2024年锂电行业市场前景及投资研究报告：硅碳密度提升快充革新储能pdf

　　年我国新能源汽车销量为949.5万辆，渗透率达到31.6%。随着市场-2%

　　能够有效缩短充电时间；开发高能量密度电池可提供更长的续航里程，11/212/205/218/2011/19

　　缓解用户里程焦虑；这些技术可大大提升用户对新能源汽车的接受度资本货物沪深300

　　快充和高比能兼备，新型硅碳技术取得新进展[Table_DocReport]

　　图9：负极石墨的充放电曲线：硅负极的充放电曲线：硅碳负极充放电过程快速膨胀10

　　动力电池技术快速更迭，快充成为未来发展趋势。2015年-2020年，动力电池行业

　　处于初步发展期，为了提高新能源汽车的续航里程，在政策推动下行业重点聚焦于提

　　升电池的能量密度，因此正极主要采用三元材料并逐渐往高镍化发展，封装方式上以

　　软包、方铝为主。2020年-2022年，随着无模组技术（CTP、CTC）开始广泛应用，

　　电池包的成组效率大幅度提升，磷酸铁锂电池的续航大幅度提升。与此同时，新能源

　　汽车安全事故频发，行业重点从单纯追求能量密度转向关注电池安全性与成本控制

　　上，铁锂电池市占率大幅度提升，2023年市场占有率达到65%以上。2022年以来，

　　技术路线开始多元化发展以满足用户多元化需求，其中高压快充成为行业确定性较

　　快充速率与充电倍率密切相关，800V高压快充成为优选。充电倍率等于充电电流除

　　以电池额定容量，充电倍率越大，充电时间越短；选择提高电流往往需要较粗的输电

　　导线，电流过高会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生大量热损失，损耗较

　　大。因此，通过提高电池包整体电压，减小单一电池容量成为行业发展快充技术的最

　　优解。将电压平台从400V提升到800V甚至更高的水平，实现高压系统的扩容，有

　　利于进行350kW以上的快充。800V高压指整车电气系统电压范围达到550-930V

　　的系统，与400V充电系统相比，其充电功率可达350-400kW，补能效率提升2倍

　　图2：400V与800V高压系统结构差异性图3：800V高压平台快充技术

　　800V高压系统已批量性上车，渗透率快速提升。目前800V高压快充基本覆盖B级

　　及以上车型，2022年800V高压快充车型在B级及以上车型市场渗透率在5%左右，

　　2023年多家车企推出800V高压快充车型，如比亚迪、理想、小鹏、蔚来、吉利、

　　智己、阿维塔、广汽、合创、极星、北汽等，全年800V高压快充车型在B级及以上

　　车型市场渗透率有望达到15%。根据GGII预测，2024年随着800V高压平台相关

　　配套设施的建设完善，及车企推出更多800V高压平台车型，预计800V高压平台车

　　电池快充技术迭代加速，主流电池企打响快充竞速赛。电池企业纷纷布局，不断推出

　　新型快充电池。宁德时代推出神行超充电池，续航里程达700公里以上；孚能科技

　　开发SPS动力电池解决方案，仅充电10分钟即可续航400km；中创新航提供“顶

　　流”电池，其电芯能量密度达到300Wh/kg；巨湾技研研发XFC极速电池，能够实

　　自身独特电池快充方案。快充电池类型丰富多样，配套车型数量众多，应用面广泛。

　　5C麒麟电池统性提升，并拓宽了电池的过流能力边界，实现了电池充电倍率从4C跨越理想MEGA

