导言：随着新能源汽车产业的飞速发展，人们对于高性能动力锂电池的需求也在持续攀升，作为动力锂电池核心的负极材料的市场需求量更是与日俱增。2022年全球负极材料出货量达到155.6万吨，同比增长71.9%，其中，中国负极材料出货量同比增长84.0%达到143.3万吨。
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作为动力锂电池的关键材料之一，负极材料占电池成本约10%，主要由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合而成后均匀涂抹在铜箔两侧经干燥、滚压而成，起到可逆地脱/嵌锂离子并储存能量的作用，对锂电池充放电效率、能力密度等性能起到决定性作用。
其实，锂电池用负极材料分很多种，按照所用活性物质，主要分为碳材料和非碳材料两大类。在动力锂电池中，哪些材料堪当大任呢？本篇我们就来讲一讲。
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电池负极材料一览
1、石墨负极：任重道远
虽然石墨作为锂电池负极具有得天独厚的优势，但当时石墨作为负极材料进入人们的视野时，却遇到了很大的阻力。石墨和当时使用的锂电池电解液环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯表现出不兼容的现象，很容易发生溶剂化过程，导致石墨在电解液中剥落，因此石墨无法在实际中应用。
对于这个问题，1982年Yazami教授首次将石墨应用于固体聚合物锂二次电池负极，这个重大发现表明石墨碳材料可以实现可逆储锂，也使得人们对石墨类碳材料作为锂电池负极更加充满信心。又经过了近10年的摸索和研究，终于在1991年，日本Sony公司率先将石油焦作为负极应用于商业化锂电池中，开创了以碳为负极材料的体系，锂电池就此问世。
发展到目前，石墨已经被公认为是锂电池的理想负极材料，占据了超过95%的市场份额。而石墨负极又可进一步分为天然石墨与人造石墨两大类，比较而言，人造石墨更胜一筹。从克容量来看，天然石墨容量略高于人造石墨，天然石墨负极材料的理论容量为340-370mAh/g，人造石墨负极材料的理论容量为310-360mAh/g；从循环性能来看，人造石墨循环性能好于天然石墨，根据贝特瑞的数据，天然石墨的循环周数为500周左右，人造石墨循环周数可达6000周，主要原因为天然石墨的颗粒大小不一致，表面缺陷较多，因此容易与电解液反应从而导致循环性能下降；从膨胀率角度来看，天然石墨膨胀率高于人造石墨，主要原因为鳞片石墨的结晶度较高，片层结构单元化大，具有明显的各向异性，因此，锂嵌入和脱嵌过程中体积产生较大的变化；制造成本以及售价来看，人造石墨的成本以及售价高于天然石墨，主要是由于石墨化工艺导致；就趋势而言，人造石墨替代天然石墨大势所趋，2022年人造石墨市场占比为84%，天然石墨市场占比为15%。
天然石墨与人造石墨的组合稳固了石墨类负极在负极材料中的地位。尽管石墨类负极容量接近理论上限，眼下硅基负极，长远金属锂负极蠢蠢欲动，欲接棒石墨类负极，给人一种石墨类负极即将功成身退的感觉。但小编认为，得益于技术、价格和成熟配套产业优势，在未来相当长的一段时间内，石墨类负极的地位无可撼动。
一方面，当下的研究中，无论硅负极也好、金属锂负极也好，石墨都是绕不开的改性材料。以硅负极为例，硅材料循环性能比较差，而且体积膨胀比较大。当下主流的解决措施就是将硅材料与循环稳定性更好的石墨材料进行复合。而且，目前硅基负极中硅的复合量基本上都在10%以内，也就是说大部分还是石墨材料。哪怕以后硅负极材料的研究上一个台阶，石墨材料无法替代的优势，比如体积膨胀率、循环性能、导电性能、结构稳定性等方面，都是硅负极材料难以望其项背的。
另外一方面，石墨化产能供应量提升带来石墨化成本的下降。在以往，石墨化工序在人造石墨中的成本占比较高，超过40%，随着石墨化产能建设的陆续释放，石墨化成本下降，人造石墨负极材料价格会跟着下滑。此外，以头部负极材料企业为主，打通石墨化、碳化及原材料等实现负极材料一体化布局的趋势加剧。目前我国大部分负极材料厂商的石墨化都是以外协厂加工为主，一体化布局可以有效的控制成本，同时保障上游原材料的供应安全，进一步提升与电池企业的议价权。
