文｜芯鋰話 林曉晨
在2020年9月舉辦的“特斯拉電池日”上，特斯拉顛覆性的發(fā)布了“4680電池”。
這種電池不僅體型上明顯大于18650和21700電池，而且能量密度也更高，單體電芯能量提升了5倍，輸出功率提升了6倍，有望讓動(dòng)力電池的價(jià)格下降56%以上。
電動(dòng)車的應(yīng)用場(chǎng)景較為特殊，空間容量極為有限，為了保證足夠的續(xù)航里程，就對(duì)動(dòng)力電池的能量密度提出了一定要求，而這也是制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。特斯拉4680電池之所以效率大幅提升，其核心在于三方面：無極耳模式、干電極工藝、硅基負(fù)極的應(yīng)用。
無極耳模式與干電極工藝相輔相成，其核心目的在于減少導(dǎo)電路徑的內(nèi)阻，由此前的20mΩ降至2mΩ；另一方面，硅基負(fù)極的應(yīng)用則有望突破傳統(tǒng)負(fù)極的理論容量極限，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量密度的全面突破。
一直以來，動(dòng)力電池的負(fù)極江湖都風(fēng)平浪靜，性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)讓人造石墨成為行業(yè)公認(rèn)的技術(shù)路線，在沒有新驅(qū)動(dòng)力的情況下，各負(fù)極公司將發(fā)展的重心放到了降本增效上。
但這份平靜可能將會(huì)被4680電池所打破，當(dāng)4680電池正式放量，硅基負(fù)極的滲透率必將持續(xù)提升。4680電池放量將會(huì)是鋰電負(fù)極下一次產(chǎn)業(yè)迭代的開始嗎？制約硅基負(fù)極替代人造石墨成為產(chǎn)業(yè)主流的原因又是什么呢？
負(fù)極迭代史
鋰電池這個(gè)概念最早是在20世紀(jì)初提出的，但直到1991年，日本索尼才正式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
最早的一批鋰電池使用的是石油焦負(fù)極，由于這種材料比容量很低，很快就被淘汰，取而代之的是一種叫作中間相碳微球（簡稱MCMB）的材料。
盡管MCMB較第一代負(fù)極材料有了明顯的提升，但依然存在比容量偏低的問題，再加上制備過程中需要消耗大量的有機(jī)溶劑，因此成本始終居高不下，幾乎是現(xiàn)在負(fù)極材料的數(shù)倍以上。
鋰電池誕生于日本，行業(yè)發(fā)展初期日本企業(yè)始終占據(jù)絕對(duì)話語權(quán)，在2000年之前我國鋰電池企業(yè)的負(fù)極材料幾乎全部來自于日本進(jìn)口。
首先實(shí)現(xiàn)MCMB國產(chǎn)替代的是杉杉股份，當(dāng)時(shí)杉杉股份借助鞍山熱能研究院的技術(shù)實(shí)力，建立了我國首條MCMB生產(chǎn)線，成功讓MCMB負(fù)極材料的價(jià)格大幅下降。
幾乎在杉杉股份量產(chǎn)MCMB的同時(shí)，天津大學(xué)王成楊教授也研發(fā)出了MCMB的相關(guān)技術(shù)，并在隨后將這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給了天津鐵中煤化工公司。2008年，天津鐵城被貝特瑞收購。
在我國實(shí)現(xiàn)MCMB的國產(chǎn)替代時(shí)，實(shí)際上市場(chǎng)對(duì)于鋰電池的需求已經(jīng)發(fā)生了變化，手機(jī)、筆記本電腦成為鋰電池的主要落地場(chǎng)景，這就對(duì)鋰電池的能力密度提出了一定的要求。
隨著鋰電池在3C數(shù)碼領(lǐng)域滲透率的不斷提升，比容量更高的石墨材料開始逐漸替代MCMB。首先取代MCMB的是天然石墨材料，這種材料國產(chǎn)化是由貝瑞特首先完成。與天然石墨幾乎同時(shí)出現(xiàn)的還有人工石墨，人工石墨雖然價(jià)格稍高，但不容易膨脹，循環(huán)性較好，充放電倍率良好，適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景。
總體來看，鋰電負(fù)極延續(xù)石油焦、MCMB、天然石墨、人工石墨的產(chǎn)業(yè)迭代路線。比容量和膨脹率是最受關(guān)注的性能參數(shù)。
2011年，天然石墨已經(jīng)成為市場(chǎng)占比最高的材料，市場(chǎng)占比高達(dá)59%；人造石墨以30%的市場(chǎng)份額排名第二，MCMB的市場(chǎng)占有率僅為8%。
