。通过应用新型锂电设备,实现生产工艺进步、改善制造效率;新型叠片机的成功研发,可将叠片工艺广泛应用在软包、方形电芯,通过减少设备投入、提高生产效率,降低电池生产成本。体系创新是新—代动力电池技术发展的战略布局,固态电池是后锂电时代的结构、供应链等方面的综合创新,通常其技术迭代周期较长,是各主体在新—代动力电池布局中的重要战略目标。固态电池在拥有高能量密度的同时兼具安全性等优势,能够解决目前液态锂离子电池存在的问题,是被广泛认可的新—代动力电池技术;但固态电池固/固界面接触性和稳定性较差的问题,给材料和制造工艺离子电池具有钠资源丰度较高、低温性能好、快充性能好等优势,与锂电池兼容互补,在储能和动力电池领域拥有应用潜力;但钠离子电池在能量密度、循环性能等方面仍有较大的提升空间,全产业链完整配套仍需进—步完善。2新一代电池驱动下的高镍低钴/无钴正极材料创新发展为主要发展方向,当前部分正极创新产品已经处在规模化应用阶段,其中高镍低钴/无钴正极材料理论价值有望在2025年突破百亿。下—阶段,部分材料的安全性解决、制备工艺攻关以及成本下降等依然是行(一)降本增效是新一代正极材料主要发展驱动力1.电池关键性能、材料成本、上游资源应用主要取决于正极材料的选用正极材料决定动力电池性能,是电芯材料主要成本中心和钴资源消耗中心。正极材料的选用对电池的能量密度及安全性起主导作用,纵观正极材料的发展历程,从钴酸锂、锰酸锂到磷酸铁锂(LFP)再到三元材料(NCM),能量密度逐渐矿山钴产量仅为14万吨左右,且70%钴产量集中在刚果(金)。指标钴酸锂(LCO)锰酸锂磷酸铁锂(LFP)三元材料镍钴锰酸锂镍钴铝酸锂比容量工作电压(V)循环寿命(次)≥500≥500≥2000≥1000≥500压实密度(g/cm3)安全性差优秀较好差成本高低低中中原材料资源钴资源贫乏锰资源丰富磷与铁资源丰富钴资源贫乏钴资源贫乏优点充放电稳定,生产工艺简单锰资源丰富,价格低,安全性好高安全性,环保,长寿命电化学性能稳定,循环性能好高能量密度,低温性能好EV100PLUS•17三元材料指标钴酸锂(LCO)锰酸锂磷酸铁锂(LFP)镍钴锰酸锂镍钴铝酸锂缺点钴价格昂贵,循环寿命较低能量密度低,电解质相容性差低温性能较差,放电电压低用到—部分金属钴,钴价格昂贵高温性能差,安全性能差,生产技术门槛高主要应用领域电子产品专用车乘用车乘用车资料来源:长远锂科招股说明书其他14%14%箔材8%电解液正极9%55%隔膜6%负极8%其他其他19%正极34%箔材14%负极隔膜10%电解液15%8%图8NCM523电芯材料成本构成(左图)和LFP电芯材料成本构成(右图)资料来源:真锂研究平板电脑笔记本电脑Powerwall7kg飞机4000kg手机5-10g电动工具HH混动汽车4kg电动汽车TT22.5g资料来源:M2Cobalt:Rejuvenatinganddevelopingcopper-cobaltprojectsinugand,CaesarsReport,2018年2月18•EV100PLUS其他,其他,9%150000单位：吨148000加拿大,2%俄罗斯,3%146000144000142000140000菲律宾,4%138000单位：吨148000加拿大,2%俄罗斯,3%146000144000142000140000菲律宾,4%138000136000201820192020巴布亚新几新喀里多尼亚,2%澳大利亚,古巴,4%刚果金,71%资料来源:《钴行业专题:供需关系改善,价格有望触底反弹》,东莞证券,2020年7月;《钴行业深度:凤凰涅槳,强势崛起》,天风证券,2021年7月2.降本增效需求驱动高镍低钴/无钴化成为新—代正极材料未来趋势随着未来电动汽车规模化、多样化发展,降本增效需求驱动正极材料向高镍低钴/无钴化方向发展。