为什么在当前节点关注硅碳负极1、从产业背景层面：产业链降本影响硅碳负极在23年推广，24年 预计“降本&增效”并重。 2023年产业链的重心全部集中于降低材 料成本，而硅基负极作为增效（提升能量密度）的关键材料，在降本的大环境下推广受阻。经过2023年产业链端大规模降本，以国内 方形磷酸铁锂动力电池为例，从年初的0.83元/Wh降至23年11月底0.43元/Wh，价格降幅达48%。材料厂单位盈利持续收窄，目前继 续大幅降本的空间有限。 在此基础上，我们预计电芯将重新将更多的重心从“降本”逐步转移至“增效”上，现有材料体系的电芯技术已发展到了瓶颈阶段，只 有在下一代更高性能电芯上占据性能/成本优势，才能夯实电池龙头的产业地位。以宁德时代的凝聚态电芯为代表的下一代电芯技术标 配硅碳负极，助力电芯在能量密度层面实现质的跨越（从目前材料体系的能量密度约300Wh/Kg提升至500Wh/Kg）。 2、从应用必要性层面：硅碳负极是电池增效的重要方向： 1）硅碳材料能大幅提升电池能量密度。现有石墨材料比热容可达365mAh/g，接近上限372mAh/g，硅材料理论比热容为4000mAh/g 以上，单体电池能量密度可达843Wh/kg。 2）硅基材料安全性能高。硅负极嵌锂电位适中（0.4Vvs.Li+/Li），在充电嵌锂过程中没有析锂隐患，提高锂离子电池的安全性能。 3）硅资源储量丰富。与石墨相比，硅元素在地壳中含量丰富分布广泛，约为地壳质量的27.6%，是地壳中储量第二丰富的元素。 4）硅材料快充性能优异。能从各个方向提供锂离子嵌入的通道，快充效率高。 3、从产业链进程层面：硅碳负极产品经过近两年的发展，产业链成熟度显著提升： 1）技术层面：2006年，贝特瑞开始进行硅碳负极技术的研究并获得第一项发明专利；2016年，韩国研究所（UNIST）通过化学气相沉积 CVD技术制备得到了硅碳复合材料，可实现批量生产；2022年，美国Group 14公司推出了新一代气相沉积硅碳材料。银硅科技申请一种 硅碳复合负极材料及其制备方法，提高了材料循环性能和倍率性能，并且简化了工艺流程，极大地降低了生产成本；2023年，碳一新能 源集团打造的全球首个集成人造SEI膜负极制造项目顺利投产。天目先导高端纳米硅碳负极材料核心技术由中科院物理研究所在全球范围 内率先提出，并成功实现产业化，开启了负极材料发展的新未来。 2）行业层面：2019年，小米率先在行业内将硅基负极材料应用在智能手机上；2020年，特斯拉4680电池发布；2023年，荣耀Magic5 Pro首次在手机行业中商用硅碳负极电池技术，特斯拉4680电池进入量产阶段，标志着硅碳负极发展进入新阶段。 技术路线选择目前批量出货以硅氧为主，从中长期考虑偏向硅碳 当前阶段硅基负极产品中，以硅氧为主（二代硅氧，大部分出货至海外），本质原因是贝特瑞、杉杉为代表的氧化亚硅产品成熟度较 高。硅氧负极需要提升的点在于首效和能量密度。 从中长期提升能量密度的角度出发，材料厂商倾向于发展硅碳负极，尤其是气相沉积法下的硅碳路线。本质上是打开能量密度上限、 控制膨胀率、提升循环寿命。现有硅碳负极是用传统研磨法生产。研磨法下硅颗粒尺寸较大（通常在100nm以上），膨胀问题难以 解决。CVD法通过将硅纳米颗粒沉积在碳基体表面形成复合材料，基于其产品组分均匀、结构致密，CVD法生成的复合材料膨胀率 更低，对应循环性能得到显著提升，可以更好的发挥硅碳负极高容量的性能优势，待产品成熟，规模化降本后有望大批量应用。从材料厂的选择验证，头部材料企业倾向于采用CVD法硅碳负极。 