我国硅碳复合负极材料行业：逐步走向产业化相关企业加速布局该赛道

2024-11-12 09:20

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一、行业相关定义

根据观研报告网发布的《中国‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌硅碳复合负极材料‌行业发展趋势分析与投资前景预测报告（2024-2031年）》显示，硅具有高容量（3579 mA·h/g，Li15Si4）、低脱锂电位和资源丰富等优点，因此受到广泛的关注。然而，硅脱/嵌过程中有较大的体积变化300%），易导致颗粒粉化，进而从集流体上脱落。同时，硅负极表面在充放电过程中存在SEI膜的不断破碎及生成，持续地消耗活性锂离子，导致库仑效率及电池循环寿命降低。为了解决这些问题，科研人员提出多种解决手段，将金属、氧化物、有机聚合物、碳等材料与硅复合，缓解其体积变化，提升电化学稳定性。其中，碳材料具有优异的导电性和力学性能，与硅复合不仅可有效缓解体积膨胀，还可以改善电极导电性并得到稳定的SEI膜，硅碳复合材料是最先进入商业化的硅基负极材料。

硅基负极材料理论比容量约为石墨负极的10倍，具有较大的商业应用潜力。同时，硅基负极材料还具有如下优势：①硅在自然界储量丰富，原材料及制备成本相对较低；②硅在锂嵌入后会形成含锂量很高的合金，并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，有利于提升电池快充性能；③工作电位适中（0.3—0.4VvsLi/Li+），略高于石墨（0.2V），较好地解决了析锂难题，保障了安全性能。

资料来源：公开资料整理

在硅碳复合负极材料方面，硅碳复合材料是最先进入商业化的硅基负极材料。硅碳复合负极材料是一种新型的锂电池负极材料，它由碳和硅组成，其中碳作为分散基体，硅作为活性物质。这种材料通过利用不同形态的碳基材料与硅元素进行复合，旨在提高硅材料的导电性能，形成导电性好、附着性好、化学稳定性高的负极材料。硅碳负极材料的制备涉及将硅元素与碳基材料（如石墨、石墨烯、无定型碳和碳纳米管等）结合，以提供锂离子在硅电极材料中的扩散速度，同时通过碳基材料的分子尺度控制，实现产品形貌的优化和组分均匀性，从而增强材料的结构稳定性和循环性能。这种材料的应用不仅提高了锂电池的循环稳定性、比容量、倍率性能和安全性能，而且还因其优异的力学性能和电阻率，在锂电池领域具有广泛的应用前景。

硅碳负极材料的制备方法，硅碳复合负极材料的制备工艺多种多样，包括化学气相沉积（CVD）等。这些工艺方法能够精确地控制硅和碳的比例和结构，从而制备出具有优异性能的负极材料。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的制备工艺和参数。具体如下：

硅碳负极材料的制备方法

制备方法	主要特征
化学气相沉积法	化学气相沉积法在制备硅/碳复合材料时，以SiH4、纳米硅粉、SBA-15和硅藻土等硅单质和含硅化合物为硅源，碳或者有机物为碳源，以其中一种组分为基体，将另一组分均匀沉积在基体表面得到复合材料。用此法制备的复合材料，硅碳两组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性和更高的首次库伦效率，碳层均匀稳定、不易出现团聚现象；对于工业化来说，设备简单，复合材料杂质少，反应过程环境友好最有希望大规模生产，而备受科学工作者的青睐。
溶胶凝胶法	液态复合的方法可以很好的改善材料在复合过程中的分散问题，溶胶凝胶法制备的硅/碳复合材料中硅材料能够实现均匀分散，而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量、循环性能。但是，碳凝胶较其它碳材料稳定性能差，在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大，导致负极结构破裂，降低使用性能；且凝胶中氧含量过高会生成较多不导电的SiO ，导致负极材料循环性能降低，所以含氧量是决定何种凝胶作为基体的重要参考条件。
高温热解法	高温热解法是目前制备硅/碳复合材料最常用的方法，工艺简单容易操作，只需将原料置于惰性气氛下高温裂解即可，而且易重复，在热解过程中有机物经裂解得到无定型碳，这种碳的空隙结构一般都比较发达，能更好的缓解硅在充放电过程中的体积变化。Tao等以SiCl为原料，采用金属镁热还原方法得到多孔硅，再在惰性气氛下，通过高温热解法进行有机碳的包覆，制备出了多孔硅/碳复合材料，该材料充放电性能十分优异，可直接用作锂离子电池的负极材料，首次放电比容量达1245 mAh/g，循环30次后的比容量达1230 mAh/g。
机械球磨法	机械球磨法制备的复合材料颗粒粒度小、各组分分布均匀，而且机械球磨法制备硅/碳复合材料具有工艺简单、成本低、效率高，以及适合工业生产等优势；由于该法是两种反应物质在机械力的作用下混合，所以一直没有有效解决颗粒的团聚现象，再者，大多数制备过程还要联合高温热解也是制约机械球磨法实际应用的主要原因。
水热合成法	一般采用小分子有机物为碳源，将其与硅粉在溶液中超声分散均匀后，在密封的高压反应釜中进行水热反应，再在高温下碳化即制得硅/碳复合材料。水热合成法的操作简便，产物纯度高，分散性好、粒度易控制；但是该法耗能高、产量低，不适合批量生产。
静电电纺	静电电纺技术是指聚合物溶液(或熔体)在高压静电电场的作用下形成纤维的过程，可以制得直径为几十到几百纳米、比表面积大的纤维。