高镍低钴正极材料主要包括高镍三元(如NCM811和降低钴用量并提升能量密度;无钴正极材料主要包括无钴二元(NMx)ㄋ无钴富锂 0.51.5O4(LNMO)等,其中无钴二元等将成为新—代正极材料的重要技术路线。另外,由于富锂锰基正极材料具有高电压和高容量的特点,也被认为是具有较大应用潜力的新—代正极材料之—,但由于缺少匹配的成熟商业化的高电压电解液ㄋ材料在循环过程中平均放电电压逐渐衰减等,仍存在较多问题;此外还有5V高电压镍锰酸锂材料,材料研究进展较好,但同样缺少匹配的高电压电解液,产业化面临—定瓶颈,因此本报EV100PLUS•19正极简称相应代表正极材料化学式钴金属含量(质量分数占比)3.0%3.0%x资料来源:中国知网单位：Wh/kg400单位：Wh/kg4000资料来源:蜂巢能源20•EV100PLUS全固态，400全固态，400Wh/kg富锂正极+Li金属准固态，350Wh/kg高镍NCM+SiOx-Li280Wh/kg NCMA+Gr/SiOxNCMA四元NCM三元343Wh/kg，软包高镍NCM+SiC278Wh/kg高镍NCM+Gr/SiOx[20%]275Wh/kgNCM+Gr/SiOx[10%]220Wh/kgNMx+Gr2018201920202021202220全固态，350Wh/kg高镍NCM+Si-Li265Wh/kgNCMA+Gr/SiOx306Wh/kg高镍NCM+SiCNMx+Gr/Si-based293Wh/kg高镍NCM+264Wh/kg高镍255Wh/kgNCMA+Gr255Wh/kgNMx+Gr245Wh/kgNCM+GrGr/Si-basedNMx无钴固态资料来源:蜂巢能源(二)高镍低钴/无钴正极材料产业化进展1.高镍低钴/无钴正极材料,是正极材料发展的重要方向高镍三元目前研究较多,技术积累较为丰厚。高镍三元材料的结构式为x2型的层状岩盐结构,属六方晶系。高镍三元材料中,Co为其中Ni是主要的电化学活性物质,有助于提高材料的容量;Co可以提高材料的倍率性能,减少阳离子詂硓,降低阻抗值,提高电导率;Mn是非电化学活性物质,主要起骨架支撑作用,锂离子脱嵌时能够使晶体结构保持不变。—般而言,镍含量越高,三元材料的实际放电容量越高,但过多的Ni2+会使材料的循环性能度和较完整的层状结构,有利于提高材料的电化学性能。为了提高其安全性和稳定性,常采用离子掺杂和表面包覆的方法进行改善。目前,NCM811已经可以实EV100PLUS•212型资料来源:《锂电池三元正极材料的最新研究进展》，韩彬，电源技术，2020年2月2型层状岩盐结构ㄌ无钴二元材料中,Ni为活性元素,其价态—般为呗痩纡2ㄌ5-7系二元无钴正极材料,容量较呗,大约在160-180mAh/g之间,热稳定性高,可通过提高电压进行改善;8-9系二元无钴正极材料,容量较高,大国汉阳大学及韩国纡土动力电池企业共同提出4ㄌ因为Al常规三元材料中通常都掺有少量馯Al,但当其含量超过—定比例时,作为主元素存在,就称为NCMA四元正极材料5ㄌ目前,蜂巢研发馯中高镍单晶四元材料中,含量约在1-3%,与高镍三元相比,性能相当,安全性更高些6ㄌ2《无钴高镍锂离子正极材料LiNixMn1-xO2(0.5<x<1)研究进展》,庞国耀等,2020年9月3《蜂巢能源无钴正极材料技术及应用》,李子郯,ClBF会议,2021年3月4“镍含量90%NCMA四元电池要来了?”,2020年12月,/news/news-1106483-1.html5华友钴业调研6蜂巢能源调研22•EV100PLUSEV100PLUS•232型二元无钴正极材料的结构示意图资料来源:《无钴高镍锂离子正极材料LiNixMn1-xO2(0.5<x<1)研究进展》,庞国耀等,稀有金属,2020年9月2.高镍低钴/无钴正极通常采用高温固相烧结法进行制备,前驱体是关键材料前驱体是生产高镍三元/无钴二元等正极材料最关键的原材料,其理化指标与前驱体生产过程类似,原理基本相同。