各種陽(yáng)極材料和各種性能指標(biāo)

陽(yáng)極材料是鋰離子電池的一個(gè)重要組成部分。鋰電池主要由陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和隔膜組成。陽(yáng)極材料主要影響鋰離子電池的容量、初始效率、循環(huán)性能和能量密度。

作為一種快速充電的電池，鋰離子電池主要依靠鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間的快速移動(dòng)。在充電和放電過(guò)程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回穿插和脫插。

陽(yáng)極材料是由陽(yáng)極活性材料、粘結(jié)劑和添加劑混合而成，以糊狀形式均勻地鋪在銅箔的兩面，通過(guò)干燥和滾動(dòng)形成。

鋰離子電池的陽(yáng)極材料約占動(dòng)力電池成本的5%至15%。在NCM811電池中，陽(yáng)極材料約占電池成本的7.85%；在鐵鋰電池中，陽(yáng)極材料約占電池成本的6.07%。

 

鋰離子電池的負(fù)極材料主要分為兩類：碳材料和非碳材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前，鋰離子電池負(fù)極已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到多種鋰離子電池負(fù)極材料并存。

鋰離子電池負(fù)極材料主要可分為碳材料和非碳材料兩大類，碳材料主要包括石墨、石墨烯和非晶；非碳材料主要包括錫基材料、鈦基材料、氮素活性材料和硅基材料。

正極材料有多種性能指標(biāo)。與其他鋰電池材料相比，負(fù)極材料的性能評(píng)價(jià)維度更加多樣。反映正極材料性能的指標(biāo)主要包括比容量、初始效率、循環(huán)壽命、速率性能、壓實(shí)密度、分接密度、真實(shí)密度、比表面積等。

比容量是指單位質(zhì)量的活性材料所能釋放的電量；初效率是指第一次放電效率，是用第一次充放電循環(huán)的放電容量除以充電容量計(jì)算出來(lái)的；速率性能是衡量電池充放電能力的一個(gè)指標(biāo)；

比表面是指單位質(zhì)量物體的表面積，是影響率性能的重要因素；壓實(shí)密度是指陽(yáng)極活性材料和粘結(jié)劑經(jīng)軋制后制成極片的密度，它影響比容量。關(guān)鍵因素；

分接密度是指依靠振動(dòng)使粉末呈現(xiàn)相對(duì)緊密的包裝形式的密度；循環(huán)壽命周期與陰極的膨脹有關(guān)，陽(yáng)極的膨脹會(huì)導(dǎo)致循環(huán)性能變差。

 

 

各種類型的鋰離子電池正極材料都有各自的優(yōu)勢(shì)，不同的性能指標(biāo)很難兼顧。從具體的性能指標(biāo)來(lái)看，目前硅碳復(fù)合材料的理論比容量最大，可以超過(guò)1000mAh/g，碳材料中的硬碳比容量也比較高；

在首次效率方面，非碳材料鈦酸鋰可以達(dá)到99%，接近理論極限，天然石墨和人造石墨都可以達(dá)到90%以上，而硅碳復(fù)合材料的首次效率相對(duì)較低；

在循環(huán)壽命方面，碳材料基本都在1000次以上。在非碳材料中，鈦酸鋰的循環(huán)性能最強(qiáng)，可達(dá)30000次，而硅碳復(fù)合材料僅在300-500次之間。

在安全性方面，碳材料基本處于中等水平，鈦酸鋰在非碳材料中安全性最好，而硅基鋰離子電池正極材料則較差；

在快速充電方面，鈦酸鋰的表現(xiàn)仍然不錯(cuò)。總的來(lái)說(shuō)，不同的材料有各自的優(yōu)勢(shì)，不同的性能指標(biāo)很難兼顧。碳材料中的人造石墨和天然石墨具有優(yōu)良的綜合性能。

非碳材料中的鈦酸鋰比容量較差，其他性能優(yōu)勢(shì)明顯；而硅基復(fù)合材料的理論比容量有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其他性能仍需提高。

石墨基材料具有較高的綜合性價(jià)比，而硅基材料具有較大的應(yīng)用潛力。目前，人工石墨和碳材料中的天然石墨是市場(chǎng)上主流的鋰離子電池負(fù)極材料。

 

與其他類型的鋰電池相比，石墨電池的技術(shù)和配套工藝更加成熟，原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，在綜合性價(jià)比方面具有優(yōu)勢(shì)。它們是目前的主流材料。