　　全球首款磷酸铁理4C超充电池，实现“充电10分钟，续航400公里”，阿维塔、长安、奇

　　突破低温快充限制，做到全温域快充，且续航里程达700公里以上瑞、极氪以及哪吒等

　　具有4C超充能力，拥有140度大电量，实际工况下续航里程可达350km，

　　4C方形电池峰值功率高达280kW，10%-80%补能快至19min，实现充电10分钟，续小鹏G9

　　“顶流”电池大圆柱电池，电芯能量密度达到300Wh/kg，可满足6C快充场景。/

　　SPS动力电池解决方案支持800V平台和4C快充，充电10分钟续航400公里。/

　　3CXFC极速电池2021年9月，巨湾技研研发并量产的XFC极速电池，充电倍率达到3C。

　　6C充电倍率的三元XFC极速电池，实现8分钟充电0-80%SOC，5分钟广汽埃安AIONV

　　蜂巢能源采用飞叠热复合技术和自主研发的第三代磷酸铁锂正极材料，在兼顾2.2C

　　短刀电池快充性能前提下，能量密度仍高达188Wh/Kg，峰值可以达到3C以上，使/

　　采用3C超充技术，15分钟即可从20%快充至80%SOC，相较于常规电池，

　　开源电池充电时间缩短了67%。不仅具备脉冲4C、持续3C的放电能力，还将循环寿/

　　Omnicell全能电池具备6C快充能力，可实现电动汽车充电5分钟续航300公里。/

　　高科采用5C超级快充技术，可实现充电9.8分钟补能80%，充电一刻钟补能

　　G刻电池90%,支持纯电、增程混动等全场景应用，涵盖磷酸铁锂、磷酸铁锰锂和三元

　　2022年9月，4C超级快充技术，最大充电功率达480kW，实现充电5分

　　电池快充技术瓶颈在负极，电流过大易导致析锂等问题。锂离子电池在充电时，锂离

　　子从正极脱嵌并嵌入负极，但是快速充电时电流密度较大，锂离子嵌入负极阻力较大，

　　易产生极化，无法嵌入石墨层间的锂离子只能在负极表面得电子，从而形成银白色的

　　金属锂单质，形成“析锂”。析锂导致锂失去活性，加速电池的老化，循环寿命会大

　　快充与高能量密度此消彼长。能量密度决定着单位质量/体积下可以储存能量的大小，

　　快充速率决定着单位时间电极横截面脱嵌锂离子的多寡。高能量密度通常意味着电

　　池单体活性物质载量比较高，电极比较厚，从而具有较长的锂离子传输路径，然而快

　　充需要活性材料高比表面积，低压实密度和高导电性，这些设计会降低电池的能量密

　　度；因此，在保证高能量密度和长续航的前提下，如何提高快充能力是电池设计开发

　　负极材料市场蓬勃发展，人造石墨仍占据主流地位。我国负极材料在全球产业链中

　　占据主导地位，2023年我国负极材料出货量达到171.1万吨，同比增长19.4%，全

　　球市场份额提升至94.1%；负极材料目前最主流的是天然石墨和人造石墨两大类，

　　与天然石墨比较，人造石墨在循环、倍率、高温等方面性能更优。根据EVtank统

　　计，2023年我国人造石墨负极材料仍占据市场主流地位，市场份额高达82.5%。硅

　　基材料作为锂电负极的新一代材料，目前市场份额占比较小仅为3.4%（以石墨和硅

　　图5：2023年我国锂电池负极材料出货量结构占比图6：2019-2023年我国锂电池负极材料出货量（万吨）

　　资料：EVTank，研究院，国元证券研究所资料：EVTank，石墨时讯，国元证券研究所

　　二次造粒和碳包覆有助于提高石墨负极快充性能。造粒是在一定温度和压强下，将物

