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1证券研究报告作者：行业评级：上次评级：行业报告 | 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明新技术系列报告 高镍 +高电压 +大圆柱强于大市强于大市维持2022年 03月 30日（ 评级）分析师 孙潇雅 SAC执业证书编号： S1110520080009放量拐点，看好硅负极及衍生新材料投资机会行业深度研究摘要2请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明我们认为当前锂电池有两大技术路线，以方形铁锂为代表的高性价比路线和以三元高镍大圆柱为代表的高性能路线。 近两年，方形铁锂得益于 CTP、刀片电池的技术进步，在续航里程 600公里及以下乘用车市场性价比十足。 根据鑫椤锂电数据， 22年 3月25日铁锂方形动力电芯均价为 0.77元 /wh，同期三元方形动力电芯均价在 0.84元 /wh。得益于刀片电池技术，比亚迪 LFP版车型能量密度达140Wh/kg，续航里程达 565km，突破了铁锂续航里程天花板。 往后看，高镍 +硅基负极 +大圆柱三者优劣势互补主打高能量密度，更适配 600公里续航以上市场。 大圆柱的优势是不易热失控和弧形表面更耐膨胀。高镍三元优势是能量密度高，劣势是成本高 +热稳定性差，成本高的改变可依赖三元一体化镍冶炼投放降低镍的成本，热稳定性差可搭配圆柱封装形式改善。硅基负极优势是能量密度高 +适合快充，劣势是成本高 +易膨胀，我们认为成本高是初期，可依赖规模化降本，易膨胀可搭配圆柱封装形式。本篇报告系高镍 +高电压 +大圆柱“系列新技术报告 从硅负极说起新材料的投资机会，并引申出周边新材料投资机会，如单壁碳纳米管、补锂剂、 PAA粘结剂，有望得以受益于低基数 +渗透率提升，未来几年市场空间增速可观，得益于技术溢价，龙头利润空间有望可观。硅是负极材料进步的方向，放量在即。 目前主流石墨负极企业比容量可做到 355-360mAh/g，接近理论比容量 372mAh/g，负极材料急需升级，硅材料理论比容量达 4200mAh/g，是石墨的 10倍以上。受制于膨胀率高（硅在 300%，石墨在 12%），硅负极产业化受阻，目前硅基负极主要应用在高端 3C数码、电动工具、高端动力电池领域，在负极渗透率不足 2%。特斯拉自产电池大圆柱明确表示采用硅负极，此外车企电池厂如松下、三星、广汽、蔚来等也宣布采用硅负极。硅负极一般通过掺杂的形式到人造石墨中以实现产业化（目前掺杂比例在 5%左右），根据硅材料选择的不同分为硅碳、硅氧两条技术路线。 硅碳负极： 采用纳米硅和石墨材料混合，目前商业化容量在 450mAh/g以下，首效高，但体积膨胀系数过大，导致其循环差，一般在 500-600周，一般用于消费电池。 硅氧负极： 采用氧化亚硅和石墨材料混合，目前商业化应用容量主要在 450-500mAh/g，首效相对较低，但循环性能相对较好，既可用于消费也可用于动力。摘要3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明硅碳负极的制备的核心在于球磨，硅氧负极制备的核心在于氧化亚硅的改性。 正如硅负极有纯品和复合品的概念（我们所说的硅基负极指的是复合品），硅负极的制备也有两段工序，我们将其分为前端的纯硅制备和后端的与石墨复合，我们认为核心是在前端的纯硅制备。硅碳的核心是制备纳米硅，一般采用 机械球磨法， 硅氧的核心是制备氧化亚硅，且需要改性处理，一般采用化学气相沉积法（ CVD）进行碳包覆。硅基负极的单价、 CAPEX明显高于石墨负极。 石墨负极的价格一般在 3-6万元 /吨，据我们测算硅负极纯品价格一般在 30-70万元 /吨，复合品价格一般在 8-12万元 /吨。人造石墨负极一体化产能单万吨固定自产投资一般在 2亿元左右，硅基负极的特别是前端纯品硅的单万吨固定资产投资一般在 10亿元左右。硅负极目前处于行业发展初期，海外日本信越较为领先，国内贝特瑞研发、量产、客户端全面领先同行。 海外： 日韩企业在硅基负极上领先多是在专利层面，如日本信越化学硅氧负极专利数行业领先，但其主营半导体等，量的层面未见领先。 国内： 贝特瑞于 2010年取得硅基负极材料的技术突破，并于 2013年实现批量出货，客户系松下、三星。贝特瑞产品持续更新迭代，高代产品比容量、首次效率明显领先同行。贝特瑞现有硅负极产能 3000吨（我们预计为纯品），规划产能 4万吨。而同行尚处于百、千吨中试线水平，未见大批量出货。