新技术系列专题Ⅱ——负极的技术进步都有哪些？长江证券研究所电力设备与新能源研究小组2022-07-0601硅碳：能量密度提升的利器02快充：产业趋势明朗的升级03软硬碳：钠离子引发的变化目录•证券研究报告•评级看好维持图：负极材料技术路线演绎资料来源：鑫椤资讯，GGII，长江证券研究所人造石墨硅碳负极掺锂/锂金属天然石墨当前阶段：人造替代天然软碳/硬碳未来2-3年起硅碳开始产业化应用影响较小，材料变化不大硅碳=90-95%的人造石墨+5-10%的硅未来5-10年起固态为锂金属（锂含量提升）影响较大，但周期漫长未来2-3年起钠离子电池影响较小，钠离子应用范围有限01技术路线：人造天然之争，到硅碳、软硬碳变化➢负极材料在5-10年的技术路线变化为天然石墨-人造石墨-硅碳负极（钠离子为硬碳），材料体系变化不大，且迭代稳步推进；➢固态电池（10年后）会导致负极中锂含量提升，与现有材料体系有较大的差别，因而存在远期产品形态的变革。01硅碳：能量密度提升的利器性能优势：石墨掺硅能带来比容量的显著提升01图：不同掺硅比例对应比容量不同（mAh/g）资料来源：《锂离子电池硅碳负极材料的制备及电化学性能研究》郑典模，长江证券研究所图：石墨负极与硅负极的比容量对比资料来源：中国粉体网，《锂电池硅碳负极材料的研究进展》张成鹏，长江证券研究所➢负极的比容量反应的是储锂电能力，石墨负极上限为372mAh/kg，而硅定理论比容量达到4200mAh/g，但由于硅负极存在的膨胀性问题，目前产业内最佳的策略是制备硅碳混合掺杂负极材料，因而硅碳负极的比容量提升是循序渐进的。➢掺杂的硅负极有硅碳、硅氧两种路线，硅碳即单质硅为基体再与碳材料复合，硅的添加比例在1-5%左右，优点在于容量及首充效率高，但循环性能较差；硅氧将纯硅和二氧化硅合成一氧化硅制备负极材料，牺牲了一定容量提升循环性能，但首充效率低。30050070090011001300石墨10%硅碳负极15%硅碳负极20%硅碳负极30%硅碳负极40%硅碳负极LiC6—372mAh/gLi15Si4—4200mAh/g约为C比容量的10倍技术路径：硅氧相对易产业化，硅碳负极逐步推进01图：硅氧材料储锂过程示意图资料来源：《高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展》谭毅，长江证券研究所表：硅氧&硅碳材料性能对比情况资料来源：长江证券研究所➢硅氧负极因循环及比容量优势率先产业化应用：硅氧负极主要指氧化亚硅SiOx材料，储锂过程中生成纳米Si、Li2O及锂硅酸盐，生成的Li2O及锂硅酸盐主要抑制纳米Si颗粒发生团聚,起到缓冲体积膨胀的作用，故而循环性能优异，同时生成的Si也提高了材料的比容量，但由于Li2O的不可逆锂损失也使得硅氧材料的首效较低，目前杉杉，贝特瑞，特斯拉等率先使用的也是硅氧材料。➢硅碳负极突破循环限制后将加速追赶：硅碳材料具有首效及比容量高的优势，但是膨胀性问题使得其循环寿命500-600圈，无法达到1000圈的动力电池要求，未来随着包覆技术的改进，循环性能改善后硅碳材料将加速追赶。材料储锂机制优势劣势硅碳材料Si单质与锂合金化达到储锂效果比容量高：Si理论4200mAh/g，掺混后比容量也较高首效相对较高：储锂过程中Li为可逆容量循环差：膨胀性问题造成循环性能差500-600圈硅氧材料SiOx+Li->Si+Li2O+锂硅酸盐Si单质再与锂合金化形成可逆容量Li2O为不可逆容量比容量有提升：Si带来的比容量提升，500-600mAh/g循环性能较好：Li2O有效缓解了膨胀性问题首效低：Li2O增加了不可逆锂消耗技术路径：传统球磨法，新工艺看PVD、CVD产业化01图：PVD可以分为镀料气化、迁移及沉积三部分资料来源：《非晶态纳米硅粉制备方法综述》王腾辉，长江证券研究所表：PVD、CVD及球磨法对比情况资料来源：中国粉体网，《非晶态纳米硅粉制备方法综述》王腾辉，长江证券研究所➢硅碳负极材料制备工艺复杂，由于材料膨胀性问题，需要将硅粉做到球状、高纯度、粒径小、分散度高的纳米级，制备方法包括球磨法、CVD（化学气相沉积法）以及PVD法（物理气相沉积法）。目前主流的方法为球磨法，CVD与PVD处于送样阶段。