　　料植入球磨机中进行球磨并筛分，而二次造粒则是将小颗粒粘结成大颗粒；通过造粒

　　制备的二次颗粒兼具大颗粒压实密度高、容量大的优点，及小颗粒比表面积大锂离子

　　脱嵌通道多的优点，同时提高二次颗粒的各向同性度，以兼顾能量密度和倍率性能。

　　碳包覆是以沥青等作为包覆原料与石墨颗粒混合经炭化在石墨表面形成无定型碳包

　　覆，构筑出层状排布的“核壳结构”。无定形碳的碳层之间无序排列，结构各向同性，

　　碳层间距更大，锂离子可以自由移动，并为锂离子嵌入石墨层起到引导作用；而且无

　　定形碳与电解液的相容性更好，可以有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨层

　　资料：王纪威《二次造粒石墨对锂离子电池性能的影响》，国元证券研究所资料：粉体网，国元证券研究所

　　硅碳材料理论克容量较高。与传统石墨不同，硅（Si）负极材料是通过合金化的方式

　　与金属锂结合，实现脱嵌锂反应。硅的理论比容量较高约4200mAh/g，是石墨克容

　　量的10倍；硅碳作为负极材料有望大幅提升电池的能量密度，受到了广泛的关注。

　　硅碳负极电位平台较高，有助于实现快充。快充时电流比较大容易产生极化，当负极

　　电位低于0V时，就容易发生析锂现象；石墨负极整体电位较低，充电末期电位接近

　　0V，在大倍率快充时，极易发生析锂。根据硅负极的充放电曲线V左右，整体高于石墨负极材料。因此，在充电过程中锂离子优先嵌入硅，然

　　后在石墨层间嵌入锂，掺硅整体提高了负极的平均电位，从而降低了发生析锂的概率，

　　资料：日月辰官网，国元证券研究所资料：姚丛《硅碳负极材料的制备，储锂性能及预锂化研究》，国元证券研究

　　硅碳材料易膨胀破碎，循环衰减较快。硅碳负极在充放电发生合金化的过程中会发生

　　剧烈的膨胀与收缩；充电过程，硅负极嵌入金属锂后，体积膨胀；放电过程脱出锂离

　　子，体积收缩，从而易导致硅颗粒的破碎以及活性物质在集流体表面脱落；此外，负

　　极表面剧烈的变化，易引起表面SEI膜的破裂，导致消耗大量活性锂离子，引起电

　　资料：史剑《锂离子电池硅碳负极材料的结构设计与应用研究》，国元证券研究所

　　工艺技术快速迭代，新型硅碳实现突破。硅负极材料膨胀剧烈，导电性较差，因此工

　　艺上采用纳米化和碳包覆的方式来改善其性能。第一代工艺是采用研磨法制备硅碳

　　负极材料，该路线核心是通过硅颗粒之间的空隙来缓冲材料的综合体积膨胀，为材料

　　膨胀提供了体积变化以及应力释放的空间；但由于其粒径较大，无法有效解决米乐M6 米乐平台膨胀问

　　题，循环性能一般。第二代采用的是硅氧路线，是目前主流工艺；硅氧或者预锂化硅

　　氧的路线主要是在材料的嵌脱锂过程中通过化学反应使硅氧材料中的单质硅粒径控

　　制在5nm以下，颗粒间空隙更丰富，同时提供了更大的应力缓冲空间，降低了材料

　　的整体膨胀系数。然而硅氧首效较低，首次充放电加入锂金属、镁金属等作为预锂剂，

　　能让预锂化后的硅氧负极首效提升，但成本偏高；此外该工艺路线仍有一定程度的膨

　　胀，存在产气现象。CVD气相沉积硅碳路线即新型硅碳，属于新技术突破的工艺路

　　线。CVD气相沉积硅碳路线的核心是通过低成本生产的多孔碳骨架来储硅，并通过

　　新型硅碳电化学性能优异。与硅氧相比，硅碳材料采用的是硅颗粒作为活性材料，因

　　此其首圈库伦效率较高，其复合材料克容量可以做到1750mAh/g以上。其次，新型