2、硅碳负极：未来可期
由于石墨材料的比容量已接近理论比容量极限372mAh/g，进一步提升空间有限，限制了高性能锂离子电池的发展。硅基负极材料因其具备高理论容量、低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点，被视为最具潜力的下一代负极材料。
随着特斯拉、宝马等车企宣布牵手4680系大圆柱电池，大圆柱电池备受动力电池市场关注。硅基材料作为适配大圆柱电池的负极材料，被市场认为是下一代负极材料的主流方向。
硅基负极中，为了解决单质硅的膨胀系数缺陷，在当前的实际应用中，通常会选择以掺杂的方式加入人造石墨，主流技术路线为硅碳负极与硅氧/碳负极，前者指的是指纳米硅与石墨材料混合，后者则是用氧化亚硅与石墨材料复合。
从性能上看，硅碳负极首效高，但体积膨胀系数过大，导致循环性能不佳，一般在500~600周，无法达到国标规定的动力电池循环1000周的标准；硅氧/碳负极则与之相反，首效相对较低，成本高，但循环性更好。
从市场看，硅基负极处于商业化初期，出货量与渗透率都处于很低水平，增速也不及负极行业整体扩张速度。2021年，国内的硅基负极出货约为1.1万吨。而GGII分析指出，2022年，硅基负极在整体负极材料中占比增速明显，增长近3倍。
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从发展前景来看，虽然硅氧/碳本身的循环性能比硅碳要好，经过碳包覆等改性手段，在循环性与膨胀方面已经可以达到动力电池的使用要求，目前市场上面走量的硅基负极材料也是以硅氧/碳为主。但是，硅氧/碳负极的原料价格比硅碳负极贵；另外，硅氧/碳负极的首效低，需要进行预锂化，预锂化则需要用到预锂试剂，而目前锂盐的价格比较高，这就造成了硅氧/碳负极成本进一步升高；再者，硅氧/碳负极由于反应生成硅酸锂，可以抑制它的膨胀，所以它循环性能较好，但是反过来，这又对硅氧/碳负极的电化学性能以及整体能量密度产生副作用。所以，从新能源汽车的长远发展来看，在动力锂电池追求高能量密度和低成本的趋势下，硅碳负极更具优势。
3、金属锂负极：吃鸡玩家
其实，锂电池最初就是以金属锂作为负极。金属锂具有极低的密度（0.59g·cm-3）、最低的电极电位（–3.04V）和超高的理论比容量（3860mAh·g-1）,被誉为二次电池领域的“圣杯”。但是锂金属电池在使用中，由于存在锂枝晶、负极沉淀/副反应现象，严重影响电池的安全，故而现阶段基本上处于概念性阶段。
锂金属电池主要研究方向为锂硫电池、锂空气电池与锂二氧化碳电池等。
锂硫电池的历史最早可以追溯到1962年，其理论能量密度可达2680Wh·kg-1，加上单质硫在地球上储量丰富、价格低廉、对环境友好等特点被认为是最有希望取代锂离子电池的储能体系。但其商业化发展目前依然面临着许多挑战，例如硫单质和硫化锂的绝缘性、多硫化锂在电解液中的穿梭效应、活性物质在充放电过程的体积变化，以及锂负极的副反应和锂枝晶生长等，都会导致锂硫电池的容量下降，循环寿命变短，安全性也会变差。基于目前锂硫电池的研究，未来突破重点主要为硫复合正极材料、固态电解质、金属锂负极结构设计/表面修饰/构建SEI人工膜等方面。
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锂硫电池（来源：大连化物所）
目前，锂硫电池已经开始了初步的产业化，在电动飞机、无人机上初步实现搭载，处于产业化前夕。锂氧气电池的研究最早可以追溯至1976年，其能量密度可达3505Wh·kg-1，接近燃油的能量密度，且环境友好，反应生成物为水。但锂氧气电池面临着正极材料的稳定性差、过电势高、电解液不稳定且易挥发、锂负极的安全性等问题。对于锂氧气电池的研发目前还处于起步阶段，除了上述问题以外，还面临着反应动力学缓慢，有机体系下氧气纯度要求高等难点。因此，在一个可行的商业化开发实施之前，还需要大量的研究工作。锂二氧化碳电池的起源是基于在锂氧气电池中加入二氧化碳来提高放电容量和能量密度。2014年报道了第一个室温可再充的锂二氧化碳电池，证明了温室气体二氧化碳可以被捕获并用作一种很有价值的能量存储媒介，自此，锂二氧化碳电池引起了广泛的关注和研究。图片
