新型負(fù)極材料將成為未來市場的新寵

   鋰電世界    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，新型負(fù)極材料層出不窮，如鈦酸鋰、不定型碳、硅碳復(fù)合材料、錫基合金、金屬合金、石墨烯等。新型負(fù)極材料各具特色，目前還不能確定哪一種具有絕對的優(yōu)勢。負(fù)極材料是鋰離子電池的四大關(guān)鍵材料之一，約占整個(gè)電芯成本的15%。

    目前，負(fù)極材料仍以石墨類為主。鋰離子電池的發(fā)展方向是高容量、高倍率和高安全性。高容量的主要途徑是使用克容量更高的正、負(fù)極材料，石墨類負(fù)極材料不能滿足下游電芯日益增長的性能要求，所以需要新型的負(fù)極材料。

    根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2013年全球負(fù)極材料總產(chǎn)量達(dá)到5.85萬噸。全球負(fù)極材料供應(yīng)呈現(xiàn)兩大發(fā)展趨勢，即區(qū)域集中趨勢和企業(yè)集中趨勢。從區(qū)域看，全球負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)基本集中在中國和日本兩個(gè)國家，占據(jù)著全球負(fù)極材料95%以上的產(chǎn)量。2013年中國負(fù)極材料企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量3.98萬噸，占全球比重的68.03%。

    日本是鋰離子電池的先驅(qū)者，擁有核心材料的關(guān)鍵技術(shù)。日本負(fù)極材料的主要供應(yīng)商是日立化成，日本碳黑，日本JFE，三菱化學(xué)等，其中日立化成，日本碳黑，日本JFE等以人造石墨為主；三菱化學(xué)以天然石墨為主。

    我國擁有豐富的石墨礦產(chǎn)資源，國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策推動(dòng)了鋰電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。我國負(fù)極材料主要供應(yīng)商是深圳貝特瑞和杉杉科技，其中深圳貝特瑞以天然石墨為主，而杉杉科技以人造石墨為主。2013年我國負(fù)極材料出貨量達(dá)39800噸，同比增長40.7%。目前負(fù)極材料仍以石墨為主，2013年我國石墨類負(fù)極材料占總產(chǎn)量的83.41%。石墨負(fù)極材料分為人造石墨和天然石墨，其中人造石墨2013年出貨19000噸，

    石墨類負(fù)極材料價(jià)格近幾年來呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，預(yù)計(jì)未來幾年仍將維持下降趨勢。預(yù)計(jì)未來3年負(fù)極材料均價(jià)將會維持5%～10%的年均跌幅。隨著價(jià)格逐年下降，負(fù)極材料的毛利率也隨之下滑，2013年我國負(fù)極材料的毛利率在15－20%之間。

    石墨類負(fù)極材料均價(jià)之所以持續(xù)下跌有如下原因：1、電芯價(jià)格下降，導(dǎo)致負(fù)極材料價(jià)格被迫下降；2、國內(nèi)石墨類負(fù)極材料廠家增多，競爭加劇，很多新進(jìn)者以低價(jià)策略獲取市場，導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)價(jià)格下跌；3、貝特瑞等大廠涉足上游石墨礦產(chǎn)資源，進(jìn)一步提高自身定價(jià)能力，給其它小廠造成壓力。

    石墨類負(fù)極材料的理論克容量為372mAh/g,市面上性能較好的石墨負(fù)極材料已經(jīng)能達(dá)到360 mAh/g，克容量逐漸趨于極限值。雖然石墨作為負(fù)極材料具有克容量較低、循環(huán)性偏差等劣勢，但鑒于石墨類負(fù)極材料的高性價(jià)比不會立即被新型材料所取代。未來3年，石墨類負(fù)極材料仍然是負(fù)極材料的主流，每年以15%左右的速度增長。因?yàn)樾滦拓?fù)極材料技術(shù)不成熟，還需要很長一段時(shí)間進(jìn)行性能改進(jìn)，新型負(fù)極材料的價(jià)格較高，石墨類負(fù)極的價(jià)格具有明顯的優(yōu)勢，負(fù)極材料需要與正極材料、電解液等搭配使用，而目前正極材料的比容量普遍較低。

