1 下一代负极材料，高比容量成核心优势

负极材料升级在即，硅基材料为首选

负极材料对电池性能影响大，成本占比约 8%。现有技术体系下锂离子电池四大关键 原材料为正极材料、负极材料、隔膜与电解液。作为四大关键原材料之一，负极材料在三 元动力电芯的成本中约占 8%。

负极材料在锂离子电池脱嵌中起着重要作用，其性能对锂电池的安全性与寿命等影响 很大：1）膨胀性能很大程度上影响电池的循环寿命；2）比容量、首次效率等对电池容量 影响较大；3）压实密度、极片厚度等指标也影响电池的倍率性能等。

正极材料突破较早，负极材料升级在即。在影响锂电池性能的关键材料中，正极材料 已经从早期的钴酸锂材料、锰酸锂材料升级为磷酸铁锂材料和三元材料，而负极材料升级 较为缓慢。近期硅碳材料技术进步较快，为负极材料升级提供了契机。

负极材料种类多元，碳基材料使用率领先。锂电池负极材料主要分为碳基材料和非碳 基材料。碳基材料包括天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球 (MCMB) 、软炭 (如 焦炭) 负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等，非碳基材料主要分为硅基及其复 合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。

硅基材料将成为高端市场首选。目前，以人造石墨为代表的碳基材料是锂离子电池负极的主要使用材料，石墨类负极材料占据目前负极材料 95%市场份额。从产能规划看，行业多数企业在积极布局负极及石墨化产能的同时，也持续加大硅基负极研发力度，因此预计人造石墨在未来仍会是主流负极材料，但硅基负极也将拥有稳定的客户群体。

目前硅基负极比容量优势明显，寿命与首充效率是短板

硅的比容量可达 4200mAh/g，且来源丰度极高。硅是地壳中丰度极高的元素之一， 来源广泛、价格较低。此外，硅的理论储锂容量高达 4200 mAh/g，是石墨容量（372 mAh/g） 的 10 倍以上，是比容量最高的可用锂电池负极材料。硅的电压平台略高于石墨，在充电 时难以引起表面析锂的现象，安全性能优于石墨负极材料。但硅材料在充放电时体积膨胀 可达 120%~300%，导致硅颗粒分化及 SEI 膜的破裂增厚，将影响电池首充效率与寿命。

以碳为基，硅碳复合材料是理想路线

硅基负极材料是以碳作为分散基体，硅作为活性物质的新型负极材料。碳质负极材料 在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，且碳质负极材料本身是离子与 电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合 的首选基质。

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。目前，硅基材料的主要发 展方向是氧化亚硅（SiO）与硅碳复合材料。其中氧化亚硅主要通过在高温下气象沉淀硅 与二氧化硅（SiO2），使硅纳米颗粒（2~5nm）均匀分散在二氧化硅介质中制得。氧化硅 材料既能发挥硅的高容量优势，又能够抑制硅的体积变化。 硅基负极制作工艺主要有机械球磨法、气相沉积法、溶胶凝胶法等，我们以机械 球磨法为例，对比硅碳负极与硅氧负极的优势与劣势。

硅基负极种类多样，技术路线仍在探索。硅碳复合负极材料根据硅的分布方式不同可 分为包覆型、负载型和分散型硅基负极材料，根据硅基负极中物质种类的多少可分为硅碳 二元复合材料与硅碳多元复合材料。

制备方法：硅基负极材料制备方式较为复杂，尚未形成标准化制备方法。目前常见的 制备方法有化学气相沉积法、机器球磨法、高温热解法等。工业上为了保证更好的性能， 通常是多种手段组合来制备，例如高温热解—机械球磨或机械球磨—化学气相沉积。硅基负极材料的制备较石墨负极材料更为复杂，各厂商尚未形成标准的制备方法。

