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证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 4680 电池引领需求，历经蛰伏将迎爆发电池引领需求，历经蛰伏将迎爆发 新能源汽车行业硅基负极专题报告2022.3.2 中信证券研究部中信证券研究部 核心观点核心观点 袁健聪袁健聪 首席新能源汽车 分析师 S1010517080005 王喆王喆 首席能源化工 分析师 S1010513110001 李鹞李鹞 新能源汽车分析师 S1010521070005 吴威辰吴威辰 新能源汽车分析师 S1010521060001 滕冠兴滕冠兴 新能源汽车分析师 S1010521080004 随着高单车带电量车型的不断推出及补能效随着高单车带电量车型的不断推出及补能效率需求的提升，负极作为电池提升率需求的提升，负极作为电池提升能量密度的“短板”问题日益突出。硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，能量密度的“短板”问题日益突出。硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，硅的硅的比容量高达比容量高达 4200mAh/g，对提升电池能量密度有着至关重要的作用。产品，对提升电池能量密度有着至关重要的作用。产品端，端，4680 大圆柱电池大圆柱电池的的量产，预计将从电池侧开启硅基负极市场的爆发式增长；量产，预计将从电池侧开启硅基负极市场的爆发式增长；技术端，随着产品的迭代，体积膨胀、技术端，随着产品的迭代，体积膨胀、SEI 膜持续生长等问题也将随着材料改膜持续生长等问题也将随着材料改进及预锂化等途径解决。我们看好在相关产业布局多年，在相关领域具备核心进及预锂化等途径解决。我们看好在相关产业布局多年，在相关领域具备核心技术竞争力、成本控制力强的相关标的。技术竞争力、成本控制力强的相关标的。硅基负极：硅基负极：下一代负极材料，高比容量为核心优势下一代负极材料，高比容量为核心优势。碳基材料是目前使用最为广泛的负极材料，其理论比容量为 372mAh/g，而硅的比容量高达 4200mAh/g，是碳基材料的 10 倍以上，是目前已知比容量最高的负极材料，高比容量优势使得硅基材料被视为理想的下一代负极材料。以碳辅硅，兼具容量与寿命：以碳辅硅，兼具容量与寿命：由于硅材料在充放电时体积膨胀可达 120%300%，导致硅颗粒分化及 SEI 膜的破裂增厚，将影响电池首充效率与寿命。目前解决方案是硅颗粒提供储锂容量，碳材料缓冲体积变化，同时兼顾了较高的比容量与较长的使用寿命，目前硅碳复合材料与硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。需求端引领需求端引领+供给端产出，硅基负极历供给端产出，硅基负极历经经蛰伏将迎爆发蛰伏将迎爆发。1）需求面）需求面：锂电池需锂电池需求增长，高密度电池加速导入。求增长，高密度电池加速导入。需求方面，新能源汽车步入了 1-N 的阶段，带动电池端进入优质产品驱动阶段。我们预测 2025 年全球新能源汽车动力电池需求有望达到 1380GWh，中长期增长确定性高、空间大、增速快。产品结构方面，随着下游客户对快充性能、续航时间提出更高要求，高能量密度电池受到市场青睐，硅基负极优势更加凸显；2）爆发点：）爆发点：4680 电池引领电池引领需求爆发需求爆发。圆柱形电池在应力分配等方面的优势将使硅基负极率先在圆柱电池上得到使用。随着特斯拉 4680 大圆柱电池的量产，我们预计 4680 电池在 2023 年有望迎来爆发元年，之后随着国内外头部电池供应商跟进布局，将带动硅基材料爆发，预计 2025 年硅基负极出货量将达 9.8 万吨（2021-2025 年 CAGR 达 53%），对应市场规模约 150 亿元，其中动力电池出货 8.7 万吨，对应市场规模 132 亿元，占比 88%；3）行业端：）行业端：供给端提前布局，供给端提前布局，技术积累将迎收获：技术积累将迎收获：贝特瑞、杉杉股份、石大胜华都已经实现了硅基负极量产，璞泰来、硅宝科技等公司处于布局、中试或研发阶段。性能重点：性能重点：体积膨胀降低寿命与首次充电效率，体积膨胀降低寿命与首次充电效率，预锂化与材料端优化是前进方预锂化与材料端优化是前进方向向。硅基材料缓解了纯硅材料的体积膨胀，但硅基负极的寿命与首次充电效率相较于碳基负极仍有差距。目前主要是 1）负极预锂化。负极预锂化。