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深度报告:硅负极方向确定,路径分化

独角兽智库 | 深入产业链研究 2022/09/28 09:10
行业研究 国金证券 非券商

 

硅负极需求确定,大圆柱率先放量。 硅负极将同步受益于能量密度提升 & 快充趋势。大圆柱刚度较大更适合硅负极,掺硅比例可达 10% 以上,方壳有望逐步应用,从 1% 提升至 3%-5% 。我们预计 2025 年硅负极混品需求超 50 万吨。

趋势:硅氧中期仍主流,硅碳长期空间更大。 硅氧循环性能更佳,在钢壳电芯中循环 1000-2000 周,而硅碳 目前的工艺路线在 500-600 周,预计硅氧将率先在动力电池领域应用。硅碳提升循环性能主流方案是降低纳米硅的粒径,但传统研磨法仅能产出 100nm 的粒径。近年来随着研磨法的革新、 PVD CVD 法的逐步应用,将纳米硅粒径可降至 30nm 甚至 10nm ,并通过结构化碳层将硅碳循环性能大幅提升对标硅氧,同时首效 & 克容量显著由于硅氧,长期看硅碳路线有望后来居上。

硅碳:研磨技术需革新, CVD+PVD 有望应用。 相较于传统研磨, CVD (硅烷裂解)、 PVD (等离子蒸发)工艺将大幅提升硅粉的品质,包括硅粉的一致性、粒径大小、均匀性以及纯度,进而提升硅碳负极性能。从成本的角度来看,研磨(约 10-20 万元 / 吨) <CVD (约 50 万元 / 吨) <PVD 100 万元 / 吨以上),我们预计研磨、 CVD 法均有望逐步普及,而 PVD 具有长期发展前景。 CVD 法若逐步普及, 2025 年预计拉动 1.4 万吨硅烷需求,远期或拉动数十万吨需求。

硅氧:预镁、预锂产品迭代,包覆工序进一步优化。 硅氧的首效问题主要通过预镁(阻止 SEI 膜合成)、预锂(直接补充 Li )工序实现,一代 20 / 吨,二代预镁约 40-50 / 吨,三代预锂约 80 / 吨,产品的迭代为硅氧产品提供进一步增值。目前预镁从成本的角度看性价比较高,长期看若锂价回归,有望推动预锂加速应用。包覆端是硅氧的核心工序,包覆致密度 & 一致性影响负极性能,设备及工艺有望进一步改进。硅氧路线催化补锂剂应用,预计 2025 年硅负极需求拉动 1.4 万吨补锂剂需求。

一、趋势:负极最确定迭代方向,圆柱率先放量

硅基负极能量密度优势显著。 随着新能源汽车对续航能力要求的不断提高,锂 电池负极材料也在向着高比容量方向发展。目前,石墨材料的比容量性能逐渐 趋于理论值( 372mAh/g )。硅基材料由于具有极高的能量密度(理论比容量为 4200mAh/g , 是石墨负极材料的 10 倍)、较低的脱锂电位以及相对出色的安全 性能,有望成为下一代负极材料研发的主流方向。

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产业化进展:硅碳消费已规模应用,圆柱 + 硅氧为动力先行方案

硅基负极两种主流路线,硅氧动力领域率先应用。 硅负极目前主要分为硅氧和 硅碳两种工艺路线,由于硅氧的循环性能和倍率性能更佳,更适合应用于动力电池领域,率先在动力电池领域使用,硅碳负极的克容量较高,首效较高,主要应用于消费电子和电动工具等领域。

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硅基负极仍处在迭代进程,工艺不断改进。 硅负极目前正处于产品迭代期,代 际之间性能参数有所差异。硅碳主要以提升循环性能、容量为主,硅氧负极主要提升首效为主,二者实现的技术路径有所差异。

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圆柱 4680 率先放量,方壳有望小幅应用。 圆柱电池承压能力更强,可以添加至 10% 以上硅含量, 4680 将率先放量。此外方壳目前添加比例在 1% 以内,未来或提升至 3%-5% ,进一步拓宽市场,预计 2025 年硅负极混品需求 55 万吨。

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从产品指标看,贝特瑞、杉杉为国内领先,贝特瑞已开发至新一代硅负极,杉 杉正开发第三代硅氧产品。

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二、工艺路径:技术层出不穷,注重成本&品质均衡

2.1 硅负极失效机理:硅碳膨胀低循环,硅氧嵌锂低首效

硅基负极材料在规模使用过程中仍存在三个关键问题需要解决:

硅碳:膨胀粉碎 +SEI 膜形成。 由于硅材料的体积变化率为 320% ,而碳材料膨胀仅为 12% ,硅负极材料在脱嵌锂过程中反复膨胀收缩,致使负极材料粉化、 脱落,并最终导致负极材料失去电接触而使电池彻底失效。硅氧由于添加了氧 原子,膨胀率下降至 120% ,循环性能比纳米硅要好。

