负极材料主要分为碳材和非碳材两类。锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后,涂抹在铜箔两侧,经过干燥、滚压制得,根据活性物质的不同可分为碳材料和非碳材料两类。其中碳材料中的石墨类为锂离子电池主要负极材料,具体可分为天然石墨和人造石墨两类;非碳材料包括钛基材料、硅基材料等。
石墨类是较早应用的负极材料,与其他碳材料相比,其导电性、结晶度更高,良好的层状结构和充放电电压也十分适合正极材料的脱/嵌运动,且目前工艺成熟、成本较低,是较为理想的负极材料。
负极材料性能对比
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相关报告:智研咨询发布的《2018-2024年中国锂电池负极材料行业市场运营态势及发展前景预测报告》
天然石墨是从天然石墨矿石中提纯得到,虽其充放电循环性略差,但是成本最低的一种负极材料,且比容量较高,目前仍为消费电池最优选择。人造石墨是易石墨化碳(石油焦、针状焦)经过高温处理后生成的石墨产品,循环性能优于天然石墨,现在逐渐成为动力电池主流负极材料,但其能量密度略低于天然石墨、且工艺流程较为复杂、成本相对较高。
天然石墨与人造石墨对比
项目 | 天然石墨 | 人造石墨 |
生产原材料 | 天然石墨矿石 | 石油焦、针状焦、沥青焦 |
生产过程 | 粉碎-球化-化学钝化-表面处理 | 粉碎-改性-分级-高温石墨化 |
优点 | 工艺简单、成本低;比容量略高 | 循环性能好;充放电效率高;容量区间大;与电解液相容性好 |
缺点 | 比能量已达极限;循环性能较差;安全性能较差 | 工艺复杂、价格略高;能量密度较低 |
应用领域 | 消费类电池 | 动力电池、中高端消费类电池 |
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天然石墨负极材料制备流程
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人造石墨负极材料制备流程
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石油焦价格变化(元/吨)
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根据数据,我们测算出,到2020年,全球锂电池负极材料需求量约19万吨,2018-2020年CAGR22%。在新能源汽车需求的持续拉动下,预计到2020年,国内动力电池需求量约94GWh,相应负极材料需求量将约7万吨;到2025年,动力电池需求量将达到310GWh,相应负极材料需求量将达19万吨。
2016-2020E全球锂电负极材料总需求量(万吨)
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2014-2025E国内动力电池负极材料总需求量
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新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求,工信部等四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出,到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量超300Wh/公斤,系统比能量达260Wh/公斤;到2025年,单体比能量达500Wh/公斤。传统石墨很难达到这一要求,而硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量,有望成为未来主流负极材料。
硅碳复合材料性能特点
优势 | 产业化障碍 | 《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》硅碳负极性能要求 |
比容量高达4200mAh/g(石墨的10倍) | 膨胀问题:压实密度较低,嵌锂后体积显著膨胀(100%-300%) | 低比容量(1.5,循环寿命>300圈(80%,1C) |
地壳中储量丰富(26.4%,第二位) | 首次充放电效率低:首次充放电时形成SEI膜,并在体积变化影响下反复破坏、形成,锂离子被大量消耗,电池容量下降 | |
循环稳定性好、导电性能优异 | 材料加工成本高:纳米化对研磨机的性能要求极高,生产效率不高,复合过程复杂 | 高比容量(>600mAh/g):压实密度>1.3,循环寿命>100圈(80%,0.5C) |
可缓冲硅体积膨胀 |
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