以三元前驱体为例,—般采用氢氧化物共沉淀法进行制备,将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰在反应釜中按—定比例配成可溶性的混合溶液,然后与氨、碱混合,通过控制共沉淀反应与结晶条件得到类球形氢xz234度、氨水浓度、反应釜构造等,均会对前驱体产品性能产生显著影响,最终使得产品的元素成分、晶体微结构、形貌、粒径及分布、比表面积等产生波动,因此三元前驱体—般为非标定制产品,各家技术标准并不统—。液碱、氨水液碱、氨水反应除铁除铁反应除铁除铁包装硫酸镍晶体硫酸钴晶体硫酸锰晶体 三元前驱体成品 三元前驱体成品资料来源:《中伟股份(300919):客户结构优质,正极前驱体龙头迎高增长期》,中泰证券,2021年1月去离子水高镍三元/无钴二元等正极多采用高温固相烧结法进行制备,工艺控制是关键。以三元正极为例,其生产流程主要包括烧结前工序(称量、混料、装钵等)、烧结工序和后道工序(筛分、除铁、包装等)。首先将三元前驱体和锂源按比例称量后进行混合,然后在窖炉中,控制—定的温度、时间和气氛进行烧结,将烧结产物粉碎、筛分、除铁后,得到三元正极材料成品。烧结工序是三元正极材料生产过程中最核心的工序,高性能产品—般要求做二次烧结,—次烧结温度较高,去离子水氧气三元前驱体氧气三元前驱体筛分混料、装钵投料粗碎、细碎洗涤一次烧结筛分混料、装钵投料粗碎、细碎洗涤一次烧结氢氧化锂氢氧化锂脱水干燥包覆二次烧结筛分装钵脱水干燥包覆二次烧结筛分装钵氧气氧气包覆剂包覆剂除铁批量包装成品除铁批量包装成品资料来源:《当升科技(300073)深度报告:高镍大势所趋,正极龙头迎来高增》,民生证券,2021年3月3.高镍低钴/无钴正极产业链基本与现有三元体系兼容,国内外产业链企业纷纷布局新型正极材料高镍低钴/无钴正极材料产业链基本与现有三元正极体系兼容,部分环节竞争各产业链环节主要供应商也基本沿用当前厂家,但部分产业链环节的竞争格局会发生变化。如在前驱体环节,我国三元前驱体行业的中伟股份、华友钴业、格林24•EV100PLUS美和湖南邦普这四家龙头企业,在2020年全球三元前驱体行业中合计占率已超过50%,它们也是新—代正极材料前驱体的主要供应现有三元正极材料市场集中度较分散不同,高镍三元正极材料行业集中度明显提升,2020年国内高镍三元正极材料供应商主要为容百碳酸锂/氢氧化锂资料来源:产业链调研容百科技,其他,容百科技,优美科,天津巴莫,南通瑞翔,长远锂科,贵州振华,长远锂科,当升科技,新乡天力,湖南杉杉,9%当升科技,新乡天力,湖南杉杉,9%当升科技,其他,湖南杉杉,当升科技,其他,天力锂能,容百科技,46.0%贝特瑞,容百科技,46.0%天津巴莫,资料来源:《高镍与涨价齐驱,迈向增长新阶段》,国信证券,2021年3月EV100PLUS•25资料来源:《高镍与涨价齐驱,迈向增长新阶段》,国信证券,2021年3月新能源汽车在全球的推广应用以及快速发展,消费市场对于新能源汽车在续航里程、成本、充电、安全等方面的综合诉求不断,相比于磷酸铁锂NCMA电池;蜂巢能源的无钴正极材料已于2021年4月量产下线,使用的中高下线,在第346批公告中,无钴电池已经配套长城欧拉樱桃猫6。其中,高镍电池的商业化进展最快,从2021年4月的上海车展来看,外资/合资、传统品牌、公司属性产业链企业研发进展材料企业格林美完成了四元正极材料的研发与量产工作,NCMA前驱体正在与客户进行吨级认证容百科技布局无钴层状正极材料、NCMA四元正极材料,向下游客户送样,进—步完善性能各项指标7“上海车展观察:高镍电池“春意渐浓””,/art-42655.html26•EV100PLUS公司属性产业链企业研发进展贝特瑞目前主要布局高镍正极材料,包括NCA和高镍NCM系列,8系NCM正极克容量约在210mAh/g左右韩国公司,是LG化学的NCMA四元锂电池正极材料的主要供应商,并正在研究NCMA高镍正极材料,其中镍含量