什么是鋰電池負極材料？

負極材料是鋰離子電池的關鍵材料之一，占鋰電池成本約10%。鋰電池負極材料在鋰電池中起儲存和釋放能量的作用，主要影響鋰電池的首次效率、循環性能等。鋰電池負極材料由碳系或非碳系材料等負極活性物質、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑，均勻涂抹在銅箔兩側，經干燥、輥壓而成。

鋰離子電池負極材料的構成

鋰離子電池負極材料主要由以下幾個部分構成：

碳材料：包括石墨、硬炭、軟炭等，作為電子導體和鋰離子導體。這些材料能夠幫助電子在電池中流動，并且能夠存儲鋰離子。

粘合劑：用于將活性材料和集流體粘結在一起，形成電極片。常見的粘合劑有聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸樹脂等。這些粘合劑的作用是將各個部分緊密地粘合在一起，形成一個整體。

集流體：通常是鋁箔或銅箔，起到傳導電流的作用。它能夠將電流從電池中導出，使得電池能夠進行充放電。

添加劑：為了提高負極材料的循環性能、倍率性能和安全性能，會在碳材料中添加一些添加劑，如磺酸鹽、磷酸鹽、硅烷醇等。這些添加劑能夠增強電池的性能，提高電池的使用壽命。

SEI膜：在充放電過程中，會在負極表面生成一層固體電解質界面(SEI)膜，主要成分為有機酸、醛、酮等物質，具有保護負極的作用。它能夠保護負極材料不受電解液的侵蝕，提高電池的穩定性。

鋰離子電池負極材料分類

負極材料主要分為碳基材料和非碳基材料兩大類。碳基材料包括天然石墨、人造石墨、中間相碳微球(MCMB)、軟碳(如焦炭)、硬碳、碳納米管、石墨烯、碳纖維等。非碳基材料則包括硅基及其復合材料、氮化物、錫基材料、鈦酸鋰、金屬鋰、鋰合金材料等。

1、天然石墨

天然石墨主要分為片狀石墨和微晶石墨。片狀石墨表現出較高的可逆比容量和首周庫倫效率，但是其循環穩定性稍差；而微晶石墨循環穩定性和倍率性能都不錯，但是首周庫倫效率較低。這兩種石墨在快充過程中都面臨著析鋰的問題。

2、人造石墨

人造石墨由石油焦、針狀焦、瀝青焦等原料通過粉碎、造粒、分級、高溫石墨化加工等過程制成。人造石墨在循環性能、倍率性能、與電解液的相容性等方面具有優勢，但是容量一般低于天然石墨，因此決定其價值的主要因素是容量。

3、中間相炭微球

瀝青類化合物熱處理時，發生熱縮聚反應生成具有各向異性的中間相小球體，把中間相小球從瀝青母體中分離出來形成的微米級球形碳材料就稱為中間相炭微球。直徑通常在1~100μm之間，商業化中間相炭微球的直徑通常在5~40μm之間，球表面光滑，具有較高的壓實密度。

4、軟碳和硬碳

軟碳即易石墨化碳，指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定形碳。軟碳結晶度低，晶粒尺寸小，晶面間距較大，與電解液相容性好，倍率性能好。軟碳首次充放電時不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺，因此一般不獨立作為負極材料使用，通常作為負極材料包覆物或者組分使用。

硬碳是難以石墨化的碳，通常為高分子材料熱裂解制得。常見的硬碳有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、炭黑、生物質碳等。此類碳材料具有多孔結構，目前認為其主要通過Li+可逆地在微孔中吸附/脫附及表面吸附/脫附進行儲鋰。

5、硅基材料

石墨負極材料雖有高電導率和穩定性的優勢，但在能量密度方面的發展已接近其理論比容量（372mAh/g）。硅被認為是最有前景的負極材料之一，其理論克容量可達4200mAh/g，超過石墨材料10倍以上，同時Si的嵌鋰電位高于碳材料，充電析鋰風險小，更加安全。但硅負極材料在嵌脫鋰過程中會發生近300%的體積膨脹，極大地限制了硅負極的產業化應用。

6、鈦酸鋰

鈦酸鋰(LTO)是一種由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦組成的復合氧化物，屬于AB2X4系列的尖晶石型固溶體。鈦酸鋰的理論克容量175mAh/g，實際克容量大于160mAh/g，是目前已經產業化的負極材料之一。鈦酸鋰自1996年被報道后，學術界對其研究熱情一直長盛不衰，最早實現產業化的報道可追溯至2008年東芝發布的4.2Ah鈦酸鋰鋰負極動力電池，標稱電壓2.4V，能量密度67.2Whkg-1(131.6WhL-1)。