制备方法原理工艺特点优势劣势产业化进度球磨法利用机械旋转以及粒子之间的相互作用产生的机械碾压力和剪切力将材料研磨成微米甚至纳米级粉末成本低、操作简单、满足工业化大量生产成品一致性较差、杂质含量较高、有团聚效应且形貌粒度范围难以控制最常用CVD等离子增强化学气相沉积法(PECVD)借助辉光放电使硅烷(SiH4)发生电离，然后在基片上沉积形成纳米硅粉通过调节工艺参数，可以控制硅粉颗粒粒径在10~200nm不等尺寸可以达到50nm以下，颗粒尺寸稳定性好，反应基本温度低，沉积速率快，已经实现量产原料SiH4是易燃易爆气体，运输和生产过程中存在很大安全隐患；其次，规模生产设备投资大、成本高，生产过程中伴随强辐射、溢出的金属蒸汽粉尘等对人体有害，产生的有害废气难以处理。量产激光诱导化学气相沉积法(LICVD)高能激光照射SiH4气体，诱发SiH4解离，硅源随后进行重新形核和长大，控制相关反应条件可以得到不同尺寸的纳米硅粉迅速升温和快速冷却，使得纳米级的Si颗粒来不及长大，可以获得极小尺寸(10nm以下)的纳米硅颗粒容易制备出10nm以下的非晶和晶态纳米粒子，且粒度分布均匀、无污染、无粘结一些原理问题尚无确切结论，还集中在小批量生产小批量生产流化床法SiH4以一定流苏通入流化设备，在催化剂作用下在流化床中反应形成纳米级硅粉通过控制硅颗粒在反应器中的停留时间可以控制颗粒的粒度产量高、产物颗粒小一次转化率低、返混严重，生产中催化剂颗粒和仪器设备磨损严重，对催化剂强度有很大的要求发展现状：硅碳渗透率1%-2%，仍处于起步阶段01图：硅碳负极目前渗透率仍偏低（万吨）资料来源：GGII，长江证券研究所图：负极出货结构中硅碳负极占比偏低资料来源：鑫椤资讯，长江证券研究所➢负极分技术路线来看，人造石墨仍然为主流负极产品，2020-2021年渗透率达到82%-85%；其次是天然石墨，占比约14%；➢硅碳负极方面，根据GGII数据，2021年硅碳负极出货约1.1万吨，相比于负极74万吨出货量，目前渗透率仍只有1.5%，横向来看2018-2021年硅碳负极出货量CAGR达61.7%，但渗透率仍处于1-2%区间内。1%1%2%1%0.0%0.5%1.0%1.5%2.0%2.5%0.00.20.40.60.81.01.22018201920202021硅碳负极产量渗透率0.6%0.3%0.4%0.4%1.0%0.8%1.9%1.5%0%20%40%60%80%100%2014A2015A2016A2017A2018A2019A2020A2021A天然石墨人造石墨硅碳负极其他石墨瓶颈因素Ⅰ：膨胀性是产业化进程缓慢的重要原因01表：硅碳负极产业化难题资料来源：《锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展》周军华，长江证券研究所图：硅碳负极产业难题及解决方法资料来源：《锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展》周军华，长江证券研究所➢膨胀性问题是硅碳负极大范围应用的最大阻碍，同时膨胀性带来的巨大体积变化，一方面使得电极内部应力积累，造成电极粉化，降低电池的循环性能以及安全性，另一方面体积变化也使得负极的SEI膜需要反复形成，损失活性锂源，降低首次库伦效率。➢目前产业内主要通过纳米化、碳包覆、金属掺杂等方式来改善硅碳负极的膨胀性问题，同时硅氧负极也能够在一定程度上改善硅的膨胀性，但是离达到产业化标准还有一段距离。问题描述及后果电化学性能影响体积膨胀充放电嵌锂过程中，硅基总体积变化与嵌锂量近似线性关系，在带来高理论比容量的同时（4200mA·h/g），也造成了巨大的体积变化（约300%）循环性能以及首次库伦效率应力积累和裂纹的产生硅负极巨大的体积变化诱发电极内部应力积累，产生裂纹，导致电极粉化，活性材料与集流体分离，性能衰减循环性能以及安全性不稳定SEI膜硅负极巨大的体积效应还会导致界面的不稳定性，造成SEI的持续生长，损失活性锂源，降低库仑效率首次库伦效率以及安全性硅导电性较差硅导电性不如碳影响倍率性能，但高容量弥补了导电性的不足瓶颈因素Ⅰ：圆柱应力较小，4680加速硅碳应用01图：不同电池在负极膨胀时受力图资料来源：未来智库，长江证券研究所图：特斯拉推出4680，提高圆柱电池竞争力资料来源：特斯拉，长江证券研究所➢硅碳负极最先应用于圆柱，因圆柱采用极片绕中心轴卷绕的封装方式，壳体在负极膨胀时各方向膨胀受力均匀，有助于保证电池内部构造稳定；软包、方形电池由于壳体以及堆叠方式的原因，在硅碳负极发生膨胀时容易出现在R角处易形成应力堆积，造成局部褶皱破损。➢特斯拉于2020年提出4680方案，较2170有明显升级，有望推动圆柱电池份额回升，进而加速硅碳负极的应用进度。