硅基负极放量为衍生材料带来放量契机，典型如单壁碳管、补锂剂、负极粘结剂。 单壁碳管 ：可在材料内部形成发达网络，覆盖在硅颗粒表面并在硅颗粒之间建立高度导电和持久的连接，显著提升硅负极循环寿命。 补锂剂： 硅负极表面 SEI膜的形成需消耗大量锂源，这使得硅基负极的首次效率显著低于石墨，石墨材料有 5% 10%的首次不可逆锂损耗，而硅的不可逆容量损失达 15% 35%，故硅负极一般需要搭配补锂剂使用。 PAA粘结剂： 对于充放电循环中具有极高体积膨胀的硅基负极，合理设计粘结剂可大大改善其循环寿命。前文以硅基负极为主线，衍生出单壁碳纳米管、补锂剂、 PAA粘结剂， 25年硅负极市场空间有望达 300亿 +，其他材料有望在 50亿左右，21-25年复合增速在 100%左右。摘要4请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明21年负极全球产量 88万吨，预计 21-25年锂电池复合增速 40%，硅基负极渗透率我们预计在 23年迎来放量拐点达 6.5%， 25年达 14%（渗透率的假设和大圆柱放量相匹配）。单价硅纯品价格和人造石墨价格按照加权平均而得，纯品硅掺杂比例 22年在 5%，预计 25年达 8%，纯品硅价格 22年在 45万元 /吨， 25年降至 30万元 /吨，人造石墨 22年在 6万元 /吨， 25年降至 4万元 /吨，则硅基负极（复合品） 22年单价在 8万元 /吨。25年降至 6.1万元 /吨。 基于以上逻辑和假设，我们对四大新材料 25年市场空间、龙头公司利润空间预测如下： 硅基负极： 全球需求量达 52万吨，市场空间 319亿元， 21-25年复合增速 135%。我们预计龙头系贝特瑞，市占率达 40%， 20%净利率下利润空间在 19亿元。 单壁碳管粉体： 全球需求量达 524吨，市场空间 42亿元（多壁市场空间在 200亿）， 21-25年复合增速 153%。我们预计龙头系天奈科技，市占率 50%， 40%净利率下利润空间在 7.3亿元。 补锂剂： 全球需求量达 1.8万吨，市场空间 44亿元， 21-25年复合增速 157%。我们预计单吨净利润 25年在 5万元（对应 17%净利率），市占率在 50%下，利润空间在 4.8亿元。 PAA粘结剂： 全球需求量达 5.1万吨，市场空间 54亿元。 21-25年复合增速 94%。我们预计龙头 30%净利率（茵地乐毛利率 60%），市占率在 50%下，利润空间在 8.4亿元。投资建议1、大圆柱：推荐 【 亿纬锂能 】 。 预计 23年出货 5GWh，贡献利润 3.2亿元，占比总利润 5%。2、硅基负极：推荐龙头 【 贝特瑞 】 。 我们预计 23年出货 5万吨（混合品），单吨净利 1.4万元，贡献利润 7.1亿元，占比总利润 18%。3、衍生材料： 1）单壁碳纳米管推荐 【 天奈科技 】 。 我们预计天奈 23年单壁管出货 20吨，单吨净利润 400万元，贡献利润 0.8亿元，占比总利润 7%。 2） PAA粘结剂推荐 【 璞泰来 】 ， 其参股公司茵地乐（ 26%股权）在 PAA上行业领先。 3）补锂剂建议关注 【 德方纳米 】 ，其已公告4.5万吨补锂剂项目，后续有望放量增利。风险提示 ： 电动车销量不及预期、大圆柱进展不及预期、硅负极进展不及预期、产能扩建不及预期、测算具有主观性20H2至今，具备高性价比的“方形铁锂”电池搭配 CTP/刀片技术在 600公里及以下续航的电动车市场大放异彩。往后看，电动车不仅是提续航也需提快充，电池不仅依赖低成本材料也需增效降本，我们认为在 600公里 +市场，高镍三元 +硅基负极 +大圆柱更为适配。 高镍三元优势是能量密度高，劣势是成本高 +热稳定性差，成本高的改变可依赖三元一体化镍冶炼投放降低镍的成本，热稳定性差可搭配圆柱封装形式改善。 硅基负极优势是能量密度高 +适合快充，劣势是成本高 +易膨胀，成本高是初期，可依赖规模化降本，易膨胀可搭配圆柱封装形式。 此外，随着硅基负极的放量 +高性能电动车市场对快充的需求提升，相关辅材如单壁碳纳米管、补锂剂、负极粘结剂也有望受益。前言：从电池新技术看新材料投资机会5请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明6资料来源 ：容百科技招股说明书、孚能科技招股说明书、 天风证券研究所锂电池的技术路线按正极材料划分可分为三元和铁锂，三元主打高性能（能量密度高），铁锂主打经济性（成本低）。锂电池的技术路线按形状分可分为方形、圆柱、软包。软包能量密度最高，方形成组效率最高，圆柱生产效率最高。