预锂化是指在电池工作前向电池内部补充锂离子，将有效提升首次充电效率与电池寿命；2）改进硅基复改进硅基复合材料。合材料。除硅碳（纳米硅）路线、硅氧路线外，除硅碳（纳米硅）路线、硅氧路线外，通过加入碳纳米管、石墨烯等新型导电剂材料，也将提升硅基负极的寿命与循环性能。配套材料：配套材料：迭代加速，技术为先迭代加速，技术为先，关注电解液与粘结剂更替。，关注电解液与粘结剂更替。电解液方面，对于硅基负极而言，由于 SEI 膜具有不稳定性，因此维持 SEI 膜的稳定性是提升硅基负极电化学性能的重要条件。硅基负极中，主要的成膜添加剂的选择是 VC、FEC；粘结剂方面，考虑到硅材料的高膨胀率，因此对粘结剂的粘附性要求更高，主流硅基负极粘结剂包括 CMC、PAA、PI 等。风险因素风险因素：新能源汽车销量不及预期，4680 电池产能投放不及预期，研发进度不及预期，技术路线更迭。投资投资建议：建议：硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，硅基负极材料比容量显 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 柯迈柯迈 新能源汽车分析师 S1010521050003 刘沛显刘沛显 能源化工分析师 S1010521100004 著大于其他负极材料，可以迎合下游高能量密度需求。此外，随着 4680 大圆柱电池量产及主流电池厂的跟进，我们预计硅基负极即将迎来爆发，推荐受益硅基负极需求爆发的主辅材供应商：杉杉股份（硅基负极）、硅宝科技（硅基负极）、璞泰来（硅基负极）、天奈科技（碳纳米管）、新宙邦（电解液）、晶瑞电材（粘结剂），建议关注贝特瑞（硅基负极）、石大胜华（硅基负极，电解液）、天赐材料（电解液）。重点公司盈利预测、估值及投资评级重点公司盈利预测、估值及投资评级 简称简称 收盘价收盘价 EPS PE 评级评级 2020 2021E 2022E 2023E 2020 2021E 2022E 2023E 杉杉股份 29.56 0.08 1.99 1.91 2.37 369.5 14.9 15.5 12.5 买入 璞泰来 146.21 0.96 2.48 3.53 4.77 152.3 59.0 41.4 30.7 买入 硅宝科技 21.55 0.51 0.61 0.99 1.28 42.3 35.3 21.8 16.8 买入 天奈科技 152.60 0.46 1.31 2.64 4.89 331.7 116.5 57.8 31.2 买入 新宙邦 94.58 1.26 3.17 4.66 5.60 75.1 29.8 20.3 16.9 买入 晶瑞电材 37.35 0.23 0.63 0.84 1.12 162.4 59.3 44.5 33.3 增持 贝特瑞 120.50 1.02 2.93 4.41 5.95 118.2 41.1 27.3 20.2-石大胜华 181.94 2.63 5.70 7.50 9.03 69.2 31.9 24.3 20.1-天赐材料 105.29 0.27 2.40 4.19 5.46 388.7 44.0 25.1 19.3-资料来源：Wind，中信证券研究部预测，注：贝特瑞、石大胜华、天赐材料采用 wind 一致预期，股价为 2022 年 3 月 1 日收盘价 新能源汽车新能源汽车行业行业 评级评级 强于大市（强于大市（维持维持）新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录目录 下一代负极材料，高比容量成核心优势下一代负极材料，高比容量成核心优势.1 负极材料升级在即，硅基材料为首选.1 硅基负极比容量优势明显，寿命与首充效率是短板.2 以碳为基，硅碳复合材料是理想路线.3 需求端引领需求端引领+供给端产出，硅基负极历蛰伏将迎爆发供给端产出，硅基负极历蛰伏将迎爆发.5 需求面：高能量密度电池加速导入，硅基材料.5 爆发点：特斯拉 4680 电池量产引领行业，大圆柱电池市场将迎来爆发.6 行业端：供给端提前布局，技术积累将迎收获.9 性能重点：预锂化与材料端优化是前进方向性能重点：预锂化与材料端优化是前进方向.11 现存问题：体积膨胀降低寿命与低首次充电效率.11 解决方法：预锂化与材料端优化是前进方向.12 预锂化提升首效短板，规模化带动成本下降.13 材料端持续改进，多路线齐头并进.13 迭代加速，技术为先，关注电解液与粘结剂更替迭代加速，技术为先，关注电解液与粘结剂更替.16 电解液行业：硅基负极用电解液添加剂作用关键，技术壁垒将不断提高.16 