鉅大LARGE | 點擊量:1151次 | 2018年11月28日
動力電池負極材料工藝成本和市場格局的探討
負極行業的市場集中度高,“三大五小”的競爭格局、和電芯企業之間的綁定關系都已經初步形成,綁定電芯龍頭的負極企業,發展前景更佳。隨著星城石墨被收購和璞泰來(紫宸)、凱金能源的IPO,負極企業的證券化在不斷加速。
上市公司中,我們較看好比亞迪的主要負極供應商中科電氣(星城石墨)以及CATL的主要負極供應商杉杉股份(上海杉杉科技)。另外建議關注老牌的天然石墨龍頭貝特瑞和ATL/CATL的主要供應商、成立僅五年即將上市的璞泰來和凱金能源。
人造石墨循環壽命長、倍率性能好,是主流的負極品種
負極是鋰電池的主要組成部分,它是由負極活性物質、粘合劑和添加劑混合制成糊狀均勻涂抹在銅箔兩側,經干燥、滾壓而成。我們所談的負極材料主要指的是負極活性物質。
眾所周知,鋰離子電池的能量密度取決于其比容量和工作電壓,其中比容量是由正極比容量和負極比容量共同決定(見下式),而工作電壓是正極電壓和負極電壓的差值(又稱為脫嵌鋰電壓)。由此可見,負極的比容量(越大越好)和工作電壓(越低越好)直接決定了鋰電池的能量密度,其重要性不言而喻。
負極可分為碳材料和非碳材料兩大類,碳材料包括人造石墨、天然石墨、中間相碳微球和硬碳軟碳等,非碳材料包括硅基材料、錫基材料和鈦酸鋰等。硬碳軟碳在技術上還不夠成熟,硅基等合金類負極材料雖然已開始在特斯拉/松下動力電池上應用,但仍處于推廣的初期,需求還比較有限。中間相碳微球具備倍率性能優異的特點,但是制備工藝復雜、產率低、成本難以下降,發展也比較受限。目前應用最廣的負極材料仍然是天然石墨和人造石墨兩大類(以及性能介于天然石墨和人造石墨之間,以天然石墨為基礎和其他負極材料摻雜形成的復合石墨)。
天然石墨是從天然石墨礦中提煉出來的,它的顆粒外表面反應活性不均勻,晶粒粒度較大,在充放電過程中表面晶體結構容易被破壞。為了解決這些問題,一般采用碳包覆工藝對天然石墨進行改性處理。其優勢是比容量大、壓實密度高、成本低,缺點是循環壽命短、倍率性能差。
人造石墨是焦炭類原料經過高溫石墨化處理后轉化成石墨的產品。它的石墨晶粒小、石墨化程度低、結晶取向度小,在倍率性能、循環壽命以及體積膨脹、防止電極反彈方面都好于天然石墨,比容量和壓實密度和天然石墨也已經很接近,差距只有2%到3%,主要的缺點是成本高。
應用上,國內除比亞迪之外的動力電池基本全部使用人造石墨,比亞迪和日韓動力電池以天然石墨為主,但也在轉向人造石墨;手機、筆記本電腦等小型鋰電池,高端產品以人造石墨為主,中低端產品采用天然石墨較多。
從我國負極材料的產量結構看,13年時天然石墨占比仍在50%以上;但人造石墨的滲透率不斷的提升,到16-17年,人造石墨的產量已經超過了天然石墨的2倍,成為最主要的負極材料品種。
人造石墨的骨料分為煤系、石油系以及煤和石油混合系三大類。其中煤系針狀焦、石油系針狀焦以及石油焦應用最廣:
一般來講,高比容量的負極采用針狀焦作為原材料,普通比容量的負極采用價格更便宜的石油焦作為原料,瀝青則作為粘結劑。
人造石墨是將骨料和粘結劑進行破碎、造粒、石墨化、篩分而制成?;镜墓ば蛄鞒淌且恢碌?,但具體到每家企業的制備工藝,又都會有一定的差異。下圖分別是江西正拓、星城石墨和凱金能源3家負極企業的人造石墨制備流程,可以看到有比較明顯的區別,例如江西正拓和星城石墨都有碳化環節,凱金能源沒有,但多了一個改性處理的環節;石墨化完成后,江西正拓需要多次篩分,而凱金能源和星城石墨只需要一次等等。
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