锂离子电池负极材料 头豹词条报告系列

锂离子电池负极材料行业分类 从负极材料的实际应用看，市场上主要使用的锂离子电池负极材料有人造石墨、天然石墨和硅基负极。 人造石墨是锂离子电池负极材料市场应用的绝对主流，理论比容量在310-360mAh/g之间，成本较低，优势在于材料膨胀低，安全性能与循环性能较好。缺陷在于能量密度相对稍低，加工性能较差。主要应用于高能量密度和高功率密度的3C数码、电动汽车用动力电池和储能领域。 人造石墨 天然石墨的理论比容量在340-370mAh/g之间，成本较低，优势在于能量密度相对较高，安全性能与加工性能较好。缺陷在于与电解液相容性差，材料膨胀较大。 锂离子电池负极材料分类 天然石墨 主要应用于高能量密度和高功率密度的3C数码、电动汽车用动力电池，以圆柱电池为主。 硅基负极的理论比容量在300-4,000mAh/g之间，远高于人造石墨与天然石墨，成本较高，优势在于能量密度极高，缺陷在于材料膨胀大，首次库伦效率低，且循环性能差。主要应用于高能量密度3C数码、电动工具及电动汽车用动力电池。 硅基负极 市场格局相对分散 中国锂离子电池负极材料行业市场格局相对分散。 龙头企业贝特瑞2021年负极材料出货量16万吨，并未与其他头部企业如璞泰来出货量9.7万吨、杉杉股份出货量10万吨、凯金能源出货量9万吨拉开绝对差距。2021年中国负极材料企业CR3为45%，行业集中度 相对较低。 工艺技术壁垒较高 锂离子电池对负极材料的选用要求严格，负极材料中的应用主流人造石墨工艺技术较为复杂。 作为锂离子嵌入的载体，电池对负极材料的选用有严格的要求，如负极电位越负、电化学活性高、电化当 量低、电解液中稳定、导电性好、资源丰富、便于制造等。负极材料的应用主流人造石墨生产工序复杂，且与成品性能高度关联，高端工艺壁垒极高。如石墨化流程需将物料放入石墨化炉中进行2800℃以上的高 温处理，碳化包覆需用化学方法在人造石墨表面生成无定型碳包覆，提高石墨材料的大电流充放电性能，石墨化在负极生产中的成本占比可高达55%。 硅基负极材料成为行业关注焦点 当前硅基负极材料凭借高比容量优势已成为行业关注焦点。 当前石墨材料的比容量性能逐渐趋于理论值天花板，提升空间极其有限，为适应动力电池高能量密度需求，新型负极材料正在积极研发中。硅基负极材料的最高理论比容量是石墨负极材料的10倍以上，现成为 行业关注的焦点，已有包括贝特瑞在内的企业实现了硅基负极材料的量产。在行业下游，以特斯拉为代表的汽车厂商已经开始采用由硅基负极制造的动力电池。随着高镍三元材料及其他配套材料的技术逐渐成 熟，硅基负极搭配高镍三元材料的体系将成为未来锂离子电池的发展主流，硅基负极材料的产业化进程加快，2020年出货量0.6万吨，同比增长20.0%。 萌芽期 1992-2001 世界上第一款产业化锂离子电池是由Goodenough发明的钴酸锂正极、A.Yoshino提出的焦炭负极组合而成，配合LiPF6的碳酸丙烯酯与碳酸二乙酯混合溶剂电解液，SONY公司于1992年实现量产，电 池比能量为80Wh/kg。中国电子科技集团公司第十八研究所于1992年在国内率先开展锂离子电池研 究，1994年推出了第一只AA尺寸电池，采用自主开发的人工石墨负极，容量和比能量分别达到 500mAh和94Wh/kg。1997年，中国建成第一条18650锂离子电池生产示范线(C/LiCoO2)，同年， 鞍山热能研究院碳素研究所研发出中间相炭微球，实现中试级别的生产。1999年，杉杉股份与鞍山热能研究院合资成立上海杉杉科技有限公司。2001年，杉杉科技CMS（Carbon Molecular Sieves，碳分子筛）工业生产装置成功投入运行。 该阶段中间相炭微球是锂离子电池的主流负极材料，日本在负极材料行业处于垄断地位，中国行业参 与者稀少，但已自主研发成功第一只锂离子电池并建成生产线，研究机构与企业单位合力推进锂离子电池技术研究与产业发展，锂离子电池产业链及相关负极材料国产化需求应运而生。 