編者按：近日，寧波容百新能源科技股份有限公司成功登陸科創(chuàng)板，該公司是高鎳三元正極材料的供應(yīng)商，鋰電材料受到人們的關(guān)注，據(jù)研究表明，硅是目前理論上容量最大的負(fù)極材料且硅負(fù)極在未來五年內(nèi)有望成為鋰電池的主流材料。
7月22日，高鎳三元正極材料供應(yīng)商寧波容百新能源科技股份有限公司（簡稱“容百科技”，股票代碼688005）成功登陸科創(chuàng)板，激發(fā)了人們對鋰電池材料行業(yè)的新想象。
資料顯示，容百科技成立于2014年9月，主要從事鋰電池正極材料及其前驅(qū)體的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品鎳鈷錳三元正極材料是新能源汽車動力電池的關(guān)鍵材料，是國內(nèi)率先量產(chǎn)NCM（鎳鈷錳）811的三元材料企業(yè)。
其招股說明書顯示，憑借在單晶與高鎳三元正極材料領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，該公司在全球三元正極材料領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，已與寧德時代、比亞迪、LG化學(xué)、天津力神、孚能科技、比克動力等國內(nèi)外主流鋰電池廠商建立了良好的合作關(guān)系。
容百科技共發(fā)行股票4500萬股，發(fā)行價格為26.62元。當(dāng)天開市后，股票價格上漲到49.53元，漲幅達(dá)86.06%。截至8月18日，其市值超過200億元。
在鋰電池行業(yè)，高鎳三元正極材料是一個快速發(fā)展的風(fēng)口，容百科技是一個快速成長為上市公司的巨頭。
業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，繼NCM811正極材料應(yīng)用的爆發(fā)之后，硅負(fù)極在未來五年內(nèi)有望成為鋰電池的主流材料。
從石墨負(fù)極到硅負(fù)極
在中國新能源汽車政策激勵和市場需求下，動力電池能量密度提升是必然趨勢。
從供應(yīng)端來看，國家對電池產(chǎn)業(yè)的能量密度提升有著明確的指導(dǎo)性要求。2017年，國家工信部等四部委發(fā)布的《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》中提出，到2020年我國新型鋰離子動力電池單體比能量超300瓦時/公斤，到2025年單體比能量達(dá)500瓦時/公斤。
從需求端來看，國家“雙積分”政策促使車企積極使用高能量密度的電芯。2018年4月1日實(shí)行的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》對新能源汽車積分比例提出強(qiáng)制性要求。
新能源汽車積分的計(jì)算一方面由汽車的續(xù)航里程決定，另一方面對汽車百公里耗電量（由汽車質(zhì)量決定）設(shè)定不同標(biāo)準(zhǔn)，滿足政策中百公里耗電量這一指標(biāo)要求的新能源汽車，其可計(jì)算的新能源汽車積分是標(biāo)準(zhǔn)積分的1.2倍。而對于不滿足標(biāo)準(zhǔn)的新能源汽車，積分僅是標(biāo)準(zhǔn)積分的0.5倍。
在供需兩端的合力推動下，動力電池需要朝著高能量密度方向發(fā)展，這對電池的材料體系提出了變革的要求。
在鋰電池的四種主要構(gòu)成材料里面，占到電芯成本40%的正極材料和占到電芯成本近30%的負(fù)極材料對電池性能的影響最大。
在高能量密度的未來發(fā)展路徑中，動力電池正極材料從2018年開始已經(jīng)采用高鎳三元材料，材料配比從此前的111向523、622和811漸次升級，正是這種升級成就了容百科技的崛起。
如今，領(lǐng)先企業(yè)的動力電池能量密度已經(jīng)達(dá)到260瓦時/公斤，若想進(jìn)一步提高動力電池的能量密度，負(fù)極材料也必須有重大突破。