锂二氧化碳电池（来源：西北工大）
目前锂二氧化碳电池的发展还处于起步阶段，放电产物Li2CO3宽禁带宽度导致的高过电位、循环性能差、倍率性能弱和放电容量低等问题严重制约锂二氧化碳的快速发展。这些问题都归因于CO2气体缓慢的反应动力学。因此，开发高效的正极催化剂和稳定的电解质是促进CO2电化学反应的首要任务。图片
国内锂电负极材料新建项目图片
河北省
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河北--河北聚旺新材料科技有限公司年产2万吨锂电负极材料项目河北--唐山东日新能源材料有限公司年产5万吨高端锂离子电池负极材料项目图片
山西省
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山西--华智雄材能源科技（西安）有限公司年产3.2万吨硅碳负极材料项目山西--山西尚太锂电科技有限公司年产30万吨锂电负极材料项目山西--山西兴伟新材料科技有限公司年产20000吨高性能石墨锂离子电池负极材料项目山西--山西宝光晶科材料有限责任公司年产10000吨锂离子电池负极材料和等静压细结构材料项目山西--山西格林贝斯新材料科技有限公司锂电池负极材料（一期）建设项目山西--晖阳（古县）新能源材料有限公司年产三万吨锂离子电池负极材料项目山西--山西证道新能源科技有限责任公司年产4.2万吨高端动力锂离子电池负极材料项目山西--山西水木新碳材科技有限公司9万吨/年锂电池负极材料扩建项目山西--山西腾辉新材料有限公司30000吨/年锂离子电池负极材料原料扩建项目山西--山西正达新能源材料有限公司年产3万吨锂电池负极材料生产项目山西--山西霍焱新能源科技有限公司4万吨锂离子电池负极材料生产加工项目山西--山西贝特瑞新能源科技有限公司年产20万吨锂电负极材料一体化基地项目（更新）山西--介休市嘉晟新能源有限公司年产3万吨锂离子电池负极材料项目山西--祁县精研新材料科技有限公司新建年产3万吨锂电池负极材料项目山西--临汾长韩新能源科技有限公司锂电池硅碳负极材料及快充材料项目山西--华烨新能源（山西）有限公司年产3万吨锂电池负极材料项目山西--河南金升电碳有限公司年产10万吨新型（负极）材料项目山西--晖阳（贵州）新能源材料有限公司年产3万吨石墨烯改性负极材料项目山西--山西贝特瑞新能源科技有限公司年产20万吨锂电负极材料一体化基地项目山西--山西洋硕新能源材料科技有限公司年产3万吨负极材料项目山西--山西鑫丹源新材料有限责任公司新建年产10万吨锂电池负极材料一体化生产线项目山西--山西蓝晨新材料科技有限公司年产3万吨锂离子电池负极材料项目山西--贝特瑞新材料集团股份有限公司人造石墨负极材料一体化基地项目山西--阳泉日加材料科技有限公司年产280吨新能源电池正负极材料项目山西--中烜（山西）新能源科技有限公司锂离子电池负极材料一体化基地项目山西--山西尚太锂电科技有限公司年产12万吨锂离子电池负极材料一体化生产项目山西--山西尚太锂电科技有限公司年产5万吨锂离子电池负极材料技改项目山西--大同研一新材料有限公司年产1万吨高性能锂离子电池负极材料建设项目山西--山西梅山湖科技有限公司新建年产15kt/a锂电池石墨负极材料项目山西--深圳市翔丰华科技股份有限公司6万吨高端人造石墨负极材料一体化生产基地项目山西--山西中烨新能源科技有限公司年产7万吨锂电石墨负极材料项目山西--曲沃县闽光焦化有限责任公司年产4万吨高性能锂电负极材料建设项目山西--山西华舜新能源科技有限公司年产6万吨动力锂电池负极材料项目（更新）山西--山西华舜新能源科技有限公司年产6万吨动力锂电池负极材料项目图片
辽宁省
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辽宁--大庆高新国际工贸有限公司年产16万吨锂电池负极材料项目辽宁--锦州时代新材料科技有限公司新建电池石墨负极材料项目图片
吉林省