當(dāng)時(shí)正處于石墨取代MCMB的初期，市場(chǎng)仍以成本為首要考量因素。天然石墨與人造石墨理化特性差異沒有那么大，因此市場(chǎng)更愿意接受性價(jià)比更高的天然石墨。
但到了2015年，天然石墨負(fù)極的占比就下降至55%，并在2020年驟降至16%；人造石墨負(fù)極的市場(chǎng)占比則由30%一路提升至84%。
為何人造石墨負(fù)極近年實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然石墨的碾壓之勢(shì)呢？究其原因就在于迅速爆發(fā)的新能源汽車賽道。
人造石墨負(fù)極具備長循環(huán)壽命和快速充放電兩方面的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致動(dòng)力電池廠商一致選擇價(jià)格稍貴的人造石墨作為主流路線。
縱觀鋰電負(fù)極材料發(fā)展，哪一個(gè)鋰電負(fù)極成為市場(chǎng)主流，主要取決于當(dāng)時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。在基本性能得到滿足后，負(fù)極廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力不再取決于研發(fā)，而是如何降本增效，這也導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的企業(yè)出現(xiàn)大致趨同的盈利趨勢(shì)。
特斯拉打開了負(fù)極“魔盒”
決定負(fù)極材料選擇的是市場(chǎng)需求，而特斯拉的4680電池方案則有望打破長期以來市場(chǎng)對(duì)于負(fù)極材料的一致預(yù)期。
4680電池帶來的最大變化是什么？那就是相較于21700電池接近5倍的容量提升、6倍的功率提升以及16%的續(xù)航里程增加，很好的解決了當(dāng)今動(dòng)力電池續(xù)航里程不足的痛點(diǎn)。
一直以來，電動(dòng)車都受困于動(dòng)力電池能力密度過低造成的續(xù)航里程過短。
此前，行業(yè)中主要將動(dòng)力電池能量密度的提升著眼于正極材料的選擇之上，但時(shí)至今日三元電池與磷酸鐵鋰依然存在著路線之爭(zhēng)，顯然對(duì)于正極行業(yè)中并沒有形成一致性結(jié)論。
特斯拉4680電池的意義在于，突破了電池廠商聚焦正極正極的傳統(tǒng)思維，改為通過電池結(jié)構(gòu)和負(fù)極來提升最大限度的擴(kuò)充動(dòng)力電池的能量密度和效率。
對(duì)于石墨負(fù)極而言，目前高端產(chǎn)品的容量已經(jīng)能夠達(dá)到360-365mAh/g，幾乎達(dá)到理論容量372mAh/g的天花板，在動(dòng)力電池能量密度已經(jīng)不能夠完美應(yīng)付電動(dòng)車需求的情況下，尋找更高克容量的負(fù)極材料就成為大勢(shì)所趨。
縱觀所有負(fù)極材料，只有硅基材料能夠顯著提升負(fù)極的克容量，極有可能成為下一代負(fù)極產(chǎn)品。但同時(shí)，硅基負(fù)極也存在著致命缺陷，限制了這項(xiàng)技術(shù)的快速普及。
首先，硅基負(fù)極膨脹倍數(shù)大，很容易發(fā)生變形，其次循環(huán)性能明顯低于石墨負(fù)極，導(dǎo)電性還不太好，再加上居高不下的售價(jià)，導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)遲遲難以獲得下游廠商的青睞。
受制于這些缺陷，硅基材料很難在短期內(nèi)快速單獨(dú)應(yīng)用于負(fù)極材料，目前行業(yè)中的解決方案是硅基材料復(fù)合石墨的方式，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)比容量突破400mAh/g的電池方案。
4680電池引發(fā)的三重變局
特斯拉的4680電池方案，有望給鋰電負(fù)極帶來劇烈的三重產(chǎn)業(yè)變局。
整個(gè)負(fù)極行業(yè)由石墨向硅基復(fù)合材料轉(zhuǎn)變，這將是4680電池給鋰電負(fù)極帶來的第一重變局。
在4680電池之前，硅基材料其實(shí)已經(jīng)被部分廠商少量加入到負(fù)極方案中，如特斯拉Model 3的21700電池負(fù)極中，就添加了5%的硅基材料。數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)硅基材料出貨量僅0.9萬噸，行業(yè)滲透率僅約2.5%。