启动期 2002-2010 2002年，贝特瑞开发出球形石墨并成功实现产业化，奠定了企业天然石墨的发展。2006年，公司负 极材料的市场占有率国内第一，贝特瑞获得第一项硅碳负极研究的专利，2010年贝特瑞实现了负极材料市场占有率全球第一。2005年，杉杉科技开发出人造石墨负极材料新品FSN-1系列。2007年， 产品进入Apple供应体系。2009年，杉杉科技开始研发硅基负极材料。 锂离子电池在3C数码产品领域中广泛应用，具有性能及成本优势的石墨负极材料成为主流，并逐渐 分化成人造石墨和天然石墨两种体系。中国国内完成石墨负极材料的国产化，打破了日本市场领先局面，企业生产的天然石墨和人造石墨负极材料具备国际竞争力，但负极材料的全球市场仍由日本企业 主导，日立化成、日本碳素、JFE化学合计占据市场份额过半，国产企业仍处于市场边缘。中国负极 材料企业开始探索硅基负极用于锂离子电池负极材料的可能性。 高速发展期 2011-至今 2012年，国务院出台《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，明确提出重点推进纯 电动汽车与插电式混合动力汽车的产业化。工业和信息化部发布《关于组织申报2012年度新能源汽车产业技术创新工程项目的通知》，提出2015年电池单体的能量密度达到每公斤180Wh以上的创新 目标。同年，璞泰来成立，收购江西紫宸切入锂离子电池负极。2013年，贝特瑞硅碳负极通过三星SDI验证，2017年产品进入松下-特斯拉体系。2017年，杉杉实现硅基负极量产，圆柱电池用硅氧材 料进行中试。2019年，《产业结构调整指导目录（2019年本）》将锂离子电池用三元和多元、磷酸铁锂等正极材料、中间相炭微球和硅碳等负极材料、单层与三层复合锂离子电池隔膜、氟代碳酸乙烯 酯（FEC）等电解质与添加剂列入鼓励类产业范畴。 2011-2015年期间，3C数码产品市场持续增长，拉动锂离子电池负极材料需求；2015年后3C产品市 场增长趋于稳定，新能源汽车产业迎来爆发，高能量密度及循环性能的需求推动了石墨负极材料在动力电池中的应用及发展。受技术及经验积累影响，行业集中度上升，在全球负极材料出货量排名前五 位的企业中，中国企业占据四位。在新材料开发方面，国际厂商领先硅基负极材料应用，国内厂商批 量生产推进硅基负极产业化进程。 生产制造端 原材料供应商 上游厂商 宝泰隆新材料股份有限公司 方大炭素新材料科技股份有限公司 山西永东化工股份有限公司 查看全部 产业链上游说明 锂离子电池负极材料产业链上游是原材料供应商，主要原材料包括针状焦与石油焦。针状焦具有低热膨胀系数、低空隙度、低硫、低灰分、低金属含量、高导电率及易石墨化等一系列优点，可以由石油 渣油、煤焦油沥青等经过预处理、延迟焦化和煅烧等工艺制得。高能量密度的人造石墨负极材料主要选用针状焦，中低端负极材料选用石油焦，因此针状焦是目前用于动力电池的人造石墨主要原材料。 国内高端针状焦长期依赖进口，油系以美国ConocoPhillips为代表，煤系以日本新日铁C-Chem为代 表，目前主要进口来源国为韩国、日本、印度。根据海关总署数据，2022年中国煤系针状焦总进口量9.0万吨，油系针状焦总进口量12.8万吨。根据国家统计局数据，2022年石油焦累计产量3,003.1万 吨。 生产制造端 石墨化外协加工厂 上游厂商 青岛青北碳素制品有限公司 临邑汇丰新材料有限公司 江西紫微星科技有限公司 查看全部 产业链上游说明 产业链上游包括石墨化外协加工厂。石墨化是利用热活化将热力学不稳定的碳原子实现由乱层结构向 石墨晶体结构的有序转化，过程中使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量。在工艺方面，石墨化工艺包括坩埚炉、厢式炉和连续石墨炉，其中坩埚炉以样品容量大、首次效率高等优势占据应用 主流。