锂电池硅负极深度：CVD硅碳重塑产业链，迈向动力场景0-1

投资逻辑 核心观点：CVD硅碳工艺的出现大幅提速硅负极的产业化，25年硅负极预计在手机领域扩大渗透，也有望在动力场景实现0-1，我们建议关注硅负极放量背景下，新工艺带来的产业链增量环节投资机会。 CVD法硅碳成新主流工艺，加速硅负极产业化，重塑竞争格局。1）球磨法向CVD法迭代：在硅的纳米化工艺上，CVD法能将硅径粒精确控制在 10nm 以内，并实现均匀包覆，取代球磨法成为新一代主流工艺；2）CVD硅碳相比硅氧优势扩大：目前CVD法硅碳/硅氧产品的克容量约1800/1500mAh/g,且CVD硅碳可支持超1000次循环，并实现低于硅氧的膨胀水平。3）新工艺重塑格局：CVD法下工艺、设备较硅氧大幅迭代，重塑先前硅氧的竞争格局，当前天目先导、兰溪致德、璞泰来、贝特瑞等在CVD硅碳进展领先。 成本：中期向石墨负极靠近，多孔碳、设备仍有较大降本空间。硅负极成本构成中由高到低分别为多孔碳、硅烷气、设备。我们假设当前采用高性能树脂多孔碳，中期采用生物质多孔碳，价格从50万/吨降至15万/吨；硅烷气从9万/吨下降至7万/吨；单吨制造成本从6.5万/吨下降至3.5万/吨，则测算CVD硅碳负极的成本有望从当前40-45万/吨下降至中期15-20万/吨，硅碳负极价格有望持续向石墨负极靠拢。 市场：消费场景先落地，动力迈向0-1。1）小动力：高倍率小圆柱电池已开始应用硅负极；2）手机：25年手机迈向7000mAh时代，苹果、华为、荣耀、小米等品牌已/将推出硅负极机型，硅负极从高端机向中低端渗透；3）电车：特斯拉、宝马大圆柱电池明确搭载硅碳负极，25年部分国内新能源高端车型有望应用硅负极；4）固态&半固态电池：未来有望在车、手机、低空等领域逐步落地应用，掺硅量较其他场景更大。我们预计到28年全球硅负极需求4.5万吨，假设30万元/吨，对应市场135亿元，其中小动力/手机/电车/固态&半固态电池对应需求0.28/0.09/3.4/0.75万吨。 产业链:多孔碳迈向规模化0-1，硅烷市场大幅扩容，PAA、CNT打开新应用场景。 1）多孔碳：迈向规模化0-1，树脂/生物质路线构成主流。伴随CVD硅碳的应用，多孔碳预计迈向规模化0-1，未来看好双路线并行发展，预计生物质路线发挥成本优势，在低端市场占据主导，通过性能提升向中高端市场渗透；树脂路线则依靠性能优势占据高端市场，通过降本向下渗透，国内代表企业分别为元力股份、圣泉集团。 2）硅烷气：预计市场大幅扩容。我们测算24年国内合计电子级硅烷气需求约1.26万吨，预计28年硅基负极对应硅烷气需求约1.9万吨，规模为现有市场的1.5倍，大幅扩容，国产企业中硅烷科技等产能领先。 3）粘结剂&导电剂：PAA、CNT打开新应用场景。粘结剂控制硅负极的体积膨胀，PAA有较优的力学性能和拉伸强度，且应用后有较好的库伦效率，国内茵地乐在PAA份额领先；需添加导电剂确保硅负极的导电性，加入单臂碳纳米管大幅改善循环性，国内天奈科技布局进展领先。 投资建议与估值 能量密度的提升是电池发展长期趋势，负极环节对应趋势则为硅负极，CVD硅碳的应用大幅加速硅负极产业化，在手机等消费类市场硅负极已迈过0-1，25年预计进一步放量，在车用市场25年有望实现产业化0-1，建议关注硅负极企业及上游的多孔碳、硅烷气、粘结剂、导电剂等环节。 风险提示 技术迭代风险，硅负极降本不及预期，硅负极性能提升不及预期。 一、硅负极：消费场景现行落地，动力迈向0-1 1.1 CVD硅碳工艺大幅提速硅负极的产业化 负极材料直接影响电池容量、首效、循环等性能。负极材料系先由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧，再经干燥、滚压形成。负极材料作为锂电池不可或缺的重要组成部分，直接影响锂电池的容量、首次效率、循环等主要性能，在动力电池成本中占比一般不超过15%，约在10%。 图表1：负极在动力电池成本占比一般不超过15% 负极材料一般分为碳系负极和非碳系负极。