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吉林--长春致远新能源装备股份有限公司年产15万吨锂电负极材料一体化及配套工程项目吉林--吉林省昊安新能源科技有限责任公司年产20万吨针状焦、18万吨锂电负极材料及配套坩埚一体化项目吉林--中溢集团（吉林）新能源科技有限公司二期年产24万吨锂离子电池负极材料项目（更新）吉林--中溢（乾安）新材料科技有限公司年产12万吨新能源电池负极材料项目吉林--中溢集团（吉林）新能源科技有限公司二期年产24万吨锂离子电池负极材料项目吉林--吉林龙昌新能源有限责任公司年产2万吨锂电池负极材料项目图片
黑龙江省
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黑龙江--山东淼蛟企业管理咨询服务有限公司年产5万吨高品级锂电池负极材料项目黑龙江--黑龙江碳一新材料有限责任公司年产10万吨天然石墨负极材料项目黑龙江--双鸭山弘业碳素制品有限公司10万吨天然石墨高端负极材料项目黑龙江--黑龙江奥原新材料有限公司锂电子电池负极材料项目图片
江苏省
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江苏--江苏凯金新能源科技有限公司年产20万吨锂电负极材料一体化项目（更新2）江苏--常州硅源电池材料有限公司年产1000吨高性能锂离子电池硅氧负极材料项目江苏--江苏凯金新能源科技有限公司年产20万吨锂电负极材料一体化项目（更新）江苏--江苏凯金新能源科技有限公司年产20万吨锂电负极材料一体化项目图片
浙江省
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浙江--上海杉杉锂电材料科技有限公司4万吨锂离子电池硅基负极材料一体化基地项目浙江--湖州凯金新能源科技有限公司年产10万吨锂离子电池负极材料项目浙江--浙江丰明新能源有限公司年产10000吨锂离子电池负极材料加工建设项目图片
安徽省
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安徽--安徽昱瓴新能源科技有限公司年产5万吨硅基负极材料项目安徽--安徽清能碳再生科技有限公司锂电池负极材料深度一体化项目安徽--宣城碳一新材料有限责任公司年产50000吨锂电池人造石墨负极材料项目（更新）安徽--深圳市盛疆科技有限公司电池正极材料、电池负极材料等生产项目安徽--蚌埠创普斯年产18万吨磷酸铁锂正极材料和12万吨硅碳负极材料项目安徽--浙江碳一新能源有限公司年产50000吨锂电池人造石墨负极材料项目图片
福建省
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福建--福建杉杉科技有限公司动力电池负极材料二期项目图片
江西省
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江西--江西优腾新能源科技有限公司年产2万吨锂电池负极材料建设项目江西--上高博展新能源科技有限公司年产36000吨锂电池负极材料原料改扩建项目江西--高安市中腾锂电材料有限公司年产2万吨高端动力电池负极材料项目江西--江西东岛新能源材料有限公司年产1.5万吨锂离子电池负极材料一体化项目江西--江西陆丰新能源科技有限公司年产2万吨高纯石墨、2万吨高性能锂离子电池负极材料、10万套坩埚一体化项目江西--江西玖能新材料有限公司新材料万载高纯石墨、锂离子电池负极材料生产项目（二期）江西--江西五梅山新能源科技有限公司年产2.4万吨锂电负极材料碳球形粒项目江西--江西玖能新材料有限公司玖能新材料万载高纯石墨、锂离子电池负极材料生产项目江西--江西昊能新材料有限公司年产4万吨锂电负极材料碳球形粒项目江西--江西深泓新材料有限公司年产3.5万吨锂离子电池负极材料项目江西--江西茂赛新材料有限公司年产6万吨锂电池正、负极材料项目江西--江西亚驰新材料科技有限公司年产5万吨锂电池负极材料项目江西--江西鸿迪新能源科技有限公司高端动力电池负极材料建设项目江西--上高博坤新能源科技有限公司年产15000吨锂离子电池负极材料生产线建设项目江西--江西南能新材料有限公司扩建5000吨石墨负极材料生产线项目江西--江西双亿新能源科技有限公司年产5万吨电池负极材料项目江西--江西路达新能源科技有限公司年产2万吨人造石墨负极材料项目江西--江西美瑞新能源科技有限公司年产10000吨锂电池负极材料建设项目江西--高安市优瑞新能源有限公司高端动力电池负极材料建设项目江西--江西正拓新能源科技股份有限公司年产4.5万吨锂离子电池负极材料一体化扩建项目江西--江西紫微星科技有限公司年产1万吨锂离子电池负极材料建设项目江西--江西正拓新能源科技股份有限公司年产8000吨动力型锂离子电池负极材料扩建项目江西-- 