锂电池技术路线既有三元、铁锂之争，又有方形、圆柱、软包之争表：不同技术路线正极材料性能对比 表：不同形状动力电池的主要技术指标对比项目 三元软包 三元方形 三元圆柱 磷酸铁锂方形正极材料 三元材料 三元材料 三元材料 磷酸铁锂壳体 铝塑膜 钢壳或铝壳 钢壳或铝壳 钢壳或铝壳制造工艺 软包叠片 方形卷绕、叠片 圆柱卷绕 方形卷绕平均能量密度（ wh/kg） 260 240 250 180工作电压（ V） 3.71 3.71 3.65 3.2循环寿命（次） 2000 2000 1500 3000工作温度范围 -30 至 55 -30 至 55 -30 至 55 20 至 55低温容量（ -20 /25 ） 85% 85% 85% 60%成组效率 70% 75% 65% 80%项目 磷酸铁锂（ LFP） 镍钴锰酸锂 (NCM)比容量 (mAh/g) 130-140 150-220循环寿命 （次） 2,000 1,500-2,000安全性 好 较好成本 低 较低优点 成本低 高温性能好 电化学性能好 循环性能好 能量密度高缺点 低温性能差 部分金属价格昂贵7资料来源 ：中国汽车动力电池创新联盟、 SNE、 GGII、 天风证券研究所20H2开始铁锂电池强势反攻三元，目前占比过半。 18-20H1是铁锂的淡季，在动力市场装机占比下降至 33%， 20H2开始崛起，到 22年 1-2月占比达 56%。方形是全球动力电池的主流，我们预计 21年全球 占比超 50%。18-19年全球方形电池占比达 57%， 20年略有下降我们认为系LGES占比提升所致。 21年国内方形电池占比达 86%，较 20年提升 6pct。近两年 来 ，铁锂 &方形表现强势， 21年国内占比近 90%图 ：中国动力电池市场不同材料种类电池装机量对比（ %）39% 33% 41%52% 56%58% 65% 58%48% 44%3% 1% 1% 0% 0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2018年 2019年 2020年 2021年 2022年 1-2月磷酸铁锂 三元材料 其他29% 27% 23%14% 16% 28%57% 57% 49%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2018年 2019年 2020年圆柱 软包 方形图 ：全球动力电池形状占比（ %）图 ：国内动力电池形状占比（ %）85% 80% 86%9% 6% 7%7% 13% 6%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2019年 2020年 2021年方形 软包 圆柱8资料来源 ：高工锂电、鑫椤锂电、中国化学与物理电源行业协会、小鹏官网、汽车之家、孚能科技招股说明书 、 天风证券研究所铁锂 电池成本明显低于三元，方形电池成本低于圆柱、软包。 （从瓦时成本看，已经考虑了能量密度不同带来的差异） 根据鑫椤锂电数据， 22年 3月 25日铁锂方形动力电芯均价为 0.77元 /wh，同期三元方形动力电芯均价在 0.84元 /wh。 LGC供应的三元软包电池包 2019年价格约为 1.54元 /Wh，同期宁德时代的三元方形电池包价格为 1.14元 /Wh，松下的圆柱单体电芯价格约为 0.96元 /Wh。 CTP、刀片新技术明显提升铁锂电池续航天花板。 CTP、刀片通过大幅减少单体连接线束以及相关的流程工艺成本，从而大幅度提高成组效率（能量密度）。2020年第 10批新能源汽车推广目录显示，比亚迪 LFP版车型能量密度达140Wh/kg，续航里程达 565km。从实际应用端看，小鹏 P7的铁锂版较三元版便宜 3.9万元，续航低 100公里，此处重要的是消费者对于续航里程边际效用递减， 480公里可以满足大部分通勤需求。为何铁锂、方形表现强势？成本低 +CTP/刀片技术带来能量密度提升图：宁德时代 CTP&比亚迪刀片电池 表：刀片电池技术 +磷酸铁锂的电池包与普通三元能量密度对比项目 小鹏 P7 480N 小鹏 P7 586N补贴后售价（万元） 23.99 27.09电池类型 磷酸铁锂电池 三元锂电池续航里程（公里） 480 586带电量（ kwh） 60.2 70.8图：小鹏 P7 铁锂版和三元版对比9资料来源 ：工信部、鑫椤锂电、 天风证券研究所三元正极成本明显高于铁锂正极。 以 22Q1数据为例，三元 8系、 5系、铁锂正极不含税成本分别为 27.6、 25.6、 12.0万元 /吨，按照单 GWh单耗 1600、 1700、 2500吨计算，单 GWh成本分别为 4.42、 4.37、 3.00亿元。