但是，隨著鋰電池性能需求的提高，石墨材料的劣勢(shì)也開始顯現(xiàn)，比容量成為其短板，天然石墨的比容量已基本達(dá)到理論上限。

在此背景下，出現(xiàn)了克容量遠(yuǎn)高于其他材料的硅基鋰離子電池負(fù)極材料，硅基材料也因其優(yōu)越的比容量被認(rèn)為是未來(lái)具有巨大應(yīng)用潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。

然而，在鋰電池的充放電過(guò)程中，硅的體積變化很大，導(dǎo)致材料粉化、內(nèi)阻增大、電接觸喪失、容量快速衰減，新型正極材料與其他鋰電池材料存在一定的匹配問(wèn)題。大規(guī)模應(yīng)用還存在一些障礙。

 

電氣化推動(dòng)需求擴(kuò)張

中國(guó)龍頭企業(yè)的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)
日本率先實(shí)現(xiàn)了鋰電池的商業(yè)化，在陽(yáng)極的早期階段是全球領(lǐng)先的。

日本是最早實(shí)現(xiàn)鋰電池商業(yè)化的國(guó)家。2000年以前，日本公司在陽(yáng)極市場(chǎng)的全球份額達(dá)到90%以上，成為陽(yáng)極早期的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

然而，中國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，鋰離子電池負(fù)極產(chǎn)業(yè)開始起步，并經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池負(fù)極材料的進(jìn)口替代。

 

中國(guó)的鋰離子電池正極材料以中碳微球?yàn)槠瘘c(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。在技術(shù)研發(fā)方面，1997年，鞍山市熱能研究所首先開發(fā)了中碳微球并實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模試生產(chǎn)；

1999年，鞍山股份有限公司與鞍山熱能研究院成立合資公司，從事鋰離子電池負(fù)極材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池負(fù)極材料在中國(guó)的商業(yè)推廣；

2001年，杉杉股份有限公司實(shí)現(xiàn)了中碳微球的規(guī)模化生產(chǎn)，并開始實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，取代日本成為國(guó)內(nèi)中碳微球的主要供應(yīng)商。

在鋰電池產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的十年中，中國(guó)企業(yè)不斷涌現(xiàn)。從2001年到2010年，是中國(guó)鋰離子電池正極產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展階段。

在此期間，3C數(shù)碼領(lǐng)域開始大規(guī)模使用鋰電池進(jìn)行供電。中碳微球受限于低比容量和高價(jià)格，逐漸退出了主流應(yīng)用場(chǎng)景，被比容量和成本更優(yōu)的石墨材料所取代。

2003年，貝特瑞成功開發(fā)出以天然鱗片石墨為原料的球形石墨并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，完成了天然石墨的改性。通過(guò)不斷創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，貝特瑞天然石墨材料的比容量達(dá)到360mAh/g，性能水平國(guó)際領(lǐng)先。

2005年，杉杉股份成功開發(fā)出新型人造石墨材料，成為中國(guó)人造石墨領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。到2010年，貝塔瑞的負(fù)極材料出貨量位居世界第一，成為全球天然石墨領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。

消費(fèi)類鋰電池市場(chǎng)已進(jìn)入成熟期，新能源汽車為動(dòng)力鋰電池帶來(lái)了新的機(jī)遇。2011年以后，傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)逐漸進(jìn)入成熟期，數(shù)碼鋰電池需求增速放緩，但新能源汽車的快速發(fā)展為鋰電池行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

 

現(xiàn)階段，江西紫宸已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的一顆新星，依托FSN-1和G1系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了高端人造石墨的突破，取得了快速發(fā)展。負(fù)極材料因其技術(shù)成熟和綜合性能優(yōu)勢(shì)，在鋰電池市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。

中國(guó)企業(yè)加速全球供應(yīng)，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。從目前全球競(jìng)爭(zhēng)格局看，中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)份額相對(duì)較高。其他國(guó)家的主要陽(yáng)極企業(yè)只有韓國(guó)的Posco、日立化成和三菱化學(xué)，而中國(guó)的企業(yè)包括貝特瑞、寧波杉杉、江西紫宸、東莞凱金等多家企業(yè)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球鋰離子電池正極材料的194.7萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)77.97%。

考慮到鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的高能耗和技術(shù)密集型特點(diǎn)，其他國(guó)家的生產(chǎn)擴(kuò)張速度明顯慢于中國(guó)。預(yù)計(jì)未來(lái)中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)份額將繼續(xù)上升，中國(guó)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)明顯。

 