需求端引领+供给端产出，硅基负极历蛰伏将迎爆发

需求面：高能量密度电池加速导入，硅基材料

下游需求持续景气，锂电池市场高速增长。硅基负极主要应用于动力电池、消费电池 市场。以动力电池为例，根据 GGII 数据，2021年我国动力电池出货量为 220GWh，同比 增长 175%，实现超预期增长。预计我国 2022年动力电池出货量将达到 450GWh，全球 动力电池需求将超650GWh。受锂电池市场，尤其是动力电池市场增长带动，硅基负极需求将进一步增加。

终端客户续航需求提升，高能量密度电池成为行业要求。我国锂电池行业已步入成长期，新能源汽车、消费电子等终端市场中，客户对续航时间、续航里程和轻量化提出更高要求。目前石墨电极已发展至接近 372mAh/g 的理论比容量上限，行业正在探索下一代高 比容量负极材料。

以碳辅硅，硅基负极高比容量优势充分显现。在 Si/C 复合体系中，硅颗粒作为活性 物质，提供储锂容量；碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善硅质材料的 导电性，且能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚，因此硅碳复合材料综合了二者的优点， 具有较高比容量和较长循环寿命。目前，硅基负极已成为各厂商重点攻关方向。

爆发点：特斯拉 4680 电池量产引领行业，大圆柱电池市场将迎来爆发

4680 电池技术引领行业，特斯拉未来 4680 电池产能预计将超过 100GWh/年。特斯 拉于 2020 年 9 月发布使用硅基负极的 4680 电池，能量密度达 300Wh/kg，电池容量较 21700 电池提高 5 倍。此前未量产主要由于良率与一致性水平不佳。我们预计，4680 电 池将于 2022 年量产后，在 2022-2025 年集中放量，根据特斯拉此前规划，未来 4680 电 池年产能将超过 100GWh。

特斯拉 4680 电池已实现量产，需求快速提升。2022 年 2 月 19 日，特斯拉宣布 1 月份已生产出第 100 万块 4680 电池，同时本季度德州工厂将交付首批搭载 4680 电池的 Model Y。我们预计随着 4680 电池良品率的提升，产品将在特斯拉更多车型 推广，预计 2023~2025 年特斯拉 4680 电池需求将达到 58/99/128GWh。

众多厂商跟进，大圆柱电池将成为硅基负极增长爆发点：

海外方面，除特斯拉在美国德州、德国的超级工厂外，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，计划 2024 年量产；比克动力于 2019 年 开始研发大圆柱电池，预计 2023 年量产；亿纬锂能于 2021 年 11 月 5 日发布公 告，将于荆门市建设年产 20GWh 大圆柱电池产线，预计 2024 年可实现量产。 我们预计受特斯拉引领，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。

小结：预计 2025 年全球硅基负极出货量将达 10 万吨，2021-2025 年 CAGR 达 53%。 电池端，随着 4680 大圆柱电池量产，带动国内企业跟进布局，叠加锂电池下游持续景气， 将打开硅基负极市场空间。整车端，未来两年是整车厂品牌向上最佳时间窗口，高端车型 有望密集推出，带动快充等补能需求的提升，硅碳材料高比容量优势逐渐凸显。

市场规模：2021~2022 年，考虑到硅基负极预计将优先大规模应用于圆柱电池中， 我们假设硅基负极主要在特斯拉车型上使用，假设 4680 电池中所用的负极材料 均为硅基负极，根据4680 电池需求测算，则硅基负极的渗透率下限为 10% 左右；2023 年以后，随着国内电池厂对于大圆珠电池的跟进布局，我们预计硅 基负极在中高端车型上将率先应用，行业将迎来快速提升，期间随着渗透率的提 升，硅基负极行业规模将快速扩大。

比容量：当前硅基负极的掺混量约在 10%左右，我们预计随着材料改性技术的提 升，硅的掺混量将逐步提升，带动比容量提升。

我们预计至 2025 年，全球硅基负极材料市场用量将达到 9.8 万吨，其中动力电池用 量为 8.7 万吨，硅基负极市场估计将达到约 150 亿元，其中动力电池市场空间约为 132 亿 元。（报告来源：未来智库）