负极粘结剂：高膨胀率需求处于研发开发上升期，国内企业加速追赶.18 重点企业分析重点企业分析.20 贝特瑞：产品已供应核心客户，第四代硅基材料开发中.20 杉杉股份：硅基负极已实现量产，持续推进纳米硅研发.21 璞泰来：持续加码高端负极业务，硅基负极送样测试中.21 石大胜华：1000 吨/年硅基负极进入试生产阶段，再规划 2 万吨/年硅基负极产能.21 硅宝科技：有机硅密封胶龙头加码硅基负极产线，1 万吨/年硅基负极分 2 期分别于 23/24年投产.21 天奈科技：碳纳米管龙头，持续受益碳纳米管渗透率提升.22 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 插图目录插图目录 图 1：负极材料为锂电池重要原材料.1 图 2：三元动力电池成本占比情况.1 图 3：负极材料对锂电池的影响.1 图 4：锂电池正极材料与负极材料升级方向.2 图 5：锂电池负极主要材料.2 图 6：硅基负极存在问题及解决方案.3 图 7：核壳型微孔碳包覆硅纳米复合材料的微观结构.3 图 8：Si/C 核壳结构扫描电镜图.3 图 9：全球动力电池出货量预测.5 图 10：中国动力电池出货量及预测.5 图 11：2016-2020 年动力锂电池与系统能量密度变化趋势（单位：Wh/kg）.6 图 12：4680 电池结构与性能.7 图 13：4680 电池成本节约情况.7 图 14：20202025E 硅基负极电池容量/渗透率（GWh，%）.9 图 15：20202025E 硅基负极材料市场容量（万吨）.9 图 16：贝特瑞 S400 高容量硅系复合材料.10 图 17：贝特瑞 S600 高容量硅系复合材料.10 图 18：锂离子流失示意图.11 图 19：硅基材料主要问题小结.12 图 20：硅基负极优化路线图.12 图 21：锂离子电池负极预锂化作用示意图.13 图 22：补锂的主要方式.13 图 23：硅基负极材料端优化路线图.14 图 24：纯硅与硅/碳纳米纤维循环前后电极结构比较.14 图 25：单壁/多壁碳纳米管示意图.15 图 26：单壁碳纳米管的优势.15 图 27：单壁碳纳米管结构图.15 图 28：硅包覆碳，嵌入碳纳米管.15 图 29：单壁碳纳米管使硅基负极电池的循环性能提升四倍.15 图 30：自机械抑制石墨烯复合硅基负极材料制备.16 图 31：锂离子电池结构图.16 图 32：锂电池粘结剂示意图.18 图 33：粘结剂包覆在活性材料表面后材料膨胀情况.19 图 34：不同粘结剂的放电曲线和循环次数对比.19 表格目录表格目录 表 1：不同负极材料性能对比.3 表 2：硅基负极与硅氧负极对比.4 表 3：硅基负极结构分类及特点.4 表 4：常见硅基负极制备方法.5 表 5：不同比例硅基负极相对石墨负极容量的提升.6 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 表 6：20192025E 特斯拉 4680 电池需求测算.7 表 7：硅基负极市场空间测算.9 表 8：硅基负极企业布局情况.9 表 9：贝特瑞承担硅基负极技术科研项目情况.10 表 10：不同负极材料性能对比.11 表 11：电解液添加剂种类、功能与主要产品.17 表 12：氟代碳酸乙烯酯（FEC）的添加效果与作用机理.17 表 13：主要企业硅碳负极电池配套电解液添加剂布局情况.17 表 14：锂电池粘结剂的分类及特性.18 表 15：粘结剂性能对比.19 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1 下一代负极材料，下一代负极材料，高比容量高比容量成核心优势成核心优势 负极材料负极材料升级在即升级在即，硅基材料为首选硅基材料为首选 负极材料对电池性能影响大，成本占比约负极材料对电池性能影响大，成本占比约 8%。现有技术体系下锂离子电池四大关键原材料为正极材料、负极材料、隔膜与电解液。作为四大关键原材料之一，负极材料在三元动力电芯的成本中约占 8%。图 1：负极材料为锂电池重要原材料 图 2：三元动力电池成本占比情况 资料来源：锂电池 UPS 资料来源：中信证券研究部测算 负极材料在锂离子电池脱嵌中起着重要作用，其性能对锂电池的安全性与寿命等影响很大：1）膨胀性能很大程度上影响电池的循环寿命；2）比容量、首次效率等对电池容量影响较大；3）压实密度、极片厚度等指标也影响电池的倍率性能等。图 3：负极材料对锂电池的影响 资料来源：中信证券研究部绘制 正极材料突破较早，负极材料升级在即。正极材料突破较早，负极材料升级在即。