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中锂能源:锂离子电池负极材料产业化现状和发展趋势(一)

文章来源:深圳市中锂能源技术有限公司 人气:1424 发表时间:2017-11-30 16:44:42

中锂能源:锂离子电池负极材料产业化现状和发展趋势(一)

  负极材料对锂电池性能起决定性作用的关键材料。负极的比容量和工作电压直接决定锂电池的能量密度,是最重要的电池材料之一。虽然硅基等合金类负极已开始应用,但主流的负极材料仍然是天然和人造石墨,其中人造石墨凭借更好的循环寿命和倍率性能,渗透率在不断提升。

  负极材料具备高技术壁垒。市场一直认为负极是最简单且附加值最低的电池材料,实际情况并非如此。人造石墨的制备需要经过破碎、造粒、石墨化、筛分四个大工序和十余个小工序,其中的造粒和石墨化两个环节都有很高的技术壁垒。得益于产品差异化和不透明的成本结构,盈利能力稳定。由于不同应用场景对负极的要求不同,且还需要与电解液、正极匹配,因此负极不但型号众多、价格分布也非常宽。由于原材料品味和收得率的不同以及石墨化环节的差异,负极的成本构成非常不透明,增加了电芯厂压价的难度。通过工艺创新优化和产业链整合,成本有进一步下降空间。

  负极材料行业的市场集中度高,三大五小的竞争格局、和电芯企业之间的绑定关系都已经初步形成,绑定电芯龙头的负极企业,发展前景更佳。

  1 人造石墨循环寿命长、倍率性能好,是主流的负极品种

  负极是锂电池的主要组成部分,它是由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。我们所谈的负极材料主要指的是负极活性物质。

  众所周知,锂离子电池的能量密度取决于其比容量和工作电压,其中比容量是由正极比容量和负极比容量共同决定(见下式),而工作电压是正极电压和负极电压的差值(又称为脱嵌锂电压)。由此可 见,负极的比容量(越大越好)和工作电压(越低越好)直接决定了 锂电池的能量密度,其重要性不言而喻。

公式

  负极可分为碳材料和非碳材料两大类,碳材料包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球和硬碳软碳等,非碳材料包括硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。硬碳软碳在技术上还不够成熟,硅基等合金类负极材料虽然已开始在特斯拉/松下动力电池上应用,但仍处于推广的初期,需求还比较有限。中间相碳微球具备倍率性能优异的特点,但是制备工艺复杂、产率低、成本难以下降,发展也比较受限。目前应用最广的负极材料仍然是天然石墨和人造石墨两大类(以及性能介于天 然石墨和人造石墨之间,以天然石墨为基础和其他负极材料掺杂形成的复合石墨)

负极材料的分类

  天然石墨是从天然石墨矿中提炼出来的,它的颗粒外表面反应活性不均匀,晶粒粒度较大,在充放电过程中表面晶体结构容易被破坏。为了解决这些问题,一般采用碳包覆工艺对天然石墨进行改性处理。其优势是比容量大、压实密度高、成本低,缺点是循环寿命短、倍率性能差。

  人造石墨是焦炭类原料经过高温石墨化处理后转化成石墨的产品。它的石墨晶粒小、石墨化程度低、结晶取向度小,在倍率性能、 循环寿命以及体积膨胀、防止电极反弹方面都好于天然石墨,比容量和压实密度和天然石墨也已经很接近,差距只有2%3%,主要的缺点是成本高。

常见的负极材料性能对比

  应用上,国内除比亚迪之外的动力电池基本全部使用人造石墨,比亚迪和日韩动力电池以天然石墨为主,但也在转向人造石墨;手机、笔记本电脑等小型锂电池,高端产品以人造石墨为主,中低端产品采用天然石墨较多。

我国天然和人造石墨的产量结构

  从我国负极材料的产量结构看,2013年时天然石墨占比仍在50%以上;但人造石墨的渗透率不断的提升,到2016-2017年,人造石墨的产量已经超过了天然石墨的2倍,成为最主要的负极材料品种。

  

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