江西正拓新能源科技股份有限公司锂离子电池负极材料智能化改造项目江西--江西优特贝新能源科技有限公司年产6万吨锂电池负极材料项目江西--江西壹金新能源科技有限公司年产10000--吨锂电池硅基负极材料项目江西--吉安新铭轩新能源科技有限公司年产6万吨锂电池负极材料项目江西--江西紫宸科技有限公司年产10万吨高性能锂离子电池负极材料项目江西--江西紫宸科技有限公司年产8万吨高性能锂离子电池负极材料产能改扩建建设项目江西--江西优灿新能源科技有限公司年产1万吨高端动力电池负极材料建设项目图片
山东省
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河南省
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湖北省
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湖南省
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广东省
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四川省
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贵州省
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云南省
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甘肃省
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青海省
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内蒙古自治区
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新疆维吾尔自治区--深圳索理德新材料科技有限公司年产5万吨硅负极材料项目图片
广西壮族自治区
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广西壮族自治区--梧州市同创新能源材料有限公司年产38000吨锂电池负极材料生产制造扩建项目广西壮族自治区--湖南宸宇富基新能源科技有限公司生产负极材料项目广西壮族自治区--广西宸宇新材料有限公司年产15万吨锂离子电池负极材料项目广西壮族自治区--百色鑫茂新材料技术有限公司年硅基负极材料：下一代锂电池的能量密度之王目前，以人造石墨为代表的碳基材料是锂离子电池负极的主要使用材料，石墨类负极材料占据负极材料95%的市场份额。现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极限（372mAh/g），为进一步提升电池能量密度，寻找更高比容量负极材料成为产业研究重点。硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成。硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上。高比容量：硅的理论比容量高达4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上。这意味着使用硅基负极材料可以大幅提升锂离子电池的能量密度，延长电池的使用时间。不存在析锂隐患：石墨类负极材料在充电过程中容易发生析锂现象，导致电池的安全性下降。