在影响锂电池性能的关键材料中，正极材料已经从早期的钴酸锂材料、锰酸锂材料升级为磷酸铁锂材料和三元材料，而负极材料升级较为缓慢。近期硅碳材料技术进步较快，为负极材料升级提供了契机。40%8%9%9%18%16%正极材料负极材料电解液隔膜其他辅材折旧及人工 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 图 4：锂电池正极材料与负极材料升级方向 资料来源：锂离子电池负极材料研究进展（李春晓，2017），中信证券研究部 负极材料负极材料种类种类多元，碳基材料使用率领先。多元，碳基材料使用率领先。锂电池负极材料主要分为碳基材料和非碳基材料。碳基材料包括天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球(MCMB)、软炭(如焦炭)负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等，非碳基材料主要分为硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。图 5：锂电池负极主要材料 负极材料负极材料碳基材料碳基材料非碳材料非碳材料人造石墨材料人造石墨材料天然石墨材料天然石墨材料中间相碳微球中间相碳微球硅碳复合材料硅碳复合材料主要负极材料未来方向石墨类石墨类石墨烯石墨烯无定形碳无定形碳氮化物负极氮化物负极硅基负极硅基负极钛基负极钛基负极锡基负极锡基负极硅氧材料硅氧材料 资料来源：锂离子电池负极材料研究进展（李春晓，2017），中信证券研究部 硅基材料将成为硅基材料将成为高端市场高端市场首选首选。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目前负极材料 95%市场份额。从产能规划看，行业多数企业在积极布局负极及石墨化产能的同时，也持续加大硅基负极研发力度，因此预计人造石墨在未来仍会是主流负极材料，但硅基负极也将拥有稳定的客户群体。目前目前硅基负极比容量优势明显，寿命与首充效率是短板硅基负极比容量优势明显，寿命与首充效率是短板 硅的比容量可达硅的比容量可达 4200mAh/g，且来源丰度极高。，且来源丰度极高。硅是地壳中丰度极高的元素之一，来源广泛、价格较低。此外，硅的理论储锂容量高达 4200 mAh/g，是石墨容量（372 mAh/g）的 10 倍以上，是比容量最高的可用锂电池负极材料。硅的电压平台略高于石墨，在充电时难以引起表面析锂的现象，安全性能优于石墨负极材料。但硅材料在充放电时体积膨胀可达 120%300%，导致硅颗粒分化及 SEI 膜的破裂增厚，将影响电池首充效率与寿命。新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 表 1：不同负极材料性能对比 天然石墨天然石墨 人造石墨人造石墨 中间相碳微球中间相碳微球 软碳软碳 硬碳硬碳 石墨烯石墨烯 钛酸锂钛酸锂 硅基材料硅基材料 比容量（mAh/g）340370 310370 280340 250300 250400 400600 165170 10004200 首充效率（%）90%93%90%96%90%94%80%85%80%85%30%98%99%60%92%循环寿命（次）1000 1500 1000 1000 1500 10 30000 300500 工作电压（V）0.2 0.2 0.2 0.52 0.52 0.5 1.55 0.30.5 快充性能 一般 一般 一般 优秀 优秀 优秀 倍率性能 差 良好 优秀 优秀 优秀 差 优秀 一般 安全性 一般 良好 良好 良好 良好 良好 优秀 良好 应用方向 数码/动力 数码/动力 动力 动力/储能 动力/储能 动力 动力/储能 动力 资料来源：锂离子电池负极材料产业化技术进展（陆浩，2016），纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展（安富强，2019），中信证券研究部 图 6：硅基负极存在问题及解决方案 资料来源：纳微科技学术论坛（万琦），中信证券研究部 以碳为基，硅碳复合材料是理想路线以碳为基，硅碳复合材料是理想路线 硅基负极硅基负极材料是以碳作为分散基体，硅作为活性物质的新型负极材料。材料是以碳作为分散基体，硅作为活性物质的新型负极材料。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。