7、金屬鋰

金屬鋰負極是最早研究的鋰電池負極，但由于其復雜性，過去的研究進展較慢，隨著技術的進步，金屬鋰負極研究也在提升。金屬鋰負極具有3860mAhg-1的理論比容量和-3.04V的超負電極電勢，是一種具有極高能量密度的負極。但鋰的高反應活性和充放電時不均勻的沉積、脫出過程，導致其循環過程中會粉化和鋰枝晶生長，造成電池性能快速衰減。

8、錫基材料

錫基材料的理論比容量很高，純錫的理論比容量能達到994mAh/g，但錫金屬在脫嵌鋰過程中體積會有變化，會產生超過300%的體積膨脹，這種體積膨脹引起的材料變形會使電池內部產生很大的阻抗，導致電池循環性能變差，比容量衰減過快。常見的錫基負極材料有金屬錫、錫基合金、錫基氧化物以及錫碳復合材料等。

負極材料工藝流程

人造石墨材料

鈉法制備FePO4工藝流程圖

數據來源：格物致勝根據公開資料整理

硅基負極材料

硅基負極材料生產流程簡圖

數據來源：格物致勝根據公開資料整理

天然石墨材料

天然石墨制備工藝流程圖

數據來源：格物致勝根據公開資料整理

天然石墨材料關鍵工藝：

球形化目前球形石墨的生產已經產業化，球形石墨的加工機理是：首先把天然鱗片石墨粉粉碎成適宜的粒度，然后再進行去棱角化的加工處理，使之最終形成橢球形或類球形的外形，同時利用分級裝置將球形顆粒與去棱角化過程中剝離下來的細粉分離開來，便可得到正態分布的球形石墨；除磁性物質磁性物質的含量影響天然石墨的質量，目前行業對天然石墨磁性物質的含量要求為≦0 .1ppm，在生產中有篩分除磁工序，但天然石墨經過篩分除磁工序后磁性物質的含量往往多于行業標準，達不到技術要求，因此需在碳化破碎工序中添加除磁裝置；表面包覆包覆的常規方法是將固體或液體包覆劑與物料簡單物理混合，然后把物料放在坩堝中，在靜止的狀態下升溫使包覆劑自動流平形成包覆層并碳化。

負極材料的商業模式

目前來看，負極材料整體項目的商業模式是分包為主，大多數廠商都是分包，這種情況占比至少80%，因為負極這邊的自動化程度目前不如正極高，早期的epc總包不好做，但是后續很多廠商都有在考慮做epc總包，有一個這樣的趨勢。

一般的項目來看，分為土建、公輔、產線三部分，產線和公輔有可能會做為一個包，但是大多數還是分包的模式，自動化產品這部分就在產線包這一塊，包括產線上的自動化產品應用和一些設備上的自動化產品應用。

設備招標方面，目前大多數自動化產品都是隨設備帶過來的，業主負責重要的設備和系統招標，產線包就負責其他的自動化產品招標。

重點設備如輥道窯，反應釜等一般業主單獨招標，其他重點設備如錘破機，除磁機等設備有的業主會單獨招標，有的會交給產線總包招標。

其他如上料系統、輸送、計量等設備產線總包都可以提供。

鋰電池負極材料產業鏈

從鋰電池負極材料產業鏈來看，上游為原材料，中游為制造加工商，下游為應用領域。

負極材料的上游原材料根據產品種類不同而不同，天然石墨負極材料的上游原料為天然石墨礦石，人造石墨負極材料的上游原料是針狀焦、石油焦、瀝青焦等；負極材料的設備主要包括流化床、回轉爐等。

負極材料的中游為負極材料的制造加工，生產含不同種類的負極材料。

負極材料下游為鋰電池行業，下游行業的產品最終應用于動力電池、3C消費電池及工業儲能電池三大領域。下游行業對負極材料行業的發展具有較大的影響，其需求變化直接影響到負極材料行業未來的發展狀況。

鋰電池負極材料布局企業

負極行業投資趨勢

產能布局方面，通過建設基地，實現一體化建設，降本增效；市場布局方面，與電池企業深度合作共同開發，電池項目專用產品研制。

產業布局，商業鏈方面，源網荷儲，生態鏈建設及生態鏈化學反應。未來，將持續向海外拓展，布局歐洲、美洲及印度市場。

內容參考資料來源：QTL質海檢測、石墨盟、格物致勝、SMM石墨負極、中國碳素網、東北證券、產業資本圈、網絡等