為什么硅負極是趨勢？

1. 為什么硅負極是趨勢？

1.1. 為什么硅是能量密度的關鍵？

為了實現(xiàn)更高的續(xù)航里程，電動汽車的電池需要存儲足夠的能量，同時又不能增加過多的重量，不能占用過多的空間，這就需要高能量密度。

負極從石墨體系到硅基負極將是未來的升級方向，產(chǎn)品升級促進價值量提升。

石墨材料的理論克容量為372mAh/g（每6個碳原子嵌入1個鋰離子，形成LiC6結構），目前高端產(chǎn)品已經(jīng)達到360-365mAh/g，接近理論容量，石墨負極材料逐步達到上限。因此需要更高能量密度的新材料來應對需求。

其中，硅材料最能夠滿足人們更高能量密度的需求（形成Li22Si5，理論克容量為4200mAh/g）。未來隨著動力電池能量密度要求的提高，硅碳負極搭配高鎳三元材料的體系成為發(fā)展趨勢。

未來兩年，隨著高鎳三元材料NCM811、NCA及其他配套材料的技術逐漸成熟，硅碳負極的產(chǎn)業(yè)化即將到來。

1.2. 終端客戶逐步選擇硅負極方向

Tesla在2020年9月22日“電池日”明確計劃未來將采用硅負極，計劃采用冶金硅作為原料，通過離子導電高分子進行涂覆、以及特殊膠粘劑（Binder）混合的形式，改善硅負極的性能。

Tesla對硅原材料進行納米化和對應的包覆方法來提升性能。對硅納米材料進行包覆可以有效改善硅的碎裂和 SEI 膜失控生長問題。

蔚來在2021年1月9日NIO Day上發(fā)布150kWh 固態(tài)電池，該技術采用原位固化工藝的固液電解質，確保電芯安全；使用無機預鋰化工藝的硅碳負極，配合納米級包覆工藝的超高鎳正極，可實現(xiàn) 50%的能量密度提升，達到360Wh/kg。

上汽集團及浦東新區(qū)、阿里巴巴的“智己汽車”在2021年1月13日發(fā)布93kWh和115 kWh兩款大電池組，均利用摻硅補鋰技術可實現(xiàn)20萬公里電池無衰減，單體能量密度達到300wh/kg。

各家電池廠及車廠在下一代電池設計中都已經(jīng)在大規(guī)模使用硅，但硅存在一個尚未解決的根本問題。

2. 為什么硅負極必須要配合碳納米管使用？

2.1. 硅的根本問題是什么？

在電池充放電過程中，硅的體積會大幅膨脹（高達300％以上），進而導致出現(xiàn)裂縫，從而發(fā)生硅負極顆?；?，硅負極材料顆粒之間連接斷裂，導致硅負極電池快速衰竭。這是阻礙硅在鋰電池中未能得到廣泛使用的核心原因。

2.2. 碳納米管是硅負極廣泛應用的關鍵所在

單壁碳納米管解決了硅負極在鋰電池應用的根本性問題。單壁碳納米管由于管良好的導電性、高強度、高柔性、高長徑比，以及在加入低劑量的情況下即可在材料內部形成發(fā)達網(wǎng)絡的能力，在引入硅負極后可覆蓋硅顆粒表面并在硅顆粒之間建立高度導電和持久的連接。

單壁碳納米管使得硅顆粒之間的連接非常緊密、導電性好且牢固，即使發(fā)生硅負極顆粒體積膨脹并開始分裂，這些顆粒仍可通過單壁碳納米管保持良好連接。

單壁碳納米管同時顯著加長了硅負極的循環(huán)壽命。添加單壁碳納米管，高硅含量的電池可滿足循環(huán)壽命的要求。

單壁碳納米管可以制造出SiO含量為20％、600 mAh/g容量和1500循環(huán)的硅負極，基本足夠滿足高能量密度、高倍率性能、高性價比的新一代動力電池，能量密度可超過 300Wh/kg 和 800Wh/l。

3. 碳納米管將受益電池“ 黑科技” 堆料

為了實現(xiàn)鋰電池導電劑主要在應用正極材料及負極材料中，尤其是LFP，NCM及硅碳負極一般都需要配合導電劑尤其是CNT 導電劑使用。CNT導電劑對鋰電池綜合性能明顯提升，同時 CNT 量產(chǎn)規(guī)模不斷擴大促進成本逐步下行，在鋰電池中的性價比逐步體現(xiàn)，未來其滲透率將逐步提升。

預計未來3年CNT導電劑在動力電池導電劑中的滲透率將超過65%，在3C消費電池中的滲透率將超過28%，整體市場空間將在現(xiàn)有基礎上增長3倍以上。

3.1. 碳納米管在正極領域應用將持續(xù)提升

正極領域，一般LFP摻配比例為1.0-1.5 w.t%，NCM及LCO 為0.5-1.0 w.t%，隨著電池廠對導電劑要求的提高，CNT 滲透率提升。

碳納米管導電漿料在動力鋰電池領域的不斷滲透，替代炭黑趨勢愈發(fā)明顯。預計2022 年CNT在動力電池導電劑中的滲透率將超過65%。

“無繩化”推動3C鋰電池導電性能要求的提升，CNT導電劑滲透率穩(wěn)定增長。2018年碳納米管導電漿料在數(shù)碼電池中滲透率達18.0%，預計到2022年CNT滲透率將超過 28%。

3.2. 碳納米管在負極應用受益硅負極快速滲透

負極領域，CNT 導電劑更匹配硅基化趨勢，其摻配比例隨著硅比例的提升而提升，我們以1.5%作為保守測算比例。CNT 導電劑是硅基負極中匹配最好的導電劑：

1）優(yōu)異的導電性彌補了硅原子帶來的不足。

2）硅碳負極需要解決熱膨脹問題才可使用，因此其束縛結構穩(wěn)定性至關重要，而碳納米管具有很好的化學穩(wěn)定性。

3）極大的比表面積可以有效的緩解硅基負極在鋰離子脫嵌過程中硅材料結構的坍塌。

3.3. 碳納米管空間巨大將受益電池“黑科技”堆料

CNT導電漿料市場未來三年將突破10萬噸，對應市場空間超過40億元隨著動力電池、3C電池、儲能電池的蓬勃發(fā)展，CNT導電劑滲透率的不斷提升，CNT從正極LFP，NCM到硅基負極體系的不斷滲透。

預計到2022 年，CNT導電漿料市場將突破10萬噸，對應市場空間超過40億元，將在 2019年約2.8萬噸的基礎上增長3倍。

根據(jù)市場空間測算關系：

市場空間=CNT 滲透率* 鋰電行業(yè)總量* 市占率

未來鋰電行業(yè)總量將保持高速增長，對應的鋰電池正極LFP及NCM材料將伴隨行業(yè)的高速增長而增長，同時鋰電負極材料硅基化的產(chǎn)品升級也將呈現(xiàn)高增長。CNT是與鋰電行業(yè)大趨勢—正極高鎳化、負極硅系化—最為匹配的導電劑材料，CNT在導電劑中的滲透率將穩(wěn)步提升。

審核編輯 ：李倩