　　硅碳采用CVD方法将纳米硅负载在多孔碳中，多孔碳的空腔保留足够的空间利于硅

　　结构特征硅≥50nm；颗粒空隙缓冲硅≤5nm；硅酸锂缓冲硅≤10nm；多孔空隙缓冲

　　循环性能循环性能差，≤500cls循环性能好，≥1000cls循环性能好，≥1200cls

　　新型硅碳理论成本较低。新型硅碳主要是由硅烷气、多孔碳制备而成，在其成本构成

　　中，硅烷气体成本占比高达50%，多孔硅碳前躯体占比约35%；从质量对比来看，

　　新型硅碳中硅和碳的质量占比约为1:1，生产1吨硅碳负极母料需要0.6吨以上硅

　　烷。硅烷目前价格较高，预计未来可能降低至10万/吨甚至更低，显示出巨大的降本

　　潜力；另一方面，多孔碳当前价格约为20万/吨，预计未来可能降至8~10万/吨。因

　　此在制备成本方面，新型硅碳理论制备成本有望控制在20万/吨以内。由于新型硅碳

　　材料的克容量是石墨的5倍，再加上多孔硅碳规模上量以及技术的进步，在成本上

　　硅碳负极用途广泛，满足不同应用需求。硅碳负极凭借其高能量密度与快充的性能优

　　势，在手机、电动工具以及新能源汽车都具有潜在的应用前景。随着手机智能化的进

　　一步提升，对电池高能量密度、长续航提出了更高的要求；2024年2月，小米发布

　　的14Ultra手机，利用硅碳负极材料将电池的能量密度提升至779Wh/L，其中最高

　　硅含量6%，使电池体积降低了8%，续航能力提升了17%；在新能源汽车领域，硅

　　碳负极材料目前已经得到了初步的应用，随着新型硅碳技术的成熟，有望加速渗透。

　　新型硅碳市场空间巨大，前景可期。传统的硅氧负极材料由于库伦效率较低，膨胀剧

　　烈，需要采用与石墨掺混（硅比例小于10%）的方式来保障负极的整体性能；新型

　　硅碳首效较高，体积膨胀小，循环性能稳定，可以大比例掺混的方式（20%，30%以

　　上）来提高电池的能量密度，有望大幅提高硅基材料在负极中的渗透空间。硅碳负极

　　在电池的首效、容量、循环、膨胀等均领先于传统硅碳和硅氧材料，是硅基负极材料

　　产业化的重大技术革新，未来发展空间巨大；根据高工锂电数据显示，23年我国硅

　　基复合材料出货1.9万吨，预计2030年出货量将超30万吨，年复合增长率超50%。

　　美国G14率先在新型硅碳取得突破，产品性能优异。Group14公司率先采用气相沉

　　积CVD法制备出性能优异的新型硅碳复合材料。2021年4月，Group14旗舰产品

　　“硅碳复合负极材料SCC55TM”在全球首家同类BAM工厂（电池活性材料工厂）

　　开始商业化生产，SCC55TM在内阻、循环、首效等方面性能大幅度提升。公司获得

　　了包括保时捷、ATL、光石、BASF、微软等公司的投资，并分别在华盛顿、韩国扩

　　国内一级资本纷纷涌入，新型硅碳企业百花齐放。硅碳负极企业在一级市场融资备受

　　瞩目，吸引了众多资本的积极投入，不仅为硅碳负极企业提供了充足的资金支持，也

　　进一步加速了新型硅碳技术研发和市场拓展的步伐。以碳什科技为例，从2022年7

　　月成立起，企业在8个月便完成了天使轮和天使+轮融资，仅天使轮融资金额便达到

　　星航资本（领投），毅园资本，五源资本、百度风公司加速硅基负极等产品的量产

　　2023-04天使轮由险峰长青领投，同创伟业、顺为资本跟投数千万元建立苏州母公司及研究院

　　碳什科技同创伟业领投，险峰长青、顺为资本、华方资本两个生产基地的设备采购以及补