現(xiàn)有的動力電池負(fù)極材料90%都是采用石墨負(fù)極，石墨負(fù)極具有電導(dǎo)率和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，但在能量密度提升方面遇到了一些麻煩，當(dāng)下的發(fā)展已接近其理論最大值——372毫安時/克。
實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硅是目前理論上容量最大的負(fù)極材料，鋰在硅中形成Li4.4Si時，比容量高達(dá)4200毫安時/克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨的理論容量，且硅具有低嵌鋰電位和低成本的優(yōu)勢。
因此，硅基負(fù)極有望替代石墨成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料。
普及面臨三大挑戰(zhàn)
盡管硅被視為最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮囯x子電池負(fù)極材料，但現(xiàn)在受制于其自身的缺陷，還無法單獨(dú)作為負(fù)極材料使用，必須與其他材料結(jié)合。
因?yàn)閱为?dú)使用硅做負(fù)極材料時，從工作原理看，充電時鋰離子從正極材料脫出，嵌入硅晶體內(nèi)部晶格間時，造成膨脹（可達(dá)300%），形成硅鋰合金；而放電時鋰離子從晶格間脫出，又形成大的間隙。由于硅晶體體積出現(xiàn)明顯變化，易造成硅負(fù)極材料從集流體剝離下來，導(dǎo)致極片露箔并引起電化學(xué)腐蝕和短路等現(xiàn)象，影響電池的安全和使用壽命。
從目前的研究和實(shí)踐來看，硅基負(fù)極材料需要與其他材料結(jié)合起來使用，主要是硅碳和硅氧兩種技術(shù)方向。
硅碳是具有可逆嵌脫鋰性能的硅或其化合物與碳的復(fù)合材料，其中硅或其化合物起嵌鋰作用，是主要活性物質(zhì)；碳能增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性，間接提高硅基負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和效率。進(jìn)一步而言，硅碳可分為硅碳傳統(tǒng)復(fù)合材料和硅碳新型復(fù)合材料，其中傳統(tǒng)復(fù)合材料是指硅與石墨、炭黑等復(fù)合，新型硅碳復(fù)合材料是指硅與碳納米管、石墨烯等新型碳納米材料復(fù)合。
硅的氧化物主要包括SiOx（0<x<2）和SiO2。SiOx具有比容量較高（理論容量大于2000 毫安時/克）、電壓平臺較低、原材料成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此和硅一樣成為替代石墨材料的極具潛力的一類負(fù)極材料。通過降低材料中整體的氧含量以及控制粒徑，從而控制體積膨脹，提高硅氧材料的容量與循環(huán)穩(wěn)定性能。
比較而言，在膨脹率上，硅氧負(fù)極材料低于硅碳負(fù)極材料；在首次充放電效率上，硅碳負(fù)極一般高于硅氧負(fù)極；在工藝上，硅碳負(fù)極比硅氧負(fù)極相對簡單。因此，業(yè)內(nèi)人士對硅碳負(fù)極材料相對看好。
不過，目前硅碳負(fù)極材料尚未大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)起點(diǎn)研究院(SIPR)調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國鋰電池硅碳負(fù)極材料產(chǎn)量已經(jīng)超過1500噸，同比增長超過130%，但在全年鋰電負(fù)極材料總產(chǎn)量中僅占比1%。
