电池科技前瞻系列报告之十，负极硅碳，风语黎明

　 目录 风·高能量密度电池，硅基负极材料体系列选 ................................................. 1 1、使用便捷性，汽车“红线” .......................................................... 1 2、高容量低电压，硅基负极材料有潜力助力高能量密度电池实现 ............................. 2 语·硅碳负极科学研究进展浅述与性能前瞻 ................................................... 4 1、单质硅-碳负极：直面理化弱点，改性手段齐发 .......................................... 4 2、硅氧化物-碳负极：有所失，有所得 .................................................... 5 3、预锂化：提高首效的努力 ............................................................ 7 4、小结：硅碳负极，“常规”高能量密度电池体系优选

　........................................................................... 8 黎明·下一个制高点，高性能硅碳负极的规模化 ............................................... 11 1、专利布局：日韩巨头为主，中国不乏亮点 .............................................. 11 2、实际应用：松下、特斯拉先行，中国制造逐步发力 ..................................... 13 3、空间估计：从特斯拉主导，到高能量密度动力电池泛用 ................................. 15 投资评价和建议 .......................................................................... 17 风险分析 ................................................................................ 17 图表目录 图表 1：

　汽车产品关注点体系 ............................................................... 1 图表 2：

　简明体现汽车使用便捷性的行驶和充能过程 ........................................... 1 图表 3：

　动力电池基本结构和充放示意 ....................................................... 2 图表 4：

　典型正极材料克容量和对锂电压 ..................................................... 3 图表 5：

　典型负极材料克容量和对锂电压 ..................................................... 3 图表 6：

　宏观尺度单质硅在嵌脱锂循环过程中的物理尺寸、形貌变化示意 ......................... 4 图表 7：

　循环过程中硅负极表面的 SEI 膜变化与基体变化示意 ................................... 4 图表 8：

　电解液添加剂对单质硅-碳材料负极的作用 ............................................ 5 图表 9：

　典型单质硅-碳体系负极研究成果 .................................................... 5 图表 10：

　SiO

　锂化产物演变过程及热力学计算平衡电势 ........................................ 6 图表 11：

　硅氧化物-碳负极、硅单质-碳负极材料的充放容量-倍率性能比较 ........................ 6 图表 12：

　特斯拉正极预锂化添加剂 LCNO 效果 ............................................... 7 图表 13：

　石墨基预锂化薄膜的制备工艺流程和优化手段 ........................................ 7 图表 14：

　芳烃液相预锂化原理和实际效果 .................................................... 8 图表 15：

　不同镍含量三元单晶正极、石墨负极的循环容量变化（单位 mAh）

　..................... 8 图表 16：

　高能量密度动力电池路线图 ........................................................ 9 图表 17：

　57Ah 容量，NCM811 正极-硅碳负极软包电池 1.64C 快充的温度分布模拟结果 ............. 9 图表 18：

　高能量密度动力电池体系汇总与时间表估计 ......................................... 10 图表 19：

　硅基负极材料的 IPC 分类 ........................................................... 11 图表 20：

　全球硅基负极技术专利公开数量（2020 年数据至 7 月初）

　............................. 11 图表 21：

　2010-2020 年中硅基负极材料技术专利申请受理数全球前 10 的受理局 ................... 12 图表 22：

　2010-2020 年中硅基负极材料技术专利申请数居前的单位 .............................. 12

　图表 23：

　松下 21700 电池含硅石墨负极形貌 ................................................. 13 图表 24：

　松下 21700 电池负极中硅微晶粒度分布 ............................................. 13 图表 25：

　松下 21700 电池基本技术参数 ..................................................... 13 图表 26：

