负极材料是锂离子电池的核心材料之一。在锂电池充放电过程中,负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从 外电路通过。负极材料占锂电池制造成本的5%~15%,三元电芯的负极材料成本占比约7%。

新型负极材料有硅基负极和硬碳等,硅基负极搭配高镍三元正极材料成为未来高端长续航锂电池发展趋势。

1)硅基负极材料主要优势是超高理论比容量(4200mAh/g)、低脱嵌锂电位(0.3V-0.5V)、硅资源储量丰富、低成本等;主要缺点是低导电率和易体积膨胀。为解决上述缺点,目前主要通过掺杂碳系石墨和改性的方法来优化材料性 能,例如硅氧复合材料和硅碳复合材料。除优化材料性能外,电池体系优化路径也在研究中。

2)硬碳的可逆比容 量较高(500~700mAh/g),并拥有极佳的低温倍率性能和优异的电解液兼容性,是最具有潜力的负极材料之一。

锂电负极材料行业分析报告

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1. 锂离子电池负极材料介绍及行业格局

1.1 锂离子电池四大主材之一:负极材料

负极材料是锂离子电池四大核心材料之一。锂电池负极主要由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成,涂抹于铜箔的两侧,后经干燥、滚压等工序加工完成。在锂电池充放电过程中,受电极电压作用,正极中的锂离子发生“嵌入”和“脱嵌”电化学反应,负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。

1.2 负极材料分类及产业链

锂电池负极主要分为碳材料和非碳材料两大类。人造石墨和天然石墨是 目前最主流的两大石墨类碳材料负极,复合石墨与中间相碳微球经过掺 杂改性和化合物处理加工制成;无定形碳和碳纳米材料石墨烯也同属碳 材料负极。非碳材料涵盖硅基、钛基、锡基、氮化物和金属锂,这类新 型负极目前仍处研发或小规模生产阶段,尚未实现商业化。

1.3 负极材料核心指标对比

负极材料对锂电池的容量、能量密度、充电效率、循环寿命、安全性等核心指标均产生直接影响。天然石墨和人造石墨成本较低、生 产技术和配套设施完善、石墨类材料稳定性较高,占据负极市场主导地位。但由于天然石墨和人造石墨克容量已应用至材料理论极限, 因此以硅基负极为主的高容量新型负极材料正成为主要的研究和发展方向。

1.4 负极材料竞争格局:龙头企业率先布局新型负极材料、二线企业份额提升

锂电负极行业集中度高,龙头企业率先研发生产新型负极材料;第二梯队 厂商专攻人造石墨负极,企业市占率稳步提升。国内一线负极材料企业市 场占有率较为集中,CR3和CR5分别达到45%和65%。负极龙头企业贝特 瑞、杉杉股份、璞泰来凭借企业研发生产优势,领跑新型负极材料赛道。

1.5 负极材料企业下游客户

在新能源汽车动力电池、储能电池和消费电池的需求带动下,电池企业对负极材料需求旺盛。国内负极龙头企业与 国内外优质电池厂商合作紧密,深度绑定下游客户。

1.6 负极材料产业发展迅猛,出货量逐年拉升

国内负极材料市场规模快速扩张,出货量逐年拉升。据高工锂电统计数据显示,2021年中国负极材料出货量约为72 万吨,同增94.6%,为近年来最高增速。

2. 新型负极材料技术与未来

2.1 锂电池迈入硅基负极时代

锂电池下游对高能量密度、长续航、快充等性能需求提升,硅基负极的超高比容量将推动电动汽车续航迈入新的里 程碑。目前行业正朝着高镍正极搭配硅基负极的技术体系迈进,综合提升了锂电池能量密度、环境友好性及安全性。

2.2 新型负极材料:硅基负极简介及发展路线

硅基负极材料主要优势在于其超高理论比容量 (4200mAh/g)、低脱嵌锂电位(0.3V-0.5V) 、硅资源储量丰富、低 成本、对环境友好等特点。硅材料的低电导率和易体积膨胀的问题,是目前硅基负极材料面临的主要挑战。