达到92%,正极能量密度为228mAh/g,预计2021年实现四元正极材料量产,主要下游客户是LG化学和三星SDl林奈新能源美国林奈公司在中国分公司申请了四元正极材料的专利,并于2019年2月5日公开了公告电池企业宁德时代目前NCM523及NCM811均有应用,高镍电池已供应包括奔驰、宝马、奥迪、极氪、极狐、欧拉、蔚来、小鹏、哪吒、零跑、智己等车型蜂巢能源2021年4月无钴正极材料在常州金坛工厂正式量产下线,7月首款无钴电池(115Ah电芯)量产下线,在第346批公告中,无钴电池已经配套长城欧拉樱桃猫;2019年7月发布会上发布了NCMA四元正极材料,目前中高镍四元正极在B样阶段,高镍四元正极在A样阶段、预计2022年完成C样进入量产弗迪电池开发NCM811电池,已供应福特MustangMach-E全系列车型欣旺达开发NCM811产品,也在布局二元层状无钴正极材料NMx(Ni65/75),计划2-3年内实现量产宣布将从2021年开始向通用汽车供应钴含量低于10%的NCMA电池,并与通用汽车成立合资公司共同进行电池研发三星SDl目前主要以NCM622为主,正在与EcoProBM共同研发镍含量达92%的NCA正极材料;计划通过自产正极降低成本并实现自给自足,目标是到2030年将其正极材料自供占比由当前的20%提升至50%SKl目前主要以NCM811为主,宣布将在2021年开始量产NCM9/0.5/0.5资料来源:公开资料;贝特瑞、蜂巢能源、弗迪电池、欣旺达调研表7搭载高镍电池的部分新能源汽车车型情况(不完全统计)品牌类型车企型号续航(km)电池容量(kwh)上市时间外资/合资奔驰770(WLTP)奔驰415(NEDC)EV100PLUS•27品牌类型车企型号续航(km)电池容量(kwh)上市时间奔驰500(CLTC)宝马-宝马600(WLTP)奥迪福特600(CLTC)-起亚凯迪拉克上汽大众588(NEDC)上汽奥迪450(WLTP)传统品牌吉利极氪001北极极狐阿尔法S上汽智己长城欧拉好猫红旗EHS9造车新势力蔚来小鹏合众零跑资料来源:高工锂电4.高镍低钴/无钴正极材料理论原材料成本有所降低正极材料成本结构中,原材料成本占比最高,达到70-90%左右(根据金属原材中钴作为稀缺资源,其材料价格高且波动也较剧烈。降低钴用量能够在—定程度上降低正极材料的原材料成本,根据理论测算,高镍低钴/无钴正极材料的理论原28•EV100PLUSx制造费用,8%人工成本,2%直接材料,资料来源:容百科技招股说明书9/0.5/0.5中低镍x高镍x每GWh对应正极材料用量(吨)锂含量(吨)镍含量(吨)钴含量(吨)00锰含量(吨)铝含量(吨)0000300对应的锂盐价值(万元)对应的镍盐价值(万元)对应的钴盐价值(万元)00对应的锰盐价值(万元)EV100PLUS•299/0.5/0.5中低镍x高镍x对应的铝盐价值(万元)0000700理论原材料成本(万元/Gwh)资料来源:电源物理化学协会,东吴证券注:原材料理论成本计算方法:根据元素守恒定律、各正极材料的化学式,以及原材料损耗率,计算出每Gwh正极材料所需上游原材料的质量,乘以每种上游原材料价格,得到原材料成本,其中各原材料价格均取自2021年第—季度的平均价值(三)高镍低钴/无钴正极材料产业发展瓶颈1.高镍低钴/无钴正极体系电池,安全性问题需高度重视高镍低钴/无钴正极热稳定性较低,动力电池安全需加强管控。—般而言,无材料体系为例,由于充放电过程中Li+(0.076nm)和Ni2+(0.069nm)的离子半径接近,容易发生离子混排,导致材料结构逐渐坍塌,影响循环寿命。其中,Ni含量上升可以提高材料容量但会影响循环寿命和稳变并提高倍率性能。从2020年新能源汽车着火事故分析来看,国内高镍材料体系的不明原因起火比例略高2个百分点,海外高镍体系起火比例没有明显偏高。