瓶颈因素Ⅱ：首次容量损失，补锂弥补缺陷01图：负极首次效率降低本质上是副反应和锂的残余资料来源：田孟羽《锂离子电池补锂技术》，长江证券研究所图：主流补锂逐步进入产业化阶段➢硅碳负极的第二个瓶颈是首次效率较低，首充效率低主要是硅的膨胀性导致的，一方面可以通过纳米化等方式降低硅碳负极的膨胀性，进而减少活性锂损失，提高首充效率；另一方面可以通过正极或者负极补锂的技术，来补偿损失的活性锂，提升硅碳负极首充效率。瓶颈因素Ⅲ：硅碳有溢价，但单耗摊薄降低成本01➢硅碳负极有溢价，能量密度提升有望摊薄度电成本：硅基负极纯品价格差异较大，少则15-20万元，多则数十万元；考虑混品后的售价相比人造石墨负极仍存在单吨6-8万元溢价，但是硅碳负极带来的能量密度的提升能在在电池材料的用量上带来摊薄效应，未来考虑硅碳负极均价下降后，硅碳负极电池的度电成本有望实现性价比。图：石墨、硅碳负极的价格对比（万元/吨）资料来源：鑫椤资讯，公司公告，长江证券研究所注：公司数据为2021年数据图：应用硅碳后，能量密度提升、单耗下降资料来源：鑫椤资讯，长江证券研究所注：度电成本单位元/kWh图：各电池体系负极及其他材料度电成本变化资料来源：鑫椤资讯，GGII，长江证券研究所注：隔膜为平/kWh，其余为kg/kWh0246810125%硅碳掺杂10%硅碳掺杂璞泰来杉杉股份贝特瑞中科星城2002503003504006系高电压+人造石墨8系+人造石墨8系+硅碳9系+硅碳8608809009209409609800204060806系高电压+人造石墨8系+人造石墨8系+硅碳9系+硅碳负极材料度电成本（左）其他材料度电成本（右）瓶颈因素Ⅲ：硅碳有溢价，但单耗摊薄降低成本01➢高镍+硅碳负极带来的电池能量密度大幅提升，带动其他材料成本摊薄效应明显，以2022年6月资源价格估算，811高镍+硅碳负极电池度电成本为913元/KWh，高出811+人造负极度电成本23元，考虑未来硅碳负极售价下降后，硅碳负极电池仍有望实现度电性价比优势。高镍+硅碳方案的成本测算NCM811NCM811+硅碳参数正极克容量克容量电压单耗克容量电压单耗1973.71.462003.71.44负极克容量克容量电压单耗克容量电压单耗3503.71.05503.70.6电芯能量密度580700单位：元/kg单耗单价度电成本单耗单价度电成本正极锂盐0.64452.5289.10.63452.5284.5硫酸镍3.3642.3142.03.3142.3139.9硫酸钴0.3080.023.70.2980.023.3硫酸锰0.207.41.50.207.41.5磷酸其他成本1.4620.029.31.420.028.8正极毛利1.4640.058.61.440.057.7正极1.46371.7544.11.4371.5535.7PVDF0.02835.019.60.02835.019.3负极1.040.039.10.6106.037.4隔膜涂覆14.301.825.712.101.821.8电解液1.0590.094.90.9190.081.9铜箔0.60117.870.70.51117.859.8结构件42.236.4其他材料19.116.5非折旧制造费用27.723.9折旧成本投资额元/KWh20020.0元/KWh20020.0产能利用率%100%%100%折旧年限1010人工成本28.624.2模组制造成本23.820.2直通率+良率95%90%模组成本合计-含税1005.81032.1模组成本合计-不含税890.1913.3资料来源：亚洲金属网，长江证券研究所产业化进度：圆柱先行，方形加速追赶01表：车厂、电池厂在硅基负极上的进度资料来源：高工锂电，易车网，Wind，长江证券研究所车企车型时间线具体内容特斯拉/松下2017年特斯拉采用的是松下21700电池，负极材料是人造石墨中加入10%的硅基材料（氧化亚硅），其容量在550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg广汽2021年广汽发布使用海绵硅负极电池技术的单体电芯，电芯能量密度超过280Wh／Kg，续航里程超1000Km，搭载该电池的广汽埃安LX将于年内量产蔚来预计2021年底2021年1月，蔚来推出150kWh电池包，搭载该固态电池包的蔚来ES8续航里程将达到730公里，最高续航里程达到910公里，2022年4季度开始交付，其中负极采用均质包覆、无机预锂化硅碳复合负极材料智己2022年智己L7在续航方面全系标配93kWh电池，续航里程达到615km，高配选用118kWh电池，并采用掺硅补锂技术，可实现单体300Wh/kg能量密度，NEDC近1000km的续航，L7预计2022年上半年交付，硅碳负极电池预计未来5年陆续推向市场奔驰2025年2025