自4680電池以來，鋰陽極材料從石墨變?yōu)楣?/h2>

文章來源：本站 人氣：265 次 發(fā)表時間：2023-04-14 【小中大】

 

在2020年9月舉行的“特斯拉電池日”上，特斯拉顛覆性地發(fā)布了“4680電池”。這種電池不僅比18650和21700電池大得多，而且具有更高的能量密度。單電池的能量增加了5倍，輸出功率增加了6倍。預(yù)計這將使動力電池的價格下降56%以上。

 

電動汽車的應(yīng)用場景相對特殊，空間容量極為有限。為了保證足夠的續(xù)航里程，對動力電池的能量密度提出了一定的要求，這也是制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。特斯拉4680電池效率大幅提高的主要原因在于三個方面：無電極耳模式、干電極工藝和硅基負(fù)極的應(yīng)用。無電極耳模式補充了干電極工藝，其核心目的是降低導(dǎo)電路徑的內(nèi)阻，從以前的20mΩ降低到2mΩ。另一方面，硅基陽極的應(yīng)用有望突破傳統(tǒng)陽極的理論容量限制，實現(xiàn)動力電池能量密度的全面突破。

 

 

長期以來，動力電池負(fù)極波瀾不驚，性價比優(yōu)勢使人造石墨成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的技術(shù)路線。在缺乏新動力的情況下，各負(fù)極公司都將發(fā)展重點放在了降本增效上。但這種平靜可能會被4680電池打破。當(dāng)4680電池正式發(fā)布時，硅基負(fù)極的滲透率將繼續(xù)提高。4680電池會是鋰電池負(fù)極下一次產(chǎn)業(yè)迭代的開始嗎？是什么原因限制了硅基陽極取代人造石墨成為行業(yè)主流？

 

負(fù)極材料迭代歷史記錄

鋰電池的概念最早提出于20世紀(jì)初，但直到1991年，日本索尼公司才正式實現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。

第一批鋰電池使用石油焦作為負(fù)極，由于其比容量低，很快被淘汰，取而代之的是一種稱為中碳微球（MCMB）的材料。

盡管與第一代負(fù)極材料相比，MCMB有了顯著的改進(jìn)，但仍存在比容量低的問題。此外，在制備過程中需要消耗大量的有機(jī)溶劑，因此成本總是很高，與目前的負(fù)極材料幾乎相同。幾倍以上。

 

鋰電池誕生于日本，日本公司在行業(yè)早期始終擁有絕對的話語權(quán)。2000年之前，中國鋰電池公司的陽極材料幾乎全部從日本進(jìn)口。杉杉公司率先實現(xiàn)了MCMB的國內(nèi)替代。當(dāng)時，杉杉公司借助鞍山熱能研究院的技術(shù)力量，建立了中國第一條MCMB生產(chǎn)線，成功降低了MCMB陽極材料的價格。幾乎在杉杉公司大規(guī)模生產(chǎn)MCMB的同時，天津大學(xué)王成陽教授也開發(fā)了MCMB的相關(guān)技術(shù)，并將該技術(shù)授權(quán)給天津鐵忠煤化公司。2008年，天津鐵城被伯特利收購。當(dāng)中國實現(xiàn)MCMB的國產(chǎn)替代時，市場對鋰電池的需求實際上已經(jīng)發(fā)生了變化。手機(jī)和筆記本電腦成為鋰電池的主要落地場景，這對鋰電池的容量密度提出了一定的要求。

 

隨著鋰電池在3C數(shù)字領(lǐng)域滲透率的不斷提高，比容量更高的石墨材料開始逐漸取代MCMB。第一個取代MCMB的是天然石墨材料，它首先由伯特利完成。幾乎與天然石墨同時存在的還有人造石墨。人造石墨雖然稍微貴一點，但不易膨脹，循環(huán)性好，充放電速率好，適合更多的應(yīng)用場景。

 

總體而言，鋰電池負(fù)極延續(xù)了石油焦、MCMB、天然石墨和人造石墨的行業(yè)迭代路線。比容量和膨脹率是最令人感興趣的性能參數(shù)。2011年，天然石墨已成為市場份額最高的材料，市場份額達(dá)到59%；人造石墨以30%的市場份額位居第二，MCMB的市場份額僅為8%。當(dāng)時正處于石墨取代MCMB的早期階段，市場仍將成本作為首要考慮因素。天然石墨和人造石墨的物理和化學(xué)特性差別不大，因此市場更愿意接受性價比更高的天然石墨。