图 7：核壳型微孔碳包覆硅纳米复合材料的微观结构 资料来源：锂离子电池硅复合负极材料研究进展（高鹏飞，2011）图 8：Si/C 核壳结构扫描电镜图 资料来源：锂离子电池硅基负极材料研究进展（肖忠良，2019）新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 硅碳复合材料与硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。硅碳复合材料与硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。目前，硅基材料的主要发展方向是氧化亚硅（SiO）与硅碳复合材料。其中氧化亚硅主要通过在高温下气象沉淀硅与二氧化硅（SiO2），使硅纳米颗粒（25nm）均匀分散在二氧化硅介质中制得。氧化硅材料既能发挥硅的高容量优势，又能够抑制硅的体积变化。硅基负极制作工艺主要有机械球磨法、气相沉积法、溶胶凝胶法等，下图我们以机械球磨法为例，对比硅碳负极与硅氧负极的优势与劣势。表 2：硅基负极与硅氧负极对比 工艺路线工艺路线 机理机理 优势优势 待提升待提升 硅碳负极 利用球磨机、砂磨机等设备对硅进行加工，得到纳米硅颗粒；2、将得到的纳米硅颗粒与各种碳混合，烧结，得到成品。成本适中；扩张容易；环境可控；可批量化生产；主流较成熟路线。全产业链投入精力较多，未来微创新环节较多，持续提升产品性能可期。分散均匀度不太好，全套工艺需要控制的环节非常多，组织管理要求较高；容易碰到天花板，综合瓶颈估计很快会到来后续各工艺环节需要持续创新、升级。硅氧负极 采用氧化亚硅为原料，通过气、液、固等多道工艺，得到成品 流程较短，工艺环节一般在 10 道工序以内，循环性能好，已在动力电池产业成熟应用 首效较低；需提升高温性能；预锂工艺复杂，成本较高。资料来源：石大胜华官网，中信证券研究部 硅基负极硅基负极种类多样，技术路线仍在探索。种类多样，技术路线仍在探索。硅碳复合负极材料根据硅的分布方式不同可分为包覆型、负载型和分散型硅基负极材料，根据硅基负极中物质种类的多少可分为硅碳二元复合材料与硅碳多元复合材料。表 3：硅碳负极结构分类及特点 示意图示意图 结构结构 特点特点 包覆结构壳核型 碳层的存在有利于增加硅的导电率 缓冲硅在脱嵌过程中的体积效应 最大限度降低硅表面与电解液的直接接触，缓解电解液的分解 电极循环性能得到提高 包覆结构蛋黄-壳型 具有壳核结构的特点 结构中的空腔对体积有容纳膨胀作用，利于结构稳定 利于产生稳定的 SEI 膜 包覆结构多孔型 孔道结构能够提供快速的离子传输通道 较大的比表面积增加了材料的反应活性，从而提高倍率性能 负载结构 结构中含有大量碳材料，循环稳定性能好 硅含量一般较低，可逆比容量较低 分散结构 抑制硅的体积膨胀 资料来源：赛瑞研究，中信证券研究部 制备方法：制备方法：硅基负极硅基负极材料制备方式较为复杂，尚未形成标准化制备方法。材料制备方式较为复杂，尚未形成标准化制备方法。目前常见的制备方法有化学气相沉积法、机器球磨法、高温热解法等。工业上为了保证更好的性能，通常是多种手段组合来制备，例如高温热解机械球磨或机械球磨化学气相沉积。硅基 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 负极材料的制备较石墨负极材料更为复杂，各厂商尚未形成标准的制备方法。表 4：常见硅基负极制备方法 制备方法制备方法 优点优点 缺点缺点 化学气相沉积法 循环稳定性好 首次充放电效率高，设备简单 适合工业化生产 总比容量较低，设备复杂，成本较高 需要与其他方法组合使用 机器球磨法 明显降低反应活化能，提高材料电学、热学性能 可调粒径分布，粒度小，分布均匀 工艺简单，成本低、适合工业化生产 需要根据硅与石墨的亲和性选择合适的研磨条件 产生较多微晶颗粒，易引发副反应 溶胶-凝胶法 分散性好 较高的可逆比容量 循环性能好 产品易发生团聚 高温热解法 工艺简单，易产业化 能够较好的缓冲充放电过程中的体积变化 产品一致性较好 硅的分散性较差，包覆一致性不高 易发生团聚 静电纺丝法 低成本，工艺简单 能耗较高 资料来源：纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展（安富强，2019），中信证券研究部 需求端引领需求端引领+供给端产出，硅基负极历蛰伏将迎爆发供给端产出，硅基负极历蛰伏将迎爆发 需求面：高能量密度电池加速导入，硅基材料需求面：高能量密度电池加速导入，硅基材料 下游需求持续景气，锂电池市场高速增长。下游需求持续景气，锂电池市场高速增长。