下游需求繼續(xù)擴(kuò)大

鋰電池的下游應(yīng)用領(lǐng)域主要是動(dòng)力電池、3C數(shù)碼電池和儲(chǔ)能電池。
其中，動(dòng)力電池是未來(lái)鋰電池需求的一個(gè)重要增長(zhǎng)極。受益于新能源汽車的帶動(dòng)，動(dòng)力電池正進(jìn)入加速發(fā)展階段。在各國(guó)政策的支持下，動(dòng)力鋰電池的需求增長(zhǎng)比較確定，未來(lái)還有增長(zhǎng)空間。

傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，市場(chǎng)趨于飽和。未來(lái)數(shù)碼電池的需求主要來(lái)自于智能家居設(shè)備和可穿戴設(shè)備。5G替代浪潮也將對(duì)數(shù)字電池的需求形成一定支撐。

儲(chǔ)能是鋰電池的藍(lán)海領(lǐng)域，有望給鋰電池的需求帶來(lái)巨大的市場(chǎng)。

隨著下游需求的快速增長(zhǎng)，鋰離子電池正極材料的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。從2015年到2020年，我國(guó)鋰離子電池負(fù)極材料出貨量從7.28萬(wàn)噸增加到36.5萬(wàn)噸，5年復(fù)合增長(zhǎng)率為38.05%。

中國(guó)鋰離子電池正極材料市場(chǎng)規(guī)模從30億元增長(zhǎng)到148億元，5年復(fù)合增長(zhǎng)率為37.6%。2021年，受益于下游鋰電池市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)鋰離子電池正極材料出貨量將達(dá)72萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)97%。

 

傳統(tǒng)3C數(shù)碼市場(chǎng)增速放緩，5G應(yīng)用增加了消費(fèi)類電池的消費(fèi)量。
消費(fèi)類鋰電池是鋰電池的重要下游應(yīng)用領(lǐng)域。得益于通訊工具的普及和智能產(chǎn)品的快速發(fā)展，消費(fèi)類鋰電池的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。

然而，傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)已進(jìn)入成熟期，產(chǎn)品增速放緩。數(shù)據(jù)顯示，自2013年以來(lái)，全球智能手機(jī)銷量的增長(zhǎng)速度已經(jīng)放緩。2020年，銷售量下降12.5%，陽(yáng)極增長(zhǎng)繼續(xù)；5.42%。

中國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)需求的飽和度比全球市場(chǎng)要慢，但自2016年以來(lái)，智能手機(jī)的出貨量逐年下降。

 

未來(lái)，5G手機(jī)的換機(jī)潮有望對(duì)智能手機(jī)市場(chǎng)形成一定支撐。數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2030年5G手機(jī)銷售量將達(dá)到4.16億部，占比28.1%。

可穿戴設(shè)備和智能家居設(shè)備帶來(lái)增量需求。2018年至2020年，全球可穿戴設(shè)備出貨量分別為1.86億臺(tái)、3.37億臺(tái)和4.45億臺(tái)，2年的復(fù)合增長(zhǎng)率為54.62%。

2022年，全球終端用戶在可穿戴設(shè)備上的支出為750億美元，其中智能耳機(jī)、智能手表和智能手環(huán)占據(jù)了主要市場(chǎng)份額，分別占59.14%、23.08%和17.08%。

根據(jù)預(yù)測(cè)，2023年全球可穿戴設(shè)備支出將達(dá)到1000億美元，同比增長(zhǎng)20%，市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間。

 

內(nèi)熱式系列石墨化爐是一種不使用電阻材料，以焙燒電極本身作為加熱元件的節(jié)能型石墨化技術(shù)；

其優(yōu)點(diǎn)主要是加熱效率高、輸電周期短、電耗低（每噸直流艾奇遜爐的電耗至少1000kWh）等，但仍不能解決散熱損失大、冷卻時(shí)間長(zhǎng)、不適合使用等問(wèn)題。在生產(chǎn)中出現(xiàn)顆粒狀石墨化等問(wèn)題。

近年來(lái)，廠家通過(guò)爐型改造和工藝創(chuàng)新，追求石墨化的技術(shù)升級(jí)，箱式石墨化和連續(xù)石墨化有望引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。

1）箱式石墨化工藝是以艾奇遜石墨化爐為基礎(chǔ)。爐內(nèi)安裝有碳板箱，通過(guò)擴(kuò)大爐子的容量，減少噸位消耗，提高產(chǎn)能。目前，該工藝已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。代表性的廠家有普泰來(lái)、鄯善股份有限公司、中科電氣等；

2）連續(xù)石墨化采用循環(huán)技術(shù)，最高溫度可達(dá)3000℃以上，可實(shí)現(xiàn)高溫下連續(xù)進(jìn)料和出料，具有加工周期短、噸耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

但對(duì)石墨化程度高的陽(yáng)極材料加工難度較大，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。代表性廠家有山河智能等。