硅碳负极专题：CVD技术利刃破局，2025年放量起航

电新首席证券分析师：曾朵红执业证书编号：S0600516080001联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn 电动车首席证券分析师：阮巧燕执业证书编号：S0600517120002联系邮箱：ruanqy@dwzq.com.cn 联系电话：021-601997932025年1月27日 摘要 ◆硅基负极高能量密度优势显著，CVD路线硅碳负极技术突破，打开市场空间。硅基负极可提升电池能量密度，成为未来负极材料的升级方向。此前硅基负极以球磨法硅碳负极与硅氧负极为主，球磨法硅碳负极仍有膨胀问题，循环性能较差，硅氧负极首效较低，预锂化会大幅增加成本，整体性价比不高。CVD法硅碳负极通过多孔碳骨架来储硅，并通过多孔碳内部的空隙来缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，因此膨胀率低，循环优异，并且碳骨架本身密度小质量轻，使得材料能量密度更高，性能潜力大，打开市场空间。 ◆消费市场确定性起量，25年动力放量，我们预计25年全球销量达0.15万吨，2030年全球需求达8万吨。此前消费领域以硅氧负极为主，主要应用于海外电动工具市场；24年起CVD硅碳负极在高端手机机型上大规模应用，25年渗透率预计提升至25%+，目前硅基负极掺杂比例为6%左右，未来有望提升至10%+；动力领域硅碳负极初期应用于圆柱电池，特斯拉21700电池采用球磨型硅碳负极方案，添加比例较低，但球磨法难以满足动力电池性能要求，4680电池及海外三元方向电池后续有望采用CVD法方案，25年国内电池厂率先应用，CVD法硅碳负极市场需求规模快速提升。考虑消费及动力市场放量，预计2025年CVD硅碳负极需求达0.15万吨，2030年随着CVD硅碳负极渗透率提升及成本端下降打开市场空间，渗透率提升至30%+，对应总需求可达8万吨左右。 ◆主流厂商加速CVD路线布局，远期成本有望降至20万元/吨以内，带动产业需求放量。当前硅基负极产能以硅氧及球磨法硅碳为主，CVD法产能规划中，海外Group14已量产，天目先导、兰溪致德等初创公司具备百吨级产能，贝特瑞、璞泰来等传统负极公司陆续跟进；当前硅碳负极售价40万元/吨+，主要系多孔碳占成本比例较高，且生产设备仍为20公斤级，远期看，随着100kg设备大规模应用，且多孔碳实现原材料降本，硅碳负极售价有望降至20万元/吨以内，按10%添加比例计算，对应单吨负极成本提升不足2万，电池成本提升0.015元/wh以内，整体成本可控，性价比进一步提升。 ◆硅碳负极放量，多孔碳、单壁碳管及PAA等原材料受益。硅碳负极核心原材料为多孔碳，多孔碳的造孔技术及产品设计直接决定硅碳负极性能，行业壁垒较高，此外单壁碳管及PAA需要配硅碳负极使用，贡献需求增量。我们预计2030年硅碳负极需求达8万吨，对应市场空间130亿元，多孔碳对应4万吨需求，按照价格降至13万元/吨左右计算，对应50亿元市场空间，硅烷预计对应4万吨需求，对应16亿元市场空间。单壁碳管粉体添加比例预计达0.2%左右，2030年对应1300吨+需求，对应33万吨浆料。 ◆投资建议：25年为CVD硅碳负极放量元年，全球总出货有望达0.15万吨，2030年全球行业需求有望增长至8万吨，实现5年50倍增长，我们预计硅碳负极厂商、上游多孔碳及配套硅碳负极使用的辅材如单壁碳纳米管、PAA等受益。看好各环节龙头，推荐天奈科技、元力股份、璞泰来、贝特瑞、信德新材，关注中科电气、圣泉集团、日播时尚、德福科技等。 ◆风险提示：价格竞争超市场预期、原材料价格不稳定、投资增速下滑。 CVD硅基负极路线实现突破，25年放量元年 负极：硅负极能量密度优势明显，为下一代负极发展方向 ◆负极材料在电池中起储锂作用，对电池性能有直接影响，成本占比10%左右。锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、滚压制得，是锂电池储存锂的主体，锂离子在充放电过程中嵌入与脱出负极。