　贝特瑞硅基负极材料性能参数 ..................................................... 14 图表 27：

　贝特瑞氧化亚硅复合材料 S420-2A 循环次数-容量保持率图像 .......................... 14 图表 28：

　使用 NCA 正极、氧化亚硅基负极的贝特瑞 18650 圆柱电池参数 ........................ 14 图表 29：

　璞泰来硅基负极材料性能参数 ..................................................... 15 图表 30：

　贝特瑞碳包覆纳米硅技术专利示意 ................................................. 15 图表 31：

　贝特瑞空心硅还原成相-多层包覆技术专利示意 ...................................... 15 图表 32：

　硅碳负极全球市场空间估计 ....................................................... 16

　风· 高能量密度电池，硅基负极材料体系列选

　1、使用便捷性，汽车“红线” 根据国标《汽车和挂车类型的术语和定义》(GB/T/T 3730．1—2001)，汽车是由动力驱动，具有 4 个或 4 个以上车轮的非轨道承载的车辆。基于便捷、舒适的交通需求，用户（及社会）对汽车的关注点涉及多方面易量化和不易量化的内容。

　图表1：

　汽车产品关注点体系

　易量化关注点 不易量化关注点 续航能力 环境影响 动力性能 温度适应与耐候性 充能能力 噪声 制动性能 驾驶和操纵感 整车寿命 乘坐舒适性 空间和视野 外观和内饰品质 综合成本 安全性 资料来源：广汽丰田， welNcar ，

　使用便捷性是绝大多数情况下用户对汽车的接受底线和核心需求，可简明体现为汽车在某工况/工况组合下运行的行驶时间和充能时间，及对应的行驶路程。

　图表2：

　简明体现汽车使用便捷性的行驶和充能过程

　 资料来源 :

　 不考虑路的影响而只从车的角度出发，行驶路程越长（对应续航能力）

　/ 行驶速度越快（对应动力性能），单次充能时间越短 / 充能时间占总时间的比例越小（对应充能能力），可认为整车的使用便捷性越高；在充能不便的条件下，单次充能的行驶路程越长，整车的使用便捷性越高。对电车而言，单次充能的行驶路程长，需要

　 行业深度报告

　整车电耗低、电池包带电量大。再受限于体积、质量，通常也需要电池的质量/体积能量密度高。

　2、高容量低电压，硅基负极材料有潜力助力高能量密度电池实现 电池的典型组成部分包括正极、负极等活性物质，电解质（液态/固态）、或有隔膜等辅助组元；使用于常温或略偏离常温的温度环境下；理论上和电池外界没有物质交换，相应化学能的释放途径是电极的氧化还原反应；多要求具备电化学可充能力（二次电池，和一次电池相区分）。

　图表3：

　动力电池基本结构和充放示意

　资料来源：

　Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation,

　对更高能量密度的动力电池材料体系的追求隶属底层科学范畴，一直吸引着研究与产业化、商业化的关注目光。在锂离子电池商业化之前，铅酸电池和镍系（如镍镉、镍氢）电池是二次电池的主要选择。但 20 世纪末-21 世纪初，以钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和多元金属酸锂为正极，以石墨为负极，配合电解质（电解液）

　和隔膜制成的锂离子电池（因使用电解液也称为液态锂离子电池）体现出了以更高能量密度为代表的，大幅超过原有二次电池的性能。

　锂离子电池中，不同正负极活性物质的比容量和对锂电压不同，辅助组元的用量不同，多因素共同影响了电池的质量能量密度（以

　Wh/kg

　计）：

　 E=U/[1/Q c +1/Q a +m inact]

　可以看出，更高的正极比容量、更高的负极比容量和更高的电池电压（以及更少的辅助组元），是高能量密 度电池的理论实现路径。

　商业化的正极材料比容量更低（ ~150-200mAh/g ），所以正极材料的容量提升对电池（单体）能量密度提升作用显著。三元正极材料（ NCM 、 NCA ）对磷酸铁锂的替代、三元正极材料高镍化即属此列（容量、电压双升）， 在此前我国的补贴政策倾斜下直接引领了技术路线变革。

　另一方面，负极的容量提升对于电池能量密度提升仍有相当程度作用。商业化的石墨负极容量在 360mAh/g

　左右，已非常接近其理论比容量 372mAh/g。与其相比，硅材料的理论比容量很高（高温下形成 Li 22 Si 5 ，对应容量

　4200

　mAh/g ；室温下形成

　Li 15 Si 4 ，对应容量

　3579

　mAh/g ；如比较体积能量密度，则石墨为

　837mAh/cm 3 ， Li1 5 Si 4为

　9786mAh/cm 3 ），脱锂电压和其他负极材料相比也较低（ ~0.5V ），仅略高于石墨，所以硅基材料有望成为高能 量密度锂电池的配套负极材料，搭配高镍 NCM/NCA 正极以求获得最佳效果。

