鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2021年05月17日
鋰離子電池負極材料深度研究
新能源汽車高速發展，鋰離子電池材料將充分受益。鋰離子電池性能優越，用途廣泛，前景最為廣闊。相關于鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等二次電池，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應和綠色環保等突出優勢。
鋰離子電池隨著技術的不斷進步已經在人們的生活中得到了廣泛的應用，如便攜式電子產品、新能源汽車、儲能等領域。尤其是新能源汽車產業，發展新能源汽車已經上升為國家戰略，國家已提出了發展方向、戰略目標、重要任務及政策措施，新能源汽車發展正面對千載難逢的歷史機遇。
隨著一系列新能源汽車扶持政策即將出臺，我國新能源汽車在十三五期間將快速發展，屆時將帶動鋰離子電池材料快速上升。
鋰離子電池的重要組成部分包括正極、負極、電解液和隔膜等，統稱為鋰離子電池四大材料，上述材料在電池成本中所占的比例不同。其中，正極材料占40%左右，電解液占16%左右，隔膜占21%左右，負極材料僅占5%。因此，可以說正極材料的成本直接決定鋰離子電池成本的高低。
在鋰離子電池四大材料中，負極材料的技術相對最成熟。通常將鋰離子電池負極材料分為兩大類：碳材料和非碳材料。其中碳材料又分為石墨和無定形碳，如天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、軟炭（如焦炭）和一些硬炭等；其他非碳負極材料有氮化物、硅基材料、錫基材料、鈦基材料、合金材料等。
鋰離子電池負極材料處于鋰離子電池產業中游的最核心的環節，按電池成本分布，鋰離子電池負極材料及其他占比鋰離子電池總成本的28%左右。好的負極材料應該滿足如下要求：比能量高、相對鋰電極的電極電勢低；充放電反應可逆性好；與電解液和粘結劑的兼容性好；比表面積?。?10m2/g）；振實密度高（>2.0g/cm3）；嵌鋰過程中尺寸和機械穩定性好；資源豐富、價格低廉；在空氣中穩定、無毒副用途。目前重要是中間相碳微球（MCMB）、天然石墨（NGR）和硬碳（HC）。
負極材料在國內已幾乎全部實現產業化。目前，國內負極材料產量也較大，基本能滿足國內市場的需求。高工產研鋰電研究所（GGII）調研顯示，2015年我國負極材料產量7.28萬噸，同比上升42.7%；國內負極材料產值為38.8億元，同比2014年上升35.2%。2015年負極材料均價保持下降，幅度在5%~10%。雖價格整體下降，但負極材料產值增速接近產量增速，因為負極材料的結構在發生變化。受動力鋰電池帶動，2015年國內負極材料的需求上升最快的是人造石墨，而人造石墨的均價高于天然石墨。
全球負極材料總出貨量中天然石墨占比55%，人造石墨占比35%，中間相炭微球占比7.4%，鈦酸鋰、鋅、硅合計占比約1%。綜合而看石墨類負極材料占總出貨量的90%。全球來看，目前鋰離子電池負極材料生產公司重要在我國和日本，我國的優勢是石墨資源，日本優勢是技術。負極材料產品市場呈現出明顯的寡頭壟斷格局，負極材料市場集中度高決定了行業盈利的相對穩定，但是國內產量的集中建成，預計產品價格會小幅走低。
硅合金和鈦酸鋰等負極新材料有望大幅提高產品性能。隨著鋰離子電池交通工具以及儲能領域的快速上升，由于石墨類負極的高性價比，未來2~3年石墨類負極材料仍會作為主流，我們預計產量將保持年20%左右的上升。天然石墨重要用在數碼產品及筆記本電腦上，人造石墨多用于交通工具領域，其上升速度會高于負極材料的上升速度。而天然石墨的上升會低于負極材料的上升速度。從技術來講，石墨負極材料的性能逐漸趨于理論值，如石墨的克容量為372mAh/g，目前部分廠家產品可以達到365mAh/g，由于生產工藝和固有缺陷，這已經基本達到極限值。