    新型負(fù)極材料鋰離子電池的發(fā)展趨勢是高容量、高倍率和高安全性，高容量的主要途徑是使用容量更高的材料。石墨類負(fù)極材料克容量逐漸趨于極限值，不能滿足下游電芯日益增長的性能要求，因此需要新型的負(fù)極材料。目前業(yè)內(nèi)關(guān)注較多的新型負(fù)極材料有鈦酸鋰、硬碳、硅碳復(fù)合材料、錫基合金、石墨烯、金屬合金等。在未來3～5年內(nèi)，非石墨類負(fù)極材料可能量產(chǎn)的新型負(fù)極材料包括鈦酸鋰、硬碳、硅碳復(fù)合材料等。

    鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦組成的復(fù)合氧化物。鈦酸鋰的特點(diǎn)：安全性比較高，充放電時(shí)具有極高的熱穩(wěn)定性；長壽命，零應(yīng)變材料，循環(huán)壽命達(dá)三萬次；可快速充電；耐候性強(qiáng)，能在-40℃－60℃充放電。鈦酸鋰(Li4Ti5O12)平均電壓平臺較高(1.55V)，導(dǎo)致比容量較低(理論值為175mAh/g)，限制了其在3C等方面的應(yīng)用。鈦酸鋰電池在循環(huán)過程中產(chǎn)氣現(xiàn)象嚴(yán)重，存在一定的安全隱患，此外鈦酸鋰(Li4Ti5O12)負(fù)極材料價(jià)格較高。鈦酸鋰循環(huán)性能突出、安全性高，但其循環(huán)過程中的產(chǎn)氣問題還需進(jìn)一步解決，且克容量較低，限制其在3C領(lǐng)域的應(yīng)用，只能用在對體積沒有要求的儲能或動(dòng)力汽車上。其價(jià)格也較高，鈦酸鋰產(chǎn)業(yè)化還需要很長一段時(shí)間。

    硬碳是高分子聚合物的熱分解產(chǎn)物，具有很高的可逆比容量，一般為500－700mAh。硬碳的優(yōu)點(diǎn)主要有：優(yōu)異的倍率性能；無明顯的充放電平臺，可以便于SOC電量的估算；材料特別穩(wěn)定，充放電過程基本不膨脹，因此可以滿足長循環(huán)的需求。硬碳的缺點(diǎn)主要有：成本較高，遠(yuǎn)高于石墨；首次效率低，不可逆容量損失太大；壓實(shí)密度低；加工難度大；高溫性能會比石墨差。硬碳在動(dòng)力電池上具有一定的優(yōu)勢，日本在硬碳應(yīng)用技術(shù)上比較成熟。硬碳克容量較高，循環(huán)性不錯(cuò)，但其與國內(nèi)正極材料、隔膜等體系吻合度不是太高，且價(jià)格較貴，所以硬碳在國內(nèi)大批量使用還需時(shí)日。

    硅碳復(fù)合材料是由硅和石墨復(fù)合而成的。硅的克容量特別高，達(dá)3700mAh/g，為石墨的十倍左右。在充放電時(shí)，硅會出現(xiàn)嚴(yán)重的體積膨脹，膨脹率達(dá)400%。硅的循環(huán)型較差、倍率較低，所以硅很難單獨(dú)作為負(fù)極材料使用，通常需要與石墨進(jìn)行復(fù)合和改性，才有可能作為負(fù)極材料。現(xiàn)在硅碳復(fù)合材料的改性方法主要有納米化和復(fù)合化，國內(nèi)外很多企業(yè)對此展開了研發(fā)。硅碳復(fù)合材料的克容量優(yōu)勢明顯，其膨脹、循環(huán)可以通過復(fù)合化、納米化加以改進(jìn)，但現(xiàn)在技術(shù)仍然不成熟，還需進(jìn)一步改進(jìn)提高，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)硅碳復(fù)合材料的使用量會有所突破。

    由于出色的高性價(jià)比，石墨類負(fù)極材料在未來3～5年仍占據(jù)著市場主流，需求量將以15%左右的速度增長。而新型負(fù)極材料還處于研發(fā)導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不會太快。