本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

这是一篇枯燥的行研内容,字数破万,系公开信息的逻辑性归拢,意在自上而下地对动力电池负极体系做一审视。其中的”下“,我们选取的标的是2017年末登录A股的全球锂电池人造负极材料龙头——璞泰来(SH:603659):2017年末IPO发行价为16．53元,最新股价为117．6元,市值超过800亿,4年6个月股价翻了7．25倍。

K线走势很美,又是当下的热门赛道,一众投资者春风得意。但鲜有人躬身追问的是,如火如荼的电动车负极材料江湖水有多深?走入其中,你会发现“时代造势,能人造局”这句话诚不我欺:主导中国电动车负极江湖的一方枭雄,出身竟是17年前执掌过百亿公募基金的老牌明星基金经理。

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01负极江湖主流门派

【1】概述

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成。负极材料,是电池充电过程中锂离子和电子的载体,起着能量的储存与释放作用。

在电池成本中,负极材料约占5%-15%。

公开资料显示,截至2020年底,新能源汽车的成本中,动力电池占42%,电机10%,电控11%,电驱零部件7%,整车其他部件30%。动力电池所占的42%中,正极17%,负极6%(占动力电池的14%),电解液6%,隔膜13%。

图:三元锂电池材料成本占比。来源:北极星电力网

目前,全球锂电池负极材料以天然/人造石墨为主,新型负极材料如中间相炭微球(MCMB)、钛酸锂、硅基负极、HC/SC、金属锂在快速增长中。
作为锂离子嵌入的载体,负极材料满足工业级乃至车规级要求,需达成以下一长串条件:

√锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低,从而使电池的输入电压高;√在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱嵌以得到高容量;√在插入/脱嵌过程中,负极主体结构尽量少发生变化;√氧化还原电位随锂离子的插入脱出变化应该尽可能少,这样电池的电压不会发生显著变化,可保持较平稳的充电和放电;√插入化合物应有较好的的电子电导率和离子电导率,这样可以减少极化并能进行大电流充放电;√主体材料具有良好的表面结构,能够与液体电解质形成良好的SEI;√插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性,在形成SEI后不与电解质等发生反应;√锂离子在主体材料中有较大的扩散系数,便于快速充放电;√材料应具有较好的经济性以及对环境的友好性。

【2】分类

①石墨类负极 

石墨,英文名graphite,质软、有滑腻感,是一种非金属矿物质,具有耐高温、耐氧化、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电性能强等物理、化学性能。

石墨是目前广泛应用的负极材料,但石墨也有很多不足之处。比如石墨的低电位,与电解质形成界面膜,并且容易造成析锂;离子迁移速度慢,故而充放电倍率较低;层状结构的石墨在锂离子插入和脱嵌的过程中会发生约10%的形变,影响电池的循环寿命。

②非石墨类负极

非石墨类负极主要是软碳和硬碳。硬碳(hard carbon),亦名:难石墨化碳,是高分子聚合物的热解碳,这类碳在3000℃的高温也难以石墨化。硬碳有树脂碳、有机聚合物热解碳(PVA,PVC,PVDF,PAN等)、碳黑(乙炔quē黑)。硬碳有利于锂的嵌入而不会引起结构显著膨胀,具有很好的充放电循环性能。

硬碳容量大于常规碳类材料的理论容量,高倍率、循环性能、安全性能优,但是首效低,大概85%,电压平台3．6V,低于石墨的3．7V,成本高。改进思路主要是提高首效(降低比表面积,形成更规则的硬碳;表面包覆,控制SEI形成);提高材料收率(化学工业生产中,投入单位数量原料获得的实际产品产量与理论产品产量的比值),降低成本。

③钛酸锂负极材料

与石墨负极相比,钛酸锂具有更高的嵌锂电位,可有效避免金属锂的析出和锂枝晶的形成。钛酸锂具有远高于石墨的热力学稳定性,不易引起电池的热失控,从而具有更高的安全性。

同时,钛酸锂在锂离子嵌入、脱出的过程中,晶体结构能够保持高度的稳定性,具有极为优良的循环稳定性。此外,钛酸锂还具有优异的低温性能,快速充电能力,较高的性价比,因而在大规模储能等领域具有较好的应用前景。

但钛酸锂的电子和离子电导率低,极大限制了其在大电流充放电条件下的倍率性能。以钛酸锂为负极的锂离子电池在充放电循环和存储过程中,普遍存在“胀气”现象,即电池内部不断产生气体,特别是在高温条件下,胀气更为严重。