　图表4：

　典型正极材料克容量和对锂电压 图表5：

　典型负极材料克容量和对锂电压

　资料来源：

　Li-ion Battery Materials: present and future,

　资料来源：

　Li-ion Battery Materials: present and future,

　 在体现了优异容量同时，硅基负极材料在嵌锂过程中也表现出了非常明显的本征体积变化（如单质硅约 300% ，氧化亚硅约

　120% ，远高于石墨的几个百分点），影响循环寿命。所以，缓解硅基负极材料循环体积变化 就是所有研究工作必须解决的问题。在此基础上，硅基负极衍生出了单质硅 - 碳负极、硅氧化物 - 碳负极、低维硅

　材料、硅合金等技术路线，其中前两者（笼统称为硅碳负极）是实用性较强的细分技术路线。

　语·硅碳负极科学研究进展浅述与性能前瞻

　1、单质硅-碳负极：直面理化弱点，改性手段齐发 如前所述，依托单质硅进行负极材料构建，硅的本征体积变化是其实际应用的第一个难点。嵌锂过程中约300% 的体积膨胀结合脱锂后的体积收缩，使得直径较大的单质硅颗粒在多次循环的过程中开裂、破碎，和导电

　 剂的物理连接也遭到破坏，影响电池循环寿命。研究者同时发现，上述单质硅颗粒的临界尺寸约为 150nm。所以，将硅材料纳米化并采用多种手段和不同类型的碳材料（软碳等）复合/构建特殊结构，力求缓冲循环过程中的体积变化，就是单质硅-碳负极材料体系构建的基本思路。

　图表6：

　宏观尺度单质硅在嵌脱锂循环过程中的物理尺寸、形貌变化示意

　 资料来源：

　Key functional groups defining the formation of Si anode solid-electrolyte interphase towards high energy density Li-ion batteries ， 除了硅本征体积变化这一物理层面的挑战之外，硅单质还面临着和电解液接触、反应，形成固体电解质膜 （SEI）的问题。

　图表7：

　循环过程中硅负极表面的 SEI 膜变化与基体变化示意

　资料来源：

　Key functional groups defining the formation of Si anode solid-electrolyte interphase towards high energy density Li-ion batteries ，

　和商用石墨负极常规循环过程中形成的 SEI 膜具备的致密、薄、规整的特征不同，硅单质形成的 SEI 膜疏松、厚、不均匀、阻抗高，阻碍锂离子扩散。而且，硅单质表面的 SEI 膜会在循环过程中多次脱落、再生成、沉积，消耗活性硅与材料体系中的锂，严重劣化电池性能。所以，单质硅-碳负极材料体系的构建还需要综合考虑基体、导电剂、粘接剂、配套电解液体系的理化性能，尽可能阻止/延缓 SEI 膜相关的负面作用产生/扩大。

　用于碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯等电解液的若干添加剂作用归纳于下表。

　图表8：

　电解液添加剂对单质硅-碳材料负极的作用

　添加剂 机制和作用 优点 缺点 快速形成聚碳酸酯含量高、平滑稳减少不可逆容量，稳定循环，强化首效偏低，促进氟化锂生成影响 氟代碳酸乙烯酯（FEC）

　定的薄层 SEI 形成低氟化锂含量、平滑稳定的 高温性能 SEI 碳酸亚乙烯酯（VC）

　 双草酸硼酸锂（LiBOB）

　SEI 减少锂耗、硅耗、其他电解液组元分解 抵抗容量退化，提升库伦效率 生成二氧化碳，提升单体阻抗

　 提升热稳定性，部分改善循环性能SEI 较厚，性能改进有限 二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）

　溶解度高，降低电解液粘度，形成对高低温性能均有改善，对正负极

　性能改进有限，昂贵 稳定的 SEI 性能发挥有益

　 资料来源：

　Silicon-Based Anodes for Lithium-Ion Batteries: From Fundamentals to Practical Applications ，