行业端：供给端提前布局，技术积累将迎收获

供给端进驻企业多元，多数企业处于研发与试生产阶段。硅基负极的应用前景，吸引 了负极材料、新能源电池以及硅、碳等新材料行业企业的加入。目前众多国内企业正在针 对硅基负极的应用进行技术研发。但国内仅有贝特瑞、杉杉股份、石大胜华等少数企业已 进入量产阶段。

领军企业贝特瑞已实现规模化量产，供应下游核心客户。贝特瑞率先在国内实现了硅 基负极材料的技术突破，并在 2013 年实现批量出货，目前已实现了对部分核心客户的大 批量供货。截至 2020 年，贝特瑞硅基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 1500mAh/g，且正在开发更高容量的第四代硅基负极材料产 品。贝特瑞布局硅基负极多年，在产能和客户方面具有明显优势。

各企业前期投入将迎收获，量产条件将陆续成熟。截至 2021 年底，杉杉股份、贝特 瑞、石大胜华已经实现硅基负极量产。我们预计行业前期研发投入即将步入收获期，更多 企业将突破技术壁垒，进入产能建设及量产阶段，行业产能有望开启快速增长。

2 性能重点：预锂化与材料端优化是前进方向

现存问题：体积膨胀降低寿命与低首次充电效率

硅基材料主要问题：

1）充放电时体积膨胀严重，导致材料产生裂纹直至粉化。硅材料在充/放电时膨胀严 重，体积变化达到 300%。这种不断收缩膨胀会造成硅基负极材料产生裂纹直至粉化，破 坏电极材料与集流体的接触性，使得活性材料从极片上脱离，引起电池容量的快速衰减。

2）首次充电效率与电池寿命低：锂电池充电时，锂离子先由正极进入负极，放电时 又从负极回到正极，决定锂电池容量的是参与正负极循环的锂离子数量。在首次充放电时， 部分锂离子会在负极表面形成 SEI 膜，退出之后的循环。此外，部分锂离子嵌入负极后不 能再回到正极，形成不可逆嵌锂，也会导致锂离子衰减，电池放电量小于充电量。首次充 放电中充电量与放电量的比值就是首次充电效率（首次库伦效率）。首次充电效率越高， 电池寿命越长。

硅材料体积变化会导致硅负极表面的固体电解质（SEI）膜随着硅体积的变化而发生 破裂，新暴露在表面的硅在充放电过程中会持续生成新的 SEI 膜，继而不断地消耗来自正极的锂和电解液；极大的体积变化还会破坏负硅电极结构，使得锂离子不能顺利脱嵌离开 负极，不可逆嵌锂比其他电极更为严重。此外，SEI 膜不稳定会使电解液直接接触硅锂合 金，加剧损耗。因此，硅基负极首次充电效率低于其他负极材料。硅基负极电池锂离子损 耗也比其他负极材料电池更快，引起更严重的寿命衰减。

3）硅的导电性较差：此外，硅的导电性能相较碳材料来说较差，在高倍率下不利于 电池容量的有效释放，也是制约硅基负极进一步得到应用的因素之一。

预锂化提升首效短板，规模化带动成本下降

负极预锂化能大幅度提高锂离子电池的首次库伦效率、弥补不可逆容量损失。硅基负 极首效较低，主要是因为硅材料比表面积较大，导致电极在首次嵌锂的过程中产生大面积 SEI 膜，从而消耗电池中的锂离子。预锂化（预嵌锂），是指在锂离子电池工作前向电池内 部增加锂来补充锂离子。预锂化不仅可以增加锂离子电池在循环过程中的活性锂含量，从 而获得更高的比容量，还有利于提前调节负极表面 SEI 膜的形成，保证了锂电池循环稳定 性与能量密度。