目前,高镍材料体系的安全问题从材料热稳定性上很难进行本质改善,释氧温度难以提高,现在主要通过系统设计如阻止热扩散、采用高安全电解液等,来延缓热失控速度,提高设计要求8。未来在原材料、电芯设计、pack热管理系统以及BMS等方面,应持续迭代更新,使高镍低钴/无钴正极体系电池的热稳定性得到提升,加强安全性管控。8欣旺达调研30•EV100PLUS资料来源:ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLi[NixCoyMnz]O2(x=1/3,0.5,0.6,0.7,0.8and0.85)cathodematerialforlithium-ionbatteries,J.PowerSources,2013,233,121-1300%0%47%46%中低镍高镍0%47%46%铁锂内圈：2020年海外新能源汽车不明原因起火电池材料体系外圈：2013-2020年海外累计新能源汽车不同材料保有量情况4%9%9%7%9%9%0%82%\80%u中低镍高镍铁锂其他内圈：2020年国内新能源汽车不明原因起火电池材料体系外圈：2015-2020年国内累计新能源汽车不同材料保有量情况图22海外(左图)和国内(右图)高镍体系新能源车起火比例资料来源:《当升科技(300073)深度报告:高镍大势所趋,正极龙头迎来高增》,民生证券,2021年3月EV100PLUS•312.高镍低钴正极材料的制备更复杂,存在—定技术壁垒高镍三元采用氢氧化锂作为锂源,加工条件要求高。—是,相比普通三元,高镍三元材料的烧结温度不宜过高,否则影响容量与倍率以上均采用熔点较低的单水氢氧化锂作为锂源5,而氢氧化锂易挥发且碱性很强,窖炉材质须耐碱腐蚀。二是,由于高镍三元中的二价镍难以氧化成三价镍,因此必须在纯氧气氛中进行高温合成,导致生产成本攀升。三是,由于镍元素呈碱性,高镍三元材料表面残碱含量较高,会影响后续涂布,因此需要对三元材料进行水洗,水洗过程中固液比、水洗时间和干燥过程等需要精细控制。四是,高镍三元材料对湿度高度敏感,包装车间环境要求相对湿度小于10%,包装工序最好采用全自动化和连续包装,物料输送和储存采用密封管道和密封储罐9。流程类别工艺流程细分环节高镍三元普通三元生产工艺煅烧前工艺混料锂源单水氢氧化锂碳酸锂前驱体制备要求高,品质要求高品质要求相对较低装钵匣钵装料量装料量小装料量大煅烧工艺煅烧煅烧时间时间长,需多次煅烧时间短煅烧温度温度低温度高煅烧氛围纯氧气气氛空气气氛煅烧后工艺粉碎硬度小硬度大水洗需要水洗水洗可选干燥要求高要求低包覆工艺需要包覆,要求高可选,要求低喷雾造粒/机械融合可选—般不使用包装需抽真空或充氮气包装无特殊要求生产设备煅烧前工艺混合设备设备种类高速混合机部分使用球磨机密封性密封控湿无特殊要求9《高镍三元正极材料产业化过程中难点问题探讨》,胡国荣,2019年8月32•EV100PLUS流程类别工艺流程细分环节高镍三元普通三元自动化要求要求高要求低耐腐蚀性要求高要求低装料抽真空抽真空无需抽真空匣钵刚玉含量高低耐腐蚀性强弱缺口需特殊设计无需特殊设计价格较贵便宜逽辌工艺ｳ軕耐腐蚀性耐碱耐氧气腐蚀耐碱腐蚀密封性要求高要求低温控精度高低逽辌屜工艺其他设备密封性要求高无特殊要求湿度10%以下无特殊要求资料来源:《正极材料深度报告:三元路线主导,高镍化大势所趋》,财通证券,2021年3月表10三元材料表面碱(LiOH和Li2CO3)含量随镍含量提升而增加材料LiOH(mg/kg)总碱量(mg/kg)资料来源:《高镍趋势明确,研发优势领先,未来充分享受技术溢价》,东方证券,2018年9月EV100PLUS•3334•EV100PLUS3.高镍低钴正极材料价格仍需要进—步下降的价格息息相关,还取决于单体电芯能量密度,与需求量和生产工艺水平有关5。—般而言,随着Ni含量升高,Co含量下降,正极的原材料成本有所降低,但生产制造难度增大,加工成本上涨。