碳系负极可分为石墨、硬炭、软炭负极等，石墨又可进一步分为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球；非碳系负极包括钛酸锂、锡类合金负极、硅类合金负极等。 图表2：负极材料分碳材料、非碳材料 石墨负极能量密度提升空间已有限，硅基负极具备更大发展前景。能量密度提升可实现终端产品（电子产品、电动汽车等）更长的续航。目前，石墨由于理论比容量低（372 mA·h/g）和锂离子枝晶生长等问题，性能提升空间已有限，而硅基负极的理论比容量（4200 mA·h/g）远高于石墨，工作电压(0.4V)适宜，不存在析锂隐患，且Si在地壳储量丰富、价格低廉且环境友好，因此具备较大发展前景。 硅负极可搭配任意正极材料。硅负极可搭配任何一种现有正极材料，如磷酸铁锂、高镍三元、富锂锰基等，都可以显著提升能量密度，且硅负极适用于固态电池等下一代电池技术，也是固态电池提升能量密度的主要技术路线。 图表3：电池负极材料性能对比，硅基负极在克容量上具备绝对优势 硅基负极易膨胀，为解决痛点，衍生出不同的技术路线，其中硅氧、硅碳为主流。在对硅基负极电池充放电过程发生的体积膨胀会导致负极材料粉化，引起电极表面固体电解质界面膜（SEI）破裂；当SEI膜重新形成时，将进一步耗损电解质中的 Li+ 离子，引发电池性能快速衰减；另外，硅基负极的电导率低，不利于自由电子的移动输运。根据分散基体的不同，未来最有希望实现较大规模应用的新一代高容量硅基负极材料主要有硅氧、硅碳负极材料及硅基合金负极材料三大类，虽然硅基合金负极材料相对碳负极材料克容量提升效果明显，但是因为其工艺难度高、生产成本高，且首次充放电效率较低，所以目前尚未大规模使用。硅氧、硅碳负极的工艺相对成熟，综合电化学性能较优，是目前最为主流的硅基负极材料。 图表4：硅氧、硅碳负极工艺相对成熟 硅氧、硅碳负极的发展经过多个阶段，硅氧路线主要通过预镁/预锂化提升首效，硅碳路线中CVD法通过工艺改进实现性能的全面提升。 1）硅氧负极：通过预镁、预锂化提升首效，但成本显著提升。 ①第一代硅氧负极：采用氧化亚硅与石墨材料复合，氧化亚硅在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，相较于纯硅负极，其循环稳定性得到改善，然而氧化亚硅在充放电过程中会生成 Li2O 等非活性物质，导致首次效率较低（约70%）； ②预镁硅氧负极：通过在制备过程中添加镁元素，利用镁与硅的合金化反应，阻止SEI膜合成，将首效提升至80%左右，但预镁化产品普遍克容量不高，且预镁工艺会增加材料成本，对电芯厂来说性价比较低； ③预锂硅氧负极：预锂化是通过在负极材料中预先嵌入一定量的锂，以补偿首次充放电过程中的不可逆容量损失，提高电池的初始库仑效率，在第二代基础上进一步提升首效（86%-92%），但进一步提升成本。 图表5：硅氧路线迭代主要通过预镁、预锂化提升首效，但成本显著提升 2）硅碳负极：CVD法、机械球磨法更适合工业化，CVD法具备明显优势。 ①机械球磨法：通过搅拌罐将硅粉和适量的溶剂混合，形成初步的浆料，通过隔膜泵输送至砂磨机中，转子结构与研磨介质的高速旋转，对浆料中的硅碳颗粒进行剪切、碰撞和摩擦作用，从而实现颗粒的细化和分散，研磨结束后，通过过滤、离心等方式将研磨介质与物料分离，得到细化的硅碳负极浆料，机械球磨法工艺相对简单，但得到的硅碳复合材料易发生团聚，导致电池性能差； ②CVD气相沉积法：制备出多孔碳骨架，然后在多孔碳内部通过硅烷沉积纳米硅颗粒，最后进行碳层包覆，该技术充分利用多孔碳的内部空间，实现硅纳米颗粒的均匀分布，有效控制硅在充放电过程中的体积膨胀，同时碳层包覆进一步提高了材料的电导率和稳定性，显著改善了硅碳负极的首效、能量密度、循环性能和电芯膨胀等性能。 图表6：CVD法制备硅碳具备首效高、循环稳定好等优势 硅碳vs硅氧：尽管硅氧路线仍在特定领域保持优势，但新型CVD硅碳凭借在能量密度和膨胀控制方面的突出表现，正逐步成为行业主流选择。 