　落实到材料性能，典型的研究成果归纳于下表。可以看出，单质硅-碳材料 1500mAh/g 比容量、1000 次循环寿命和 1C 倍率的综合性能具有一定程度可实现性；单质硅-碳材料包覆改性（通过球磨等粉体工艺、气相沉积等新相生成工艺等加以实现）有较大概率是单质硅-碳负极材料的优选合成方式。

　图表9：

　典型单质硅-碳体系负极研究成果 材料体系 合成方法 比容量（ m A h / g ）

　循环寿命 倍率 单质硅-碳复合材料 硅-热解聚合物复合 1200 30 C/10

　单质硅（蛋黄）-碳（蛋壳）结构材料 二氧化硅-碳包覆于单质硅表

　1500

　1000

　1C

　面

　单质硅-碳纳米管 碳管溅射生长于单质硅基体 2502 100 C/5 资料来源：

　Silicon-Based Anodes for Lithium-Ion Batteries: From Fundamentals to Practical Applications ，

　2、硅氧化物-碳负极：有所失，有所得 硅氧化物 SiO x -碳负极是除硅单质-碳负极外的又一个重要的硅碳负极类型。SiOx 属于无定型结构，同时存在无定型 Si、无定型 SiO 2 团簇和 SiO 相间边界层。通常认为，氧化亚硅在首次电化学循环过程中发生如下反应：

　SiO + Li → 1/4 Li 4 SiO 4 + 3/4 Si (不可逆) (1)

　Si + Li ↔ Li 3.75 Si (可逆) (2)

　更细致的研究表明，氧化亚硅首次嵌锂会依次经历 SiO 2 组分连续锂化、Si 组分连续合金化、Li 4 SiO 4 分解并进一步锂化、锂最终沉积等过程。随锂化程度增加，氧化亚硅的容量与首效逐步提升。

　图表10：

　SiO 锂化产物演变过程及热力学计算平衡电势

　资料来源：

　Thermodynamic analysis and effect of crystallinity for silicon monoxide negative electrode for lithium ion batteries ，硅酸盐学报， 可见，实际上硅氧化物用于储锂的活性成分仍然是硅单质。反应过程中产生的 Li 2 O 可以充当快离子通道； Li 2 O 和 Li 4 SiO 4 等锂硅氧化物还可以缓冲循环过程中的体积变化，这有利于获得较好的倍率性能和较高的循环寿命。但是，Li 2 O 和 Li 4 SiO 4 等锂硅氧化物都是惰性相，这使得硅氧化物-碳负极的理论容量比硅单质-碳负极的理论容量低，而且首次循环效率比硅单质-碳负极的首次循环效率也低，更低于石墨（至 Li 4 SiO 4 分解前，氧化亚硅的理论比容量为

　1480mAh/g ，理论首效为

　70.9% ），最终影响电池的能量密度。

　硅氧化物-碳负极材料体系的构建思路和硅单质-碳负极材料体系的构建思路相似度较高。以纳米硅颗粒/氧化亚硅分别和炭黑复合并加入聚丙烯酸，后续涂布并制作纽扣电池进行电化学测试，得到的基本性能结论同样是，硅单质-碳负极材料比容量更高，而硅氧化物-碳负极材料倍率性能更佳。

　图表11：

　硅氧化物-碳负极、硅单质-碳负极材料的充放容量-倍率性能比较

　 资料来源：

　Systematic electrochemical characterizations of Si and SiO anodes for highcapacity Li-Ion batteries ，

　3、预锂化：提高首效的努力 如前所述，硅基负极表面 SEI 膜的形成需消耗大量锂源，硅氧化物-碳负极材料体系由于锂硅氧化物的不可逆形成进一步消耗锂源，这使得硅基负极的首次效率显著低于石墨。这一问题的解决方式通常需要预锂化。预锂化手段可以对正极、负极分别加以实施。