硅基负极主要应用于动力电池、消费电池市场。以动力电池为例，根据 GGII 数据，2021 年我国动力电池出货量为 220GWh，同比增长 175%，实现超预期增长。预计我国 2022 年动力电池出货量将达到 450GWh，全球动力电池需求将超 650GWh。受锂电池市场，尤其是动力电池市场增长带动，硅基负极需求将进一步增加。图 9：全球动力电池出货量预测 资料来源：GGII，中信证券研究部预测 图 10：中国动力电池出货量及预测 资料来源：GGII，中信证券研究部预测 终端客户续航需求提升，高能量密度电池成为行业要求。终端客户续航需求提升，高能量密度电池成为行业要求。我国锂电池行业已步入成长期，新能源汽车、消费电子等终端市场中，客户对续航时间、续航里程和轻量化提出更高6501550300005001000150020002500300035002022E2025E2030E（GWh）CAGR=34%CAGR=14%30.844.56571802204500%20%40%60%80%100%120%140%160%180%200%0501001502002503003504004505002016 2017 2018 2019 2020 2021 2022E中国动力电池出货量（GWh）YoY 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 要求。目前石墨电极已发展至接近 372mAh/g 的理论比容量上限，行业正在探索下一代高比容量负极材料。图 11：2016-2020 年动力锂电池与系统能量密度变化趋势（单位：Wh/kg）资料来源：GGII，中信证券研究部 以碳辅硅，以碳辅硅，硅基负极硅基负极高比容量优势充分显现。高比容量优势充分显现。在 Si/C 复合体系中，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量；碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善硅质材料的导电性，且能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚，因此硅碳复合材料综合了二者的优点，具有较高比容量高比容量和较长循环寿命较长循环寿命。目前，硅基负极已成为各厂商重点攻关方向。表 5：不同比例硅基负极相对石墨负极容量的提升 比容量比容量(mAh/g)放电电放电电压压(V)满电压实满电压实(gcm3)首效首效(%)体积能量密度体积能量密度(Wh/L)质量能量密度质量能量密度(Wh/kg)理论提升理论提升(%)实际提升实际提升(%)全电池值全电池值 理论提升理论提升(%)实际提升实际提升(%)全电池值全电池值 365 3.80 1.35 92-650-240 380 3.78 1.35 92 3.62 1.5 660 3.62 2.0 245 400 3.76 1.32 91 4.89 3.0 670 7.28 4.0 250 420 3.74 1.30 90 6.72 3.5 673 10.82 5.0 252 450 3.72 1.25 89 7.96 4.0 676 16.60 8.0 259 500 3.69 1.15 88 8.50 5.0 683 27.37 12.0 269 600 3.62 1.10 88 22.18 10.0 715 49.92 20.0 288 1500 3.46 0.80 88 112.08-257.89-2000 3.43 0.60 88 110.40-373.41-资料来源：锂离子电池材料研究进展（李春晓，2017），中信证券研究部 爆发点：特斯拉爆发点：特斯拉 4680 电池量产引领行业，大圆柱电池市场将迎来爆发电池量产引领行业，大圆柱电池市场将迎来爆发 4680 电池技术引领行业，特斯拉未来电池技术引领行业，特斯拉未来 4680 电池电池产能产能预计预计将超过将超过 100GWh/年。年。特斯拉于 2020 年 9 月发布使用硅基负极的 4680 电池，能量密度达 300Wh/kg，电池容量较21700 电池提高 5 倍。此前未量产主要由于良率与一致性水平不佳。此前未量产主要由于良率与一致性水平不佳。我们预计，4680 电池将于 2022 年量产后，在 2022-2025 年集中放量，根据特斯拉此前规划，未来 4680 电池年产能将超过 100GWh。