硅氧路线的首效低、克容量上限受限等问题日益凸显。根据高工锂电，预锂化处理虽然能提升首效和循环性能，但价格从一代硅氧的12万元/吨飙升至55万元/吨，且良率较低，制约了规模化应用。在关键的性能指标上，新型CVD硅碳已展现明显优势。理论上，硅材料比容量可达4200mAh/g，是石墨理论值372mAh/g的10倍以上。目前CVD法硅碳的克容量约1800mAh/g，部分企业最新产品更突破2000mAh/g，而硅氧产品的比容量仅为1500mAh/g左右。据GGII数据，CVD法硅碳还可支持超1000次循环，将极片膨胀控制在25-27%。在实际应用中，新型硅碳与硅氧的竞争主要体现在膨胀系数控制上。通过持续迭代，新型硅碳已可实现低于硅氧的膨胀水平。 CVD法硅碳突破球磨法的性能瓶颈，成为新一代主流工艺。在硅的纳米化工艺上，传统的机械球磨法转向了化学气相沉积法（CVD）是重要的技术迭代。CVD法能够将硅径粒精确控制在 10nm 以内，并实现均匀包覆，正在迅速成为新一代主流工艺。相比之下，早期的球磨法难以将硅颗粒研磨至 100nm 以下，还容易导致颗粒团聚，影响电池的循环性能。 根据GGII，新型硅碳预计大规模量产后成本仅高于传统硅碳和一代硅氧，2030年新型硅碳市场占比有望超75%，成为市场主流。而传统硅碳和一代硅氧凭借性价比优势，占据一定性价比市场。但目前新型硅碳仍存在成本较高、良率较低（仅50~60%）、无法大规模量产（行业还在做20公斤级设备，到百吨级设备配套产业链断层）和产品一致性难控制（受孔隙率、多批次生产等影响）的问题亟待解决。 图表7：硅碳、硅氧负极性能对比（2023年7月） 1.2格局：工艺迭代重塑格局，天目先导、兰溪致德等进度领先 CVD工艺区别于过往石墨生产工艺。气相沉积（CVD）技术是一种通过使用多孔碳结构来存储硅的方法。采用多孔结构的碳颗粒，然后将硅烷气体引入这些碳颗粒的孔隙中。在高温条件下，硅烷气体通过热解反应在多孔碳的空隙中沉积形成硅纳米颗粒。CVD法核心在于硅、碳的沉积，与传统石墨的石墨化工艺完全不同，以流化床法工艺流程为例，包含多孔碳研磨筛分处理、硅沉积反应、碳沉积反应等，具体为： 步骤1：原料破碎多孔碳物料经过破碎、研磨和筛分，制得小颗粒多孔碳反应原料；步骤2：流态化硅沉积反应：小颗粒多孔碳反应原料置于搅拌流化床反应器中，通入硅源与载气混合气体进行化学气相沉积，制得硅基中间体；步骤3：流态化碳沉积反应：向硅基中间体通入碳源与载气的混合气体进行化学气相碳沉积，以改善和强化硅材料的结构。 图表8：CVD硅碳制备工艺（流化床法） 由于工艺不同，负极新玩家具备进场机会。布局硅负极的企业众多，大致可分为几类：1）传统石墨负极企业：如璞泰来（江西紫宸）、贝特瑞、杉杉股份，为石墨负极的老牌企业，有较长的硅负极开发经验；2）一级企业：如兰溪致德、天目先导等，专注于硅负极开发，仍在一级融资阶段；3）跨界布局企业：如胜华新材、硅宝科技等，从其他领域切入硅负极。 贝特瑞在硅基负极份额领先，天目先导、兰溪致德等CVD硅碳进展较快。2022年全球硅基负极第一梯队厂商主要有贝特瑞、信越化学、韩国大洲(Daejoo)，占有大约86%的市场份额；第二梯队厂商有天目先导、洛阳联创、杉杉股份、兰溪致德、凯金能源、Group14和正拓能源等，共占有约9%的份额。除贝特瑞外，国内天目先导、兰溪致德、璞泰来等进展相对领先，如天目先导研发的新一代硅碳负极材料已成功进入比亚迪、宁德时代以及韩国LG、SK等国内外龙头企业的供应链；璞泰来CVD沉积硅碳负极取得小批量量产订单。 图表9：部分主要硅负极企业产品布局及产能规划 1.3成本：中期向石墨负极靠近，多孔碳、设备仍有较大降本空间 当前CVD硅碳价格仍较高。根据高工锂电，CVD硅碳目前售价约达75万元/吨。生产1吨的硅碳负极需要约0.5吨多孔碳和0.6吨的硅烷气，成本构成中由高到低分别为多孔碳、硅烷气、设备，后续降本重点主要在于产业链多孔碳、设备的降本。 1）多孔碳：降本空