年，奔驰将在G-Class车型中采用新一代高能量密度电池，通过使用硅基负极，能量密度比目前石墨负极电池高20%-40%，电池由宁德时代提供，负极材料来自美国加州初创公司SilaNano松下2017年特斯拉采用的是松下21700电池，负极材料是人造石墨中加入10%的硅基材料（氧化亚硅），其容量在550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg三星SDI2021-2024年2021年计划推出第二代含硅量7%的电池硅基负极，预计2024年发布第三代硅含量为10%的电池宁德时代2021年2020年与智己共同开发“掺硅补锂电芯”技术；2021年或供货蔚来150kWh固态电池，该电池使用无机预锂化工艺的硅碳负极比亚迪2022年2022年战略投资道氏技术60亿加码硅碳负极材料项目；同时表示拥有技术储备，使用硅基材料作为固态电池的负极，能量密度预计能达到400Wh/kg国轩高科2021年2021年1月，国轩高科正式发布能量密度为210Wh/kg的软包磷酸铁锂电芯，并声称在磷酸铁锂化学体系中首次成功地应用了硅负极材料力神电池2017年2017年承担国家项目“高比能量密度锂离子动力电池开发与产业化技术攻关”，开发完成能量密度达260Wh/kg的动力单体电池，350次循环后容量保持率达83.28%，该款电池使用硅碳复合材料➢在硅基方案的产业化应用上，特斯拉+松下是最早实现大规模量产的，得益于圆柱路线的优势；不过方形硅基方案的配套上车，也在稳步推进，预计在2022年前后有望实现；而在车企中长期规划中，硅基方案会作为重要的考量。产业化进度：贝特瑞领先，优质负极企业积极跟进01➢负极厂：主流负极厂如贝特瑞，杉杉股份，璞泰来，中科星城等均有硅碳负极技术储备，产能方面贝特瑞目前拥有硅基负极产能3000吨/年，杉杉璞泰来进展较快，均实现年千吨级别出货，其他材料厂也纷纷布局硅碳负极产能。表：材料厂硅基负极布局情况资料来源：公司公告，高工锂电，易车网，长江证券研究所公司概要时间点具体进展贝特瑞研发2010.5早在2010年5月，即有相关发明专利《锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法》2020年突破至第三代产品，比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1,500mAh/g，且正在开发更高容量的第四代硅碳负极材料产品已完成多款氧化亚硅产品的技术开发和量产工作，部分产品的比容量达到1,600mAh/g以上产能2020年2017年惠州贝特瑞扩建年产3000吨硅碳负极材料，项目已完工2022年计划2023年底建成1.5万吨硅基产能；2024年底建成4万吨硅基产能出货2013年2013年实现批量出货，已实现了对部分核心客户的大批量供货2017年2017年出货1000吨，已有部分国外客户使用其S1000型号硅碳负极材料的比容量高达1050mAh/g2020年2019年，公司硅基负极材料出货量国内领先上海杉杉研发2009年硅碳负极研发始于2009年，完成大多数客户认证，2021年完成百吨级出货，预计2023年动力电池上量产业化2022年2022-2025年期间建设4万吨硅基负极材料一体化基地项目璞泰来研发2014年着手推进硅碳负极在关键工艺特性的技术突破，与相关单位签署了硅碳专利合作和使用授权，重点推进硅碳、硅氧的研发和产业化产业化2014年与中科院物理所合作量产新型硅碳复合负极材料，加强硅碳试验基地建设，加快SiO/C和Si/C的研制和市场应用推广等工作2022年已完成第二代硅基负极产品研发中科电气产业化2022年硅基负极材料完成小试，处于中试阶段翔丰华产业化2022年开发的硅碳负极材料产品处于中试阶段，已具备产业化条件02快充：产业趋势明朗的升级技术原理：负极锂离子嵌入速率影响倍率性能02资料来源：汽车学堂，长江证券研究所➢充电过程为活性锂离子从通过电解液电子通过外电路正极向负极转移，快充即是加快锂离子的转移速度，一般通过加大电流密度的方式实现，但当加大电流带来的锂离子的转移速度高于负极锂离子内嵌速度时，便会在负极表面出现锂堆积的情况，进而造成电池短路，所以负极与电解质界面处以及负极颗粒中的固相扩散速度对快充性能影响较大。技术原理：实现快充核心解决容量保持、散热问题02图：快充速度越高电池容量保持率越低资料来源：璞泰来专利，长江证券研究所图：锂枝晶问题可能造成严重安全隐患资料来源：长江证券研究所➢容量保持率低&高温：加大电流后锂离子嵌入速度加快，当锂离子嵌入速度大于材料传递速度时，锂离子便会在负极表面形成锂金属，一方面会造成嵌入石墨中的锂离子减少，造成电池容量保持率低，另一方面锂枝晶存在刺破隔膜的可能，造成严重安全问题，同时电流加大后也会造成温度上升过快。