2.3 硅基负极材料技术优化路线

通过对材料设计和电池体系两方面进行优化,硅基负极性能将进一步提高,逐渐达到产业化标准。材料优化方面, 硅材料纳米化增加了硅的比表面积,缓冲材料体积膨胀产生的压力,从而维持充放电后活性材料的完整性;同时缩 短锂离子的扩散距离,提高离子迁移率,有利于提升倍率性能。表面包覆、构筑空腔、合金化都有效的解决了硅体 积膨胀的问题。硅基负极复合改性提升了硅的导电性并加强材料机械强度,维持结构稳定,从而增强循环稳定性。

2.4 硅基负极材料制备工艺

硅碳负极和硅氧负极结合了硅、碳的双重材料优势,其特点为高克容量、高导电、低膨胀、循环稳定。硅材料解决 了碳材料克容量上限问题。碳材料导电性较强,两种材料复合提高了硅负极的导电率。碳材料在循环过程中体积变 化小于10%,抑制了硅材料体积膨胀的缺陷,从而保证电极结构和电池的循环稳定性。

2.5 负极企业加快布局硅基负极

硅基负极材料搭配高镍三元材料电池体系正成为未来高端长续航锂电池发展趋势,负极厂商积极研发并布局硅基负 极材料,以满足未来市场需求。负极龙头企业贝特瑞、杉杉股份均计划建设万吨级硅基负极产能基地。

2.6 特斯拉4680电池硅基负极材料应用

4680电池产能释放,有望带动硅基负极需求。特斯拉在2020年Battery Day上就披露公司将在4680电池中采用硅基 负极。考虑性能和成本改善的一步到位,特斯拉从原始冶金硅本身出发,自主设计电极中的粒子与包覆方法,减少 负极中的SiO层能够使电池维持比功率并拥有更高的循环寿命。仅颗粒包覆技术一项就可使车辆续航里程增加20%, 并将每千瓦时的生产成本降低 5%。

2.7 新型负极材料:硬碳的性质与性能

硬碳指难石墨化碳,是一类以高分子聚合物为前驱体经高温热解得到的碳材料,一般在1000℃左右热解树脂制 备得到。作为新型负极材料的一种,硬碳可逆比容量可达500-700mAh/g,与石墨相比,硬碳具有更大的层间 距和更丰富的孔隙结构,具有极佳的低温倍率性能和优异的电解液兼容性,使其成为最具潜力的负极材料之一。

2.8 硬碳在电池领域的应用

随着新能源汽车产业的发展,电池生产厂家不断探索负极体系。日本日立和GS汤浅公司(GS Yuasa)以及韩国 LG均采用了硬碳材料作为动力电池的负极材料,应用于EV和HEV 。国内电池材料厂家也在积极研发并小规模生 产了部分硬碳产品。

3. 石墨负极材料行业现状与发展趋势

3.1 负极材料价格走势

受上游原材料价格上涨、能耗双控政策、石墨化产能限制等因素影响,自2021年一季度起天然石墨和人造石墨负极 价格快速上行。低、中、高端天然石墨及人造石墨负极都经历了不同程度的涨价,低端天然石墨负极材料价格从1.65 万元/吨上涨至2.70万元/吨,增幅为63.64%;低端人造石墨价格从2.10万元/吨攀升至4.00万元/吨,涨幅高达 90.48%。

3.2 人造石墨出货量显著增长

目前负极材料市场依旧保持以人造石墨为主,天然石墨为辅的产品结构。2021年我国人造石墨出货量为60.5万吨、 同比涨超100%,占总出货量的84%;天然石墨出货10.1万吨、同比增长73.8%,占比为14%;其他负极材料出货 量为1.4万吨。

3.3 人造石墨成本受石墨化加工费影响较大

天然石墨成本中,直接材料占比最高。根据翔丰华招股书,2017 - 2019年占比约80%。人造石墨成本中,石墨化加工和直接材料占比较高。根据翔丰华披露,2017 - 2019年两者合计占比超过90%。