近三年来，三元电池配套车型续航里程提升明显慢于铁锂。 根据工信部发布的 道路机动车辆生产企业及产品公告 ，我们统计了19-21年的乘用车系统能量密度和续航里程，发现铁锂续航里程提升迅速， 21年已经可达到 600公里。三元电池配套的车型续航里程最大值从 605提升至 708公里，铁锂最大值从 450提升至 600公里。三元表现弱势原因？成本居高不下且续航里程和铁锂相比优势不大表 ： 2019-2021年工信部乘用车配套车型系统能量密度、续航里程变化3.2 3.1 3.1 4.0 4.55.27.912.010.0 10.4 10.613.4 13.615.820.825.611.2 11.4 11.514.5 14.917.021.825.716.0 15.2 15.517.6 17.119.824.027.60.05.010.015.020.025.030.020Q2 20Q3 20Q4 21Q1 21Q2 21Q3 21Q4 22Q1磷酸铁锂正极 三元 5系 三元 6系 三元 8系图：正极材料不含税价格走势（万元 /吨）项目 2019年 2020年 2021年三元能量密度最大值（ wh/kg） 182 180 190三元能量密度最小值（ wh/kg） 95 142 135铁锂能量密度最大值（ wh/kg） 144 144 141铁锂能量密度最小值（ wh/kg） 100 95 95三元最大行驶里程（公里） 605 706 708铁锂最大行驶里程（公里） 450 605 60010资料来源 ： GGII、 从专利角度分析全球锂离子电池硅基负极材料技术发展 葛红莉、 圆柱锂电池表面自然对流换热系数仿真估算 丁亚军、 天风证券研究所大圆柱更适配三元高镍 +硅负极，且可实现更高能量密度。 大圆柱不易热失控和高镍三元热稳定性差相互补。 圆柱电池优势是应对热失控，劣势是成组效率低，和高镍三元结合正好扬长避短，高镍三元的优势是高能量密度；劣势是热稳定性差， 4680搭配高镍三元可充分发挥二者高能量密度和安全性。 大圆柱弧形表面更耐硅负极的膨胀。 硅材料易膨胀，膨胀率高达 300%，而石墨材料在 12%，但硅材料理论克容量是石墨材料的 10倍以上。 800V高电压成为实现电动车快充的重要方式。 当前电动车的痛点是续航焦虑，解决的办法一方面可提升电池能量密度，从而提升续航里程，另一方面可提升快充性能。快充和充电功率有关，功率越大，充电时间越短，而提升功率有两个方式： 1）提高电流 ，2）提升电压。提升电压较提升电池更为容易，故当前产业趋势为发展高电压，如 800V 电压平台搭配 350kW 超级充电桩，充 30 度电约 5 分钟，接近燃油车在加油站的使用体验。大圆柱更适配 800V高电压。 高电压需要大量串联单个电芯 串联个数越多对电芯一致性要求越高 圆柱电池一致性最好 圆柱电池更适配高电压。 单体容量过大如方形不好平衡串联和并联（ 800V已经需要 200个电芯串联），单体容量过小如 2170圆柱，需要电芯总数较多，增加结构件等成本，故 4680等大圆柱更适配高电压。往后看，三元大圆柱是实现高能量密度 +强快充性能的重要技术路线图：表：不同形状三元电池单体容量对比11资料来源 ：特斯拉发布会、 天风证券研究所三元成本端： 三元趋势是高镍，未来成本大头是镍，随着前驱体厂商红土镍矿冶炼项目路线在 22年将投产期， 23年大规模量产，三元高镍正极成本有望显著降低。性能端： 4680 大圆柱路线与 2170 电池相比，单体带电量提升 5 倍，减少结构件等非活性物质占用体积，整体续航里程提升16%，无极耳（全极耳）设计大幅提升了电池功率，带来更快充电速度。截至 22年 2月特斯拉已生产 100 万颗 4680电池，松下日本扩产大圆柱，以及产业链公司恩捷、诺德陆续收到海外车企订单来看，我们预计 4680大圆柱量产在即。一体化镍 冶炼 降材料成本 +4680量产在即，代表高性能的三元大圆柱技术路线放量拐点已至图：特斯拉 4680大圆柱电池构想12资料来源 ： 天风证券研究所近两年，锂电池市场比较偏好低成本的技术路线，加上 CTP、刀片新技术一定程度上弥补了能量密度短板，方形铁锂大行其道 。不可否认， 方形铁锂在 600公里及以下续航里程乘用车上具备高性价比，但同时我们认为也不应忽视代表高性能的高镍三元路线，搭配大圆柱，有望成为未来 600公里以上续航乘用车的主流技术路线。大圆柱可弥补高镍三元稳定性的劣势，亦可弥补硅负极易膨胀的劣势，实现更高的能量密度和快充性能。