 

然而，2015年，天然石墨陽極的比例降至55%，2020年暴跌至16%；人造石墨陽極的市場份額從30%增加到84%。為什么近年來人造石墨負(fù)極實現(xiàn)了軋制天然石墨的趨勢？究其原因，在于新能源汽車賽道的迅速爆發(fā)。人造石墨負(fù)極具有循環(huán)壽命長、充放電快的優(yōu)點，這導(dǎo)致動力電池制造商一致選擇價格略貴的人造石墨作為主流路線。

 

縱觀鋰電池負(fù)極材料的發(fā)展，哪種鋰電池負(fù)極成為市場主流主要取決于當(dāng)時的應(yīng)用場景。在基本業(yè)績得到滿足后，負(fù)極制造商的核心競爭力不再取決于研發(fā)，而是取決于如何降本增效，這也導(dǎo)致整個行業(yè)公司的利潤趨勢普遍趨同。

 

特斯拉開啟新的路徑

決定陽極材料選擇的是市場需求，而特斯拉的4680電池解決方案有望打破市場對陽極材料的長期共識。4680電池帶來的最大變化是什么？也就是說，與21700電池相比，容量增加了近5倍，功率增加了6倍，續(xù)航里程增加了16%。

 

 

長期以來，電動汽車一直被困在動力電池密度低導(dǎo)致的短續(xù)航里程內(nèi)。此前，業(yè)界主要關(guān)注正極材料的選擇，以提高動力電池的能量密度，但時至今日，三元電池與磷酸鐵鋰之間仍存在一場大戰(zhàn)。顯然，正極行業(yè)沒有一致的結(jié)論。

 

特斯拉4680電池的意義在于，它突破了電池制造商專注于正極和正極的傳統(tǒng)思維，轉(zhuǎn)而使用電池結(jié)構(gòu)和負(fù)極來提高和最大限度地提高動力電池的能量密度和效率。對于石墨陽極，高端產(chǎn)品的電流容量已達(dá)到360-365mAh/g，幾乎達(dá)到372mAh/g的理論容量上限。當(dāng)動力電池的能量密度不再能夠完全滿足電動汽車的需求時，有必要尋找更高的陽極材料，克容量已成為大勢所趨。

 

縱觀所有陽極材料，只有硅基材料才能顯著提高陽極的克容量，它很有可能成為下一代陽極產(chǎn)品。但與此同時，硅基陽極也存在致命缺陷，限制了該技術(shù)的快速普及。首先，硅基陽極具有大的膨脹比并且易于變形。其次，循環(huán)性能明顯低于石墨陽極，并且導(dǎo)電性不是很好。再加上高昂的價格，這項技術(shù)很難獲得下游制造商。由于這些缺陷，硅基材料很難在短時間內(nèi)快速應(yīng)用于陽極材料。目前業(yè)界的解決方案是硅基材料與石墨復(fù)合的方法，該方法已能夠?qū)崿F(xiàn)比容量超過400mAh/g的電池解決方案。

 

4680電池引起的三重變化

特斯拉的4680電池解決方案預(yù)計將給鋰電池負(fù)極帶來巨大的三重行業(yè)變革。整個負(fù)極行業(yè)從石墨向硅基復(fù)合材料轉(zhuǎn)型，這將是4680電池給鋰電池負(fù)極帶來的第一次重大變革。在4680電池之前，一些制造商實際上已經(jīng)在負(fù)極方案中少量添加了硅基材料。例如，在特斯拉Model 3的21700電池的負(fù)極中添加了5%的硅基材料。數(shù)據(jù)顯示，2020年，硅基材料國內(nèi)出貨量僅為9000噸，行業(yè)滲透率僅為2.5%左右。然而，4680電池的出現(xiàn)預(yù)計將推動硅基陽極的市場需求，整個硅基材料在陽極中的滲透率預(yù)計將翻一番。在硅基材料滲透率增加的背后，核心導(dǎo)電劑碳納米管可能成為另一種有益的材料，這是4680電池帶來的第二個變化。由于硅基材料的導(dǎo)電性較差，滿體積后首先需要解決的是導(dǎo)電性問題。業(yè)內(nèi)普遍采用添加導(dǎo)電劑的方法來解決。

