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最新负极材料行业发展分析

发布时间:

2024-01-24 09:09

 

行业发展概况

 

1. 负极材料基本情况

 

锂电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜组成,其中负极材料是锂电池的关键材料之一,约占锂电池成本的10%。负极材料的晶体结构、粒度分布、元素含量、振实密度等指标直接决定了锂电池的能量密度、首次效率、安全性、循环寿命等性能。

 

在锂电池充放电过程中,锂离子在两极发生氧化还原反应,进行化学电源的能量转换,负极材料在其中发挥储存和释放能量的作用。具体来看,当电池充电时,正极上的锂离子脱嵌,以电解液为载体,穿过隔膜,插入到负极层状结构中,电子则通过外部电路由正极流向负极;当电池放电时,负极上的锂离子脱插,以电解液为载体,穿过隔膜,嵌入到正极材料中,电子则通过外部电路由负极流回正极。

 

图1. 锂电池充放电过程

注:Cathode/Anode Material(正极/负极材料);Electrolyte(电解液);Separator(隔膜);Electron(电子);Charge/Discharge(充电/放电);Current(电流);Li ion(锂离子)

 

2. 负极材料分类及特点

 

负极材料由负极活性材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。负极材料按所使用的活性材料的不同,可划分碳系材料(石墨、无序碳、石墨烯)和非碳系材料(硅碳复合材料、钛酸锂等)。

 

图2. 负极材料分类

 

碳系材料由于具有高比容量、低电化学电势、良好的循环性能、低成本、无毒、在空气中稳定等优点,所以成为目前市场上最成熟的锂电池负极材料。尤其是市场化应用程度最高的人造石墨和天然石墨,材料性能、性价比等综合优势明显。

 

非碳类材料虽然在某些方面有特殊的优势,但其技术仍然不成熟,大多数还处于研发阶段,目前最有可能率先取得突破的是硅基材料。这是因为石墨的理论容量为372mAh/g,目前部分厂家产品可以达到365mAh/g,基本达到极限值,而硅作为负极材料,其能量密度达到4,200mAh/g左右,远高于石墨负极材料,能量密度优势明显,发展潜力大。

 

主要负极材料特点对比情况如下表所示:

3. 负极材料产业链

 

负极材料产业链由上游的原材料及设备供应商以及外协厂商、中游的负极材料厂商、下游锂电池厂商构成。具体来看,上游主要为针状焦、石油焦、沥青、天然石墨矿、碳材料、硅材料等原材料供应商,流化床、回转炉、球磨机等设备供应商,以及石墨化、破碎等外协加工厂商;下游广泛应用于动力电池、消费电池、储能电池领域。

 

图4. 负极材料产业链

 

4. 负极材料市场概况

 

负极材料行业经历了“中间相碳微球材料为主、日企主导市场”的起步期,“石墨材料为主、国内企业崛起”的跨越发展期,到如今的“探索新型负极材料、国内企业主导市场”的快速上升期。

 

 

图5. 负极材料行业发展历程

 

近年来,受益于新能源汽车、通信储能、电力储能、智能穿戴等应用领域的快速发展,锂电池负极材料市场迎来爆发式增长。在全球市场,根据GGII数据,2017年全球锂电池负极材料出货量24万吨,2022年全球锂电池负极材料出货量156万吨,较2021年同比增长71.4%,2017-2022年复合增长率达到45.4%,预计到2025年全球锂电池负极材料需求将超过190万吨。

 

图6. 全球锂电池负极材料出货量(万吨)

 

在国内市场,根据相关数据,2017年我国锂电池负极材料出货量14.9万吨,2022年我国锂电池负极材料出货量137.0万吨,较2021年同比增长90.3%,2017-2022年复合增长率达55.9%,均超全球增速。同时,2022年,我国锂电池负极材料出货量占全球87.8%的市场份额,市场地位显赫。

 