050100150200250300圆柱三元单体圆柱三元系统方形三元单体方形三元系统软包三元单体软包三元系统20162017201820192020 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 图 12：4680 电池结构与性能 资料来源：特斯拉发布会 图 13：4680 电池成本节约情况 资料来源：特斯拉发布会，中信证券研究部 特斯拉特斯拉 4680 电池电池已实现量产，需求快速提升。已实现量产，需求快速提升。2022 年 2 月 19 日，特斯拉宣布1 月份已生产出第 100 万块 4680 电池，同时本季度德州工厂将交付首批搭载 4680电池的 Model Y。我们预计随着 4680 电池良品率的提升，产品将在特斯拉更多车型推广，预计 20232025 年特斯拉 4680 电池需求将达到 58/99/128GWh。表 6：20192025E 特斯拉 4680 电池需求测算 产量（万辆）产量（万辆）2019 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E 中国产 Model 3(中国产)0.1 13.6 28.4 40 52 60 65 三元2170%78%35%32%30%30%30%铁锂%22%65%68%70%70%70%Model Y(中国产)20 35 45 53 60 三元2170%35%32%30%三元4680%32%35%铁锂%65%68%70%68%65%Model Q（中国产）12 25 35 铁锂%100%100%100%美国产 Model3 30 23.7 22.4 30 35 40 50 三元2170%100%100%100%100%98%90%85%铁锂%2%10%15%Model Y 7 20.1 38 45 51 55 三元2170%100%100%90%63%45%35%三元4680%10%35%45%50%铁锂%2%10%15%Model S/X 6.9 5.7 2.4 7 10 10.5 11 三元2170%100%100%50%50%0%0%三元4680%50%50%100%100%Cyber truck 15 21 28 三元4680%100%100%100%新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 产量（万辆）产量（万辆）2019 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E Semi truck 2 3 4 三元4680%100%100%100%欧洲产 ModelY 10 30 40 50 三元2170%100%68%55%40%三元4680%30%37%45%铁锂%2%8%15%合计（万辆）14.6 37 50 93 160 246 304 358 特斯拉特斯拉 4680 电池需求（电池需求（GWh）5.8 57.8 98.7 127.6 资料来源：特斯拉公告，中信证券研究部预测 众多厂商跟进，大圆柱电池将成为众多厂商跟进，大圆柱电池将成为硅基负极硅基负极增长爆发点：增长爆发点：海外方面，除特斯拉在美国德州、德国的超级工厂外，松下、LG 化学均在推动4680 大圆柱电池配套设施建设；国内方面，宁德时代正加快研发节奏，计划 2024 年量产；比克动力于 2019 年开始研发大圆柱电池，预计 2023 年量产；亿纬锂能于 2021 年 11 月 5 日发布公告，将于荆门市建设年产 20GWh 大圆柱电池产线，预计 2024 年可实现量产。我们预计受特斯拉引领，国内企业将跟进布局 4680 电池，带动圆柱电池渗透率将进一步提升。小结：预计小结：预计 2025 年年全球全球硅基负极出货量将达硅基负极出货量将达 10 万吨，万吨，2021-2025 年年 CAGR 达达 53%。电池端，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，未来两年是整车厂品牌向上最佳时间窗口，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。市场规模：20212022 年，考虑到硅基负极预计将优先大规模应用于圆柱电池中，我们假设硅基负极主要在特斯拉车型上使用，假设 4680 电池中所用的负极材料均为硅基负极，根据上表 4680 电池需求测算，则硅基负极的渗透率下限为 10%左右；2023 年以后，随着国内电池厂对于大圆珠电池的跟进布局，我们预计硅基负极在中高端车型上将率先应用，行业将迎来快速提升，期间随着渗透率的提升，硅基负极行业规模将快速扩大。