充电时正极锂被氧化为锂离子，通过隔膜到达负极，锂离子嵌入负极中。放电时锂离子脱出负极，在正极被还原为锂。 ◆人造石墨为当前主流路线，硅基负极为下一代负极发展方向。目前负极材料中应用最广的是人造石墨与天然石墨两类，其中，人造石墨为当前主流路线，硅碳负极可提升电池能量密度，成为未来负极材料升级的方向。 负极：硅负极能量密度优势明显，为下一代负极发展方向 ◆硅负极材料能量密度优势明显：石墨的理论能量密度是372mAh/g，目前应用的石墨比容量已经接近极限。而硅负极理论能量密度高达4200mAh/g，为目前已知的能用于负极材料理论比容最高的材料，能大大提升单体电芯的容量。 ◆硅负极解决膨胀问题后快充性能可明显改善：石墨是层状结构，快充容易产生析锂问题，硅负极材料不仅能提高电池的能量密度，而且具有较低的脱嵌锂电位(~0.4V vs. Li/Li+)，略高于石墨(~0.05V vs. Li/Li+)，在充电时可以避免表面的析锂现象，可以实现快速充放电。且硅电压平台高于石墨，充放电过程中硅表面不容易析锂，提高电池安全性。 负极：硅材料易膨胀，导致循环寿命低、导电性差 ◆硅材料的膨胀问题导致电池循环寿命低、导电性差：硅在脱嵌锂过程中体积会膨胀到原来的3倍以上，导致活性物质在充放电循环过程中发生急剧粉化脱落，同时SEI膜无法稳定地存在，导致容量快速衰减，电池循环性能较差。硅的低电导性限制其容量的充分利用；体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差，导电性下降；硅表面的SEI膜厚且不均匀，影响导电性与电池整体比能量。 硅基负极：硅碳及硅氧可一定程度解决硅膨胀问题 ◆硅基材料与碳复合结构可提高循环性能和倍率性能。当前主要采用硅基材料纳米化以及与碳材料复合来解决硅材料的上述问题，通过Si与石墨材料复合，利用石墨材料缓冲Si材料在循环过程中的体积变化，提高了硅负极材料的循环性能和倍率性能。 ◆硅氧负极可以一定程度上解决膨胀问题，但是首效较低。硅氧是在材料的嵌锂脱锂过程中，其中的SiOx与Li先发生反应生产单质硅，通过化学反应使单质硅粒径达到了5nm以下，解决了膨胀问题，但是形成Li2O和锂硅酸盐的过程消耗大量锂离子导致材料首效很低，通常可以通过预锂化缓解。 硅碳负极：此前以机械球磨法为主，难以解决循环问题 ◆机械球磨法：工艺简单更易量产，但循环次数较低。将合适的硅源与碳源，利用球磨机对混合物进行球磨，完成后再进行烧结。球磨法将硅材料研磨至纳米级别，从而实现硅碳的均匀混合，可一定程度上解决循环问题。机械球磨法可以明显提高材料的电化学性能，工艺简单，可以大规模生产，但由于研磨过程中硅颗粒容易团聚，导致材料的循环性能欠佳。 ◆气相沉积法：循环稳定性及倍率性能好，工艺难度更高。CVD法通过气态硅源在基底上沉积形成纳米硅层，实现了硅碳的均匀复合，具有良好的循环稳定性，并且此方法对硅烷的利用率更高。 硅碳负极：CVD路线性能优，工艺逐步成熟，发展潜力较大 ◆CVD法硅碳负极发展潜力较大，我们预计成为下一代硅碳主流路线。气相沉积硅碳负极核心是通过多孔碳骨架来储硅，并通过多孔碳内部的空隙来缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，因此膨胀率低，循环优异，并且碳骨架本身密度小质量轻，使得材料能量密度高。并且，CVD气相沉积硅所需生产流程短，随着未来硅烷价格的下降、硅烷利用率的提升和气相沉积设备的放大，理论成本可以进一步降低。当前主流动力及消费电池龙头均在搭理推进CVD法路线，我们预计将成为后续主流。 ◆球磨法硅碳负极循环性能较差，硅氧负极首效较低，CVD法硅碳负极性能领先。机械球磨法如果能将硅颗粒研磨至20nm以下且不团聚，就能极大程度上地解决硅负极膨胀的问题，但实际难以降低至100nm以下，且即使能制备20nm以下的纳米硅，也很难保证其不团聚。硅氧负极形成Li2O和锂硅酸盐的过程消耗大量锂离子，首效仅为75%左右，大幅低于石墨的95%，通过预锂化解决后硅氧负极整体的成本会提升至接近100万元/吨，性价比较低。 