3.4 人造石墨原材料主要是焦类

天然石墨上游原料为天然鳞片石墨。天然鳞片石墨属于单晶体,其晶体呈鳞片状,是石墨矿石经过浮选后得到的。人造石墨上游原料包括焦类(煤系针状焦、石油系针状焦、石油焦)和沥青。针状焦外观为银灰色,是有金属光泽的 多孔固体,结构有明显流动纹理,根据生产原料的不同,将针状焦分为油系针状焦(原料:石油油渣)和煤系针状焦 (原料:煤焦油沥青)两种。石油焦是指石油的减压渣油经焦化装置,在 500-550℃下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭,是无定形炭体。沥青用作粘结剂。

3.5 人造石墨上游原材料价格波动剧烈

天然石墨上游原料天然鳞片石墨价格持续上升。鳞片石墨主要分布在东北鸡西、萝北两地及山东等地,东北地区天然 鳞片石墨(天然石墨195)目前已涨至约3800元/吨,同增 72.73%,山东地区同比涨幅也达到了35.71%。人造石墨的原料不同,焦类价格差异大,也是成本控制的重要环节。目前油系和煤系针状焦价格均涨至每吨11000元 以上,石油焦涨至每吨4800元以上,预计后续受益于下游需求增长的带动,原料焦类价格仍有上行趋势。

3.6 石墨化为主要的工艺差别

天然石墨需经过粉碎、球化、分级、纯化等工序;是由鳞片石墨加工为球形石墨、再通过改性后成为天然石墨。人造石墨的加工环节主要为原材料的石墨化、粉碎、造粒、碳化;其中石墨化环节为最重要、成本占比最大的环节。造粒环节中二次造粒技术壁垒高,会影响产品性能、增加一定成本。

3.7 石墨化的影响因素

因人造石墨需求快速增长、部分地区受限电影响石墨化减产,叠加电费上涨所致的石墨化加工费攀升,上下挤压下导 致石墨化产能紧缺,加工费上行,成为负极材料产能释放的核心瓶颈。

3.8 人造石墨负极材料成本拆分

选用尚太科技的财务数据拆分人造石墨的成本,主要系该公司负极材料全部为人造石墨、且石墨化工序委外加工规模 极小,便于了解人造石墨一体化项目的成本构成。公司单位电费逐年下降,主要因为山西电费较低,2019年Q2山西昔阳一期开始投产,叠加生产规模快速增加所致。公司负极材料的原材料包含:普通石油焦、针状焦、低硫煅后石油焦。

4. 负极材料市场空间广阔,下游消费端产品需求持续扩张

4.1 新能源汽车市场空间

全球新能源汽车产量大幅增长,空间进一步打开。2021年全球新能源汽车产量达到625万辆,同比大幅度增长112%。展望2022年,国内和欧洲市场继续推进,美国市场放量,预计2022年全球新能源汽车销量将超过1000万辆。2025 年有望超过2400万辆。

4.2 动力电池市场空间

全球动力电池产业保持高速发展态势。2021年,全球动力电池装机量累计296.8GWh,同比增长超过121.8%。我国动力电池产业蓬勃发展。据中国汽车动力电池产业创新联盟数据,2021年,我国动力电池装机量累计154.5GWh, 同比增长142.8%。预计2025年动力电池装机量将达655.74GWh,复合年增长率高达43.5%。

4.3 锂电池储能市场空间

随着全球用电量上升,储能的市场空间将进一步打开。2021年全球锂电池储能市场规模为66.30GWh。我们预计 2025年储能锂电池需求量将达到254.70GWh,复合增长率有望达到40%以上。国内锂电池规模快速扩张,新能源发电占比提升,为锂电池储能提供了天然土壤。但上游碳酸锂资源开发较为滞后, 导致碳酸锂的价格暴涨,锂电池的成本再次上涨,一定程度上延缓了国内储能的需求。从新能源电站等对储能的强制 要求来看,我们认为未来多年国内的储能市场将保持高速增长。根据CNESA数据,2021年我国新型储能达到 2.40GW,按容量计算约5.80GWh,2025年国内锂电池的储能装机量有望超过55GWh。

