硅基负极,高能量密度锂离子电池商业化前景分析

由天下分享时间：2025/3/6 15:09:36 加入收藏我要投稿点赞

1、石墨负极潜力挖掘完全 ................................................................................................................................................... 4

1.1、锂离子电池通过Li+往返脱嵌于正负极之间实现化学能与电能相互转换 ...................................................... 4 1.2、石墨是目前广泛使用的负极材料，通过嵌入的方式储锂 ................................................................................ 4 1.3、石墨负极克容量接近理论值，不能满足电芯能量密度提升的需求 ................................................................ 5 2、硅基负极材料最具商业化前景 ....................................................................................................................................... 6

2.1、硅锂合金的克容量是石墨的10倍多，电芯能量密度提升空间大 .................................................................. 6 2.2、硅基负极材料产业化关键点：体积剧烈变化和不稳定SEI膜 ........................................................................ 6 2.3、硅基负极材料的制备方法多、产品未标准化.................................................................................................... 9 3、硅基负极材料的产业化发展 ......................................................................................................................................... 10

3.1、硅基负极产业化时间短，日企处于行业领先.................................................................................................. 10 3.2、目前碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度最高 .......................................................................................... 10 3.3、国内大批量生产企业少，贝特瑞优势明显...................................................................................................... 11 4、硅基负极厂商将受益于电芯能量密度提升 ................................................................................................................. 13

4.1、贝特瑞：负极材料龙头，硅基负极国内领先.................................................................................................. 13 4.2、杉杉股份：硅基负极开启产业化 ..................................................................................................................... 14 4.3、璞泰来：人造石墨龙头，推进硅基负极产业化.............................................................................................. 15 5、风险提示 ........................................................................................................................................................................ 15

图表目录

图1：锂离子电池工作原理 .................................................................................................................................................. 4 图2：负极材料可分为石墨、无定形碳、硅基材料 .......................................................................................................... 4 图3： 2024年动力电池负极材料中石墨占比97% ............................................................................................................. 4 图4：负极材料不同储锂方式和对应的典型负极材料 ...................................................................................................... 5 图5：石墨嵌锂形成不同的“阶”结构 .................................................................................................................................. 5 图6：锂离子电池能量密度不断提升 .................................................................................................................................. 5 图7：锂离子电池能量密度不断提升 .................................................................................................................................. 6 图8：硅柱阵列电极在充放电过程中的形貌演变过程 ...................................................................................................... 7 图9：硅基负极电池的失效机理 .......................................................................................................................................... 8 图10：硅基负极材料渗透率1.4% ..................................................................................................................................... 11 图11： 2017-2024年贝特瑞营收，百万元 ........................................................................................................................ 13 图12： 2024年贝特瑞负极材料营收占比69% ................................................................................................................. 13 图13： 2024年人造石墨市场格局 ..................................................................................................................................... 14 图14： 2024年天然石墨市场格局 ..................................................................................................................................... 14 图15： 2017-2024年杉杉营收，百万元 ............................................................................................................................ 15 图16： 2024年杉杉负极材料营收占比33% ..................................................................................................................... 15 图17： 2017-2024年璞泰来营收，百万元 ........................................................................................................................ 15 图18： 2024年璞泰来负极材料营收占比64% ................................................................................................................. 15 表1：负极材料克容量与锂离子电池能量密度对应关系 .................................................................................................. 6 表2：硅及硅锂合金化合物的晶胞参数和对应的储锂比容量 .......................................................................................... 7 表3：硅锂合金体积变化对电芯性能的影响 ...................................................................................................................... 8 表4：硅基负极体积膨胀和不稳定SEI膜解决方法 .......................................................................................................... 8 表5：不同材料设计方案对比 .............................................................................................................................................. 9

表6：硅基负极材料主要制备方法 ...................................................................................................................................... 9 表7：硅基负极材料的发展 ................................................................................................................................................ 10 表8：碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳是商业化程度最高的两种硅基负极材料 ................................................................ 11 表9：国内贝特瑞领先其他厂商 ........................................................................................................................................ 12 表10：各家部分产品性能情况 .......................................................................................................................................... 12 表11： 2024年国内硅基负极材料市场空间超20亿元 ................................................................................................... 13 表12：硅基负极材料研发进展 .......................................................................................................................................... 14 表13：相关公司估值 .......................................................................................................................................................... 15