硅氧: SEI 膜形成 + 嵌锂不可逆。 在不断的充放电中,硅负极表面会有 SEI 的持续生长。一直不可逆地消耗电池中有限的电解液和来自正极的锂,最终导 致电池容量的迅速衰减。 对于硅氧路线来讲,相较于纯 Si 还会发生嵌锂的现象。

由于 SiO2 首周与锂发生不可逆反应,该材料的首效一般较低, 其机制可以通过扩散模型来说明:在锂化过程中, Li 扩散到 Si 电极的内部形成锂硅氧化合物;而在脱锂的过程中,由于扩散能力有限, Li 不能完全扩散出来,因此一些 Li 将困于 Si 电极中。据学术实验测算,约有 70% Li 由于 SEI 膜形成而损失,而另一部分 Li 则被困于 Si 电极中。

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2.2 硅碳:循环为关键,物理研磨、 CVD PVD 多路线并行

硅碳的技术迭代方向从产品的角度来讲,基本围绕着防止 SEI 膜形成、降低膨 胀去做工艺上的改进。纳米硅需要经过硅粉制备、碳包覆两大工艺来形成最终的成品硅碳负极,目前主流的生产工艺以研磨为主。

1 SEI 膜形成:碳包覆纳米硅是以纳米硅为原材料,表面包覆碳层的结构。

1 )碳包覆可将硅保护起来,从而避免电极与电解液的直接接触,抑制 SEI 膜的过度生长;( 2 )碳材料具有良好的导电性,可在硅表面构筑连续的导电网络,降低电池内阻;( 3 )碳材料具有较强的机械性能,能够缓冲硅体积膨胀产 生的应力变化,进而维持电极结构的完整性。

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对于硅碳路线,除了常规碳包覆也衍生出了以优化结构为主的技术路线。 Group14 ,其生产硅碳复合材料的方式是先用高分子材料制造出像海绵一样具 有多孔结构的碳颗粒,然后向碳颗粒的孔隙里加入硅纳米颗粒形成复合材料。也改善了循环性能。

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2 )低膨胀:对于纳米硅来讲,硅颗粒大小是关键。 粒径越大,成本越低,但 是循环性能有可能较差。大尺寸的硅负极颗粒的体积膨胀会导致复合材料内部开裂,破坏电子传导的连续性,降低性能,理论上来讲硅的晶粒越小循环性越好。

对比 30nm 100nm 500nm 3 μ m 的充放电曲线显示,随着硅颗粒尺寸减小 其 容量保持率和库仑效率逐渐增大,循环性能更佳。

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颗粒的大小核心在于硅粉的制备:传统研磨升级 & 技术革新。 颗粒尺寸的减小通常有两种(研磨 or 气相沉积)方式,气相沉积又分为 PVD CVD

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1 )研磨:目前主流方案,需利用高能球磨等进行技术改进。 传统物理研磨法研磨出来的粒径约在 100nm 的水平,远不符合硅负极的粒径要求,需要新的研磨工艺 自上而下 的方法对大颗粒的硅进行研磨、破碎,不断降低其颗粒尺寸,目前研磨的单吨成本在 20 / 吨,为纳米硅成本最低的方案。

2 PVD :性能佳但成本高,等离子蒸发冷凝为方向。 PVD 中等离子蒸发冷凝法是近 10 年来用于制造高纯、超细、球 形、高附加值粉体的一种安全高效的 方法。通过等离子热源将反应原料气化成气态原子、分子或部分 电离成离子,并通过快速冷凝技术,冷凝为固体粉末。

以博迁新材为例,其镍粉单位材料 + 单位人工在 15-20 万元,从理论上来讲,硅粉单吨价格为 1-2 万元,加回原材料成本也在 16-20 万元之间。但对比博迁不同粒径镍粉来看,其 80nm 粒径的产品售价高达 140 万元 / 吨以上,我们认为颗粒更小的对于 PVD 法将带来显著的成本提升,预计符合硅负极要求的产品通过 PVD 法的成本约为 100 万元 / 吨。

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3 CVD :颗粒小 & 纯度佳, 。纳米硅化学气相沉积法是一种以硅烷 (SiH4) 为反应原料进行纳米硅粉生产的技术。根据诱发 SiH4 热解的能量源不同,可分为等离子增强化学气相沉积法 (PECVD) 、激光诱导化学气相沉积法 (LICVD) 和流化床法 (FBR) ,其中 PECVD LICVD 是目前生产纳米硅粉最主要的工业生产技术,无论是那种方案,其产出的硅颗粒都在 100nm 以下。