负极预锂化工艺难度高，规模使用利好成本下降。预锂化有正极补锂与负极补锂两种 方法。负极补锂的方式主要包括锂箔补锂、硅化锂粉补锂和电解锂盐补锂等。但是现阶段， 由于金属锂的使用与生产环境、常规溶剂、粘结剂及热处理等过程不兼容，相比于正极补 锂，负极补锂由于成本与工艺原因，难度相对较高，预计随着硅基负极的需求提升，相关 成本将会下降。

材料端持续改进，多路线齐头并进

改进硅碳材料可使其性能更高，主要改进方法包括改进碳材料和添加新材料。目前硅 基材料的改进方向包括：（1）选用硅碳（Si-C）复合材料或者硅氧（SiO-C）复合材料； （2）选用纳米碳、石墨烯等新型导电剂材料。

1）硅-碳（Si-C）复合材料：硅的低导电性与体积膨胀问题是前期硅基负极商业化应 用限制的主要原因。而减小硅的尺寸到纳米级别，可以减小材料在充放电期间的应力影响。 硅颗粒的临界尺寸为 150nm，因此当尺寸小于 150nm 的硅颗粒用于负极端的时候，即使 在嵌锂过程中发生体积改变，开裂的几率将大幅度减少，因此纳米硅-碳（Si-C）负极作为 商用化较早的负极使用。

2）硅氧（SiOx-C）复合材料：相比于硅碳（Si-C）复合材料，硅氧负极的理论比容 量为 2400mAh/g，完全锂化膨胀率为 150%左右，由于氧化亚硅在嵌锂过程中会原位形成 氧化锂，有助于克服体积膨胀，使得材料形成稳定的 SEI 膜，但由于氧化锂的形成会消耗 大量锂离子，因此通过将氧化亚硅与碳材料复合后，可以提升材料的导电性、循环稳定性。

3）导电剂-碳纳米管：有效抑制硅基负极的膨胀，极大提升导电性。碳纳米管分为多 壁碳纳米管和单壁碳纳米管，单壁碳纳米管的导电性是多壁碳纳米管的 10 倍，添加量少 但效果好。此外，单壁碳纳米管的高柔韧性和长径比，还可有效解决硅基负极的膨胀问题。

4）导电剂-石墨烯：极大提高锂电池的容量和循环稳定性。石墨烯柔韧性好、比表面积 大、导电性高、放电能力良好，可极大地提高锂电池的可逆容量、循环稳定性和倍率特性，是 包覆硅纳米颗粒的理想材料。研究表明，在 100 mAh/g 的低电流密度下，该种材料的初始可 逆性为 1599 mAh/g，当在 200 mA/g 下循环多次后的容量保持率高达 94.9%。此外，即使在 2000 mA/g 的高电流密度下，硅/碳/石墨烯负极也仍有 951 mAh/g 的高可逆比容量。

3 迭代加速，技术为先，关注电解液与粘结剂更替

电解液行业：硅基负极用电解液添加剂作用关键，技术壁垒将不断提高

电解液为电池反应提供条件，电解液添加剂剂量小作用大。电解液是电池正负极之间 用于传导锂离子的载体，对于倍率性能、循环性能和温度适应性都有重要影响。电解液由 溶剂、锂盐和添加剂组成，其中添加剂约占电解液质量的 5%~8%，约占总成本的 15%~30%。 电解液添加剂对于提高电池导电率、安全性、阻燃性能、稳定性具有重要作用。

维持 SEI 膜的稳定性是提升电化学性能的重要条件。对于硅基负极而言，由于 SEI 膜具有不稳定性，因此维持 SEI 膜的稳定性是提升硅基负极电化学性能的重要条件。

VC、FEC、1,3-PS 是主流负极成膜添加剂。碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯 酯（FEC）、1,3-丙磺酸内酯（1,3-PS）是目前使用广泛的负极成膜添加剂。其中碳酸 亚乙烯酯（VC）是动力电池中应用最为广泛的添加剂，氟代碳酸乙烯酯（FEC）的渗透率 则正在不断提升。

