锂电负极的下一次迭代，将从4680电池放量开始？
时间:2022-02-08 12:12来源:芯锂话 作者:林晓晨
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这种电池不仅体型上明显大于18650和21700电池，而且能量密度也更高，单体电芯能量提升了5倍，输出功率提升了6倍，有望让动力电池的价格下降56%以上。
电动车的应用场景较为特殊，空间容量极为有限，为了保证足够的续航里程，就对动力电池的能量密度提出了一定要求，而这也是制约行业发展的关键。特斯拉4680电池之所以效率大幅提升，其核心在于三方面：无极耳模式、干电极工艺、硅基负极的应用。
无极耳模式与干电极工艺相辅相成，其核心目的在于减少导电路径的内阻，由此前的20mΩ降至2mΩ；另一方面，硅基负极的应用则有望突破传统负极的理论容量极限，实现动力电池能量密度的全面突破。
一直以来，动力电池的负极江湖都风平浪静，性价比的优势让人造石墨成为行业公认的技术路线，在没有新驱动力的情况下，各负极公司将发展的重心放到了降本增效上。
但这份平静可能将会被4680电池所打破，当4680电池正式放量，硅基负极的渗透率必将持续提升。4680电池放量将会是锂电负极下一次产业迭代的开始吗？制约硅基负极替代人造石墨成为产业主流的原因又是什么呢？
01
负极迭代史
锂电池这个概念最早是在20世纪初提出的，但直到1991年，日本索尼才正式实现商业化生产。
最早的一批锂电池使用的是石油焦负极，由于这种材料比容量很低，很快就被淘汰，取而代之的是一种叫作中间相碳微球（简称MCMB）的材料。
尽管MCMB较第一代负极材料有了明显的提升，但依然存在比容量偏低的问题，再加上制备过程中需要消耗大量的有机溶剂，因此成本始终居高不下，几乎是现在负极材料的数倍以上。
锂电池诞生于日本，行业发展初期日本企业始终占据绝对话语权，在2000年之前我国锂电池企业的负极材料几乎全部来自于日本进口。
首先实现MCMB国产替代的是杉杉股份，当时杉杉股份借助鞍山热能研究院的技术实力，建立了我国首条MCMB生产线，成功让MCMB负极材料的价格大幅下降。
几乎在杉杉股份量产MCMB的同时，天津大学王成杨教授也研发出了MCMB的相关技术，并在随后将这项技术授权给了天津铁中煤化工公司。2008年，天津铁城被贝特瑞收购。
在我国实现MCMB的国产替代时，实际上市场对于锂电池的需求已经发生了变化，手机、笔记本电脑成为锂电池的主要落地场景，这就对锂电池的能力密度提出了一定的要求。
随着锂电池在3C数码领域渗透率的不断提升，比容量更高的石墨材料开始逐渐替代MCMB。首先取代MCMB的是天然石墨材料，这种材料国产化是由贝特瑞首先完成。与天然石墨几乎同时出现的还有人工石墨，人工石墨虽然价格稍高，但不容易膨胀，循环性较好，充放电倍率良好，适用于更多的应用场景。
总体来看，锂电负极延续石油焦、MCMB、天然石墨、人工石墨的产业迭代路线。比容量和膨胀率是最受关注的性能参数。
2011年，天然石墨已经成为市场占比最高的材料，市场占比高达59%；人造石墨以30%的市场份额排名第二，MCMB的市场占有率仅为8%。
当时正处于石墨取代MCMB的初期，市场仍以成本为首要考量因素。天然石墨与人造石墨理化特性差异没有那么大，因此市场更愿意接受性价比更高的天然石墨。
但到了2015年，天然石墨负极的占比就下降至55%，并在2020年骤降至16%；人造石墨负极的市场占比则由30%一路提升至84%。
为何人造石墨负极近年实现了对天然石墨的碾压之势呢？究其原因就在于迅速爆发的新能源汽车赛道。
人造石墨负极具备长循环寿命和快速充放电两方面的优势，导致动力电池厂商一致选择价格稍贵的人造石墨作为主流路线。
纵观锂电负极材料发展，哪一个锂电负极成为市场主流，主要取决于当时的应用场景。在基本性能得到满足后，负极厂商的核心竞争力不再取决于研发，而是如何降本增效，这也导致整个行业的企业出现大致趋同的盈利趋势。
02
特斯拉打开了负极“魔盒”
决定负极材料选择的是市场需求，而特斯拉的4680电池方案则有望打破长期以来市场对于负极材料的一致预期。
4680电池带来的最大变化是什么？那就是相较于21700电池接近5倍的容量提升、6倍的功率提升以及16%的续航里程增加，很好的解决了当今动力电池续航里程不足的痛点。
一直以来，电动车都受困于动力电池能力密度过低造成的续航里程过短。
此前，行业中主要将动力电池能量密度的提升着眼于正极材料的选择之上，但时至今日三元电池与磷酸铁锂依然存在着路线之争，显然对于正极行业中并没有形成一致性结论。
