固态细分 · 硅碳负极：破解全固态电池能量密度的最终答案（鹿山新材 璞泰来 杉杉股份 贝特瑞 祥丰华）
摘要要点：
1、硅碳体积膨胀率高，需要使用PAA粘结剂控制膨胀：鹿山新材
2、气相沉积（CVD）降本：璞泰来
3、多孔碳骨架结构设计创新：杉杉股份，贝特瑞，璞泰来
4、PAA粘结剂和多孔碳骨架重要性：可有效控制锂电池树枝状结晶（析锂、锂枝晶）现象，防止过热风险
一、负极材料核心类型与技术特点
1. 石墨类负极
天然石墨：
特点：理论比容量340–370 mAh/g，成本低，但首次效率低（~80%），溶剂共嵌入易导致层状结构剥离。
应用：消费电子（3C领域为主）。
人造石墨：
特点：通过石油焦/针状焦高温石墨化（2800℃）制成，结构均匀，循环寿命>2000次，首次效率>90%。
应用：动力电池（占负极市场70%以上）。
2. 硅基负极
技术路线：
硅碳负极：纳米硅颗粒包裹于碳基质中，容量400–600 mAh/g，体积膨胀率降至30%（纯硅为300%）。
硅氧负极（SiOx）：氧化亚硅复合石墨，容量450–500 mAh/g，体积膨胀<50%，循环性能更优。
优势：理论比容量4200 mAh/g（石墨的10倍），快充性能好，资源丰富。
二、生产工艺流程与核心工艺
1. 人造石墨制备
原料破碎-->机械磨粉-->造粒包覆--> 高温石墨化--> 筛分整形
核心工艺：
粉碎：原料焦破碎至适合后续工艺的粒径。
造粒：将二次颗粒进一步细化，形成均匀的细粉（6-10μm）。
石墨化：碳原子转化为有序的石墨晶体结构。
2. 硅基负极核心工艺
硅源→热分解→无定型纳米硅+多孔碳骨架→气相沉积硅碳→CVD炉碳包覆
核心工艺：
硅纳米化：球磨法/超声分散法制备纳米硅颗粒（<100nm）。
复合包覆：CVD法碳包覆、石墨烯掺杂抑制体积膨胀。
结构设计：多孔硅、核壳结构提升导电性。
三、主要厂商与供应格局
2025年全球头部企业布局
注：中国负极产能占全球70%以上，海外扩产加速（如贝特瑞印尼基地）。
主要厂商：
四、硅碳负极技术难点与突破方向
核心挑战
1.体积膨胀率高
硅在充放电过程中膨胀率超300%，导致颗粒粉化、电极结构破坏，循环寿命骤降。
高硅含量（＞15%）应用时膨胀问题更突出，限制能量密度提升，导致目前技术硅含量10%以下。
2. 首次库伦效率（ICE）低
硅表面SEI膜反复破裂再生，消耗大量锂离子，首效仅70%~85%（石墨＞95%），降低电池实际容量。
3. 成本居高不下
CVD法硅碳负极价格约50万元/吨（人造石墨仅2万/吨），主要因多孔碳（树脂基达50万/吨）和硅烷（10万/吨）成本高。
设备投资大（百公斤级CVD反应器尚未量产）及工艺复杂（如流化床放大困难，且硅烷高毒高爆易出事）进一步推高成本。
4. 配套材料不成熟
现有粘结剂、电解液无法适配硅碳负极的高膨胀特性，需开发专用辅助材料。
2025年硅碳负极创新方向
1. 结构设计创新
多孔碳骨架+CVD沉积——在多孔碳孔隙内沉积纳米硅（5-10nm），利用孔隙缓冲膨胀。
案例：杉杉科技球形硅碳产品耐压性提升3-5倍，表面褶皱结构增强电解液浸润；贝特瑞第六代硅碳产品通过此技术将膨胀率压缩至<20%，循环寿命突破1000次大关，首效＞90%。
核壳/梯度包覆结构
案例：华东理工大学的“硅核+碳纳米纤维壳”结构，300次循环后容量保持率77%→86%，逼近石墨水平（95%）。
2. 工艺优化
气相沉积（CVD）主流化：
璞泰来通过单炉产能提升（20kg→100kg）和国产设备降本，成本压缩至22万元/吨。例如：贝特瑞（5000吨/年）、璞泰来（2025年投产1.2万吨）。
预锂化技术：
氟化锂-草酸锂复合SEI膜技术将首次库伦效率从75%提升至88%，逼近石墨水平（95%），并降低界面阻抗50%。
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3. 材料性能突破
4. 降本路径明确
硅烷气价格跳水：从24万元/吨（2023年）降至7-10万元/吨（2025年）
多孔碳成本大降：生物质基多孔碳价格降至3-15万元/吨（原树脂基高达50万元/吨）
设备国产化：100kg级流化床量产，良率升至95%，设备折旧成本降40%。
五、价格动态与成本结构
成本分析：
人造石墨：原材料（焦类）占比50%，石墨化加工费0.87万元/吨。
硅基负极：纳米硅粉成本占比超60%，规模化生产后成本有望降30%。
六、未来格局：石墨与硅碳的共生时代
尽局管硅碳负极优势显著，专家预测未来将形成“石墨保基本盘，硅碳攻高端” 的互补格局：
石墨负极：凭借1.6万元/吨的成本优势和6000次循环寿命，仍主导中低端市场
硅碳负极：以10倍能量密度、快充性能提升30%、低温适应性增强15-20% 三大优势，锁定高端市场
中国科学院院士欧阳明高明确指出：“当前全固态电池的技术路线，要聚焦以硫化物电解质为主体，匹配高镍三元正极和硅碳负极的技术路线。”据预测，到2027年全球硅碳负极材料市场规模将达600亿元，2030年需求量将达到16.23万吨。
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$鹿山新材(SH603051)$ $璞泰来(SH603659)$ $翔丰华(SZ300890)$
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