资料来源：观研天下数据中心整理

二、行业发展现状

1、市场规模

随着技术的不断突破和市场的不断扩大，硅碳负极材料逐渐在锂电池市场中占据重要地位，为新能源汽车、智能家居、物联网等新兴领域的发展提供有力支持。2023年我国硅碳负极材料市场规模已达约21.05亿元，2024年上半年市场规模约12.82亿元。中国市场在全球市场中占据重要地位，不仅市场规模庞大，且增速高于全球平均水平，这主要得益于政府对新能源产业的重视和支持，以及国内企业在技术研发和市场拓展方面的不断努力。

数据来源：观研天下数据中心整理

2、供应规模

随着硅碳复合负极材料在技术、成本方面的进一步突破，硅碳复合负极材料逐步走向产业化的发展趋势。近年来，硅碳复合负极材料增速不断提升，有望成为重要的负极材料之一。2019年我国硅碳复合负极材料产量为0.13万吨，2023年产量达到了1.26万吨。

数据来源：GGII，观研天下数据中心整理

3、需求规模

硅碳负极材料作为重要的下一代锂电池负极材料，其结合了硅的高能量密度和碳的优异导电性及稳定性，具备高容量、高能量密度和良好循环稳定性等特点，在锂电池市场中占据重要地位。

数据来源：GGII，观研天下数据中心整理

目前硅碳负极材料的应用领域正逐步扩大，从消费电子领域如智能手机、平板电脑等，逐步向电动汽车、储能系统等高端市场渗透。其高容量、高能量密度、优异的电化学性能和良好的循环稳定性，使其成为下一代有潜力的负极材料之一。

三、行业细分市场

1、消费电子

尽管消费电子对能量密度要求较高但相对较低，然而随着可穿戴设备、5G通信设备等市场的发展，硅碳负极材料在提高电池性能方面的应用前景广阔。随着硅碳复合负极材料在手机锂电池领域的商业化，近年来，消费电子产品领域的硅碳负极材料需求不断增长。

数据来源：观研天下数据中心整理

2、动力电池

随着全球电动汽车产业的迅猛发展，对高能量密度、长循环寿命的负极材料需求持续增长。硅碳负极材料因其优越的电化学性能(理论比容量远高于传统石墨)而在动力电池市场崭露头角。随着特斯拉等车企4680大圆柱电池规模化量产，硅碳负极材料在动力电池掺杂规模快速增长，其市场规模不断扩大。

数据来源：观研天下数据中心整理

四、行业竞争格局

国内硅碳复合负极材料行业企业大致可以分为四大类：一是现有石墨类负极企业，如贝特瑞、璞泰来等；二是科研院校背景的企业，如天目先导、壹金新能源等；三是电池类企业，如宁德时代、国轩高科等；四是化工企业跨界或硅材料企业切入，如石大胜华等。

目前，行业主要参与者如贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、天目先导、胜华新材和国轩高科等已完成中试，正在建设大规模标准化产线；其中部分企业已对消费电子、航空航天领域客户实现批量供货。同时，翔丰华、硅宝科技、杰瑞股份、中科电气、新安股份均已布局硅碳复合负极材料，因此硅碳复合负极材料产业仍处于加速发展中。