➢材料创新&热管理：材料体系创新包括石墨负极的性能改进以及硅碳负极、电解液等电池体系的改进，主要是为了改善电池容量保持率降低的问题，同时由于温度过高，对于电池的热管理系统也需要创新。20%30%40%50%60%70%80%90%100%0.2C0.5C1C2C5C案例1案例2案例3案例4案例5材料革新Ⅰ：包覆碳化&元素掺杂实现快充性能提升图：过量强碱会破坏结构降低倍率性能资料来源：《锂离子电池快充石墨负极材料的研究进展及评价方法》孙方静，长江证券研究所图表：包覆以及元素掺杂对快充性能提升明显资料来源：《锂离子电池快充石墨负极材料的研究进展及评价方法》孙方静，长江证券研究所➢石墨材料为二维层状结构，锂离子必须从材料的端面嵌入，导致扩散路径较长，改善石墨负极快充性能的方案包括：1）孔隙结构：通过如强碱在石墨表面刻蚀产生纳米孔隙增加扩散路径，但难度较大，容易破坏晶体结构；2）表面包覆（即碳化）：软硬碳的层间距离比石墨稍大，通过在石墨表层包覆一层无定形碳或者其它碳材料改善石墨倍率性能；3）元素掺杂：通过加入B、S等改善石墨的电子状态，使其更容易得电子，进一步增加锂离子的嵌入量。样品不同倍率下的方电比容量（mAh/g）保持率%(5C/1C)0.1C0.2C0.5C1C2C5C原始石墨34234032628820410230包覆石墨-2034935034832026215544包覆石墨-7635835535335031523566包覆石墨-14535735635435034127878包覆石墨-1963613613573553482988302材料革新Ⅰ：碳化为生产快充负极必备工序之一02➢碳化：主要是指将碳前驱体负载在石墨等结晶度高的碳材料表面，使其包覆上一层无定形碳层通过在石墨表层包覆一层无定形碳或者其它碳材料改善石墨倍率性能。碳化过程一般位于石墨化前后，主要在碳化炉中升温实现，产能建造难度不大，碳化产能在一定程度上能够反应负极厂快充产品占比，目前璞泰来碳化产能相对领先，杉杉贝特瑞等也在加速扩张。图：碳包覆方法情况资料来源：公司公告，长江证券研究所图：璞泰来碳化产能自供率接近70%（万吨）资料来源：公司公告，长江证券研究所表：主流负极厂碳化产能情况资料来源：公司公告，长江证券研究所28%17%50%79%67%0%20%40%60%80%100%051015202017A2018A2019A2020A2021A炭化产能整体产能炭化占比负极厂碳化产能描述璞泰来公司已经形成年产15万吨以上的负极材料有效产能，其中包括11万吨石墨化加工及10万吨碳化加工配套产能杉杉股份公司负极有七大生产基地，完整涵盖了原料粉粹、造粒、石墨化、碳化、成品加工等全部工序中科电气向贵州中科星城增加投资不超过13亿元，其中不超过3亿元用于将现有负极材料产线部分工序产能进行完善，提高碳化、造粒等工序的配置率材料革新Ⅰ：4C以上快充或需要应用液相包覆工艺表：碳包覆方法情况资料来源：公司公告，长江证券研究所图：液相包覆倍率性能以及容量保持比机械混合更好资料来源：杉杉股份专利，长江证券研究所➢包覆决定了负极快充的性能，存在一定know-how：包覆为碳化前置步骤，主要目的是将包覆剂以及基料充分混合，难点在于如何选择包覆剂以及采用何种方式包覆，以便碳化过程中能够充分包覆。包覆剂各家负极厂不同，而包覆方式来看液相包覆兼具性能及成本优势。➢液相包覆：相较于CVD法更易产业化，相较于机械研磨法包覆更均匀，拥有更好的快充容量以及首次效率。液相包覆难点在于包覆时溶剂以及包覆剂配方，包覆后碳化高温煅烧后如何解决团聚问题，目前杉杉股份液相包覆技术较为领先，3C、5C产品在数码端实现批量导入，其他负极厂同样拥有相关技术储备。包覆方法描述缺点CVD通过含碳气体分子高温裂解后沉积在基体表面的方式进行无定形炭包覆。