研究發(fā)現(xiàn)，硅碳負(fù)極材料在產(chǎn)業(yè)化路上還面臨三大障礙：一是循環(huán)性能和膨脹問題沒有得到徹底解決。硅材料較低的壓實(shí)密度和嵌鋰后體積的顯著膨脹，這在一定程度上影響了電池結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)。二是首次充放電效率低。硅碳負(fù)極在首次充放電時會形成固體電解質(zhì)界面（SEI膜），SEI在硅的體積變化影響下被反復(fù)破壞與重新形成，鋰離子被大量消耗，從而造成電池容量下降。三是材料加工成本高。電池負(fù)極材料在走向納米化，不同的材料對物料的研磨工藝有不同的要求，硅碳負(fù)極對研磨機(jī)的性能有很高的要求，目前其納米化生產(chǎn)效率不高，復(fù)合過程復(fù)雜，導(dǎo)致成本比石墨高很多。
價格方面在使用硅碳負(fù)極時，電池容量在提升5%?10%的情況下，電池的成本要增加20%?30%甚至更高。著眼于未來，由于“NCM811＋硅碳負(fù)極”被視為高能量密度電池的最佳組合，隨著NCM811在電芯行業(yè)的迅速推廣，必將推動硅負(fù)極材料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)應(yīng)用。
下一個“容百科技”在這里
盡快推動硅負(fù)極材料的應(yīng)用，我國已經(jīng)釋放出明確的信號。
硅負(fù)極材料已經(jīng)成為國家重點(diǎn)鼓勵的新能源電池材料之一，2017年9月12日和2018年12月26日，先后兩次被列入工信部的重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄。
國際范圍內(nèi)，新一輪負(fù)極材料競爭也在全球展開。從全球來看，日韓企業(yè)走在硅碳材料產(chǎn)業(yè)的前列，代表性的公司有日立化成、三菱化學(xué)、昭和電工、日本信越、吳宇化學(xué)、韓國GS公司等。
其中，日立化成是全球最大的硅碳材料公司，其負(fù)極材料由人造石墨和10%的硅碳材料復(fù)合而成，其比容量超過550 毫安時/克。作為日本松下和特斯拉的的供應(yīng)商之一，特斯拉新一代Model 3電動汽車的鋰離子電池能量密度達(dá)到了驚人的300瓦時/公斤。
從國內(nèi)來看，貝特瑞、杉杉股份、江西紫宸、斯諾實(shí)業(yè)、星城石墨、江西正拓、創(chuàng)亞動力、大連麗昌等傳統(tǒng)的材料企業(yè)也已在硅基材料領(lǐng)域布局。
其中，貝特瑞和杉杉股份比較領(lǐng)先。公開資料顯示，貝特瑞的硅碳負(fù)極材料在2013年通過三星認(rèn)證之后，2014年?2016年產(chǎn)量處于攀升階段。惠州貝特瑞已經(jīng)具備1000 噸/年的產(chǎn)能，并且還有1000 噸/年產(chǎn)能在建設(shè)當(dāng)中。杉杉股份早在2009年開始研發(fā)硅碳負(fù)極，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)噸級規(guī)模，具體年產(chǎn)量預(yù)計(jì)不大，但具體客戶和出貨量情況同樣不詳。
此外，正拓能源今年年初對外宣稱，預(yù)計(jì)今年可實(shí)現(xiàn)2000噸產(chǎn)能，目前產(chǎn)品項(xiàng)目已完成設(shè)備安裝，進(jìn)入小批量試產(chǎn)階段。
如今，硅碳材料也成為業(yè)界競逐的風(fēng)口。2017年成立的中科院物理所背景的天目先導(dǎo)和中科院化學(xué)所背景的壹金新能源等公司，作為創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)布局這一材料技術(shù)的研發(fā)。從電池企業(yè)來看，寧德時代、比亞迪、國軒高科、力神、比克等企業(yè)都在積極探索硅基負(fù)極材料體系的電芯。
不過，由于行業(yè)硅碳負(fù)極尚未形成廣泛推廣的成熟方案，主流的電池生產(chǎn)企業(yè)對于硅碳負(fù)極的使用，主要以摻雜形式，且各個企業(yè)摻雜比例也存在差異。隨著摻雜比例的提高，基于摻雜20%的比例來測算，預(yù)計(jì)未來五年，硅碳負(fù)極材料市場空間可超過百億，值得期待。
原標(biāo)題：硅負(fù)極在未來五年內(nèi)有望成為鋰電池的主流材料
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