在成本方面，璞泰来首次公开发行股票招股说明书披露，石墨化外协加工费占负极材料业务成本的比例在42.95%-57.27%之间，外协加工费的高低对负极材料成本具有重大影响。高能耗石墨化 的成本中占比最高为电费，因此国内石墨化加工大多布局在电价较为便宜的内蒙、山西、四川等地。 产业链中游 品牌端 锂离子电池负极材料生产商 中游厂商 贝特瑞新材料集团股份有限公司 上海璞泰来新能源科技股份有限公司 石家庄尚太科技股份有限公司 查看全部 产业链中游说明 产业链中游为锂离子电池负极材料生产商。负极材料进入门槛较高，入门壁垒主要有技术、资金及客 户三方面。参与到负极材料竞争格局首先需要具备相应的制造技术确保产品性能及工艺质量，其次需要持续的研发及产业链布局资金投入，最后进入客户体系需要经过严格的测试程序以及符合相应的规 范标准，因此壁垒较强。当前中国锂离子电池负极材料行业整体格局较为分散，龙头企业贝特瑞2021 年负极材料出货量16万吨，并未与其他头部企业如璞泰来出货量9.7万吨、杉杉股份出货量10万吨、凯金能源出货量9万吨拉开绝对差距。2021年中国负极材料企业CR3为45%，行业集中度相对较低。 未来随着上游石墨化新增产能审批趋严与下游新能源汽车市场需求扩大，负极材料企业有望加速出清，淘汰低端过剩产能，行业集中度有所提升。 下 产业链下游 渠道端及终端客户 锂离子电池生产商 渠道端 宁德时代新能源科技股份有限公司 比亚迪股份有限公司 惠州亿纬锂能股份有限公司 查看全部 产业链下游说明 负极材料产业链的下游为锂离子电池生产商。目前锂离子电池行业知名企业包括：宁德时代、比亚迪、孚能科技、新能源科技、松下电器、三星SDI、LG化学、天津力神、比克动力、远景集团等。从 生产规模看，目前全球锂离子电池行业呈中日韩三足鼎立的局面，国际巨头企业为松下电器、三星SDI和LG化学，国内第一梯队为宁德时代和比亚迪，第二梯队为孚能科技、天津力神、比克动力、远 景集团等。2022年，中国动力锂离子电池累计产量545.9GWh，累计同比增长148.5%。其中三元锂离子电池累计产量212.5GWh，占总产量38.9%，累计同比增长126.4%；磷酸铁锂离子电池累计产量 332.4GWh，占总产量60.9%，累计同比增长165.1%。从发展趋势看，锂离子电池未来在消费、动力与储能领域的市场需求将持续攀升。在消费领域，随着5G技术的商用化加快，物联网产业链发展迅 速，2019年底活跃的物联网设备数量为76亿个，至2030年将增长到241亿个，锂离子电池作为万物互联的核心零部件之一，在智能表计、智能安防、智能交通、智能穿戴、移动终端等消费和工业领域 得到广泛应用，市场需求持续增长。在动力领域，《新能源汽车产业发展规划（2021－2035年）》提出，到2025年，新能源汽车新车销量达到汽车新车销售总量的20%左右，将有力促进锂离子电池 的装车规模扩张。在储能领域，全球锂离子电池储能技术装机规模逐年上涨，占全球储能累计装机规模比重不断扩大，锂离子电池储能市场需求量大，截至2021年，中国储能锂离子电池装机规模达 5.2GW，在中国已投运的电力储能项目装机结构中占比11.2%。 命与低安全性在市场上还未能大规模供应。目前负极材料的供应仍以人造石墨为绝对主流，2020年占比 84.11%，受益于下游新能源车高景气，市场份额有望不断提升。 从国家能源结构优化的总体趋势看，负极材料作为锂离子电池的核心组件，动力电池与储能电池的应用增长 是其行业规模快速扩张的两大重要驱动因素，但锂离子电池同样面临着燃料电池、钠离子电池等新兴技术的竞争。负极材料当前的瓶颈在于石墨材料的比容量已接近理论上限，需以更高比容材料替代，硅基负极潜力巨大， 理论容量在300-4,000mAh/g之间，但单独应用存在一定问题，硅基负极的改性研究将成为其性能优化的解决途径。另从历年负极材料出货量与