獨占一方的石墨烯
石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，因為質地薄、硬度大且電子移動速度快而被科學家廣泛推崇，并冠以新材料之王的美譽。盡管這位王者優異的化學性能被新能源市場所看好，但是至今為止依然停留在概念化的階段。
假如將石墨烯用作鋰電負極材料的話，要獨立的上下游產業鏈、昂貴的價格還有復雜的工藝，這讓眾多負極材料廠商望而卻步。盡管如此，國內依然有一些公司砥礪前行，目前我國安寶、大富科技以及貝特瑞等知名公司已經開始布局石墨烯產業。
但是，行業內有關石墨烯用作負極材料的質疑也在不斷發酵，有人認為石墨烯的振實和壓實密度都非常低，又加之成本昂貴，作為電池負極材料前景十分渺茫。但是鑒于它的熱潮還在持續，說它是一方霸主也不為過。
控制主場的人工石墨
目前負極材料重要以天然石墨和人造石墨為主，這兩種石墨各有優劣。湖州創亞總經理胡博表示：天然石墨克容量較高、工藝簡單、價格便宜，但吸液及循環性能差一些；人造石墨工藝復雜些、價格貴些，但循環及安全性能較好。通過各種手段的技術改進，這兩種石墨負極材料都可以‘揚長避短’，但就目前來看，人造石墨用于動力鋰電池上占據一定的優勢。
而這一說法也在市場中得到了印證。相關媒體調研數據顯示，今年第一季度我國天然石墨產量4770噸，同比上升16.3%；人造石墨出貨15160噸，同比上升110.5%。從以上數據來看，人造石墨出貨量遠高于天然石墨，而造成這一現象的重要原因，是今年以來市場對動力鋰電池的強勁需求。
性能穩定的中間相碳微球
中間相碳微球具有高度有序的層面堆積結構，是典型的軟碳，石墨化程度較高，結構穩定，電化學性能優異。據中咨網研究部統計數據顯示，2012年我國負極材料出貨量為27650噸，其中天然石墨出貨量占比59%，人造石墨30%，石墨化中間碳微球8%。就此說來，中間相碳微球是僅次于天然石墨和人工石墨的第三大主流碳類負極材料。
據悉，中間相碳微球在倍率性能上高出天然石墨和人工石墨，用在航模、動力工具上具有明顯的優勢。此外，它的熱穩定性和化學穩定性決定了它不易發生化學反應，使用在鋰離子電池上加大了安全保證。但是其制作成本高，工藝復雜且容易被替代，因此中間相碳微球產銷一直處于穩定地位，沒有被過多的發展。
新大陸硅碳復合材料
近日，一篇文章吸引了小編的注意，題目為《硅與石墨的愛恨情仇！》。文章中寫道，硅負極材料理論容量比達到4200mAh/g以上，遠高于石墨類負極(372mAh/g)。但硅負極材料卻存在天然的缺陷，即鋰嵌入到硅的晶胞內，會導致硅材料發生嚴重的膨脹，造成容量迅速下降，為了克服硅負極材料的這些缺點，科學家將硅負極和石墨材料結合在一起，硅碳復合材料由此而生，并被稱為鋰電負極材料的新大陸。
據悉，特斯拉公布的Model3就采用了硅碳負極作為動力鋰電池新材料。通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉讓電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度可達300wh/kg?，F在，這種用硅碳復合材料來提升電池能量密度的方式已是業界公認的方向之一。
負極材料四大霸主雖各有千秋。但就目前的負極材料市場看來，石墨烯未來的發展捉摸不定。而近年來一直處于消費首位的人工石墨，也面對著高性能的硅碳復合材料的挑戰，世界新能源汽車市場的領頭者特斯拉對硅碳復合材料的使用，必定會掀起一陣硅碳復合材料的熱潮，受其影響，未來鋰離子電池負極材料市場或將重新洗牌。而一直處于穩定地位的中間相碳微球，未來則不會出現太大的波動。
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