CVD法提升能量密度幅度高，且膨胀率低，循环性能优异 气相沉积（CVD）法核心工艺流程：气相沉积法是通过多孔碳骨架来储硅，先用高分子材料制造出类似海绵一样具有多孔结构的碳 颗粒，然后向多孔碳颗粒的孔隙里通入硅烷气体，通过高温热解使气体沉淀成硅纳米颗粒分散在多孔碳的孔隙里，该方法能对制备的 纳米材料实现分子尺度的控制，产品形貌较好，同时沉积产生的硅碳材料组分均匀，结构较为致密，通过多孔碳内部的空隙来缓冲体 积膨胀，因此膨胀率低，循环优异。 CVD法的核心优势：1）碳骨架具备不错的储锂能力；2）碳骨架本身密度小质量轻，使得材料能量密度高；3）CVD气相沉积硅所 需生产流程短，设备少，理论成本低。 CVD法的核心难点在于多孔碳的选型、沉积设备和沉积工艺：1）碳骨架的好坏直接决定产品的量产能力（孔径、孔容、孔隙率均一 性）；2）沉积设备是量产瓶颈（回转窑容易沉积/包覆不均匀、而导致性能较差，且硅烷利用率低；流化床高密闭性、高气压，放量 困难）3）沉积工艺的量产工艺一致性要求极高。 气相沉积法硅碳负极产业链设备端：回转窑技术不断革新，但产品性能相对较差 设备介绍：回转窑主要是由筒体、转动装置、支撑装置、挡轮装置、窑头密封装置构成。 工艺流程：物料从窑尾进入窑内煅烧，由于筒体的倾斜和缓慢的回转作用，物料既沿圆周方向翻滚又沿轴向移动，生成熟料经窑头罩 进入冷却机冷却。燃料由窑头喷入窑内，燃烧产生的废气与物料进行交换冲击式破碎机后，由窑尾导出。 优势：单机产能大、运行稳定、燃料适应性好等，并且在近两年技术取得大幅创新，能耗逐步下降。 劣势：占地面积大，热效率低，造价高，同时，生产线水平高低不一、缺乏高端技术人才。 总体来看，使用回转窑沉积时硅烷极易发生自燃爆炸而存在安全隐患，且由于燃烧产生的固体沉淀导致回转窑中硅烷的使用率低，硅 烷的较多浪费和也使得量产的硅碳产品成本较高。 设备端：流化床制备硅碳有望进一步扩大至百吨级，具备量产能力 工艺流程：在硅碳制备中，流化床反应器可以实现硅和碳的化学气相沉积。硅源和碳源被注入到流化床反应器中，通过加热和反应 气体的作用，硅和碳在流化床中发生反应并沉积在颗粒表面，形成硅碳复合材料。 优势：反应物颗粒与气相的接触程度大、包覆均匀性好等。 劣势：成片纯度不高、设备零件使用期限短，因此目前流化床规模较小。 流化床沉积设备生产商主要为国内领先企业苏州纽姆特，其连续化开发速度处于行业领先地位。 流化床化学气相沉积制备高性能硅氧碳负极材料技术目前已由百克级别实验室制备发展至百公斤级中试阶段，可见制备生产能力显 著提升，产品已通过企业评测实现技术转化，未来有望进一步实现百吨级工业应用阶段。 我国作为世界最大工业化国家，随着流化床技术不断提升，能耗有望逐年递减，应用持续扩宽，有望取得市场更多信赖。 设备端：目前厂家倾向流化床，成本低/安全性更好/性能更优 1. 成本控制：流化床法的成本较低，不需要额外的后燃室和脱臭装置；同时硅烷利用率也较高，可以降低原料的消耗。回转窑法 硅烷利用率较低，以及需要更多的设备及占地面积，成本较高。 2. 可实现性/难易程度：由于流化床需要设备满足高密闭性、高气压，以及为了回收被流体带到反应器的上部或者外面的颗粒，在 流化床中心必须有气固分离装置，流化床法的可实现性和难易程度较高。相对而言，回转窑法的可实现性和难易程度较低，但回 转窑沉积不均匀，包裹不完善，安全隐患大。 3. 产品性能：流化床法的产品性能较优，可制备出实收率更高、无定形、纳米尺寸和碳包裹的硅碳复合材料。