三元高镍大圆柱趋势下，利好以下产业链（考虑弹性）： 电池： 看好大圆柱进展领先的 【 亿纬锂能 】 。 负极： 看好硅负极量产领先的 【 贝特瑞 】 。 硅负极衍生 辅材： 1）单壁碳纳米管推荐 【 天奈科技 】 。我们预计天奈 23年单壁管出货 20吨，单吨净利润 400万元，贡献利润 0.8亿元，占比总利润 7%。 2） PAA粘结剂推荐 【 璞泰来 】 ，其参股公司茵地乐（ 26%股权）在 PAA上行业领先。 3）补锂剂建议关注 【 德方纳米 】 ，其已公告 4.5万吨补锂剂项目，后续有望放量增利。本篇报告系高镍 +高电压 +大圆柱“系列新技术报告 从硅负极说起新材料的投资机会，主要分析了硅负极的起量原因、技术路线、行业属性、竞争格局、市场空间，并引申出周边新材料投资机会（介绍原因，市场空间和相关标的弹性，具体细分赛道供给研究见各自行业 /个股报告）总结：看好提升能量密度、快充性能的电池、材料产业链硅是负极材料进步的方向，放量在即113请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明14资料来源 ：中科电气定增募集说明书、贝特瑞公开发行说明书、石墨邦、 天风证券研究所高镍三元 &人造石墨已接近理论克容量上限，未来提升电池能量密度依赖硅材料。 电池比容量受正负极比容量影响，目前三元正极已经迭代至 8系，甚至 9系，模拟计算表明 , 在当前正极材料基础上 , 在 1200 mAhg1 以内提升负极材料的比容量对提高整个电池的能量密度仍然有较大贡献。目前主流负极企业比容量可做到 355-360mAh/g，接近理论比容量 372mAh/g，负极材料急需升级，硅材料理论比容量达 4200mAh/g，是石墨的 10倍以上，我们认为有望成为下一代负极材料。除了追求高能量密度带来高续航，快充也是锂电池进步的一大方向，决定快充性能更多在负极材料，硅负极快充性能更优。 锂离子电池充电的时候，锂离子向负极迁移，快充电芯实际上重要的技术难点为锂离子在负极的嵌入问题。 硅从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状的端面方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，因此硅负极快充性能更优。硅材料克容量、快充性能优异，是负极材料发展进步的方向类型 天然石墨 人造石墨 硅基负极理论容量 340-370mAh/g 310-360mAh/g 400-4000mAh/g首次效率 93% 93% 77%循环寿命 一般 较好 较差安全性 较好 较好 一般倍率性 一般 一般 较好成本 较低 较低 较高优点 能量密度高、加工性 能好 膨胀低，循环性能 好 能量密度高缺点 电解液相容性较差，膨胀较大 能量密度低，加工性能差 膨胀大、首次效率低、循环性能差图：正负极比容量和全电池比容量关系图表 ：负极材料性能对比15导电性差、体积膨胀等问题制约了硅材料在负极上的商业化应用资料来源： 高能量密度锂离子电池硅基负极材料的性能和应用研究 闫平、天风证券研究所硅材料属于半导体材料，电子导电性和离子导电性差，不利于材料电化学性能的发挥。硅嵌 /脱锂过程中伴随着巨大的体积变化，从而影响循环寿命。 Si材料在与 Li进行合金化的过程中体积膨胀可达 300%以上（石墨材料在 12%），容易导致颗粒的粉化和破碎、 SEI膜的破坏，从而严重影响锂离子电池的循环寿命。硅易与其他物质发生反应，造成能量快速衰减。 锂盐 LiPF6分解产生的 HF 会与 Si 反应， Si 负极与电解液的界面不稳定， Si 负极材料表面形成的固体电解质膜（ SEI 膜）不能适应 Si 负极材料在脱嵌锂过程中的巨大体积变化而破裂 ，使 Si 表面暴露在电解液中，导致固体电解质膜持续生成、活性锂不断消耗，最终造成容量损失。图：常见锂离子电池负极材料的比容量和电压平台16目前，硅基负极尚处于发展初期，近些年在负极的渗透率尚不足 2%资料来源： GGII、天风证券研究所硅基渗透率仍较低， 2021年国内出货在 1.1万吨左右，渗透率在 1.5%。 2021年国内负极出货量 72万吨，其中硅基负极出货 1.1万吨，渗透率仅为 1.5%，发展空间较大。