比容量：当前硅基负极的掺混量约在 10%左右，我们预计随着材料改性技术的提升，硅的掺混量将逐步提升，带动比容量提升。新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图 14：20202025E 硅基负极电池容量/渗透率（GWh，%）资料来源：GGII，各公司公告，中信证券研究部预测 图 15：20202025E 硅基负极材料市场容量（万吨）资料来源：GGII，各公司公告，中信证券研究部预测 我们预计至 2025 年，全球硅基负极材料市场用量将达到 9.8 万吨，其中动力电池用量为 8.7 万吨，硅基负极市场估计将达到约 150 亿元，其中动力电池市场空间约为 132 亿元。表 7：硅基负极市场空间测算 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 比容量（mAh/g）769 808 923 962 1000 单位价格（万元/吨）15 17 17 16 15 市场规模（万吨）合计合计 1.8 3.0 4.9 6.8 9.8 动力电池 1.4 2.5 4.3 6.0 8.7 其他 0.3 0.5 0.6 0.8 1.1 市场空间（万元）合计合计 27 49 82 109 149 动力电池 22 41 72 96 132 其他 5 8 10 13 17 资料来源：GGII，各公司公告，中信证券研究部预测 行业端行业端：供给端提前布局，：供给端提前布局，技术积累将迎收获技术积累将迎收获 供给端进驻企业多元，多数企业处于研发与试生产阶段。供给端进驻企业多元，多数企业处于研发与试生产阶段。硅基负极的应用前景，吸引了负极材料、新能源电池以及硅、碳等新材料行业企业的加入。目前众多国内企业正在针对硅基负极的应用进行技术研发。但国内仅有贝特瑞、杉杉股份、石大胜华等少数企业已国内仅有贝特瑞、杉杉股份、石大胜华等少数企业已进入量产阶段。进入量产阶段。表 8：硅基负极企业布局情况 阶段 企业 国家 进度 量产 Nexeon 英国 与伦敦大学开展合作，NSP-1 用于混合或低负载阳极电池，典型的初始阳极容量为 400-450mAh/g，NSP-2 用于高负载阳极电极配方 3M 美国 2012 年 3M 开始积累专利，2015 年 3M 收购了 Nanoscale Components，该公司开发了一种预锂化技术，可在阳极中添加额外的锂 OneD Material 美国 2013 年 OneD Material 收购了 Nanosys 的纳米线技术和 Palo Alto。逐渐开始 SiNANOde 硅-石墨负极材料试生产，在石墨粉上生长硅纳米线，硅含量为 8%-32%。可与许多现有和新的阴极匹配，包括 NCA、LCO、NCM 和其他材料，非常适合许多市场领域，从关键的军事和医疗应用，到消费电子和电动汽车的大批量应用 松下 日本 硅碳负极材料已经批量使用，公司 NCR18650C 型电池的容量高达 4000 mAh/g，并于 2013 年量产 贝特瑞 中国 目前拥有 3000 吨/年硅基负极材料产能，其硅基产品主要用于生产动力电池与消费电池，已经供应核心客户。2236641181672560%5%10%15%20%25%05010015020025030020202021E 2022E 2023E 2024E 2025E动力电池消费电池储能电池动力电池渗透率消费电池渗透率储能电池渗透率0.91.42.54.36.08.70.20.30.40.40.50.60%20%40%60%80%100%20202021E2022E2023E2024E2025E动力合计-硅碳负极消费合计-硅碳负极储能合计-硅碳负极 新能源汽车新能源汽车行业行业硅基负极专题报告硅基负极专题报告2022.3.2 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 杉杉股份 中国 硅基负极已有千吨级量产，小批量出货，硅基负极以氧化亚硅为主。石大胜华 中国 2021 年 11 月，石大胜华 1000 吨/年硅基负极材料进入试生产阶段。中试/研发 璞泰来 中国 计划投资 50 亿元开发新型负极、隔膜材料，在该项目中包括与中科院物理所合作的量产的硅基负极材料，已建成硅负极材料中试线 硅宝科技 中国 2019 年建成 50 吨/年试生产线，2021 年 11 月公司发布公告，将建设 10000 吨/年锂电池硅基负极项目，预计 30个月内完成第一期项目，第二期在第一期项目完成后 12 个月内完成 国轩高科 中国 2021 年 1 月，公司 210Wh/kg 的软包磷酸铁锂电芯