1、石墨负极潜力挖掘完全

1.1、锂离子电池通过Li+往返脱嵌于正负极之间实现化学能与电能相

互转换

锂离子电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜等部分组成，其中正、负极为活性组分，是能量存储的载体。锂离子电池工作原理：以钴酸锂和石墨负极为例，1）充电时，电子从正极转移到负极，同时钴酸锂中的锂失去电子成为锂离子进入电解液，锂离子穿过隔膜后进入石墨负极，并在负极接受电子还原成为锂。2）放电时，锂在负极失去电子后，穿过隔膜回到正极，并在正极接受电子被还原，完成放电。鉴于锂离子的这种传输特点，锂离子电池又被称为“摇椅电池”，其中电极材料脱嵌性能是锂离子电池性能的决定因素之一。图1：锂离子电池工作原理

资料来源：，新时代证券研究所

1.2、石墨是目前广泛使用的负极材料，通过嵌入的方式储锂

石墨是目前动力电池负极材料商业化应用的主流。目前商业化的负极材料主要有石墨（天然石墨和人造石墨等）、无定形碳（软碳和硬碳）、钛酸锂及硅基材料（纳米硅碳材料、氧化亚硅和无定形硅合金）。2024 年动力电池用负极材料中石墨负极材料的出货量占比达??97%以上。

图2：负极材料可分为石墨、无定形碳、硅基材料

图3： 2024年动力电池负极材料中石墨占比97%

天然石墨, 其他, 3% 18% 人造石墨, 79% 资料来源：新时代证券研究所

资料来源：GGII，新时代证券研究所

石墨通过嵌入的方式进行储锂。不同的负极材料可以通过嵌入、合金化或者转换反应实现储锂。石墨为嵌入式的典型代表，嵌入的Li插在层状石墨层间，形成

不同的“阶”结构。随着Li的嵌入量增加，最终形成1阶结构，对应石墨的理论容量为372mAh/g。

图4：负极材料不同储锂方式和对应的典型负极材料

图5：石墨嵌锂形成不同的“阶”结构

资料来源：新时代证券研究所资料来源：新时代证券研究所

注：阶是指相邻的两个嵌入原子层之间所间隔的石墨层的个数。

1.3、石墨负极克容量接近理论值，不能满足电芯能量密度提升的需求

电芯的能量密度为

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1????

(?????????)

其中，Em、Qc、Qa、Uc、Ua、k分别为电芯的能量密度、正极克容量、负极克

容量、正极平均电位、负极平均电位和正负极活性材料的质量或体积与电池总质量或体积的比值，在实际电池体系中，k值通常介于0.42~0.61。

锂离子电池的能量密度不断提升。1991年索尼公司第一批商业化锂离子电池能量密度相对较低(能量密度80 Wh/kg或200 Wh/L)，现在先进的高能量密度锂离子电池可以实现300 Wh/kg或720 Wh/L。图6：锂离子电池能量密度不断提升

资料来源：新时代证券研究所

目前，高端石墨克容量已达到360-365mAh/g，接近理论克容量372 mAh/g。因此从负极材料角度看，电芯能量密度的提升需要开发出具有更高比容量的负极材料。

2、硅基负极材料最具商业化前景

2.1、硅锂合金的克容量是石墨的10倍多，电芯能量密度提升空间大

具有高克容量和低电位等优势，硅基负极材料是最具商业化潜力。硅锂化后具有很高的理论克容量，约4200 mAh/g，是石墨的10倍左右。同时，硅还具有较低的电化学嵌锂电位（约0.4 V vs. Li/Li+），不存在析锂问题、储量丰富等优点，是公认的非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据《高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究》中指出，如果不使用富锂正极，当电芯能量密度要达到280Wh/kg以上时，就必须使用硅基负极。图7：锂离子电池能量密度不断提升

资料来源：新时代证券研究所

表1：负极材料克容量与锂离子电池能量密度对应关系三元NCA（190mAh/g）电芯能量密度，Wh/kg 纯石墨（372mAh/g）硅基负极（400mAh/g）硅基负极（500mAh/g）硅基负极（650mAh/g）硅基负极（800mAh/g）

电芯能量密度提升（以纯石墨为基准）硅基负极（400mAh/g）硅基负极（500mAh/g）硅基负极（650mAh/g）硅基负极（800mAh/g）资料来源：新时代证券研究所

1% 6% 9% 11%

3% 8% 13% 15%

268 272 283 292 297

272 276 287 297 302

308 316 333 347 355

三元811（200mAh/g）富锂（300mAh/g） 2.2、硅基负极材料产业化关键点：体积剧烈变化和不稳定SEI膜

Li+在脱嵌过程中巨大的体积膨胀效应会导致硅颗粒产生裂纹粉化和结构崩塌。硅表面与电解液接触，重复形成的固相电解质层（SEI）使电化学性能恶化。