证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业 CVD技术利刃破局,2025年放量起航 ——硅碳负极专题 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 1 2 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 3 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。 技术指标 技术含义 可石墨化程度G G越大,碳材料越容易石墨化,同时晶体结构的有序程度也越高,电池的动力学性能会得到提升 粒度分布 材料的粒径越大,粒度分布越宽,越有利于减小涂布难度, 增加极片的压实密度,提高电池体积能量密度 比表面积 大比表面积会加剧电池在首次循环时电解液的分解,造成 较低的首次库仑效率 首次可逆比容量和首次效率 首次可逆比容量指首周脱锂容量,首次效率指首周脱锂容 量与嵌锂容量的比值。均越高越好 密度(压实密度/振实电度) 密度越大,体积能量密度也越高 电池充放电倍率 充放电倍率=充放电电流/额定容量。充电倍率越大充电速 度越快,放电倍率越小放电时间越长 电池循环性能 一定的充放电制度下,电池容量降低到一规定值之前,电池 能经受多少次充电与放电,越高越好 电池比容量 单位质量的电池或活性物质所能放出的电量 电池能量密度 单位体积或单位重量的电池,能够存储和释放的电量 图负极材料分类图负极的主要性能指标 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(~0.4Vvs.Li/Li+),略高于石墨(~0.05Vvs.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。 表负极材料性能对比 负极材料 比容量 (mAh/g) 首次效率(%) 电极电位(V) 倍率性能 循环寿命(次) 膨胀率(%) 安全性 市场价 (万元/吨) 天然石墨 340-370 90-93 0.2 一般 >1000 <12 一般 3-6 碳材料 人造石墨 310-360 90-96 0.2 一般 >1500 <12 良好 3-7 中间相碳微球 300-350 90-94 0.2 良好 >1000 - 良好 6-10 无定形碳 300-400 80-85 0.52 良好 >1500 <1 良好 8-20 硅碳 400-700 85-90 0.3-0.5 略差 500-600 >300 一般 8-60 硅氧 450-500 65-75 0.3-0.5 一般 >1000 >100 一般 40-60 钛酸锂 165-170 98-99 1.55 优异 >30000 <1 高 10-35 锂金属 3860 90-95 -3.04 一般 >300 ~120 较差 >100 非碳材料 负极材料诉求:高克容量、低电化学势、低膨胀、高导电性、高稳定性、低成本 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。 表硅负极存在问题 硅材料特性 导致问题 问题后果 硅脱/嵌过程体积变化大 活性材料颗粒粉化 电池变形,电池循环寿命 降低,电池内阻增大 表面粘贴剂粘性下降,活性物质脱落,添加剂不能很好与活性物质接触极片横纵向承受大应力,极片褶皱、脱落,极片与隔膜不能很好接触 硅负极充放电过程新裸露表面与电解液不断生成SEI膜 消耗电解液与正极中的活性锂离子 容量快速衰减,库伦效率降低,电池内阻增大 SEI膜增厚表面导电剂、添加剂被SEI膜包覆,部分失去电子活性 硅的低电导性 限制了其容量的充分利用 电池倍率性能较低 结构 优势 包覆结构 核壳型 缓冲硅脱嵌过程的体积效应降低硅表面与电解液接触,缓解电解液分解 蛋黄-壳型 壳中空腔容纳体积膨胀,利于结构稳定产生稳定SEI膜 多孔型 孔道结构提供快速离子传输通道表面积较大,增加材料反应活性,提高倍率性能 负载结构 含碳量较多,循环稳定性好硅含量低,可逆比容量低 分散结构 抑制硅体积膨胀 表硅碳负极不同结构优势 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。 表硅碳、硅氧负极性能对比 硅碳 硅氧 体积膨胀率 较高 较低 首次充放效率 较高 较低 首次库伦效率 较高 较低 循环性能 较弱 较强 倍率性能 较弱 较强歧化处理 纳米化(提高循环性能) 现有改性方案(提高容量、充放能力)预锂化处理 多孔化设计(提高材料的首次库伦效率) (提高电极材料的循环性能、倍率性能)合金化 (提高材料的首次库伦效率) 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。 表硅碳负极制作工艺 类型 制备过程 优点 缺点 化学气相沉积法 以硅烷等化合物为硅源,以甲苯等有机物为碳源,在基底材料上沉积硅层和碳层,从而获得硅碳活性材料 循环稳定性好 总比容量相对低 首次充放电效率高 成本高产物产量少 对设备要求简单,适合工业化生产 机械球磨法 机械球磨法是以硅粉、石墨与石油沥青粉体为原料,混合后球磨,然后在氩气气氛下在1000℃下进行热处理制备硅/碳复合材料 明显降低反应活化能,提高材料电/热学性能 产品团聚现象严重 粒度较小,分布均匀工艺简单,成本较低,适合工业化生产 溶胶-凝胶法 将硅颗粒分散于碳凝胶中,制备得到具有三维碳网络结构特征的硅/碳纳米复合材料 分散性能好 产品易发生团聚,材料循环性能降低 较高的可逆比容量循环性能好 高温热解法 以聚合物为碳源,以纳米硅、硅氧化物等为硅源,在惰性气氛下用聚合物高温热解产生的无定形碳包覆硅材料,从而获得碳包覆硅结构的硅碳活性材料 工艺简单,易产业化 硅的分散性能较差,碳层易分布不均匀 能较好地缓冲充放电过程的体积变化 易发生团聚 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