其中,高镍正极单位产能投资大,如5万吨高产制造技术逐渐成熟,以及市场规模的扩大,其市场价格有待进—步下降,以提25202020/52020/62020/72020/82020/92020/102020/112020/122021/12021/22021/32021/42021/5NCM523NCM622NCM811资料来源:鑫椤锂电10贝特瑞调研EV100PLUS•35(四)高镍低钴/无钴正极材料产业未来发展趋势1.高镍低钴/无钴正极材料具有较大发展潜力,预计到2025年原材料理论价值将突破百亿规模池企业技术逐渐向高能量密度发展,高镍三元材料占比逐年增加。高镍材料在占比分别为8%、15%和24%,提升十分明显,发展潜力巨大。4%8系,5系及以下,5系及以下,单位：万吨单位：万吨502017201820192020高镍三元正极三元正极资料来源:《正极材料深度报告:三元路线主导,高镍化大势所趋》,财通证券,2021年3月中短期磷酸铁锂电池装机份额提升,中长期三元电池高镍低钴/无钴电池应用潜力大。受整车成本压力等因素影响,中短期内磷酸铁锂电池在纯电动乘用车市场中的装机量预计将增长,根据测算,到2025年国内磷酸铁锂电池装机量占比据较多的市场份额,并随着技术进步升级,中长期看高镍低钴/无钴电池将逐渐占据—定市场份额,根据测算,到2025年国内高镍低钴/无钴电池在三元电池中的450400350单位：GWh单位：GWh2502001501000201920202021E2022E2023E2024E2025E磷酸铁锂三元140120单位：GWh单位：GWh806040200201920202021E2022E2023E2024E2025E50%40%30%20%10%0%高镍低钴/无钴电池在三元电池中的份额图252019-2025年分材料类型国内无钴动力电池装机量预测与在三元动力电池中的占比(下图)资料来源:东吴证券,车百智库预测注:测算方法,根据新能源乘用车、客车、专用车销量和不同车型中分电池材料类型占比等数据对磷酸铁锂和三元动力电池装机量进行预测。极为主;高镍无钴二元电池在蜂巢能源等公司的推动下,份额也将逐渐扩大;超36•EV100PLUS单位：亿元单位：万吨单位：亿元单位：万吨50NCM811正极NCM9/0.5/0.5正极NCMA正极NMx正极4002021E2022E2023E2024E2025ENCM811正极NCM9/0.5/0.5正极NCMA正极NMx正极图262021-2025年国内高镍低钴/低钴/无钴正极材料理论原材料价值预测(下图)资料来源:东吴证券,车百智库预测2.未来三元正极材料市场集中度将进—步提升高镍三元技术门槛较高,有助于重塑三元正极市场格局。目前三元正极市场略微呈上升趋势。未来随着高镍产品逐渐发展,由于其技术难度高、产品附加值高,对于具备高镍技术优势的正极材料企业来说,有望主导行业格局,获得可持EV100PLUS•37续的长远发展,使得三元正极行业市场集中度进—步提升。55%50%45%40%35%30%.25%20%201820192020CR3一CR5资料来源:《当升科技(300073)深度报告:高镍大势所趋,正极龙头迎来高增》,民生证券,2021年3月3.未来高镍低钴/无钴正极材料将更具成本优势高镍三元和无钴二元正极成本优势将凸显。首先是高镍三元正极,其能量密度高,可以满足消费者对于高续航里程的需求。高镍材料中Co含量降低,原材料成本比中镍三元具有优势,未来随着高镍体系在市场上的渗透应用,研发制造技术逐渐成熟,生产规模上量后,其加工成本存在较大下降空间,具备降成本潜力。其次是无钴二元正极,其能量密度中等,与中镍三元相比,成本相当,安全性类似,循环性能更好6,可以满足市场需求,而且不含钴元素,摆脱了稀缺钴资源的限制。无钴二元正极及其前驱体的制备和商业化的三元正极相似,供应商体系可以共用,不存在特殊工艺,加工成本相当,成本差异主要在Ni、Co、Mn比例方面,当Co价较高时,无钴材料的成本优势会更加突出。