图：国内硅基负极出货量、增速（万吨、 %） 图：国内硅基负极在负极渗透率（万吨、 %）0.060.160.260.370.61.163%42%62%83%-0.10.10.30.50.70.91.11.32016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年销量 YOY14.819.226.536.5721.1%1.4% 1.4%1.6%1.5%0.0%0.2%0.4%0.6%0.8%1.0%1.2%1.4%1.6%1.8%010203040506070802017年 2018年 2019年 2020年 2021年负极出货 硅基负极渗透率17资料来源 ： GGII、天风证券研究所目前，硅基负极主要应用在高端 3C数码、电动工具、高端动力电池领域。 高端 3C数码： 5G技术推广带来的智能手机终端需求、民用无人机、智能可穿戴设备等市场或用到硅基负极。 电动工具： 电动工具锂电池头部供应商表示，根据客户对电池性能的需求， 部分容量 2500-2600mAh的高倍率圆柱电池有硅基负极应用需求，而容量上到 3000-3350mAh及 3500mAh的产品绝大部分必须用到硅基负极。 GGII统计数据显示，受全球电动工具市场增长带动， 2021年全球电动工具锂电池出货量为 22GWh；预测未来 2026年出货规模增至 60GWh，相比 2021年仍有 2.7倍的增长空间。受此带动，硅基负极也将迎来持续增长机会。 动力电池： 下游客户对快充性能、续航时间提出更高要求，高能量密度电池受到市场青睐，硅基负极优势更加凸显。往后看，硅基负极将在高端数码、电动工具、动力电池领域持续放量18图：特斯拉硅负极方案资料来源：特斯拉电池日、天风证券研究所特斯拉 4680自产电池明确表示采用硅负极方案圆柱天生更适合用硅负极，其各向同性的特点使得圆柱电池更耐膨胀（硅负极最大问题是膨胀 ）。特斯拉自产 4680电池明确表示采用硅负极： 2020年 9月 22日 ，特斯拉 明确 表示 计划采用冶金硅作为原料，通过离子导电高分子进行涂覆、以及特殊胶粘剂（ Binder）混合的形式，通过包覆方法以及改进粘结剂的方式来提升性能。硅负极如何商业化？以掺杂的形式到人造石墨中，目前看硅氧更为主流硅基负极主要是指石墨掺硅复合材料掺杂产品包括硅碳（ Si/C）负极材料及硅氧（ SiO/C）负极材料，主流掺硅比例在 5%左右。219请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明20资料来源 ： GGII、 高能量密度锂离子电池硅基负极材料的性能和应用研究 闫 平、天风证券研究所硅材料理论容量高达 4000mAh/g，但膨胀率高达 300%，商业化应用时一般采用以下方式 缓解 膨胀效应： 纳米化： 硅纳米化后可明显缩小体积，提高循环性能，但纳米粒子合成工艺复杂，粒径大小和形貌不易控制。 与石墨复合： 碳材料的体积变化较小、循环性能良好，硅材料体积膨胀大、循环性能差而比容量最大，将两种材料复合可得到具有高容量、体积变化较小、循环性能较好的硅碳复合材料。 采用氧化亚硅：硅氧材料较硅单质有效缓解了体积膨胀，提升了循环性能，但降低了首次效率。 由于氧化亚硅（ SiOx， 0 x 2）首次嵌锂的过程中会生成金属锂氧化物 LixO及锂硅化合物，可有效缓冲脱嵌锂产生的体积膨胀，从而提高循环性能， SiOx材料在嵌锂过程中的体积膨胀仅为 118%左右，但带来的副作用是 SiO使得 Li在首次嵌入到材料的过程中会生成没有电化学活性的Li4SiO4材料，且该过程是不可逆的，导致 SiOx材料的首次效率远远低于石墨和硅碳材料，并且比容量相对硅碳及纳米硅也较低，只有 1700Ah/g，但仍然远高于石墨，而且相比而言， 具有更小的体积膨胀和更好的循环稳定性对于动力电池为重要，因此在力电池领域该路线更具发展前景。硅材料产业化时一般和石墨材料复合 （ 也就是说均采用上述的与石墨复合，硅的选择纳米化或者采用氧化亚硅），根据硅来源的不同分为硅碳（ Si/C）负极材料及硅氧（ SiO/C）负极材料两种： 硅碳负极： 采用 纳米硅 和石墨材料混合，目前商业化容量在 450mAh/g以下，首效高，但体积膨胀系数过大，导致其循环差，一般在 500-600周，无法达到国标规定的动力电池循环 1000周的标准，一般用于消费电池。 硅氧负极： 采用 氧化亚硅 和石墨材料混合，目前商业化应用容量主要在 450-500mAh/g，成本较高，首效相对较低，但循环性能相对较好，既可用于消费也可用于动力。故我们一般提到的硅负极都不是纯品硅产品，是人造石墨材料和硅材料的复合产品，本文以硅基负极表示人造石墨 +硅复合后的材料，复合材料根据硅的不同分为硅碳负极和硅氧负极。（若为纯品，本文会以纯品硅表示）技术路线：根据硅来源的不同分为硅碳和硅氧21资料来源 ： GGII、 从专利角度分析全球锂离子电池硅基负极材料技术发展 葛红莉、天风证券研究所从下游应用来看，硅氧负极商业化领先于硅碳，且在动力领域应用更为主流。 