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各种阳极材料和各种性能指标

阳极材料是锂离子电池的一个重要组成部分。锂电池主要由阴极、阳极、电解质和隔膜组成。阳极材料主要影响锂离子电池的容量、初始效率、循环性能和能量密度。

作为一种快速充电的电池，锂离子电池主要依靠锂离子在阴极和阳极之间的快速移动。在充电和放电过程中，锂离子在两个电极之间来回穿插和脱插。

阳极材料是由阳极活性材料、粘结剂和添加剂混合而成，以糊状形式均匀地铺在铜箔的两面，通过干燥和滚动形成。

锂离子电池的阳极材料约占动力电池成本的5%至15%。在NCM811电池中，阳极材料约占电池成本的7.85%；在铁锂电池中，阳极材料约占电池成本的6.07%。

 

锂离子电池的负极材料主要分为两类：碳材料和非碳材料。随着技术的进步，目前，锂离子电池负极已经从单一的人造石墨发展到多种锂离子电池负极材料并存。

锂离子电池负极材料主要可分为碳材料和非碳材料两大类，碳材料主要包括石墨、石墨烯和非晶；非碳材料主要包括锡基材料、钛基材料、氮素活性材料和硅基材料。

正极材料有多种性能指标。与其他锂电池材料相比，负极材料的性能评价维度更加多样。反映正极材料性能的指标主要包括比容量、初始效率、循环寿命、速率性能、压实密度、分接密度、真实密度、比表面积等。

比容量是指单位质量的活性材料所能释放的电量；初效率是指第一次放电效率，是用第一次充放电循环的放电容量除以充电容量计算出来的；速率性能是衡量电池充放电能力的一个指标；

比表面是指单位质量物体的表面积，是影响率性能的重要因素；压实密度是指阳极活性材料和粘结剂经轧制后制成极片的密度，它影响比容量。关键因素；

分接密度是指依靠振动使粉末呈现相对紧密的包装形式的密度；循环寿命周期与阴极的膨胀有关，阳极的膨胀会导致循环性能变差。

 

 

各种类型的锂离子电池正极材料都有各自的优势，不同的性能指标很难兼顾。从具体的性能指标来看，目前硅碳复合材料的理论比容量最大，可以超过1000mAh/g，碳材料中的硬碳比容量也比较高；

在首次效率方面，非碳材料钛酸锂可以达到99%，接近理论极限，天然石墨和人造石墨都可以达到90%以上，而硅碳复合材料的首次效率相对较低；

在循环寿命方面，碳材料基本都在1000次以上。在非碳材料中，钛酸锂的循环性能最强，可达30000次，而硅碳复合材料仅在300-500次之间。

在安全性方面，碳材料基本处于中等水平，钛酸锂在非碳材料中安全性最好，而硅基锂离子电池正极材料则较差；

在快速充电方面，钛酸锂的表现仍然不错。总的来说，不同的材料有各自的优势，不同的性能指标很难兼顾。碳材料中的人造石墨和天然石墨具有优良的综合性能。

非碳材料中的钛酸锂比容量较差，其他性能优势明显；而硅基复合材料的理论比容量有绝对优势，其他性能仍需提高。

石墨基材料具有较高的综合性价比，而硅基材料具有较大的应用潜力。目前，人工石墨和碳材料中的天然石墨是市场上主流的锂离子电池负极材料。

 

与其他类型的锂电池相比，石墨电池的技术和配套工艺更加成熟，原料来源广泛，价格低廉，在综合性价比方面具有优势。它们是目前的主流材料。

但是，随着锂电池性能需求的提高，石墨材料的劣势也开始显现，比容量成为其短板，天然石墨的比容量已基本达到理论上限。

在此背景下，出现了克容量远高于其他材料的硅基锂离子电池负极材料，硅基材料也因其优越的比容量被认为是未来具有巨大应用潜力的锂离子电池负极材料。

然而，在锂电池的充放电过程中，硅的体积变化很大，导致材料粉化、内阻增大、电接触丧失、容量快速衰减，新型正极材料与其他锂电池材料存在一定的匹配问题。大规模应用还存在一些障碍。

 

电气化推动需求扩张

中国龙头企业的优势显现
日本率先实现了锂电池的商业化，在阳极的早期阶段是全球领先的。

日本是最早实现锂电池商业化的国家。2000年以前，日本公司在阳极市场的全球份额达到90%以上，成为阳极早期的全球领导者。

然而，中国自20世纪90年代以来，锂离子电池负极产业开始起步，并经历了跨越式发展，实现了锂离子电池负极材料的进口替代。

 

中国的锂离子电池正极材料以中碳微球为起点，逐步实现进口替代。在技术研发方面，1997年，鞍山市热能研究所首先开发了中碳微球并实现了小规模试生产；

1999年，鞍山股份有限公司与鞍山热能研究院成立合资公司，从事锂离子电池负极材料的研发、生产和销售，实现了锂离子电池负极材料在中国的商业推广；

2001年，杉杉股份有限公司实现了中碳微球的规模化生产，并开始实现国产化替代，取代日本成为国内中碳微球的主要供应商。

在锂电池产业跨越式发展的十年中，中国企业不断涌现。从2001年到2010年，是中国锂离子电池正极产业的跨越式发展阶段。

在此期间，3C数码领域开始大规模使用锂电池进行供电。中碳微球受限于低比容量和高价格，逐渐退出了主流应用场景，被比容量和成本更优的石墨材料所取代。

2003年，贝特瑞成功开发出以天然鳞片石墨为原料的球形石墨并实现产业化，完成了天然石墨的改性。通过不断创新和工艺改进，贝特瑞天然石墨材料的比容量达到360mAh/g，性能水平国际领先。