而硅基负极材料在常温下与锂合金化，不会发生析锂现象，提高了电池的安全性。安全性好：由于硅基负极材料不存在析锂隐患，因此其安全性相对较好。这对于电动汽车等对安全性要求较高的应用领域非常重要。储量丰富：硅是地壳中含量最丰富的元素之一，储量丰富且易于获取。相比之下，其他一些潜在的高容量负极材料如硫、金属硫化物等储量有限，难以大规模应用。成本低廉：硅基负极材料的制备工艺相对成熟，生产成本相对较低。这使得硅基负极材料具有较高的商业化潜力。快充性能优异：硅基负极材料能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，使得电池的充放电速度较快，具备优异的快充性能。综上所述，硅基负极材料具有高比容量、安全性好、储量丰富、成本低廉和快充性能优异等优点，被认为是最具潜力的下一代锂电池负极材料。然而，硅基负极材料也存在一些问题，如体积膨胀、电导率低等，需要进一步研究和改进。01 硅基负极基础原理负极材料种类众多，主要分为碳材料和非碳材料两大类。图片
提升负极材料比容量对提高能量密度具有重要意义。目前主流应用的是石墨类材料，其比容量已经其理论容量上限（372mAh/g），而同族硅材料具有最高理论比容量（达 4200mAh/g)，是石墨类的10倍多，为极具应用前景的锂电池负极材料之一。图片
存在问题与石墨的插层机理不同， 硅晶体呈现共价四面体的三维体相结构，通过与锂形成Li-Si合金的形式进行充放电。Li-Si合金的体积膨胀率可达300%-400%，放电时锂离子脱出又会形成间隙，体积明显的变化会产生强大的应力，造成硅颗粒的碎裂，从而从电极片上脱落，引起容量急剧衰减，降低循环寿命。相比于作为良导体的石墨，作为半导体的硅在常温下的电导率较低。不佳的导电性导致电子在硅体相中的传输和锂离子的扩散受阻，硅负极的动力学性能受到影响。具体表现为硅负极难以承受较大的充放电电流，电池的倍率性能较差。因此，硅材料并不能单独作为负极材料应用，需要对硅材料进行改性。图片
从根本上尝试解决硅基负极的缺陷。目前主要有硅碳复合结构、硅氧复合结构、硅纳米化及硅合金结构。从量产的角度出发，零维纳米硅/碳复合材料和三维微米硅/碳复合材料比较容易实现规模生产。图片
目前硅碳负极仍没有进行大规模应用，主要原因在于：循环性能低于石墨负极，有待进一步提高；成本较高，硅基负极材料的制备过程中多用到纳米硅粉，其生产对设备的要求极高，需要较大的资金投入且生产过程中能耗较大，万吨硅碳负极投资额10亿元以上，远高于人造石墨单万吨投资（ 2亿左右）；目前硅碳纯品单吨营业成本 20 万，硅氧纯 品单吨营业成本 16-18 万。其中原材料 20%左右，能耗 30%，设备折旧 40%， 人工及其他 10%；目前主要技术均未实现工业规模化放大，大部分停留在实验室吨级实验；新一代电池体系配套不完善，硅碳负极作为新一代负极材料，需要配套相应的导电剂、粘结剂等，目前产业链配套仍不成熟。图片
02 硅基负极市场应用随着新能源车快速发展，快充技术发展和续航里程焦虑，以及未来特斯拉大圆柱电池放量，有望带动硅基负极在动力市场需求快速上量。此外，硅基负极也有望在 2023 年后应用在其他动力电池尤其是高镍领域，加上消费电池渗透率提升所带的增量， 机构预计2025年全球硅基负极市场空间或将达300亿元。在应用端，松下、三星、宁德时代等电池厂已经部分采用贝特瑞或杉杉股份等相关产品，在车型方面，硅基负极在特斯拉汽车等部分车型的应用已经落地，硅基负极有望随配套车型的放量实现较好销量。在电池端，未来随着4680大圆柱电池量产，带动国内企业跟进布局，叠加锂电池下游持续景气，将打开硅基负极市场空间。整车端方面，未来两年是整车厂品牌向上的最佳时间窗口，高端车型有望密集推出，带动快充等补能需求的提升，硅碳材料高比容量优势逐渐凸显。03 正在布局企业国内硅基负极行业玩家大致可以分为四大类：一是现有石墨类负极企业，如贝特瑞、璞泰来等；二是科研院校背景的企业，如天目先导、壹金新能源等；三是电池类企业，如宁德时代、国轩高科等；四是化工企业跨界或硅材料企业切入，如石大胜华等。图片
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