④硅基负极材料

硅是目前发现的理论克容量最高的负极材料。硅的理论容量高达4200mAh/g,超过石墨372mAh/g十倍以上,充一次电将实现1000公里以上续航。

硅的电压平台比石墨高,充电时候析锂的可能性小,安全性能上较石墨有很大的优势。

从硅的来源来看,硅是地壳中丰度最高的元素之一,来源广泛,价格便宜。

硅的充放电机理和石墨的充放电机理有所不同,石墨是锂的嵌入和脱嵌,硅则是合金化反应。

硅的最大的缺陷是体积膨胀。在充放电过程中,硅的脱嵌锂反应将伴随大的体积变化(>300%),造成材料结构破坏和机械粉化,导致电极材料间及电极材料与集流体的分离,进而失去电接触,致使容量迅速衰减,循环性能恶化。由于剧烈的体积效应,硅表面的SEI膜处于破坏-重构的动态过程中,会造成持续的锂离子消耗,进一步影响循环性能。

因为体积膨胀,限制了硅的现阶段商业化应用。现在解决硅充放电膨胀的方法有纳米硅、多孔硅、硅基复合材料。其中硅、碳复合材料是一个重要研究方向,包括包覆型、嵌入型和分散型。

图:硅/碳负极材料产业链。来源:新材料在线

纳米硅,通过制备成纳米线,使得所有的硅得到利用,并预留膨胀空间,可有效改善循环性能。但是该方法成本较高,工艺制程复杂,制备难度较大。
多孔硅,通过预留硅膨胀空间,改善循环性能。但压实密度较小,工艺流程复杂,制备困难。

硅/碳复合材料,主要是碳包覆,虽然预留了膨胀空间,改善了循环性能,但是压实密度小,工业化难度大。

此处特别指出的是,今年一月份,广汽集团(SH:601238/HK:02238)曾对外发布卫星:“石墨烯电池”将于今年9月量产。该消息引爆市场同时引发社会广泛关注。实际上,广汽集团所宣称的该“石墨烯电池”,及属于硅基负极电池一种,即“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”。

硅基负极龙头是在新三板挂牌的贝特瑞(OC:835185),其研发的硅基负极已批量供应三星和松下,2019年出货量达2255吨,位列全球第一。值得一提的是,近日股价大涨的中国宝安(SZ:000009)是贝特瑞第一大股东,持有后者75%股份。

璞泰来硅碳中试车间已经做完,中科院物理所建在溧阳紫宸工厂,预计2021年出货1000吨级别,用于消费类,价格从10-30万元都有,掺硅5%比较多,10%比较难,可能到20%。

硅基负极的生产技术处于发展阶段,产品还未实现标准化。因其在充放电过程中存在巨大体积膨胀导致循环寿命短,现多用于圆柱电池中,应用受限,因此短期内硅基负极扩张速度较慢。另外,硅基负极23万/吨的均价远高于5万/吨的石墨类负极,大幅提升了电池的材料成本,所以硅基负极下游需求增长较为缓慢。

图:硅基负极材料发展大事记。来源:前瞻产业研究院,新时代证券研究所

⑤锂金属负极材料

金属锂,是密度最小的金属之一。标准电极电位-3．04V,理论比容量3860mAh/g,仅次于硅的4200mAh/g。应用领域锂硫电池(2600wh/kg)、锂空气电池(11680wh/kg)等。

锂金属电池有很高的容量表现,但是使用中,存在锂枝晶、负极沉淀、负极副反应现象,严重影响电池的安全,故而现阶段处于概念性阶段。

【3】小结

(1)锂离子电池负极材料未来将向高容量、高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方面发展。

(2)现阶段锂离子动力电池负极材料基本上是石墨类碳负极材料,石墨类负极材料仍将是未来几年内锂离子电池负极材料的主流材料。对石墨类碳负极材料进行表面包覆改性,在石墨材料中加入硅炭、硅氧或其他添加剂,增加与电解液的相容性、减少不可逆容量、增加倍率性能是当下提升的一个重点。

(3)负极材料钛酸锂,对其进行掺杂,提高电子、离子传导率是现阶段一个重要的改进方向。

(4)硬碳、软碳、合金等负极材料,虽然有较高的容量,但是循环稳定性差,对其的改性研究仍在探索中。市场对高能量密度电芯的需求加速,可能会加快该类材料的研发和应用。

（5)锂金属负极,虽然具有很高的能量密度,但是其存在的锂枝晶等安全问题尚无行之有效的解决办法,大规模实际应用尚需时日。