1. 為什么硅負(fù)極是趨勢(shì)？

1.1. 為什么硅是能量密度的關(guān)鍵？

為了實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程，電動(dòng)汽車的電池需要存儲(chǔ)足夠的能量，同時(shí)又不能增加過(guò)多的重量，不能占用過(guò)多的空間，這就需要高能量密度。

負(fù)極從石墨體系到硅基負(fù)極將是未來(lái)的升級(jí)方向，產(chǎn)品升級(jí)促進(jìn)價(jià)值量提升。

石墨材料的理論克容量為372mAh/g（每6個(gè)碳原子嵌入1個(gè)鋰離子，形成LiC6結(jié)構(gòu)），目前高端產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到360-365mAh/g，接近理論容量，石墨負(fù)極材料逐步達(dá)到上限。因此需要更高能量密度的新材料來(lái)應(yīng)對(duì)需求。

其中，硅材料最能夠滿足人們更高能量密度的需求（形成Li22Si5，理論克容量為4200mAh/g）。未來(lái)隨著動(dòng)力電池能量密度要求的提高，硅碳負(fù)極搭配高鎳三元材料的體系成為發(fā)展趨勢(shì)。

未來(lái)兩年，隨著高鎳三元材料NCM811、NCA及其他配套材料的技術(shù)逐漸成熟，硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化即將到來(lái)。

1.2. 終端客戶逐步選擇硅負(fù)極方向

Tesla在2020年9月22日“電池日”明確計(jì)劃未來(lái)將采用硅負(fù)極，計(jì)劃采用冶金硅作為原料，通過(guò)離子導(dǎo)電高分子進(jìn)行涂覆、以及特殊膠粘劑（Binder）混合的形式，改善硅負(fù)極的性能。

Tesla對(duì)硅原材料進(jìn)行納米化和對(duì)應(yīng)的包覆方法來(lái)提升性能。對(duì)硅納米材料進(jìn)行包覆可以有效改善硅的碎裂和 SEI 膜失控生長(zhǎng)問(wèn)題。

蔚來(lái)在2021年1月9日NIO Day上發(fā)布150kWh 固態(tài)電池，該技術(shù)采用原位固化工藝的固液電解質(zhì)，確保電芯安全；使用無(wú)機(jī)預(yù)鋰化工藝的硅碳負(fù)極，配合納米級(jí)包覆工藝的超高鎳正極，可實(shí)現(xiàn) 50%的能量密度提升，達(dá)到360Wh/kg。

上汽集團(tuán)及浦東新區(qū)、阿里巴巴的“智己汽車”在2021年1月13日發(fā)布93kWh和115 kWh兩款大電池組，均利用摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)可實(shí)現(xiàn)20萬(wàn)公里電池?zé)o衰減，單體能量密度達(dá)到300wh/kg。

各家電池廠及車廠在下一代電池設(shè)計(jì)中都已經(jīng)在大規(guī)模使用硅，但硅存在一個(gè)尚未解決的根本問(wèn)題。

2. 為什么硅負(fù)極必須要配合碳納米管使用？

2.1. 硅的根本問(wèn)題是什么？

在電池充放電過(guò)程中，硅的體積會(huì)大幅膨脹（高達(dá)300％以上），進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫，從而發(fā)生硅負(fù)極顆?；?，硅負(fù)極材料顆粒之間連接斷裂，導(dǎo)致硅負(fù)極電池快速衰竭。這是阻礙硅在鋰電池中未能得到廣泛使用的核心原因。

2.2. 碳納米管是硅負(fù)極廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在

單壁碳納米管解決了硅負(fù)極在鋰電池應(yīng)用的根本性問(wèn)題。單壁碳納米管由于管良好的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高柔性、高長(zhǎng)徑比，以及在加入低劑量的情況下即可在材料內(nèi)部形成發(fā)達(dá)網(wǎng)絡(luò)的能力，在引入硅負(fù)極后可覆蓋硅顆粒表面并在硅顆粒之間建立高度導(dǎo)電和持久的連接。

單壁碳納米管使得硅顆粒之間的連接非常緊密、導(dǎo)電性好且牢固，即使發(fā)生硅負(fù)極顆粒體積膨脹并開(kāi)始分裂，這些顆粒仍可通過(guò)單壁碳納米管保持良好連接。