硅材料应用于锂电负极的研发始于上世纪 90年代，直至 13、 14年才分别实现硅碳负极、硅氧负极的产业化。现阶段，动力电池领域主要用硅氧负极，虽然硅氧负极容量不如硅碳，但循环性能相对较好，而循环寿命对于动力电池更为重要。硅碳负极由于循环性能劣势，目前主要用于电动工具以及消费电子等领域。 消费： 2013年成功应用到三星电动工具。 动力： 2017年，松下将硅氧负极应用于特斯拉的 Model3电池中，在传统石墨负极材料中加入 10%的氧化亚硅，电池克容量增加到550mAh/g以上，单体能量密度达 300wh/kg以上。应用：硅氧路线因膨胀更低 +循环性能优异，在动力领域应用更为主流负极 原材料 理论克容量（ mAh/g） 体积膨胀 循环寿命 首次效率（ %）石墨负极 天然鳞片石墨、沥青焦、石油焦、针状焦 372 12% 高 90%以上硅碳负极 纳米硅（ 150nm以下） +基体材料 4200 300% 低 两者之间硅氧负极 SiO+基体材料 1800 118% 中 70%以下表：不同材料负极对比22资料来源 ：贝特瑞公开发行说明书、天风证券研究所前文提到硅负极的应用一般是和人造石墨复合（称作硅基负极），故可将生产工序分为： 1） 前端工序： 硅材料处理。 2）后端工序：和人造石墨复合，我们认为难点是在前端工序。硅基负极分为硅碳和硅氧两条路线，硅碳的核心是制备纳米硅，硅氧的核心是制备氧化亚硅。 硅碳负极： 纳米硅制备核心是研磨，此处一般耗能较大。 硅氧负极： 氧化亚硅可直接外购，也可通过购买硅粉和二氧化硅自行制备，但直接购买的氧化亚圭也无法直接和人造石墨复合制备硅氧负极，需进行处理。从制备方式上看，硅负极生产可分成机械球磨法、化学气相沉积法、高温热解法、溶胶凝胶法，我们认为机械球磨和化学气相沉积法在工业化量产中更为主流。生产工序 ：核心难点在前端工序，即硅材料的处理，硅碳核心是研磨，硅氧核心是改性制备方式 技术特点机械球磨法 机械球磨法制备的复合材料颗粒粒度小、各组分分布均匀，而且机械球磨法制备硅 /碳复合材料具有 工艺简单、成本低、效率高，适合工业生产 ；但是该法是两种反应物质在机械力的作用下混合，颗粒的团聚现象难以解决。化学气相沉积法 硅碳两组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性和较高的首次充放电效率，碳层均 匀稳定、不易出现团聚现象。 此种制备方法对设备要求简单，反应过程环境友好，复合材料杂质含量少，适合工业化生产。高温热解法 此种方法合成的复合材料中碳的空隙结构一般较大，能较好的缓解硅在充放电过程中的体积变化。但是，高温热解法产生的复合 材料中的硅的分散性较差，碳层会有分布不均的状况，并且颗粒容易产生团聚等现象。溶胶凝胶法该方法能够实现硅碳材料的均匀分散，而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量。但是碳凝胶较其它碳材料稳定性能差，在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大，导致负极材料结构破裂；且凝胶中氧含量过高会生成较多不导电的 SiO2，导致负极材料的首次充放电效率较低。表： 硅基负极制备方法23资料来源 ：中国知网、贝特瑞专利、天风证券研究所从工序上讲，硅氧负极的制备和硅碳负极类似，共同的工序为球磨、碳包覆、造粒，差别为硅碳负极需经过两次球磨再加入石墨负极，而硅氧负极是一次球磨，但其前端制备锂电用氧化亚硅是重点。生产工序 -硅氧负极：核心是对硅氧的改性处理图 ：硅氧负极生产流程将氧化亚硅与 Si-B合金粉进行第一次搅拌混合操作，得到硅混合物将硅混合物与溶剂进行球磨混合操作，得到氧化亚硅复合物浆料在氧化亚硅复合物浆料中加入导电碳材料和包覆碳源，并进行第二次搅拌混合操作，得到复合负极浆料对复合负极浆料进行喷雾干燥操作，得到复合负极材料前驱体对复合负极材料前驱体进行热解操作，得到氧化亚硅复合负极材料将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物将预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作在进行中频感应加热操作时，同时对收集器进行可控加热操作将收集器收集到的物料进行冷却操作，得到 锂离子电池用氧化亚硅图 ：锂离子电池用氧化亚硅制备流程24CAPEX：我们预计硅基负极前端投资较大，后端投资和人造石墨类似石墨负极一体化的产能单万吨固定投资一般在 2-3亿元，硅负极投资额差距较大，贝特瑞的高达 8.8亿元，而非负极企业扩产如石大胜华、硅宝在 2亿元左右。