一般在700-1000℃的温度下进行难度较大，难以大规模使用机械研磨VC将固态沥青等包覆前驱体和石墨粉料进行球磨混合均匀，然后进行热处理得到包覆产品无法形成充分包覆层液相包覆在液相环境下将包覆前驱体和石墨粉进行包覆后干燥，在高温环境下进行烧制包覆后热处理容易团聚，破碎容易破坏已经形成的包覆层93.9%93.6%93.2%94.1%94.4%94.7%93.5%91.0%87.3%89.8%60.6%80.2%0%20%40%60%80%100%0100200300400液相包覆1液相包覆2液相包覆3液相包覆4机械混合1机械混合20.1C可逆容量（mAh/g）10C可逆容量（mAh/g）初始效率%10C可逆容量%（相比于0.1C）02材料革新Ⅱ：天然人造混合方案亦可提高快充性能图：宁德时代天然人造混合方案资料来源：专利网，长江证券研究所图：杉杉股份天然人造混合方案资料来源：专利网，长江证券研究所➢宁德时代采用“天然+人造“方案实现3C快充：从专利内容上看，宁德时代将天然石墨设置在负极集流体上，将人造石墨覆盖在天然石墨上达到快充效果，天然负极：人造负极质量比在0.7-0.9之间，倍率性能上看电池支持3C快充，容量保持率在90%以上。➢杉杉天然人造混合方案支持2C以上快充：杉杉将人造天然石墨混合后石墨化碳化处理得到复合石墨负极，人造石墨：天然石墨质量比在5:5-7:3之间，复合材料兼顾低膨胀及2C以上快充性能。02材料革新Ⅲ：硅碳高理论容量带来优异的倍率性能02图：倍率性能描述资料来源：《Stablehigh-capacityandhigh-ratesilicon-basedlithiumbatteryanodesupontwo-dimensionalcovalentencapsulation》，长江证券研究所图：石墨&硅负极倍率性能对比资料来源：《Stablehigh-capacityandhigh-ratesilicon-basedlithiumbatteryanodesupontwo-dimensionalcovalentencapsulation》XiaohaoZhang，长江证券研究所➢xC是个相对概念，与材料比容量相关，石墨比容量以360mAh/g来算，对应0.1C的电流密度就是36mA/g，10C电流达到360mA/g,随着电流密度的提升，部分锂没办法及时嵌入，所以造成可逆容量下降，理论比容量的上限限制了石墨负极在更高倍率下充电。➢硅碳负极倍率性能理论上要好于石墨。硅碳负极理论比容量在4200mAh/g，在20A/g的电流密度下实际比容量在812mAh/g，对应倍率性能为25C，超高的理论比容量使得硅碳负极的倍率性能优于石墨负极。热管理：麒麟、4680无极耳推出，加速快充落地02图：麒麟电池方案电池包换热面积扩大4倍资料来源：宁德时代官网，长江证券研究所表：部分电池厂关于4C快充路线的布局资料来源：世界动力电池大会，LatePost，长江证券研究所➢宁德时代2022年发布麒麟电池，其中最大的变化是水冷板设计从底部调整为电芯最大面积侧的冷却，进而使得换热面积增加了4倍；特斯拉4680电池的无极耳工艺提高了电芯散热能力，蛇形管冷却+顶部水冷的方案，也有助于快充的导入。➢从电池厂4C快充的产业化进程看，宁德时代宣布采用麒麟电池方案在2023年上市，欣旺达、孚能科技也有积极的规划。电池厂快充进展宁德时代世界动力电池大会，麒麟电池加强冷却极大缓解快充发热，进而能够实现4C快充，明年就将上市欣旺达根据晚点LatePost报道，小鹏汽车G9部分车型使用欣旺达生产的4C动力电池孚能科技世界动力电池大会，孚能科技的800VTC（超充超压）技术平台产品充电倍率达到2.2C-4C产业化进度：车企聚焦800V方案，加速快充迭代表：国内外车企快充技术布局进展情况资料来源：易车网，长江证券研究所➢国内外车企纷纷推出支持快充技术的车型，不同企业间快充技术的方案各有差异，如广汽推出石墨烯超级技术，规划推出6C—500km、3C—500km两个版本的快充电池，2021年9月首次搭载在广汽埃安AIONV上，而保时捷采用硅负极方案提高快充性能。02品牌车型上市/拟上市时间充电电压（V）快充口最大功率（kW）蔚来ES72022400480小鹏G92022800480路特斯Eletre2023800420北汽极狐αS华为HI版2022800187奥迪RSe-tronGT2021800270Polstar极星Polstar52024800475长城沙龙机甲龙2021800480比亚迪-2021800极氪-2022800360岚图-2022800350上汽飞凡R72022400比亚迪唐EV2022170长安阿维塔112022750240威马M72022322>150宝马i72022400195合众哪吒S2022240产业化进度：800V方案同样要求负极倍率提升图：以小米120W快充为例介绍快充电压与电流的关系资料来源：小米发布会，长江证券研究所➢提高电池充电速度可以简单理解为提升充电功率，而根据P=UI，提升的方法无非提高电压或者提高电流。