38•EV100PLUS3新一代电池驱动下的硅基负极材料创新发展提高动力电池能量密度的诉求驱动负极材料由石墨系材向硅基材料发展,国外企业率先实现硅基负极应用,中国企业逐步发力追赶。当前硅基负极仍处于导入阶段,大规模产业化仍存在—些困难。下—阶段负极材料性能改善、制备工艺提升、EV100PLUS•41(一)提高动力电池能量密度的诉求驱动负极材料由1.负极材料对动力电池能量密度等技术指标有重要影响更高的负极比容量是高能量密度电池的理论实现路径之—。解决的续航里程焦虑,提高动力电池能量密度是关键之—,增加电芯能量密度的根本重任集中在改进电芯体系和材料上。根据下图可知,电芯能量等于正负极电势差与电芯容量的乘积,提高电芯的能量密度的本质是提高正负极电势差与理论比容量,而电势差与理论比容量由材料自身决定,故而负极材料的选择对于单体电芯QQVa：负极平均电位资料来源:中国知网2.高比能量性能驱动硅基负极是新—代负极材料的重要发展方向硅通过合金化方式储锂,理论比容量是石墨的10倍以上,因此负极掺硅是提升能量密度的有效手段。现阶段改性天然石墨和人造石墨负极比容量达到量高达4200mAh/g,是石墨的10倍以上,硅材料的应用理论上可以提升单体电芯的能量密度。同时,硅是地球上储量排名第二大的元素,资源丰富。此外,硅还具有较低的电化学嵌锂电位,在充电时可以避免表面的析锂现象,展现出其可快充的应用前景。因此,新—代负极材料的研发热点集中在硅基材料。项目天然石墨负极材料人造石墨负极材料硅基负极材料理论容量(mAh/g)首次效率循环寿命较好较差安全性较好较好倍率性较好成本较低较低较高优点能量密度高、加工性能好膨胀低,循环性能好能量密度高缺点电解液相容性较差,膨胀较大能量密度低,加工性能差膨胀大、首次效率低、循环性能差资料来源:贝特瑞公开发行股票说明书(二)硅基负极材料产业化进展1.石墨是目前负极材料的主流，硅基负极是未来发展方向来源广泛,是目前主流的锂电池负极材料,人造石墨负极出货量占比近80%。其42•EV100PLUS他负极材料中,硬碳、软碳在技术上还不够成熟;中间相炭微球具有高倍率性能优异等特点,但其产率低、制备工艺复杂、成本难以下降,导致其发展受限;钛但其克容量低、且成本极高,限制其在电动汽车领域中的广泛应用;而硅基负极因其高比容量和丰富的硅资源储量,被认为是最具有应用前景的负极材料之—。天然石墨天然石墨石墨化碳人造石墨石墨化碳人造石墨复合石墨复合石墨中间相炭微球中间相炭微球碳材料碳材料硬碳硬碳无定形碳软碳软碳碳纳米材料负极材料石墨烯碳纳米材料负极材料石墨烯钛基材料钛基材料非碳材料锡基材料非碳材料锡基材料硅碳复合材料硅基材料硅碳复合材料硅基材料氮化物氮化物资料来源:《中国新能源汽车动力电池产业发展报告(2020)》,中汽中心,2020年10月40单位：万吨单位：万吨252050201720182017201820192020人造石墨其他负极材料人造石墨资料来源:高工锂电EV100PLUS•432.硅材料纳米化是早期硅基负极材料产业化应用技术路线为克服硅颗粒破碎的问题,必须将尺寸限制在纳米级别,150nm是硅材料体积膨胀质变的“门槛”。研究表明11,当硅颗粒的粒径低于150nm时,硅在体积变嫇的过程中能够保持结构的稳定,不会发生鱬鳧现象;而当粒径大于150nm时,在体积变嫇的过程中颗粒表面会先发生鱬裂,之后随着循环增加,整个颗粒都会纳米硅材料可以有多种结构,其中纳米硅颗粒商业化应用价值最大。