特斯拉4680电池的意义在于，突破了电池厂商聚焦正极正极的传统思维，改为通过电池结构和负极来提升最大限度的扩充动力电池的能量密度和效率。
对于石墨负极而言，目前高端产品的容量已经能够达到360-365mAh/g，几乎达到理论容量372mAh/g的天花板，在动力电池能量密度已经不能够完美应付电动车需求的情况下，寻找更高克容量的负极材料就成为大势所趋。
纵观所有负极材料，只有硅基材料能够显著提升负极的克容量，极有可能成为下一代负极产品。但同时，硅基负极也存在着致命缺陷，限制了这项技术的快速普及。
首先，硅基负极膨胀倍数大，很容易发生变形，其次循环性能明显低于石墨负极，导电性还不太好，再加上居高不下的售价，导致这项技术迟迟难以获得下游厂商的青睐。
受制于这些缺陷，硅基材料很难在短期内快速单独应用于负极材料，目前行业中的解决方案是硅基材料复合石墨的方式，已经能够实现比容量突破400mAh/g的电池方案。
03
4680电池引发的三重变局
特斯拉的4680电池方案，有望给锂电负极带来剧烈的三重产业变局。
整个负极行业由石墨向硅基复合材料转变，这将是4680电池给锂电负极带来的第一重变局。
在4680电池之前，硅基材料其实已经被部分厂商少量加入到负极方案中，如特斯拉Model 3的21700电池负极中，就添加了5%的硅基材料。数据显示，2020年国内硅基材料出货量仅0.9万吨，行业渗透率仅约2.5%。
但4680电池的出现，有望带动市场对于硅基负极的需求，整个硅基材料在负极中的渗透率有望提升一倍。
硅基材料渗透率提升背后，核心导电剂碳纳米管可能成为另一受益材料，这是4680电池带来的第二重变局。
由于硅基材料导电性很差，因此在全面放量后，首选需要解决的就是导电性问题，行业普遍采取添加导电剂的方式来解决。
目前，行业中普遍采用“炭黑+导电石墨”的传统导电剂，但传统导电剂添加量大，且主要依赖进口。近些年中，碳纳米管是一种正在崛起的新兴导电剂，添加量小，优势明显。
碳纳米管是一种管状的纳米级石墨晶体，具有良好的导电性能。碳纳米管常被添加至正极材料中作为导电剂，提升锂电池极片的导电性，够改善锂电池的倍率性能和循环寿命。
在2014年的时候，碳纳米管还仅是一种占比13.6%的冷门导电剂，到随着国内动力电池的放量，碳纳米管渗透率得到了持续提升，至2018年市场占有率已经提升至31.8%。延续如今的趋势，至2025年，碳纳米管的市场占有率有望突破60%。
我国已经具备碳纳米管的自主生产能力，目前国内从事碳纳米管的企业包括天奈科技、卡博特、青岛昊鑫、集越纳米、德方纳米、无锡东恒等。
其中，天奈科技是绝对的行业龙头。按出货量计算，2020年天奈科技的市场占有率高达32.3%，而第二名和第三名为23.8%和19.6%，差距明显。
即将到来的第三重变局在于，4680电池可能会从本质改变目前负极产业的现有格局。
2020年中国负极材料市场主要被4大头部企业瓜分，贝特瑞、璞泰来（江西紫宸）、杉杉股份、凯金能源分别占据市场22%、18%、17%和14%的市场份额，CR4合计占据市场71%的市场份额。
目前，各企业负极的市场占有率主要受石墨负极产能能力的影响，随着未来硅基材料的爆发，整个负极的市场份额可能出现剧变，那些在硅基材料布局较早的企业将会提前抢占市场份额。
聚焦全球硅基负极行业，日本信越的技术实力最为领先，而国内市场方面，贝特瑞则是行业先行者，璞泰来、杉杉股份目前处于追赶之中。
早在2020年9月的时候，贝特瑞的硅基负极就已经正式投产，市场预计今年的出货量将在3000吨左右，发展速度领先于其他企业，最有可能成为硅基负极的最大受益者。
璞泰来是目前负极市场的老二。在硅基材料布局上，璞泰来与中科院物理所合作，已经完成第二代产品，且参与到下游用户的测试认证中，有望在未来几年开始放量。
杉杉股份则主攻硅氧负极，已经在消费类和小动力市场实现批量应用，动力电池方面仍在测试认证中，同样处于量产化前期。
此外，凯金能源、中科电气等公司也在积极布局硅基负极，希望抓住负极产业的下一次迭代风口。
总的来看，锂电负极从石墨材料向硅基材料已经成为行业内公认的技术方向，而4680电池正式放量则有可能激发硅基材料的整体需求，不仅会重塑整个锂电负极产业格局，而且也会带动相关导电剂行业的发展。
4680电池方案并非特斯拉一家，比克电池、亿纬锂能等电池厂商也已经开始研制自己的“4680方案”。这就意味着，4680电池放量将极有可能成为大概率事件，而这也有望成为锂电负极下一次迭代的开始。
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