單壁碳納米管同時(shí)顯著加長(zhǎng)了硅負(fù)極的循環(huán)壽命。添加單壁碳納米管，高硅含量的電池可滿足循環(huán)壽命的要求。

單壁碳納米管可以制造出SiO含量為20％、600 mAh/g容量和1500循環(huán)的硅負(fù)極，基本足夠滿足高能量密度、高倍率性能、高性價(jià)比的新一代動(dòng)力電池，能量密度可超過(guò) 300Wh/kg 和 800Wh/l。

3. 碳納米管將受益電池“ 黑科技” 堆料

為了實(shí)現(xiàn)鋰電池導(dǎo)電劑主要在應(yīng)用正極材料及負(fù)極材料中，尤其是LFP，NCM及硅碳負(fù)極一般都需要配合導(dǎo)電劑尤其是CNT 導(dǎo)電劑使用。CNT導(dǎo)電劑對(duì)鋰電池綜合性能明顯提升，同時(shí) CNT 量產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大促進(jìn)成本逐步下行，在鋰電池中的性價(jià)比逐步體現(xiàn)，未來(lái)其滲透率將逐步提升。

預(yù)計(jì)未來(lái)3年CNT導(dǎo)電劑在動(dòng)力電池導(dǎo)電劑中的滲透率將超過(guò)65%，在3C消費(fèi)電池中的滲透率將超過(guò)28%，整體市場(chǎng)空間將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長(zhǎng)3倍以上。

3.1. 碳納米管在正極領(lǐng)域應(yīng)用將持續(xù)提升

正極領(lǐng)域，一般LFP摻配比例為1.0-1.5 w.t%，NCM及LCO 為0.5-1.0 w.t%，隨著電池廠對(duì)導(dǎo)電劑要求的提高，CNT 滲透率提升。

碳納米管導(dǎo)電漿料在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域的不斷滲透，替代炭黑趨勢(shì)愈發(fā)明顯。預(yù)計(jì)2022 年CNT在動(dòng)力電池導(dǎo)電劑中的滲透率將超過(guò)65%。

“無(wú)繩化”推動(dòng)3C鋰電池導(dǎo)電性能要求的提升，CNT導(dǎo)電劑滲透率穩(wěn)定增長(zhǎng)。2018年碳納米管導(dǎo)電漿料在數(shù)碼電池中滲透率達(dá)18.0%，預(yù)計(jì)到2022年CNT滲透率將超過(guò) 28%。

3.2. 碳納米管在負(fù)極應(yīng)用受益硅負(fù)極快速滲透

負(fù)極領(lǐng)域，CNT 導(dǎo)電劑更匹配硅基化趨勢(shì)，其摻配比例隨著硅比例的提升而提升，我們以1.5%作為保守測(cè)算比例。CNT 導(dǎo)電劑是硅基負(fù)極中匹配最好的導(dǎo)電劑：

1）優(yōu)異的導(dǎo)電性彌補(bǔ)了硅原子帶來(lái)的不足。

2）硅碳負(fù)極需要解決熱膨脹問(wèn)題才可使用，因此其束縛結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要，而碳納米管具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。

3）極大的比表面積可以有效的緩解硅基負(fù)極在鋰離子脫嵌過(guò)程中硅材料結(jié)構(gòu)的坍塌。

3.3. 碳納米管空間巨大將受益電池“黑科技”堆料

CNT導(dǎo)電漿料市場(chǎng)未來(lái)三年將突破10萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間超過(guò)40億元隨著動(dòng)力電池、3C電池、儲(chǔ)能電池的蓬勃發(fā)展，CNT導(dǎo)電劑滲透率的不斷提升，CNT從正極LFP，NCM到硅基負(fù)極體系的不斷滲透。

預(yù)計(jì)到2022 年，CNT導(dǎo)電漿料市場(chǎng)將突破10萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間超過(guò)40億元，將在 2019年約2.8萬(wàn)噸的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)3倍。

根據(jù)市場(chǎng)空間測(cè)算關(guān)系：

市場(chǎng)空間=CNT 滲透率* 鋰電行業(yè)總量* 市占率

未來(lái)鋰電行業(yè)總量將保持高速增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的鋰電池正極LFP及NCM材料將伴隨行業(yè)的高速增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，同時(shí)鋰電負(fù)極材料硅基化的產(chǎn)品升級(jí)也將呈現(xiàn)高增長(zhǎng)。CNT是與鋰電行業(yè)大趨勢(shì)—正極高鎳化、負(fù)極硅系化—最為匹配的導(dǎo)電劑材料，CNT在導(dǎo)電劑中的滲透率將穩(wěn)步提升。

審核編輯 ：李倩