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流化床法理论上为 CVD 成本较低的方案。 目前来看,流化床反应效率较高,能耗较低,若其本身产品品质突破,其成本或为 CVD 中最低的路径,我们参考多晶硅的降本路线来看, REC 为例 2011 Q4 硅烷流化床法生产多晶硅的现金成本已降至 14 美元 / 公斤。江苏中能公司在硅烷流化床法的中试线,其表示每公斤多晶硅能耗降至 25 度电以下,一次转化率达到 98% 。我们预计 CVD 路线的纳米硅成本未来有望下降至 40-50 / 吨。

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2.3 硅氧:首效为关键,从预镁到预锂

氧化亚硅: CVD 为关键,预镁、预锂为迭代方向。 碳复合材料是以氧化亚硅材料为核,这里的氧化亚硅一般是采用化学气相沉积法将 2 10nm 的硅颗粒均匀分布在 SiO2 的基质中。其单体容量一般为 1300 1700 mA · h/g 。由于硅材 料颗粒更小、分散更加均匀且材料结构更加致密稳定,该材料膨胀较低,拥有非常好的长循环稳定性。

氧化亚硅相较于硅碳最大的缺点是首效较低,需通过预镁或者预锂工艺提升首 效。

预镁:解决首效的中间路线,性价比较高。 Mg 的作用可以总结为两个方面:

1 )与 SiOx 结合,转化为稳定的硅酸镁,消除不可逆容量,缓解体积变化;

2 )通过硅酸镁的强键合网络提高机械模量,抑制内部裂纹,防止颗粒粉碎。

通过预镁工艺可以将首效提升至 85% 以上,但 90% 以上需预锂方案。

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预锂:解决锂源的最终方案,锂价回归有望加速应用。 预锂将损失的锂源补充, 解决了硅氧首效原始问题。目前锂价格较高,相较于二代预镁方案,性价比不高,氮化锂约为氮化镁价格一倍,待锂价回归后有望普及应用。

包覆环节的工艺优化亦是方向。 通过对反应炉体的改进提升包覆的均匀性与致密度,将进一步加强与 SEI 膜的隔绝反应,提升循环性能,并提升反应速率及 效率,进一步降低成本。

三、衍生需求:硅烷、 PAA 、单壁管、 FEC 、补锂剂

除本身工艺改进,路径选择 & 辅材也衍生出部分增量需求。

1 )硅烷: CVD 法纳米硅路线普及,将催生硅烷需求,以 90% 转化率计算, 1 吨纳米硅需要 1.3 吨硅烷,预计 2025 年需求 1.4 万吨硅烷气体,市场空间 17 亿元。

2 )单壁碳纳米管: 单壁管是目前解决硅负极膨胀最佳的导电剂,添加量预计为 0.05%-0.07% ,预计 2025 年需求 382 吨单壁管。

3 )补锂剂: 补锂剂是解决硅氧首效低的最佳方案,以 5% 添加量计算,预计 2025 年需求 1.4 万吨,考虑锂价回归,对应市场空间约 27 亿元。

4 PAA 传统负极黏结剂如 CMC SBR 不能很好地解决硅电极体积膨胀造成性能衰减的问题, PAA 具有优异的黏弹性和可拉伸性, 够改善硅电极的容量和循环稳定性,添加量预计为 2% ,单价约为 15 万元 / 吨。

5 FEC 通过在电解液中添加 FEC 能够形成更稳定的 SEI 膜,从而有效的延长硅碳负极的循环寿命,但是研究表明在循环过程中 FEC 浓度不足时会导致硅碳负极的循环寿命突然跳水,因此要求电解液中 FEC 的含量至少要达到 10% 以上,实践情况可以通过添加其他添加剂搭配,添加量预计在 3%-5%

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《价值投资的时代来临,业绩为王,寻找确定性的投资机会》

周期上,股市已进入新阶段,2016-2019年的去杠杆周期是这个大周期的确认期间,后面还有5-10年的延展期,直到颠覆性技术出现。

未来5-10年,房地产、疯牛股市等无脑买入的财富增值模式确定已成历史。经济增速会像下楼梯一样逐级下降,受益于利率下降、供给侧改革和龙头效应,好公司股价会像上楼梯一样逐级上涨,大盘指数会分化,包含更多好公司的指数将走出结构性慢牛。

未来5-10年,个人投资者对自己的资金必须要精细化管理。第一,可以精选基金让别人帮忙理财,但是基金筛选对很多人可能比选股还难;第二,投资指数和行业ETF,这需要判断大周期的能力;第三,投资能力圈内的价值成长股。

过去一年感受最多的,是价值成长股的投资策略比前几年溢价率明显高很多,擅长基本面研究的机构大部分都有超过指数的净值收益,这背后的逻辑是股市生态的根本性转变,去杠杆这几年让以庄股为中心的上市公司、机构、大户和散户损失惨重,所以短线大涨大跌的博弈行为大为减少,很多资金转向了长线机构化的投资行为。

 

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