从产品结构来看,人造石墨负极材料出货量快速上升。人造石墨产品占比持续提升,市场份额从2017年的67.9%上升至2021年的84.00%,出货量达60.5万吨,但2022年产品占比有所下降;天然石墨占比持续下降,市场份额从2017年的26.2%下滑至2021年的14.00%,出货量为10.1万吨,但2022年出货量有所增长,出货量达到26.3万吨。这两个产品结构变化一是受动力及储能市场需求带动,人造石墨对比天然石墨具有更好的一致性与循环性。本土锂电池企业逐步转向人造石墨,材料采购也偏向于天然与人造石墨混合材料,一定程度上降低了纯天然石墨的采购,促使人造石墨成为了市场主要产品。此外,以硅基负极为代表的其他负极材料,受到国内圆柱电池产品主要出货型号切换,以及方型动力电池高镍体系升级暂缓的影响,2022年出货量不足两万吨,未能实现预期增长,市场占比持续低迷。

 

 

下游市场需求概况

 

负极材料是锂电池的重要组成材料之一,近年来,锂电池出货量及产业规模快速上升,预计未来仍将保持高速发展趋势,为负极材料市场需求增长奠定坚实的基础。

 

在全球市场,根据相关数据,2017年全球锂离子电池出货量144GWh,2022年全球锂离子电池出货量958GWh,2017-2022年复合增长率达到46.1%,并预计2025年出货量将达到2,212GWh,预测期内复合增长率为32.2%。

 

图9. 中国锂电池出货量

 

在国内市场,根据相关数据,2017年我国锂离子电池出货量81GWh,2022年我国锂离子电池出货量655GWh,2017-2022年复合增长率达到51.9%,超过全球增速。且2017年,我国锂离子电池总体出货量在全球的占比为56.3%,这一数据在2022年达到了68.4%。预计2025年,我国锂电池市场出货量将超1,390GWh,未来三年复合增长率为28.5%。

 

 

行业未来发展趋势

 

1. 产业链纵向一体化布局,实现降本增效

 

负极材料成本中,原材料与石墨化加工环节成本占比超过85%,是负极产品成本控制的两个关键环节。负极材料产业链发展初期,石墨化、碳化等生产环节由于资金投入大、技术壁垒高,主要依靠外协厂加工;针状焦、天然石墨矿石等原材料向相应的供应商进行采购。

 

如今,随着全球竞争加剧,愈来愈多的负极材料企业通过产业链纵向一体化布局,把控关键生产环节与核心原材料,实现降本增效。贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等龙头企业通过外部收购、建设一体化基地项目等方式实现石墨化自供,同时石墨化加工企业也向前布局进入负极材料制造体系。此外,也有龙头企业通过获得矿山开采权、参股等方式实现针状焦原材料的自供。一体化布局已经成为负极材料企业构筑核心竞争力的重要一环。

 

2. 行业壁垒较高,市场集中度快速提升

 

资金、技术和客户构建多重行业壁垒,负极头部企业地位不断加强。一是资金壁垒,负极材料设备工艺、新产品研发、产业规模化、产业链上下游布局等均需要长时间的大量资金投入,且过程存在不确定性,对企业资金实力有一定要求,存在资金壁垒。二是技术壁垒,企业进入后,生产工艺不断改进需要企业拥有深厚的技术背景,并对原料选择和工艺细节等方面有深入研究,技术壁垒相对较高。三是客户壁垒,出于产量和品质等因素考虑,下游优质客户通常与头部负极材料企业建立合作关系,且由于客户在产品选择上十分谨慎,材料进入供应体系后不会随意替换,客户粘性高,因此行业客户壁垒较高。

 

行业壁垒较高,叠加龙头企业话语权优势,负极材料行业集中度较高。根据高工锂电数据,我国负极材料行业集中度CR6由2020年的50%,提升至2021年的80%,市场集中度提升较快。

 

3. 石墨类负极材料仍是当下主流,硅基材料未来应用潜力较大

 

石墨类负极材料综合优势明显,是当下甚至更长时间段内锂电池负极材料的主流。根据高工锂电数据,2022年,石墨类负极材料市场占有率约98%,尤其是人造石墨负极材料,其市场份额达到了约80%。

 

相对于石墨类材料,硅基负极材料理论容量更高,是极具应用潜力的新型负极材料。但由于技术成熟度以及与负极其他材料的匹配问题,目前硅基材料尚未大规模应用。随着新能源汽车对续航能力要求的不断提高,锂电池负极材料也在向着高比容量方向发展,硅基负极材料的研发和导入有望加速进行。

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