 

目前，“炭黑+導(dǎo)電石墨”的傳統(tǒng)導(dǎo)電劑在行業(yè)中應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)導(dǎo)電劑添加量大，主要依賴進(jìn)口。碳納米管是近年來興起的一種新型導(dǎo)電劑，其添加量小，優(yōu)點明顯。碳納米管是具有良好導(dǎo)電性的管狀納米級石墨晶體。碳納米管經(jīng)常被添加到陰極材料中作為導(dǎo)電劑，以提高鋰電池極片的導(dǎo)電性，從而提高鋰電池的倍率性能和循環(huán)壽命。2014年，碳納米管只是一種不受歡迎的導(dǎo)電劑，其比例為13.6%。隨著中國動力電池的發(fā)布，碳納米管的滲透率持續(xù)提高，到2018年，市場份額有所增加。繼續(xù)目前的趨勢，到2025年，碳納米管的市場份額預(yù)計將超過60%。

 

 

中國已經(jīng)具備了碳納米管的自主生產(chǎn)能力。目前，國內(nèi)從事碳納米管的公司包括天奈科技、卡博特、青島昊鑫、德方納米、無錫東恒等。其中，天奈科技是絕對的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。從出貨量來看，天奈科技2020年的市場份額高達(dá)32.3%，而第二和第三名分別為23.8%和19.6%，差距明顯。即將到來的第三個變化是，4680電池可能會從根本上改變負(fù)極行業(yè)的現(xiàn)狀。2020年，中國陽極材料市場將被四大龍頭公司瓜分，伯特利、璞泰來（江西紫晨）、杉杉和凱金能源分別占據(jù)22%、18%、17%和14%的市場份額。就市場份額而言，CR4的總市場份額為71%。

 

 

目前，各企業(yè)負(fù)極的市場份額主要受石墨負(fù)極產(chǎn)能的影響。隨著未來硅基材料的爆發(fā)，整個負(fù)極的市場份額可能會發(fā)生巨大變化，那些在硅基材料方面布局較早的公司將搶占大的市場份額。專注于全球硅基陽極行業(yè)，日本的信越是技術(shù)最先進(jìn)的，而在中國市場，伯特利是行業(yè)先驅(qū)，璞泰來和杉杉目前正在迎頭趕上。早在2020年9月，伯特利的硅基陽極就已經(jīng)正式投產(chǎn)。市場預(yù)計今年的出貨量將在3000噸左右，發(fā)展速度領(lǐng)先于其他公司。它最有可能成為最大的硅基陽極受益人。

 

璞泰來目前是負(fù)極市場的第二大企業(yè)。在硅基材料布局方面，普泰來與中國科學(xué)院物理研究所合作，完成了第二代產(chǎn)品，并參與了下游用戶的測試和認(rèn)證。預(yù)計它將在未來幾年內(nèi)開始大規(guī)模生產(chǎn)。杉杉主要專注于硅氧化物陽極，并已在消費者和小型電力市場實現(xiàn)批量應(yīng)用。動力電池仍在進(jìn)行測試和認(rèn)證，也處于大規(guī)模生產(chǎn)的早期階段。此外，凱金新能源、中科電氣等公司也在積極布局硅基陽極，希望搶占陽極行業(yè)的下一次迭代。

 

總的來說，鋰電池陽極從石墨材料向硅基材料的轉(zhuǎn)變已成為行業(yè)公認(rèn)的技術(shù)方向，而4680電池的正式發(fā)布可能會刺激對硅基材料整體的需求，這不僅會重塑整個鋰電池陽極行業(yè)格局，同時也將帶動相關(guān)導(dǎo)電劑行業(yè)的發(fā)展。4680電池解決方案并非特斯拉一家。比克電池和億緯鋰能等電池制造商也開始開發(fā)自己的“4680解決方案”。這意味著4680電池的加速發(fā)展極有可能成為高概率事件，這也有望成為鋰電池負(fù)極下一次迭代的開始。