　正极侧，预锂化要求较高的首圈储锂容量（通常在 400mAh/g）以上。如特斯拉即开发了 LCNO（锂铜镍氧）

　体系预锂化添加剂，对 NCA 正极掺杂 2%，实现了约 2%的首效提升（特斯拉相关研究请参考系列深度报告）。

　图表12：

　特斯拉正极预锂化添加剂 LCNO 效果

　资料来源：特斯拉专利 WO2020/086718A1 ，

　负极侧，预锂化的手段更加多样。引入锂箔、锂粉、预锂化添加剂，或以化学、电化学手段进行预锂化， 均有一定积极作用，且首效提升幅度可能更高。

　特斯拉将锂粉预锂化和干法硅碳负极工艺结合，由 24.6g 石墨、8.2g 氧化亚硅、0.383g 锂金属制成的干法负极材料相比于对照组的首效从 73.9%提升至 80.4%。

　图表13：

　石墨基预锂化薄膜的制备工艺流程和优化手段

　 资料来源 : 特斯拉专利 US2018/0241079A1 ，

　也有研究者开发出液相预锂化工艺，将电池首效从不足 40%直接提升至超过 100%，且工艺适合工业生产。

　图表14：

　芳烃液相预锂化原理和实际效果

　资料来源：

　Molecularlytailored lithium–arene complex enables chemical prelithiation of high-capacity lithium-ion battery anodes ，

　预锂化既是技术问题，也是成本问题。对硅碳负极而言，使用约 50 万元/吨的金属锂粉及其衍生体系进行补锂，也需要电极、电池性能非常具有吸引力。

　4、小结：硅碳负极，“常规”高能量密度电池体系优选 综上所述，硅碳负极材料在高容量方面体现出了相当强的竞争优势，但是寿命相比于“长寿”的石墨负极仍有所不如，可以预期的循环寿命是 1000 次以上、容量保持率 80%以上、倍率 1C。所以，硅碳负极适合作为寿命同样相对略短的高镍三元正极（图示单晶 NCM811 正极循环 1100 次，衰减程度和 NCM622 正极循环 2400 次接近；关于单晶

　NCM

　正极寿命的研究可参见报告 数风流人物，单晶

　NCM

　正极家族 ）的“搭档”，生产循环寿命满足常规使用需求，具备高能量密度的电池单体。

　图表15：

　不同镍含量三元单晶正极、石墨负极的循环容量变化（单位 mAh）

　资 料 来 源 : Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning Electron Microscopy ， 据中科院研究工作估计，使用硅基（硅碳）负极材料的锂电池其质量能量密度可提升 8%以上，体积能量密

　 行业深度报告

　度可提升 10%以上，而且度电成本可减少至少 3%。

　我们估计，高镍三元正极搭配硅碳负极，可生产容量 150Ah 以上，质量能量密度 280Wh/kg 以上的方形电池单体；高镍-硅碳体系一定程度上来说是高能量密度电池的里程碑。

　图表16：

　高能量密度动力电池路线图

　资料来源：

　Batteries with high theoretical energy densities ，

　和很高的容量上限及实际容量预期、较高的单体能量密度预期相比，硅碳负极极限快充能力或相对有限， 但也不至于成为显著短板。有研究工作显示，对外形尺寸 264mm*92mm*12mm，容量 57Ah（放电容量 55Ah）

　的 NCM811 正极-硅碳负极软包电池，其安全使用温度上限为 60 o C，在室温 20 o C 环境下对应最大充电倍率约1.64C。落实到整车电池包，以 1.5C 充电倍率、80kWh 带电量简单估算，对应整车也可以适配 120kW 直流快充桩，满足常规快充 / 基本满足超级快充需求（关于快充和基础设施的相关研究，可参考深度报告 充电设施：新基

　建赋能，便捷性之梦 ）。

　图表17：

　57Ah 容量，NCM811 正极-硅碳负极软包电池 1.64C 快充的温度分布模拟结果

　资料来源：

　Prediction of the heavy charging current effect on nickel-rich/silicon-graphite power batteries based on adiabatic rate calorimetry measurement ，

　我们预计，高镍三元正极-硅碳负极大概率将是高能量密度电池单体/电池包对应的重要技术路线；即使磷酸铁锂电池对应的整车依托无模组电池技术获得了相当大幅度的工况续航提升并带动铁锂份额进一步提升，高镍三元正极 - 硅碳负极高能量密度电池仍然是纯电动车型的主流配置之一；如高镍三元正极 - 硅碳负极高能量密度电

