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【深度】硅碳负极材料革新及其未来潜力

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来源:
2017/05/09

近期,特斯拉发布公司2017年一季报,靓丽的销量数据,证实了美股投资者对于特斯来的看好是有依可据。自2013年以来,特斯拉在刮起新能源汽车之风潮,全球的新能源汽车产业发展迅猛,投资热情的极度高涨。特别是到国内,投资人和消费者对新能源汽车产业和产品,关注度大幅提升。

特斯拉的放量生产,对于前段供应链产生直接的拉动。国内数家企业凭借良好的产品质量和领先市场的企业能力,已经或者有潜在机会进入特斯来供应链,头戴“特斯拉概念”的标的,其实也是经过重重筛选被“特斯拉标准”丈量过的,这样的标的值得关注!

但另一方面,特斯拉市值能够超越福特,产品口碑和市场预期能够超越通用雪佛兰Bolt、日产leaf,我们相信不单单是因为用了麦格纳的悬架、法雷奥的转向系统或者旭硝子的车窗玻璃。值得更多关注和期待的,是特斯拉对新技术的应用,为我们所带来前所未有的,新的体验!

特斯拉作为一款风靡全球的纯电动汽车生产商,其对于动力电池和关键材料的开发及应用,也一直备受市场关注。在特斯拉Model 3上市的同步,也有媒体披露特斯拉采用了电池新材料,“特斯拉采用的松下18650电池此次在传统石墨负极材料中加入了10%的硅,其能量密度至少在550mAh/g以上”。也就是特斯拉,已经开始使用硅碳负极!

硅碳负极是什么,值得我们重点研究一下!另外,先入为主的说明一下受益标的:重点推荐杉杉股份,其他关注国轩高科、中国宝安(贝特瑞)、中科电气(星城石墨)等。

1.为什么要用硅碳负极

众所周知,不断的提高电池能量密度,是锂电产业技术研革所孜孜不倦的方向。在当前的锂电材料体系中,负极材料多为采用石墨材料(以人造石墨和天然石墨为主),在电池理论设计过程中,基本上已经非常充分发挥了其可实现的能量密度,所当前的石墨负极材料在提升电池能量密度方面已经遇到明显的瓶颈。

与石墨负极材料相比,硅基负极材料的能量密度优势明显。石墨的理论能量密度是372 mAh/g,而硅负极的理论能量密度超其10倍,高达4200mAh/g。所以硅碳负极的应用,可以提升电池中活性物质含量,所以能大大提升单体电芯的容量,这也是硅碳负极材料越来越多被锂电领域所关注的重要原因。

2.什么是硅碳负极

由于硅是半导体结构材料,为了提供锂离子在硅电极材料中的扩散速度,就需要提高硅材料的导电性能,目前产业中所选择的就是成熟的碳材料。利用不同形态的碳材料来复合硅进行改性处理,使其构成均匀的导电网络结构,形成导电性好、附着性好、化学稳定性高的硅碳负极材料。

3.硅碳负极为什么还没实现产业化应用

硅碳负极材料是一种使用起来非常困难的材料。1)、在充放电过程中会引起硅体积膨胀100%~300%,而石墨材料只有10%左右,所以硅碳负极的膨胀收缩会导致负极材料的粉末化,从而严重影响电池使用寿命;2)、硅为半导体,导电性比石墨差很多,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大,从而降低了其首次库伦效率,也就是说会过多电解液和Li+源,其直接效应也是使电池循环寿命变差。所以硅碳负极的开发和应用需要较高的技术壁垒。

4.硅碳负极的开发和应用,海外已初步实现产业化

日本松下2012年发布的最新NCR18650C型号电池,容量高达4000mah,并于2013年实现量产。当前国内主流的18650圆柱电池容量主要在2800mah以内(大部分为2600mah及以下,国内只有部分企业实现2800mah的18650电池的量产),但是松下之所以能够做到4000mah,主要是其在负极中使用了硅的混合材料。据松下介绍,该NCR18650C型号电池可以在循环500次以后,依然保持80%以上的电池储电能力。

特斯拉加速硅碳负极在车用动力电池领域的规模化应用。在特斯拉向市场发布最新车型Model 3的同时,行业媒体也同期披露,特斯拉将在Model 3中采用了电池新材料,“特斯拉采用的松下18650电池此次在传统石墨负极材料中加入了10%的硅,其能量密度至少在550mAh/g以上”。

5.硅碳负极的开发和应用-国内也已经开始早期的探索

贝特瑞凭借在负极材料领域技术领先地位,其硅碳负极的研发和生产一直处于国内领先水平。公司硅碳负极材料在2013年通过三星认证之后,2014年~2016年产量处于攀升阶段,其产品市场认可度也在逐步提升。

如前文所述,硅碳负极由于需要对电池负极材料、碳材料等有深入的研究,而国内负极材料市场集中度非常高,所以行业中存在的产业化壁垒、技术壁垒等,使得国内具备硅碳负极生产能力、应用能力的企业屈指可数。当然,目前已有部分企业涉足到硅碳负极相关的研发。

此外,非上市企业中,江西紫宸、湖北创亚等负极材料生产企业硅碳负极的研发和生产在国内处于领先地位;电池企业方面,ATL/CATL、天津力神、万向A123、微宏动力等企业也已经就硅碳负极应用进行了数年的研发。

6.硅碳负极市场空间预测

目前,行业中硅碳负极尚未形成广泛推广的成熟方案,主流的电池生产企业对于硅碳负极的使用,也主要是以掺杂到石墨负极材料中使用,各个企业掺杂的比例也存在一定差异。参考当前硅碳负极材料市场售价水平,我们按照负极材料中掺杂10%左右的硅碳负极,预测未来3~5年随着渗透率提升,硅碳负极可拥有的市场空间大约为50亿左右。但需要强调的是,该市场有较高的技术门槛,所以行业集中度将非常高。