这种材料具有沉积 更均匀等优点。回转窑法的产品性能较差，因为它制备出的硅碳复合材料碳包覆不完全。因此流化床生产效率更高。 材料端：多孔碳批量生产难度较大，对硅碳负极性能关键 多孔炭和硅烷气是硅碳负极的两个核心原材料。 多孔炭是与硅碳负极匹配度极高，从0-1的新材料。以多孔碳材料作为硅碳负极的碳骨架，采用CVD气相沉积方法向多孔碳骨架颗粒 的孔隙里通入硅烷气体，通过加热使气体沉淀成硅纳米颗粒分散在多孔碳的孔隙里，合成硅碳复合材料 。多孔碳材料是具有不同孔 结构的碳材料，具有高化学稳定性、高导电性、高比表面积和丰富可调的多孔结构，在能源存储、转换、催化、吸附分离等领域展现 出巨大的应用前景。在硅碳负极领域的应用催化了多孔炭产业的发展。 多孔炭对最终硅碳负极的性能起关键性作用： 1）通过多孔碳内部的空隙来缓冲硅嵌入锂过程中的体积膨胀效应; 2）碳层包覆减少了裸硅与电解液的直接接触，抑制了SEI膜(固体电解质界面)重复生长，进而提升了锂电池的倍率性能及首次库伦效率。 因此硅碳负极纯品对多孔炭的品质提出了极高的要求：碳骨架的好坏直接决定产品的量产能力，不同多孔碳需要和不同的石墨作为匹 配，才能在电芯端表现出良好的性能。不同场景下的碳骨架孔径、孔容、孔隙率要求均不一样，性能差异极大，需要专业的电芯设计 人员配合才能完成开发。 多孔炭竞争格局：木质相比树脂类有性价比优势，专业厂商相比负极厂自制有性能和成本优势。 1）产品路线格局：从技术路线上看多孔炭有树脂基和木质基两类。从性能角度，树脂炭占优。树脂基生产球形多孔炭，对应降低表面 应力，降低膨胀率，提升循环性能；微孔一致性好，孔径分布均匀，有益于硅烷均匀沉积，在高压实下也不易破碎。从成本/性价比角 度，木质炭占优。木质炭的原料是木质素，是造纸等行业的工业废料，成本低、来源广且具备环保效益。 2）产业链分工格局：硅碳负极大厂尝试自产多孔炭，但专业的多孔炭厂家具备1）原料筛选、加工处理优势，以及2）降低原料单耗、 能耗，以及规模效应摊薄成本等降本优势。 有助于专业的多孔炭厂家率先放量，助力硅碳负极量产，同时中长期凭借成本优势占据产业链龙头地位。 材料端：硅烷应用广泛，供给侧放量助力锂电池硅基负极发展 竞争格局：硅烷气市场竞争格局比较集中，主要以现有企业为主。我们认为电子级硅烷气目前的市场竞争主要体现为现有企业之间关 于快速扩产填补市场缺口能力的竞争，以及捕捉市场机遇、在硅碳负极材料及电子级多晶硅等新兴应用领域抢先布局、获取优质客户 能力的竞争。但由于电子级硅烷气行业具有较高的工艺技术、工程实践、生产管理和客户认证门槛，预计未来三年内市场供给仍以硅 烷科技、兴洋科技、中宁硅业等企业为主，同时和远气体等综合性气体企业若顺利切入本行业，也将在未来的市场竞争中占据重要地 位。 供需情况：2023年需求侧缺口较大，2024年开始供给侧逐步放量，预计供不应求形势持续至2025年。根据硅烷科技回复函中统计 的各家材料厂商披露的现有及在建产能，预计2023/2024/2025年硅烷市场年产能合计分别为9500吨/14487吨/38375吨，以同期传 统下游市场需求量和新增应用领域需求量为基础计算行业未来硅烷气年需求量分别为12364吨/22195吨/44347吨。总体上24年供给 端产能建设完成逐步投产，需求端随着硅基负极、电子级多晶硅等新兴市场的持续升温有望进一步扩大，近两年维持供不应求的市场。 报告节选：
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