2005年，杉杉股份成功开发出新型人造石墨材料，成为中国人造石墨领域的龙头企业。到2010年，贝塔瑞的负极材料出货量位居世界第一，成为全球天然石墨领域的龙头企业。

消费类锂电池市场已进入成熟期，新能源汽车为动力锂电池带来了新的机遇。2011年以后，传统的3C数码市场逐渐进入成熟期，数码锂电池需求增速放缓，但新能源汽车的快速发展为锂电池行业带来了新的发展机遇。

 

现阶段，江西紫宸已经成为行业内的一颗新星，依托FSN-1和G1系列产品，实现了高端人造石墨的突破，取得了快速发展。负极材料因其技术成熟和综合性能优势，在锂电池市场得到了广泛的应用。

中国企业加速全球供应，竞争优势明显。从目前全球竞争格局看，中国企业的市场份额相对较高。其他国家的主要阳极企业只有韩国的Posco、日立化成和三菱化学，而中国的企业包括贝特瑞、宁波杉杉、江西紫宸、东莞凯金等多家企业。

据统计，2022年全球锂离子电池正极材料的194.7万吨,同比增长77.97%。

考虑到锂离子电池正极材料生产的高能耗和技术密集型特点，其他国家的生产扩张速度明显慢于中国。预计未来中国企业的市场份额将继续上升，中国企业的优势明显。

 

下游需求继续扩大

锂电池的下游应用领域主要是动力电池、3C数码电池和储能电池。
其中，动力电池是未来锂电池需求的一个重要增长极。受益于新能源汽车的带动，动力电池正进入加速发展阶段。在各国政策的支持下，动力锂电池的需求增长比较确定，未来还有增长空间。

传统的3C数码市场已经进入成熟阶段，市场趋于饱和。未来数码电池的需求主要来自于智能家居设备和可穿戴设备。5G替代浪潮也将对数字电池的需求形成一定支撑。

储能是锂电池的蓝海领域，有望给锂电池的需求带来巨大的市场。

随着下游需求的快速增长，锂离子电池正极材料的市场规模不断扩大。从2015年到2020年，我国锂离子电池负极材料出货量从7.28万吨增加到36.5万吨，5年复合增长率为38.05%。

中国锂离子电池正极材料市场规模从30亿元增长到148亿元，5年复合增长率为37.6%。2021年，受益于下游锂电池市场的快速增长，我国锂离子电池正极材料出货量将达72万吨，同比增长97%。

 

传统3C数码市场增速放缓，5G应用增加了消费类电池的消费量。
消费类锂电池是锂电池的重要下游应用领域。得益于通讯工具的普及和智能产品的快速发展，消费类锂电池的市场规模持续增长。

然而，传统的3C数码市场已进入成熟期，产品增速放缓。数据显示，自2013年以来，全球智能手机销量的增长速度已经放缓。2020年，销售量下降12.5%，阳极增长继续；5.42%。

中国智能手机市场需求的饱和度比全球市场要慢，但自2016年以来，智能手机的出货量逐年下降。

 

未来，5G手机的换机潮有望对智能手机市场形成一定支撑。数据显示，预计2030年5G手机销售量将达到4.16亿部，占比28.1%。

可穿戴设备和智能家居设备带来增量需求。2018年至2020年，全球可穿戴设备出货量分别为1.86亿台、3.37亿台和4.45亿台，2年的复合增长率为54.62%。

2022年，全球终端用户在可穿戴设备上的支出为750亿美元，其中智能耳机、智能手表和智能手环占据了主要市场份额，分别占59.14%、23.08%和17.08%。

根据预测，2023年全球可穿戴设备支出将达到1000亿美元，同比增长20%，市场具有广阔的发展空间。

 

内热式系列石墨化炉是一种不使用电阻材料，以焙烧电极本身作为加热元件的节能型石墨化技术；

其优点主要是加热效率高、输电周期短、电耗低（每吨直流艾奇逊炉的电耗至少1000kWh）等，但仍不能解决散热损失大、冷却时间长、不适合使用等问题。在生产中出现颗粒状石墨化等问题。

近年来，厂家通过炉型改造和工艺创新，追求石墨化的技术升级，箱式石墨化和连续石墨化有望引领技术发展。

1）箱式石墨化工艺是以艾奇逊石墨化炉为基础。炉内安装有碳板箱，通过扩大炉子的容量，减少吨位消耗，提高产能。目前，该工艺已实现自动化。代表性的厂家有普泰来、鄯善股份有限公司、中科电气等；

2）连续石墨化采用循环技术，最高温度可达3000℃以上，可实现高温下连续进料和出料，具有加工周期短、吨耗低、环境友好等优点。

但对石墨化程度高的阳极材料加工难度较大，尚未实现工业化应用。代表性厂家有山河智能等。