　池单体及电池包无模组化进展均比较顺利，则其还具备进一步提升电池单体/系统能量密度，进一步提升整车续航的潜力。

　另外，在更注重体积能量密度的场合，硅碳负极也有可能成为高压高压实密度钴酸锂的“最佳搭档”。总之， 硅碳负极对能量密度的有效贡献几乎无可辩驳（关于动力电池理论能量密度边界，可参考研究报告 电池科技前

　 瞻系列报告之九：踏浪航远，云之彼端 ）。

　图表18：

　高能量密度动力电池体系汇总与时间表估计

　资料来源 : Batteries with high theoretical energy densities ，

　黎明· 下一个制高点，高性能硅碳负极的规模化

　 1、专利布局：日韩巨头为主，中国不乏亮点 国内外多个公司、高校、科研院所等对硅基负极材料体系进行了技术布局，有关专利以硅碳复合材料体系为主。2010 年初至 2020 年中，全球范围内已申请（剔除撤回）的硅基负极材料专利数量逾万。

　图表19：

　硅基负极材料的 IPC 分类

　资料来源：

　patsnap ，

　从有关专利的公开趋势而言，全球硅基负极材料技术专利公开数逐年增加，2019 年接近 3000 项。

　图表20：

　全球硅基负极技术专利公开数量（2020 年数据至 7 月初）

　3000

　2500

　2000

　1500

　1000

　500

　0

　2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年

　资料来源：

　patsnap ，

　 专利数

　美国、中国、欧洲、韩国、日本集中了绝大多数硅基负极材料技术专利申请数。

　图表21：

　2010-2020 年中硅基负极材料技术专利申请受理数全球前 10 的受理局

　6000

　5000

　4000

　3000

　2000

　1000

　0

　资料来源：

　patsnap ，

　LG 化学、三星、信越、村田、丰田、三菱、日立化成等日韩巨头是主要的硅基负极材料技术专利申请单位。全球申请数排名前 25 的单位中，我国仅有宁德时代和国轩高科入围；宁德时代、国轩高科、华为、中南大学、贝特瑞跻身全球申请数前 50。此外，ATL、中科院宁波材料所、浙江大学、上海交大、清华大学、比亚迪、杉杉等多个我国企业、高校、科研院所在硅碳负极方面有技术布局。

　图表22：

　2010-2020 年中硅基负极材料技术专利申请数居前的单位

　1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

　资料来源：

　patsnap ，

　 专利数 专利数 乐金化学股份有限公司信越化学工业株式会社 三星斯笛愛股份有限公司三星电子株式会社 株式会社村田制作所株式会社半导体能源研… GLOBAL GRAPHENE… NEXEON LTD. 丰田自动车株式会社 日本电気株式会社株式会社丰田自动织机罗伯特· 博世有限公司 通用汽车公司日産自动车株式会社 UMICORE 昭和电工株式会社三洋电机株式会社三菱化学株式会社 東京電氣化學工業株式… 宁德时代新能源科技股… 日立化成工业株式会社株式会社大坂钛技术 合肥国轩高科动力能源… 株式会社东芝宇部兴産株式会社 松下知識產權經營股份… 清华大学东京威力科创股份有限… 东丽株式会社

　2、实际应用：松下、特斯拉先行，中国制造逐步发力 松下为特斯拉提供的圆柱 21700 电池是硅碳负极在动力电池-新能源汽车领域应用的成功案例。该电池质量69g，最大能量 17.5Wh，对应容量 4.78Ah；配套正极为高镍含量镍钴铝：NCA0.9-0.05-0.05；负极为含硅（3.5%）