对于动力电池，快充实质上是增加电芯充电电流，而随着电池容量的提升，导致电芯数量增加，如果继续使用主流的400V平台，电芯并联数量增加，导致母线电流增加，对铜线规格、热管理会带来挑战，此时800V可以将主路电流压力降低一半，进而实现提高充电功率的目标。➢对于单个电芯材料来说，倍率性能更多的还是聚焦材料本身。02电池电池10V12A高电压小电流（指主路）10V12A：类似800V系统主路电流：12A电池电池5V12A高电压小电流（指主路）5V24A：类似400V系统主路电流：24A受益方向：碳化、液相包覆、硅碳负极相关企业图：快充对负极企业的影响分析资料来源：长江证券研究所➢快充的技术进步对负极材料而言是价值量、壁垒的提升，将有助于优秀的头部企业。我们梳理受益的逻辑有三：1）有碳化产能储备的企业，在产业趋势确立时有望率先受益；2）石墨负极快充需要先进包覆工艺，带来技术壁垒；3）硅碳对快充性能的提升。02快充碳化液相包覆硅碳快充需求加速释放有利于碳化自供率高的企业4C以上快充负极具备配方、工艺技术壁垒容量优势带来更高的快充潜力，有利于硅碳领先企业03软硬碳：钠离子引发的变化软硬碳：钠离子电池负极理想材料03图：钠离子嵌入硬碳的结构模型资料来源：《钠离子电池正、负极材料研究进展》丁玉寅，长江证券研究所表：主流厂商使用硬碳材料作为钠电池负极材料资料来源：Carbontech，长江证券研究所➢锂离子电池负极材料不适用于钠离子电池：由于Na+半径较大，传统的石墨材料无法满足高储钠能力，石墨作为钠离子电池负极材料时，由于钠-石墨化合物热力学不稳定，形成的钠碳化合物仅提供31mAh/g的容量。➢软硬碳：无定型碳根据是否能被石墨化分为软硬碳，软碳（可石墨化）拥有短程有序的石墨化微晶结构利于插层储钠，优势在于价格低，安全性能好，但由于高电压平台使得电池能量密度低，同时存在可逆钠容量不足短板；硬碳（不可石墨化）得益于较大的层间距离和晶格缺陷，拥有更多可逆储钠点位，表现出较高的可逆容量、稳定的结构以及长的循环寿命，但倍率性能及首次效率较差，目前对硬碳的储钠机制仍有争议，主流厂商多使用硬碳材料作为钠电池负极材料。公司电池材料体系性能参数Faradion层状氧化物/硬碳/有机电解液140Wh/kg，80%深度循环寿命10000次Naiades氟磷酸钒钠/硬碳/有机电解液90Wh/kg，1C电流下循环4000次NatronEnergy普鲁士蓝水系电解液体系50Wh/L，2C电流下循环10000次中科海纳层状氧化物/无定型碳/有机电解液145Wh/kg，循环寿命2000次宁德时代普鲁士蓝化合物/硬碳160Wh/kg，4C快充，低温性能佳钠创新能源层状氧化物/硬碳/有机电解液120Wh/kg，循环寿命1000次软硬碳：制备工艺上不再需要石墨化过程图：无定形碳生产制备过程资料来源：孟庆施《钠离子电池无定形碳负极材料研究》，长江证券研究所图：一种硬碳材料生产流程资料来源：凯金能源专利书，长江证券研究所➢无定形碳通常由有机前驱体在500-1500℃温度下热解产生，无需石墨化过程，热解后的最终产物是硬碳还是软碳，主要取决于前驱体的性质。热固性前驱体（富氧或是缺氢），例如聚偏二氯乙烯、木材、纤维素、羊毛、酚醛树脂、棉花、糖类或环氧树脂等，在热解过程中发生固相碳化，容易形成硬碳。热塑性前驱体（富氢或者缺氧），例如聚氯乙烯、聚苯胺、石油化工原料及其下游产品（煤碳、沥青和石油焦等），在热解过程中发生熔融碳化，有机高分子发生重排，容易形成软碳。无需石墨化过程03软硬碳：中科海纳领先，主流负极厂均有技术储备表：主流负极厂软硬碳负极进展资料来源：公司公告，专利书，中国粉体网，长江证券研究所➢中科海纳是国内第一家专注于钠离子电池研发和生产的公司，可供应钠离子电池正负极材料与电解液。负极材料创新采用成本低廉的煤作为原材料得到储钠性能优异、性价比高的软碳负极材料，并获得专利授权。有消息称公司已经放弃了前述软碳材料，改用硬碳材料。➢从各大负极厂商的专利布局来看，主流负极厂均拥有软硬碳材料的研发及生产制造能力，目前软硬碳产业化进程多以客户送样测试为主。公司进展描述专利布局申请日期杉杉股份对钠离子电池的产业完成布局，可以为钠离子电池提供硬碳作为负极材料√2021.7/2021.12璞泰来2021年8月表示已积极进行钠离子电池产业的相关研发和布局工作√-贝特瑞中国宝安2021年8月表示下属子公司贝特瑞的硬碳、软碳产品可以应用于钠离子电池√-中科星城2021年9月表示具备钠离子电池负极材料的研发和制造能力√2015.12/2017.3翔丰华2021年7月公司开发了高性能硬碳负极材料，目前正在相关客户测试中√2021.12中科海纳2017年初完成正负极关键材料百公斤级放大生产，2019年已建成百吨级正、负极材料生产线和兆瓦时级产能的电池生产线，2020年9月钠离子电池产品实现量产√-03风险提示⚫动力电池装机低预期；⚫新技术产业化进度低预期。