我国硅碳复合负极材料行业参与者基本情况

公司名称	硅碳复合负极材料布局情况
贝特瑞	公司硅碳、硅氧负极均已批重出货；目前拥有3000吨/年硅碳复合负极材料产能，产品已供应松下。它的硅碳复合负极材料已突破至第三代产品，提升比容里650mAh/g至1500mAbh/g,更高比容里的第四代硅碳产品正在开发。2024年3月1日，负极材料领域，公司已投产产能为 49.5 万吨/年；高镍三元材料领域，公司已投产产能为 6.3 万吨/年。2024 年，印尼年产 8 万吨负极材料项目正在建设中，高镍三元材料整体产能也有望增加，同时，山西瑞君和云南贝特瑞石墨化产能也会陆续释放，石墨化自供率进一步提升。贝特瑞在调研中称，预计2024年公司负极材料出货量有一定幅度的增长；公司目前硅基负极产能5000吨/年，预计2025年硅基负极产品会逐步起量。
杉杉股份	杉杉股份表示，公司硅碳复合负极材料攻克了二代硅氧产品的低温长循环难题，并在行业内首创了球形低膨胀新型硅碳产品。硅氧产品不仅出口实现海外装车,还通过速冷出料、流动态除磁等新工艺突破，进一步缩短生产周期。杉杉股份的硅碳复合负极材料一体化基地项目总投资50亿元，全部建成后可年产4万吨锂电池硅碳复合负极材料，预计年产值100亿元。该公司表示，2023年上半年公司硅基负极产品不断实现技术突破,持续获得海内外客户认可，实现批量供应，其中硅氧产品已在动力和电动工具市场实现批量应用。
璞泰来	与中科院物理所合作量产硅碳复合负极材料，硅碳试验车间2019年投入使用，已完成第二代产品研发，产品已送样下游客户进行测试和认证。另外，在溧阳已建成硅负极材料中试线。公司于2023年7月设立安徽紫宸，启动年产1.2万吨硅碳复合负极材料（单体）的硅基负极生产研发基地项目，目前该项目目前已完成项目立项并积极推进后续工作，预计2025年开始逐步分期投产。
石大胜华	2022年5月，石大胜华发布公告，公司拟与员工持股平台东营盈嘉合壹产业投资合伙企业(有限合伙)设立合资子公司胜华新材料科技(眉山)有限公司，投资建设3万吨/年硅基负极项目。
硅宝科技	2024年2月28日硅宝科技表示，公司5万吨/年锂电池用硅碳负极材料及专用粘合剂项目（该项目内容:建设1万吨/年锂电池用硅碳负极材料、4万吨/年专用粘合剂生产基地、锂电材料研发中心）已经完成全部基建工作，目前正在进行设备安装，将按计划于2024年投产。
深圳斯诺	采用si0纳米化技术、碳包覆技术、歧化技术、石墨复合技术，制备碳包覆si0x/石墨复合材料，在降低Si0体积效应的同时实现能里密度和循环性能的同步提高。
天目先导	2022年4月，天目先导纳米硅基负极项目在溧阳高新区开工，总投资20亿元，一期项目投资10亿元，用地100亩，达产后可年产5万吨新型纳米硅基负极产品。
杰瑞股份	2023年5月5日，杰瑞股份表示，公司现在硅碳复合负极材料方面正在进行产线的调试，2023下半年将进入生产阶段。
国轩高科	已有0.5万吨/年硅碳生产能力，已应用于2023年批量交付的半国态电池，单体能量密度360m/kg。
翔丰华	硅碳处于中试阶段，已得到客户认可，具备产业化条件。
中科电气	硅基类负极材料目前已建设完成中试产线，快充类负极产品已在客户端批量应用。
韩国大洲	大洲目前生产的硅碳复合负极材料为DMSO(DaeioeMetalsilicon0xide)，是世界，上首个应用于电动汽车电池的重产高容里氧化硅材料，为硅纳米粒子在硅氧化物矩阵中三维均匀混合的结构。
美国sileMome	研发以硅为主要材质的电池负极材料的初创公司。目前估值为33亿美元。据GGII，SilaNane正在与宝马、ATL等企业合作研发下一代电池，计划在2024年实现量产。
美国安普瑞斯	据GGII，安普瑞斯HESO材料体系的实验数据和理论计算表明，其能重密度可以达到400Wh/Kg或更高，具备有竞争力的生产成本，已于2020年开始向市场批量销售。
美国SolidPower	2021年10月，公司公布了高容里硅固体电池数据:电池负极采用50%硅材料，能童密度为350Wh/kgo。