4.4 消费电池市场空间

消费类锂电池市场总需求维持小幅增长。近年来轻薄型、小型化新兴消费类电子产品如智能手环、蓝牙耳机等成为 需求新的增长点。据Bloomberg数据显示,2021年全球消费市场锂电池(涵盖数码、电动工具、小动力等电池) 出货量为84.0GWh,同比增长20%。

5. 重点企业分析

5.1 贝特瑞

公司立足于锂离子电池负极材料、正极材料及石墨烯材料的研发、生产与制造。主营负极产品包括天然石墨、人造 石墨、中间相碳微球、硅基复合材料等。公司的种子业务“石墨烯材料”目前仍处于培育阶段。公司将继续完善石墨烯产业布局,发挥技术及资源优势,将 石墨烯产业打造成以碳基散热材料为主打产品,集生产、研发与销售一体的热管理材料企业。

5.2 杉杉股份

公司主营负极产品包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、复合石墨等。2021年销量超过10万吨、同比增长 71%。截止2021年底,公司负极材料成品产能12万吨,石墨化产能4.2万吨。根据鑫椤锂电数据,公司人造石墨出 货量排名全球第一。同时公司快充类产品快速放量,出货占比提高至约50%。公司硅基负极产品率先实现规模化市场应用,在消费和电动工具领域已实现百吨级销售;在动力电池领域,已通过 客户认证、实现装车,未来销量有望大幅提升。

5.3 璞泰来

公司主营负极产品包括人造石墨、复合石墨。公司正在全面加快负极材料和涂覆隔膜的一体化产能布局,截止2021 年底,公司年有效产能达15万吨以上,包括11万吨石墨化加工及10万吨碳化加工配套产能。另一方面,公司加速 推进涂覆隔膜业务一体化建设,隔膜基膜、涂覆加工、涂覆材料、粘结剂及涂覆设备业务的协同作用进一步凸显。

5.4 中科电气

公司主营负极产品包括人造石墨、天然石墨。公司在锂电负极领域具有较强的研发实力及工程化应用能力,在石墨 粉体加工技术、热处理工艺和石墨复合技术保持业内领先;具备负极材料全设备、全产线设计、施工、运行的一体 化建设和运营能力。同时,公司自行设计建设的贵州生产基地负极材料产线是业内自动化程度最高的产线之一。

5.5 翔丰华

公司主营负极产品包括人造石墨、天然石墨、复合石墨。公司产品线完备,一直坚持人造石墨与天然石墨并重的技 术路线。此外,在高能量密度、低膨胀、长循环等特性产品研发均获得下游锂电龙头厂商的高度认可。公司拥有核心团队优势。公司主要管理团队均具有丰富的锂电池行业管理、研发经验,对行业市场趋势、产品技术 发展方向的把握有较高的敏感性和前瞻性。

5.6 尚太科技

公司主营负极产品包括人造石墨、金刚石碳源、石墨化焦。公司2017年进入负极材料生产领域,积极探索在比容量、 压实密度、倍率等更平衡的人造石墨负极材料,同时在设备和工艺上改进,提升原有产品品质,提高产品生产效率。公司拥有基于一体化生产模式的成本优势。公司负极材料生产全部工序均自主进行,极少采购委托加工服务、可减 少毛利流出。同时,公司各个工序分布在同一生产基地,可提升生产效率、减少运输支出,降低生产成本。

5.7 索通发展

公司主营产品为预焙阳极。2022年5月公司通过发行股份和支付现金方式购买欣源股份94.98%的股份。欣源股份主 要产品有人造石墨负极材料,并从事石墨化、一体化等代加工服务。公司通过收购欣源股份进入负极行业。公司拥有原材料成本优势。公司2021年石油焦采购量达300万吨,采购端议价能力强,并拥有全球采购优势。

未来 公司负极材料产能规划超过30万吨,采购量将有较大增幅。公司将实现“预焙阳极+锂电负极”双引擎发展,成为先进碳材料制造企业。欣源股份的石墨负极和索通发展的预 焙阳极均属于碳材料,在原材料、生产设备、生产工艺等方面有联系和相同之处,可形成良性互动,共同发展。

来源:未来智库 报告出品方:方正证券

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