　石墨，从扫描电镜图像及粒度分布统计来看，硅以微米晶形式存在，掺杂均匀性一般；隔膜为氧化铝涂覆聚丙烯，基膜厚度 10 微米左右。

　图表23：

　松下 21700 电池含硅石墨负极形貌 图表24：

　松下 21700 电池负极中硅微晶粒度分布

　 资料来源：新能源电池圈， 资料来源：新能源电池圈，

　该

　21700

　电池单体的质量能量密度为约

　254Wh/kg ，体积能量密度为约

　722Wh/L 。和

　Model

　S/X

　使用的

　18650电池相比，其质量能量密度略有提升（ +4.5% ），而体积能量密度提升稍多（ +6.8% ）。该电池可支持特斯拉超级快充（部分

　SOC

　下快充倍率达到

　3C ）。

　 图表25：

　松下 21700 电池基本技术参数

　资料来源 : 新能源电池圈，松下，

　我国企业贝特瑞在其官网给出了硅基（硅、氧化亚硅，复合体系中碳材料为主）负极材料的性能参数和对应 18650 圆柱电池的性能参数；璞泰来（紫宸）给出了材料的性能参数；星城石墨、杉杉、正拓、斯诺等也有部分产品。

　贝特瑞的硅基负极材料，硅/氧化亚硅最大容量分别达到 650、500mAh/g；首效约 90%。

　图表26：

　贝特瑞硅基负极材料性能参数

　产品系列 高容量硅系复合材料 高容量、高首效氧化亚硅复合材料

　产品型号 S400 S500 S600 S420-2A S450-2A S500-2A D50 (μm) 15.0-19.0 15.0-19.0 15.0-19.0 16.0±2.0 16.0±2.0 16.0±2.0 振实密度 (g/cm 3 ) 0.8-1.0 0.8-1.0 0.8-1.0 0.9±0.1 0.9±0.1 0.9±0.1 比表面积(m 2 /g) 1.0-4.0 1.0-4.0 1.0-4.0 ＜2.0 ＜2.0 ＜2.0 压实密度(g/cm 3 ) 1.5-1.8 1.5-1.7 1.4-1.7 ≥1.7 ≥1.7 ≥1.7 容量(mAh/g) 400-499 (@0.1C) 500-599 (@0.1C) 600-650 (@0.1C) ≥420 (@0.1C) ≥450 (@0.1C) ≥500 (@0.1C) 首次放电效率 92-94% 90-92% 89-90% 92.5±1.0% 91.5±1.0% 90.5±1.0% 资料来源：贝特瑞，

　其中 S420-2A 产品 0.5C-1C 循环的循环寿命约 1000 次。

　图表27：

　贝特瑞氧化亚硅复合材料 S420-2A 循环次数-容量保持率图像

　资料来源：贝特瑞，

　将与S420-2A 产品相近的S420-B 产品搭配NCA 正极，贝特瑞生产了容量为 3200mAh 的 18650 圆柱电池， 0.5C-1C 循环寿命约 1200 次，0.7C-1C 循环寿命约 1000 次。

　图表28：

　使用 NCA 正极、氧化亚硅基负极的贝特瑞 18650 圆柱电池参数 电池型号 18650 P / 3200 m A h

　 容量 2.5-4.2V(mAh) 3200 正/负极宽度(mm) 57.5/58.5 隔膜(µm) 16 钢壳内径(mm) 17.8 材料 正极：BTR-NCA 负极 S420-B 设计容量(mAh/g) 183 420 面密度(g/m 2 ) 422 200 压实密度(g/cm 3 ) 3.50-3.55 1.65-1.68 资料来源：贝特瑞，

　 行业深度报告

　璞泰来的硅基负极材料，容量和贝特瑞产品类似，就官网信息来看首效、循环次数有所不如。

　图表29：

　璞泰来硅基负极材料性能参数 产品型号 S i / C

　 c o m po s i t e s — 380 m A h / g

　S i / C

　 c o m po s i t e s — 400 m A h / g

　S i / C

　 c o m po s i t e s — 420 m A h / g

　S i / C

　 c o m po s i t e s — 450 m A h / g

　S i / C

　 c o m po s i t e s

　 D50 (μm) 18±1 16±2 15±2 18±2 13±1 振实密度 (g/cm 3)

　0.9±0.05 0.9±0.05 0.8±0.05 0.8±0.05 0.7±0.05 比表面积(m 2 /g) 1.5±0.1 1.6±0.1 1.8±0.1 2±0.1 3±0.1 容量(mAh/g) 380±5 400±5 420±5 450±10 600±10 首次放电效率 90±1% 90±1% 88±1% 87±1% 84±1% 容量保持 93±1%（@300Cycle）