　　控股东海和中信建投追投，江峡绿色基金和兴湘高性能锂电新材料的研发、产线A轮数亿元

　　硅碳材料行业产能大幅扩张。新型硅烷材料布局者众多，有传统的负极材料领军企业

　　如贝特瑞，杉杉股份，璞泰来；也有新进入硅碳负极产业的公司如致德新能源，天目

　　先导等。行业硅碳产能加速扩张，规模化量产工艺主要以硅氧为主，随着新型硅碳技

　　术的突破，行业扩产向新型硅碳方向转变；据不完全统计，截至目前硅碳和硅氧合计

　　新型硅碳作为电池环节的中游材料，需要采用和石墨相复合的方式来制备锂电负极

　　材料。上游端，新型硅碳是由硅烷气和多孔碳制备而成，合成设备主要是流化床；下

　　流化床颗粒固化设备，均一性好。流化床设备是一种通过气体或液体流体化固体颗粒

　　的工艺设备。在硅碳负极的制备过程中，通过调整流体的流动速度和温度，使硅颗粒

　　在床层中均匀分布，进而将硅沉积到多孔碳中，实现对硅颗粒的碳包覆。在包覆过程

　　中，通过加热和反应气体的作用，使硅和碳发生化学反应，形成稳定的硅碳复合材料。

　　流化床设备的优点：一是高效包覆，通过流化床设备，可以实现对硅颗粒的高效包覆，

　　确保硅碳复合材料的均匀性和稳定性。二是形态和尺寸控制，在制备过程中，可以通

　　过调整流化床设备的工艺参数，实现对硅颗粒形态和尺寸的控制，满足不同应用需求。

　　规模化难度较大，是行业发展的关键所在。硅烷吸附与裂解需要高压与高温环境以及

　　后端的气固分离，因此对流化床设备则要求极高的密闭性和高气压以实现小颗粒的

　　气态包覆，操作难度高。当前业内流化床沉积设备仍以20kg/炉小型化设备为主，已

　　开发出超过100kg/炉的设备，并采用多台20kg/炉设备联用以提升生产效率和产品

　　资料：付祥南《化学气相沉积法制备硅碳复合负极材料的研究进展》，国元证资料：晨华科技官网，国元证券研究所

　　回转窑易于规模放大，产品品质仍需进一步优化。回转窑是一种用于煅烧的设备，通

　　过倾斜和旋转，确保物料均匀加热。在制备硅碳负极材料的过程中，将多孔碳基底材

　　料放入回转窑，通入惰性气体并加热至450-900℃，引入硅源气体进行气相沉积形成

　　硅层，继续升温至800-950℃，通入碳源气体进行第二次沉积，形成碳层。通过交替

　　沉积硅碳层，制备出硅碳复合材料。回转窑设备运行稳定，单机产能大、产品容易放

　　大，燃料适应性好，并且近两年技术大幅创新，能耗逐步下降。但是回转窑作为沉积

　　设备容易导致沉积或者包覆不均匀，硅烷利用率低，最终复合后的硅碳性能较差，需

　　资料：碳达峰智能制造，国元证券研究所资料：SMM负极石墨，国元证券研究所

　　多孔碳微纳米孔，储硅抑制膨胀。多孔碳材料是以碳为主体的一类具备高度发达的孔

　　隙结构的新型材料，其性能优异具有比表面积大、机械性能强、化学稳定性高、物理

　　性质优良的特点。根据孔径大小，多孔碳材料通常分为微孔型（2nm）、介孔型

　　（2~50nm）、大孔型（50nm）、分级多孔型。在硅碳负极中起到导电、存储硅颗

　　质素基丰富且可再生，成本低，性价比较优；树脂基合成的多孔碳孔径分布均匀，

　　有利于硅烷均匀沉积且膨胀率较低，循环性能提升明显。多孔碳的制备方法多样，包

　　括活化法、模板法、溶胶-凝胶法、溶剂热法、化学气相沉积法（CVD）、超声喷雾热

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