从锂离子电池的发展历史来看,负极材料的研究对锂离子电池的出现起着决定性作用。锂离子电池最早研究的负极材料是金属锂,由于电池的安全问题以及循环性能不佳,锂二次电池未能实用。90年代SONY公司首次将碳材料用于锂离子电池负极,实现了锂离子电池的商业化。
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目前负极材料市场分布
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负极材料种类
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负极材料是影响电池容量的重要环节。从负极材料的产品结构来看,目前占据绝对统治地位的依然是碳负极材料,主要包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球这3 大类。
主要负极材料性能对比
天然石墨 | 中间相炭微球 | 人造石墨 | |
容量 | 372mAh/g | 320mAh/g | 372mAh/g |
安全性 | 较高 | 高 | 较高 |
价格 | 较高 | 高 | 低 |
应用领 域 | 小型电池 | 动力锂电池、小型蓄电池 组、电源 | 动力锂电池 |
寿命 | 较长 | 长 | 长 |
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全球来看,目前锂电池负极材料生产企业主要在中国和日本,中国的优势是石墨资源,日本优势是技术。负极材料产品市场呈现出明显的寡头垄断格局。
大能量密度的非碳负极材料是目前负极材料的研究方向。碳材料当中,石墨类碳材料目前被研究得比较透彻,应用范围最广。目前市面上绝大多数锂离子电池都是采用石墨类的碳材料作为负极材料。但是,碳材料的局限性也是明显的:比容量与一些非碳材料相比较低,并且还存在首次充放电效率低,有机溶剂共嵌入等问题。所以人们在开放碳材料的同时也在积极研究非碳材料作为负极材料,如硅基负极材料、钛基复合材料等。
2014年我国负极材料产量为5.16万吨,产量较2013年同期增长47.4%;2015年我国负极材料产量增长至7.28万吨,产量同比增长41.1%。2015年我国国内动力电池产量同比增长超过200%,带动负极材料的需求,进而拉动了上游生产商的积极性。
2011-2015年我国负极材料产量及增速走势图
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2014年我国负极材料行业产值为28.7亿元,2015年负极材料产值增长至38.8亿元,同比增长35.2%。2015年负极材料均价保持下滑,幅度在5%-10%。虽价格整体下降,但负极材料产值增速接近产量增速,因为负极材料的结构在发生变化。受动力电池带动,2015年国内负极材料的需求增长最快的是人造石墨,而人造石墨的均价高于天然石墨。
2011-2015年我国负极材料产值及增速走势图
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从竞争格局来看,深圳贝特瑞、上海杉杉、江西紫宸仍占据前三位置,不过三者的市场占比差距在逐渐缩小,特别产值方面,江西紫宸与上海杉杉两者的产值进一步缩小。二线梯队厂商,如深圳斯诺、湖州创亚、长沙星城、江西正拓、深圳翔丰华等企业受动力电池带动,保持较快增长,如翔丰华受益于比亚迪、广州鹏辉等动力电池企业,成为2015年负极材料市场的黑马。未来几年中国动力电池企业竞争格局将发生较大变化,且动力电池对负极材料的需求量远大于3C数码电池,因此负极材料厂商的竞争格局很有可能在未来三年发生巨大变化。
负极材料主要由碳素材料为主,包括天然石墨、人造石墨、石墨化中间碳微球。
负极材料各类型材料出货量占比
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我国石墨矿资源丰富,成本较低,但是天然石墨也有一些缺陷,吸液性差,分子中不存在交联的sp3结构,墨片分子容易发生平移,从而导致石墨负极材料的循环性能差。天然石墨负极材料主要用于消费类电子产品。
人造石墨通过对原始材料进行表面改性和结构调整,使其部分无序化或者在各类材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构,加大锂离子嵌入和脱嵌反应,因此具有高压实、高容量、长寿命等优势。人造石墨主要作为动力电池的负极材料。
国内主要动力锂电池企业负极材料情况
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中间相碳微球是球形结构,堆积密度高,单位体积嵌锂容量比较大,而且小球具有片层状结构,有利于锂离子的嵌入和脱嵌。700℃热处理的中间相碳微球充电容量可达1190mA•h/g,放电容量大750mA•h/g,远超过石墨的理论放电容量(372mA•h/g)。
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