硅纳米嫇材料可以有不同的形貌特征,包括零维的硅纳米颗粒,—维的碳纳米线、纳米管,二维的硅薄膜、硅纳米片,三维的多孔硅等ㄌ其中,硅纳米颗粒的制备方法比较成熟,成本较低,且容易与现有的锂电材料生产工艺相匹配,表现出很强的项目详情纳米嫇零维结构:硅纳米颗粒—维结构:硅纳米线、纳米管二维结构:硅薄膜、硅纳米片三维结构:多孔硅吋輷纳米尺度的硅可以有效平衡循环过程中的体积膨胀应力,增强结构稳定性,抑制循环过程中电极的剥离、鱬鳧及粉嫇增强电极/电解液/集流体接触,缩短锂离子扩散路径以获得高倍率性能缺輷与微米级材料相比,纳米材料合成更为困难,材料的形貌和粒径更加不易控制,制备工艺更复杂,成本也更高高的电解液/材料表面的接触比例,意味着在首次循环中生成更大面积的SEI膜(solid-electrolyteinterphase,SEI),消耗更多的锂离子导致容量下降相比于微米级材料,纳米材料的振实密度降低从而使电极整体的体积比容量下降资料来源:《硅负极复合材料及其电化学界面特性研究》,马天翼,清华大学,2017年4月;《硅碳复合纳米材料的制备及作为锂离子电池负极材料的应用》,陈逸凡,浙江大学,2017年4月11Size-DependentFractureofSiliconNanoparticlesDuringLithiation,xiaoHuaLiu,etal.,ACSNano,44•EV100PLUSEV100PLUS•45仅将硅材料的尺寸降低并未解决所有问题。尽管通过构建复杂的纳米结构能够提高硅负极的电化学性能,但是多数纳米结构具有高比表面积,导致低首周库仑效率;低压实密度导致低体积比容量和低能量密度;高成本且复杂的制备过程难以产业化。由此可见,仅将硅材料的尺寸降低并未解决所有问题,还需将硅与其他材料复合来协同改性,才是硅基负极的产业化发展方向。3.硅与其他材料复合改性是当前硅基负极产业化应用的重要技术路线硅与碳系材料或金属材料复合改性,能够改善硅基负极性能。当硅颗粒尺寸过小时,在充放电过程中大的比表面积会与电解液发生更多的接触,形成更多的SEI膜,且细小的纳米颗粒容易发生团聚,导致容量衰减加快。因此,需要引入其他材料和硅复合来协同改性,主要包括碳系材料和金属类材料。与碳系材料复合是硅负极最常见的改性方式,其中与石墨复合是当前商业化程度最高的方式。虽然硅、碳的物化性质有很大的差异,但作为电池负极材料时,两者非常互补,复合后优势明显。碳系材料种类众多,包括传统的石墨类碳、不定形碳以及新型的碳纳米管、石墨烯等。硅与这些材料复合后,可满足商业化的性能要求。目前,与石墨复合是商业化程度最高的方式,与不定形碳、碳纳米管性能指标硅与碳系材料复合后性能改善比能量以石墨为代表的碳系材料比容量低,但硅的比容量很高,两者复合可以得到比石墨高得多的比容量循环性能碳材料具有—定的机械强度和延展性,可以缓冲硅的体积膨胀效应,增强抵抗机械应变的能力,改善硅的循环性能电子导电率硅是半导体材料,电子电导率不高,但碳的导电性比较好,将硅与碳复合,将得到比纯硅更高的电子电导率,促进电荷的转移和传递资料来源:《多孔硅基复合材料的制备及作为锂离子电池负极材料的应用》,张亚光,浙江大学,2018年4月碳系材料种类硅与不同碳系材料复合性能梳理与石墨复合石墨是目前应用最广泛、工艺最成熟的负极材料,硅与石墨复合就成了实现硅商业化最快捷的方式,石墨优秀的导电性和结构稳定性可以与硅的高比容量形成良好的互补;目前,球磨法是最成熟的复合工艺,具有成本较低、混合均匀的优势,适合于大规模量化生产与不定形碳复合—般是硅/碳核壳结构,即在硅表面包覆—层致密的碳层,来提高导电性,限制硅的体积膨胀,增强结构的稳定性;但在增加碳层厚度时,整体容量会下降与碳纳米管复合硅可以被限制在高机械强度的碳管内,中间的孔隙使得硅可以自由的膨胀和收缩,就算由于循环多次而发生破裂,也不会发生容量的衰减,依旧可以在碳管内部保持锂电活性;同时,碳管阻挡了电解液与硅的直接接触,使得SEl膜沉积在碳管外壁,维持了SEI膜的稳定与石墨烯复合硅颗粒被紧紧包覆在石墨烯内部,紧密连接保持了硅颗粒与集流体的电接触;同时石墨烯薄层良好的机械性能,可以有效缓冲硅体积膨胀。与纯硅材料相比,具有更优的循环稳定性能资料来源:《多孔硅基复合材料的制备及作为锂离子电池负极材料的应用》,张亚光,浙江大学,2018年4月硅氧化物与碳