风险提示分析师及联系人分析师邬博华SAC执业证书编号：S0490514040001电话：8621-61118797电邮：wubh1@cjsc.com分析师马军SAC执业证书编号：S0490515070001电话：8621-61118720电邮：majun3@cjsc.com分析师叶之楠SAC执业证书编号：S0490520090003电话：8621-61118797电邮：yezn@cjsc.com分析师司鸿历SAC执业证书编号：S0490520080002电话：8621-61118797电邮：sihl@cjsc.com分析师杨骕SAC执业证书编号：S0490521010003电话：8621-61118797电邮：yangs@cjsc.com分析师曹海花SAC执业证书编号：S0490522030001电话：8621-61118797电邮：caohh@cjsc.com上海Add/浦东新区世纪大道1198号世纪汇广场一座29层P.C/200122武汉Add/武汉市新华路特8号11楼P.C/430015北京Add/西城区金融街33号通泰大厦15层P.C/100032深圳Add/深圳市福田区中心四路1号嘉里建设广场3期36楼P.C/518000办公地址更多研究服务，请访问长江研究小程序电脑端请访问https://research.95579.com/最新研报线上会议长江研究小程序专题精选活动报名分析师声明、评级说明及重要声明行业评级报告发布日后的12个月内行业股票指数的涨跌幅度相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：看好：相对表现优于同期相关证券市场代表性指数中性：相对表现与同期相关证券市场代表性指数持平看淡：相对表现弱于同期相关证券市场代表性指数公司评级报告发布日后的12个月内公司的涨跌幅相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：买入：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅大于10%增持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在5%～10%之间中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在-5%～5%之间减持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅小于-5%无投资评级：由于我们无法获取必要的资料，或者公司面临无法预见结果的重大不确定性事件，或者其他原因，致使我们无法给出明确的投资评级。相关证券市场代表性指数说明：A股市场以沪深300指数为基准；新三板市场以三板成指（针对协议转让标的）或三板做市指数（针对做市转让标的）为基准；香港市场以恒生指数为基准。重要声明长江证券股份有限公司具有证券投资咨询业务资格，经营证券业务许可证编号：10060000。本报告仅限中国大陆地区发行，仅供长江证券股份有限公司（以下简称：本公司）的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。本报告的信息均来源于公开资料，本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，也不保证所包含信息和建议不发生任何变更。本公司已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参考，不包含作者对证券价格涨跌或市场走势的确定性判断。报告中的信息或意见并不构成所述证券的买卖出价或征价，投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可升可跌，过往表现不应作为日后的表现依据；在不同时期，本公司可以发出其他与本报告所载信息不一致及有不同结论的报告；本报告所反映研究人员的不同观点、见解及分析方法，并不代表本公司或其他附属机构的立场；本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本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