相较于 VC，FEC 对硅基负极电池性能改善效果更优。VC 能够提升电极表面 SEI 膜 的均一性和光滑程度，改善硅基负极电池的循环性能。但 VC 性质不稳定，易发生聚合反 应，在保存方面仍存在问题。氟代碳酸乙烯酯（FEC）因其优异的性能从众成膜添加剂中 脱颖而出，表现出优于 VC 的综合性能。

新型硅基负极配套添加剂仍在研发，技术壁垒将不断提高。除了已经大规模使用的 VC 与 PEF 添加剂外，天赐新材、新宙邦、杉杉股份等锂电池材料企业仍在不断研发配套 硅基负极使用的新型电解液添加剂。电解液添加剂用量小，种类多，且根据锂电池性能要 求不同，电解液添加剂配方需要进行相应调整。在研发过程中需要对添加剂的效果进行反 复实验，研发周期较长。因此，电解液添加剂的技术壁垒将随着硅基负极的广泛应用而进 一步提高。

负极粘结剂：高膨胀率需求处于研发开发上升期，国内企业加速追赶

用量小，种类多，对电池循环性能有较大影响。粘结剂用量极小，占锂电池成本不到 1%，其作用在于将活性物质和导电剂混合均匀，粘附于集流体上，减小电极的阻抗。粘结 剂的合理选择，可以保证活动物质制浆时的均匀性和安全性，提高电池的循环性能和快速 充放能力。

按照分散介质不同，粘结剂可以分为水性粘结剂和油性粘结剂。其中油性粘结剂的分 散介质为有机溶剂，水性粘结剂分散介质为水。按照粘结剂在电极中的分散情况可以分为 点型、线性和三维网络三类。

硅材料高膨胀率高，要求粘结剂具有更好的粘结性能。相比于其他材料，硅基负极对 于粘结剂的要求更高，主要是由于： 硅材料膨胀率高，对于粘结剂的粘附性要求更高； 硅材料收缩过程中容易脱离极片，导致周围导电剂流失。

主流硅基负极粘结剂包括 CMC、PAA、PI 等。PVDF（聚偏氟乙烯）是锂电池中最 常用的油性粘结剂，主要用于电池正极，在负极中也有使用。SBR（丁苯橡胶）是应用最 为广泛的水性粘结剂，主要用于电池负极。PVDF 虽具有较高的机械强度和电化学稳定窗 口，但是其柔韧性较差，不能有效地抑制硅基材料的体积膨胀，不适合作为硅基负极用粘 结剂。而 SBR 的弹性较好，能够改善极片的柔韧性，因此石墨负极中广使用 SBR 乳液与 CMC（羧甲基纤维素钠）共混形成的粘结剂，在硅基负极中，SBR 乳液也被越来越多的 尝试，除此之外，PAA（聚丙烯酸）、PI（聚酰亚胺）等粘结剂也是硅基负极的选择。

新型粘结剂材料不断出现，性能不断提升。新型硅基负极用粘结剂主要包括两种研发 思路，第一是在传统 SBR、CMC 等材料的基础上进行改进，第二是研发新型粘结剂材料， 目前两个方向均有较多成果涌现。

国际巨头垄断粘结剂市场，SBR 国产替代加速。在负极粘结剂市场上，以日本瑞翁、 A&L、JRS 为代表的国外企业在技术和产品方面都大幅领先。近年来，晶瑞电材等自主企 业加速国产替代，根据前瞻产业研究院数据，2021 年晶瑞电材负极粘结剂市占率已超过 40%。

晶瑞电材新型负极粘结剂有所突破，技术研发仍需追赶国际先进水平。2020 年，晶 瑞电材实现了 CMCLi 粘结剂的规模量产，年产量达千吨以上，已成功进入数码及动力电 池客户并被硅基负极体系成功采用。该产品性能优于 CMCNa，打破了国外厂商对高端粘 结剂的垄断。此外，晶瑞新材在丙烯酸粘结剂技术方面也取得了突破。在硅基负极用新型 负极粘合剂领域，自主企业起步较晚，需通过持续研发打破国际巨头的技术壁垒，才可实 现弯道超车。

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