但4680電池的出現(xiàn)，有望帶動(dòng)市場(chǎng)對(duì)于硅基負(fù)極的需求，整個(gè)硅基材料在負(fù)極中的滲透率有望提升一倍。
硅基材料滲透率提升背后，核心導(dǎo)電劑碳納米管可能成為另一受益材料，這是4680電池帶來的第二重變局。
由于硅基材料導(dǎo)電性很差，因此在全面放量后，首選需要解決的就是導(dǎo)電性問題，行業(yè)普遍采取添加導(dǎo)電劑的方式來解決。
目前，行業(yè)中普遍采用“炭黑+導(dǎo)電石墨”的傳統(tǒng)導(dǎo)電劑，但傳統(tǒng)導(dǎo)電劑添加量大，且主要依賴進(jìn)口。近些年中，碳納米管是一種正在崛起的新興導(dǎo)電劑，添加量小，優(yōu)勢(shì)明顯。
碳納米管是一種管狀的納米級(jí)石墨晶體，具有良好的導(dǎo)電性能。碳納米管常被添加至正極材料中作為導(dǎo)電劑，提升鋰電池極片的導(dǎo)電性，夠改善鋰電池的倍率性能和循環(huán)壽命。
在2014年的時(shí)候，碳納米管還僅是一種占比13.6%的冷門導(dǎo)電劑，到隨著國內(nèi)動(dòng)力電池的放量，碳納米管滲透率得到了持續(xù)提升，至2018年市場(chǎng)占有率已經(jīng)提升至31.8%。延續(xù)如今的趨勢(shì)，至2025年，碳納米管的市場(chǎng)占有率有望突破60%。
我國已經(jīng)具備碳納米管的自主生產(chǎn)能力，目前國內(nèi)從事碳納米管的企業(yè)包括天奈科技、卡博特、青島昊鑫、集越納米、德方納米、無錫東恒等。
其中，天奈科技是絕對(duì)的行業(yè)龍頭。按出貨量計(jì)算，2020年天奈科技的市場(chǎng)占有率高達(dá)32.3%，而第二名和第三名為23.8%和19.6%，差距明顯。
即將到來的第三重變局在于，4680電池可能會(huì)從本質(zhì)改變目前負(fù)極產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)有格局。
2020年中國負(fù)極材料市場(chǎng)主要被4大頭部企業(yè)瓜分，貝瑞特、璞泰來（江西紫宸）、杉杉股份、凱金能源分別占據(jù)市場(chǎng)22%、18%、17%和14%的市場(chǎng)份額，CR4合計(jì)占據(jù)市場(chǎng)71%的市場(chǎng)份額。
目前，各企業(yè)負(fù)極的市場(chǎng)占有率主要受石墨負(fù)極產(chǎn)能能力的影響，隨著未來硅基材料的爆發(fā)，整個(gè)負(fù)極的市場(chǎng)份額可能出現(xiàn)劇變，那些在硅基材料布局較早的企業(yè)將會(huì)提前搶占市場(chǎng)份額。
聚焦全球硅基負(fù)極行業(yè)，日本信越的技術(shù)實(shí)力最為領(lǐng)先，而國內(nèi)市場(chǎng)方面，貝瑞特則是行業(yè)先行者，璞泰來、杉杉股份目前處于追趕之中。
早在2020年9月的時(shí)候，貝瑞特的硅基負(fù)極就已經(jīng)正式投產(chǎn)，市場(chǎng)預(yù)計(jì)今年的出貨量將在3000噸左右，發(fā)展速度領(lǐng)先于其他企業(yè)，最有可能成為硅基負(fù)極的最大受益者。
璞泰來是目前負(fù)極市場(chǎng)的老二。在硅基材料布局上，璞泰來與中科院物理所合作，已經(jīng)完成第二代產(chǎn)品，且參與到下游用戶的測(cè)試認(rèn)證中，有望在未來幾年開始放量。
杉杉股份則主攻硅氧負(fù)極，已經(jīng)在消費(fèi)類和小動(dòng)力市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，動(dòng)力電池方面仍在測(cè)試認(rèn)證中，同樣處于量產(chǎn)化前期。
此外，凱金能源、中科電氣等公司也在積極布局硅基負(fù)極，希望抓住負(fù)極產(chǎn)業(yè)的下一次迭代風(fēng)口。
總的來看，鋰電負(fù)極從石墨材料向硅基材料已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的技術(shù)方向，而4680電池正式放量則有可能激發(fā)硅基材料的整體需求，不僅會(huì)重塑整個(gè)鋰電負(fù)極產(chǎn)業(yè)格局，而且也會(huì)帶動(dòng)相關(guān)導(dǎo)電劑行業(yè)的發(fā)展。
4680電池方案并非特斯拉一家，比克電池、億緯鋰能等電池廠商也已經(jīng)開始研制自己的“4680方案”。這就意味著，4680電池放量將極有可能成為大概率事件，而這也有望成為鋰電負(fù)極下一次迭代的開始。