　90±1%（@300Cycle）

　85±2%（@300Cycle）

　80±2%（@300Cycle）

　90±1%（@300Cy 资料来源：璞泰来，

　部分企业还推出了容量约 1000mAh/g 的产品，但首效、循环寿命、倍率性能等尚不尽如人意。专利方面披露的信息相对乐观，如贝特瑞专利 CN106159229A、CN106129411A、CN106816594A 等，分别采用碳包覆纳米硅、空心硅还原成相-多层包覆、碳包覆硅氧化物并预锂化等手段，取得了容量 1400mAh/g、首效 85%以上、具有一定程度循环寿命的结果。

　图表30：

　贝特瑞碳包覆纳米硅技术专利示意 图表31：

　贝特瑞空心硅还原成相-多层包覆技术专利示意

　资料来源：贝特瑞专利 CN106159229A ， 资料来源：贝特瑞专利 CN106129411A ，

　总之，硅碳负极已初步体现出了其容量方面的性能特色，并将逐步成为石墨负极材料在市场应用方面的重要补充。

　3、空间估计：从特斯拉主导，到高能量密度动力电池泛用 我们认为，近期、远期，硅碳负极的在新能源汽车领域的应用驱动逻辑有所不同。

　近期，先行者特斯拉的系列车型将是硅碳负极的主要载体，或有少量其他车企的车型也部分搭载。长期（2025 年），随着技术的进步、成本的降低，硅碳负极和高镍正极的搭配将更加普遍，其规模与渗透率更多地反映在不 同技术路线的共存与竞争上。

　2020-2021 年，我们估计，NCA 高镍正极-硅碳负极动力电池是特斯拉绝大多数产品的标配；不失一般性，

　容量在 500-550mAh/kg 之间，单 GWh 用量约 550-600 吨，单价约 13-14 万元/吨。再考虑部分其他车企产品， 市场空间综合估计在 30 亿元附近。

　至 2025 年，谨慎起见假定全球新能源汽车销量 1100-1300 万辆，对应动力电池约 600GWh 装机、700GWh 产量；700GWh 动力电池中含约 250GWh 磷酸铁锂、150GWh 中高镍三元、300GWh 高镍（NCM/NCA）三元。假定高镍三元-硅碳负极电池在 300GWh 高镍三元电池中渗透率达到 1/3，且硅碳负极容量达到 700mAh/g，单GWh 用量约 430 吨，单价约 12 万元/吨（负极层面高端产品硅碳、石墨基本“同容量同价”）。据此我们估计， 硅碳负极的市场空间将攀升至 60 亿元以上。如补锂技术进展良好，单吨价值量提升、用量规模提升，则市场空间有攀升至 100 亿元以上的可能。如果再考虑其在 3C 领域的规模应用，则市场空间更大。同时，我们并不排除更高容量的硅碳负极、以及正负极预锂化技术进展超预期，拉动价值量和规模均大幅提升的可能。

　图表32：

　硅碳负极全球市场空间估计

　时间/参数 2020E

　2021E

　2025E

　高镍正极-硅碳负极电池总产量（GWh）

　27.3 42 120 硅碳负极容量（mAh/g）

　500 550 700 硅碳负极单 GWh 用量（吨）

　600 550 430 硅碳负极市场规模（万吨）

　1.638 2.31 5.16 硅碳负极单价（万元/吨）

　14 13 12

　硅碳负极市场空间（亿元）

　22.932 30.03 61.92 资料来源：

　作为高能量密度电池单体/电池包对应的重要技术路线对应的负极材料候选者，和其出色的理论性能相比， 当前的硅碳负极产品还有很长的技术进步之路；和其广阔的市场空间相比，我国企业当前的硅碳负极规划产能仅约万吨，也还有很大的规模扩张空间。

　负极硅碳，风语黎明。

　投资评价和建议 建议投资者关注我国动力电池龙头；关注硅碳负极产品性能相对出色、且披露了更高容量硅碳负极产品规划的材料企业贝特瑞；关注高效导电剂企业天奈科技、电解液企业天赐材料、新宙邦。

　风险分析 硅碳负极技术进步不及预期，成本下降不及预期、电池综合竞争力不及预期；竞争性路线技术进步速度超预期、成本降幅超预期。