需求：消费市场率先应用CVD硅碳，多款主打机型配套 ◆3C市场率先使用，手机众多高端机型配套硅碳负极，掺杂比例5-10%。此前消费电池使用硅碳负极以硅氧负极为主，主要应用于海外电动工具市场；随着CVD硅碳负极技术逐步成熟，24年起在高端手机机型上大规模应用，荣耀、华为、VIVO、OPPO等主打机型均配套硅碳负极，我们预计，25年渗透率预计进一步提升至25%+，且后续笔电、Ipad等领域有望逐步配套。目前硅碳负极掺杂比例为5-10%，未来有望提升至10%+。 表冰川电池性能指标 需求：动力市场大圆柱25年起量，方形后续有望配套 ◆动力领域4680大圆柱25年起量，打开CVD硅碳负极市场空间。硅碳负极在动力领域初期应用于圆柱电池，特斯拉21700电池已采用掺硅方案，以球磨型硅碳负极为主，24年起大圆柱开始起量，我们预计，特斯拉24年全年大圆柱出货预计10GWh+，25年预计翻倍；LG韩国9GWh产能24Q4开始大规模生产；松下日本工厂24年9月完成量产准备。此外，宁德、亿纬预计于25年开始量产大圆柱电池，为宝马“新世代”平台车型做准备，亿纬25年出货我们预计为5GWh。球磨法硅碳负极难以满足动力电池性能要求，4680电池有望采用CVD法方案，25年国内电池厂率先应用，且将进一步提升硅基负极添加比例，CVD法硅碳负极市场需求规模快速提升。 ◆CVD路线性能突破，海外方形电池后续有望使用。CVD路线硅碳负极基本解决极片膨胀问题及首效问题，当前采用20kg流化床生产，产能仍存在瓶颈，后续100kg+设备落地，叠加海外高端需求起量，宁德时代方形高镍电池有望采用硅碳负极路线，应用于海外动力市场。 需求：预计2025年CVD硅碳负极需求预计1500吨 ◆消费：24年渗透率预计15%左右，对应200吨级，25年渗透率提升至25%+，预计接近500吨需求。24年全球手机出货量我们预计为12.5亿台，硅基负极渗透率按照15%计算，掺硅比例假设5%，对应CVD硅碳负极需求195吨左右，考虑其他3C领域需求，我们预计24年消费领域硅碳负极需求在245吨左右，25年需求我们预计520吨，翻倍以上增长。 ◆动力：当前以硅氧为主，25年CVD动力端开始起量，预计需求提升至1000吨+。此前动力领域主要以特斯拉小圆柱需求为主，LG、松下使用球磨型硅碳负极及硅氧负极方案；25年起大圆柱及部分海外高端车型需求开始起量，预计开始添加CVD硅碳负极，需求我们预计20GWh，对应CVD法硅碳负极我们预计可达1020吨。 空间：25年锂电总需求预计1.85Twh，30年预计4Twh ◆我们预计25年需求1851GWh，同增31%，若考虑25年补库，实际需求增速有望超31%，同时26-27年海外动力放量+储能需求高增，预计总体仍维持15-20%增长，2030年锂电实际需求预计达4TWh，较25年翻倍以上。 空间：硅碳负极适配高镍三元电池，2030年空间9万吨 ◆硅碳负极成本提升，主要搭配高镍电池使用，预计2030年全球空间接近9万吨。动力电池能量密度主要受正极材料体系决定，硅碳负极提升能量密度的同时会提高电池成本，主要适配高镍三元电池体系，消费电池中预计适配钴酸锂体系，按照10%掺硅比例计算，预计2030年硅碳负极需求空间接近9万吨。 空间：固态电池打开硅碳负极应用空间，30年预计1.5万吨 ◆半固态先行，24年开启放量，全固态预计30年后放量。半固态电池23年起开始产业化，但技术、产品仍不成熟，我们预计24年出货量1-2GWh，25年预计5GWh，30年超100GWh，渗透率提升至2-3%；全固态电池预计27年小批量装车，以示范运营为主，出货量0.5GWh，30年预计开启产业化，出货量预计3GWh，随着规模效应释放，成本持续下降，35年出货量有望突破300GWh。 ◆负极向高性能迭代，短中期向硅基负极发展，2030年硅碳负极需求预计1.5万吨。锂电池负极材料目前以石墨为主，具有高电导率和高稳定性等优势，但已接近理论比容量(372mAh/g)。