我们预计可能系贝特瑞为硅基负极一体化的产能，硅原料多为自己处理，考虑到一般石墨负极一体化固定资产投资额在 2亿元左右（公告数据一般会偏大一点），我们预计前端工序（纯品制备）投资额在十亿元 /万吨左右。资料来源：公司公告、天风证券研究所表：硅负极扩产 CAPEX对比公司 产品 项目产能（万吨） 项目总投资（亿元） 固定资产投资（亿元） 单万吨固定资产投资（亿元）贝特瑞 硅负极 4 50 35 8.8石墨负极一体化 5 24 16 3.3中科电气 石墨负极一体化 10 25石大胜华 硅负极 2 7.3 3.6 1.8硅宝科技 硅负极 +粘结剂 1万吨硅负极 +4万吨粘结剂，总投资 5.6亿元，固定资产投资 4.6亿元25硅基负极单价：人造石墨和纯品硅按比例加权平均，我们预计在 8-12万元 /吨硅基负极系人造石墨和硅的复合产品，故我们认为定价可能是人造石墨和硅材料按用量加权平均。故硅负极的价格有两个口径，一个是纯品硅的价格，一个是复合后的价格。结合贝特瑞和凯金能源硅负极相关数据，我们预计纯品硅不含税价格在 30万元 -70万元 /吨，复合后的价格在 8-12万元 /吨。 贝特瑞： 公司 17-19年新型负极价格在 20-23万元，其中新型负极以硅基负极为主，此外还包括硬碳等，我们认为这里面既有以纯品硅出售，又有复合石墨后出售。 凯金能源： 21H1公司披露了硅基负极收入情况，其中纯品硅收入 1164万元，出货量 38.41吨，则单价在 30万元 /吨，硅石墨复合后收入 4.48万元，出货量 0.56吨，则单价在 8万元 /吨。 此外，部分纯品硅产品会进行预锂化处理，产品价格会更高，我们预计在 70万元 /吨。资料来源：贝特瑞回复函、凯金能源招股说明书、天风证券研究所表：硅基负极单价测算（万元 /吨）单位：万元 /吨 纯品硅单价 人造石墨单价 硅基负极单价硅掺杂比例 3%情形 1 30 6 6.7情形 2 40 6 7.0情形 3 50 6 7.3情形 4 70 6 7.9硅掺杂比例 5%情形 1 30 6 7.2情形 2 40 6 7.7情形 3 50 6 8.2情形 4 70 6 9.2硅掺杂比例 8%情形 1 30 6 7.9情形 2 40 6 8.7情形 3 50 6 9.5情形 4 70 6 11.1硅掺杂比例 10%情形 1 30 6 8.4情形 2 40 6 9.4情形 3 50 6 10.4情形 4 70 6 12.4竞争格局行业发展初期，目前国内仅有贝特瑞大批量供货326请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明27海外：日本信越化学在硅氧负极上技术较为领先资料来源： TP情报社、信越化学官网、天风证券研究所日韩企业在硅基负极材料领域处于行业领先地位，如日本信越化学、大阪钛业、日立化成、昭和电工和韩国大洲等。日本信越化学主营半导体、有机硅和高分子等产业，硅氧负极专利数行业领先。 截至 2019年， 信越化学关于硅负极在全球申请了210项专利，其中硅氧负极 187项，这说明信越的研究重心是硅氧。信越化学硅氧最早专利申请时间是在 2000年， 2007年开始加大专利申请速度，在 2017年达到顶峰。信越化学主业在半导体领域，硅负极只是其细分板块有机硅一个应用下游，公司是发展多年的技术型公司，对应硅负极更多是技术领域内领先，且公司不做人造石墨，故我们认为公司产能扩张和出货量相对有限。图：信越在 SiO负极领域的专利申请 图：信越化学业务板块28国内：贝特瑞在硅负极研发、量产、客户端全面领先同行资料来源：贝特瑞公开发行说明书、公司公告、天风证券研究所贝特瑞研发和量产供货领先同行 。 公司 2010年取得硅基负极材料的技术突破，并于 2013年实现批量出货，客户系松下、三星。贝特瑞硅碳、硅氧两手抓，且在持续更新迭代。 截至 20年， 公司硅碳负极已开发至第三代产品，比容量从第一代的 650mAh/g提升至第三代的 1500mAh/g，正在开发第四代硅碳负极材料产品， 硅氧负极部分产品比容量达到 1600mAh/g以上。近期拟扩产 4万吨硅负极，我们预计公司硅负极放量拐点或至。 22年 2月 17日，公司拟扩产 4万吨硅基负极，加上现有的 3000吨产能，总产能在 4.3万吨。表：贝特瑞硅负极核心技术图 ：贝特瑞新型负极 （主要系硅基负极） 产能、出货量、收入（吨、亿元）技术名称 技
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