新能源板块逆势上涨！Wind数据显示，截至今日收盘，在31个申万一级行业中，共有3个收涨；其中，电力设备指数（801730.SI）以0.70%的涨幅居首。
数据来源：Wind，截至2023年10月20日。
而在子行业的层面，锂电池产业链堪称“一枝独秀”。从上游的盐湖提锂、锂矿，到中游的锂电正极、负极和电源设备，再到下游的动力电池、电池回收，都涨得不错。
数据来源：Wind，截至2023年10月20日。
难不成，锂电池板块要成为咱们在秋日里的小棉袄了？
科技君在上一篇深度探密锂电池行业的文章《群雄逐鹿高能量、高技术的三元锂》中提到，锂电池的命名依据，大多是其正极材料的种类。比如：采用镍、钴、锰这三种正极材料的锂电池，就是我们非常熟悉的三元电池。
问题来了，为啥不以负极材料来命名呢？这是因为，锂电池的负极材料一般只有一种，那就是石墨。但近年来，有一种新型材料开始“后来居上”，石墨“一家独大”的局面或要被打破。
这位冉冉升起的新星，就是硅基材料。
01 | 为什么是石墨？
在讲述硅基材料的崛起之路前，科技君有必要解释一下，为什么锂电池的负极材料曾“独宠”石墨。
锂电池的工作原理，就是利用锂离子参与氧化还原反应，实现电能和化学能的相互转换。简单来说，就是锂离子在正负极之间不停“往返”运动，以达到充电和放电的效果。其中，正极材料的性能和电池的能量密度高度相关，负极的作用则主要是可逆地脱/嵌锂离子，让其能够顺利“往返”。
而在各种材料中，碳基的导电性更好，化学性能也更佳。
而石墨则是最稳定的碳同素异形体，更重要的是，它便宜！而且，无论是天然石墨还是人工石墨，制备技术都已经发展得十分成熟，基本不存在什么难点。因此用石墨当作电池的负极，可以实现技术和成本的“双赢”。根据GGII（高工产业研究院）数据，2021年时，中国负极材料出货量为72万吨，其中，各类石墨材料的占比高达98%，足见石墨对负极材料市场的统治力。
图1：中国负极材料出货量及石墨占比 (万吨，% )
资料来源: GGII、华安证券研究所，截至2021年12月31日。
02 | “小甜甜”要成为“牛夫人”？
虽然石墨的优点如此突出，但科技永远是“喜新厌旧”的。近年来，随着新能车及相关产业链的飞速发展，群众对行驶里程与续航能力的需求，也在日益增长。而这，就对电池的能量密度提出了更高的要求。
锂电池的能量密度主要由正极和负极的克容量，以及正负极之间的电势差决定。虽然正极材料的贡献更大，但这并不意味着负极材料的性能提升就不重要。在300mAh/g至1200mAh/g这个区间，负极材料的优化对电池的提升效果最为显著。
但问题来了，目前最先进的石墨负极材料，克容量也不过365mAh/g，而且已经接近理论极值372mAh/g，提升空间太有限。因此，“新人胜旧人”也是势在必行了。而这位“新人”，就是硅基材料。
硅基负极材料的作用机制与石墨不同，是通过和锂离子完成合金化反应来储锂，一个硅原子最高可以和4.4个锂进行合金化，因此理论容量高达4200 mAh/g，是石墨负极的10倍多。目前硅基负极材料主要包括硅氧材料和硅碳材料，其中硅氧负极材料占比较高，已有实际落地应用的场合。比如外国某著名车企2020年发布的4680电池，采用的就是硅基负极，能量密度达到300Wh/kg。
而且，和石墨相比，硅基还有两个突出的优点。
一是合金化储锂的速度更快，这和大家给予厚望的“快充”技术更匹配。二是安全性更好。传统石墨材料的对锂电位很低，在大电流充电过程中容易发生沉积副反应，从而产生杂质沉淀，久而久之有可能会刺穿隔膜，危害电池安全。而硅基的对锂电位较高，能很好地解决析锂难题。
03 | 进化路上的三道坎
看到这里，有朋友就要说了：既然硅基负极有这么多好处，为什么还没得到大规模应用呢？实际上，硅基负极目前还有一些商业化难题仍未解决。
其一是电池的膨胀率。硅在完全锂化时，体积会发生超过300%的膨胀，巨大的体积变化会给电池性能埋下隐患，有可能会折损电池寿命和充电效率。
其二是首次库伦效率低。首次库仑效率（Initial Coulombic Efficiency，ICE）是一个用来量化锂离子电池负极材料性能的指标，采用硅基负极的锂离子电池的库伦效率都小于1，简单点说，就是这种锂电池在首充时会出现一次不可逆的损耗，后面会“越用越差”。随着硅含量的提升，首次库伦效率会越来越低，损耗最高达到30%，而石墨负极的损耗率只有5至10%。
其三是导电性不如石墨。由于硅是半导体，电子和离子的电导率低，会影响电级的反应速率，拉低倍率性能。
表1：主流负极材料之间的性能对比
数据来源：华安证券研报《硅基负极，锂电材料升级的必经之路》。
总体而言，由于部分技术问题尚未得到商业化解决，因此硅基负极仍处在商业化应用初期。2021年中国硅基负极出货量1.1万吨，在负极材料中的渗透率仅有1.53%。
图2：硅基负极材料出货率和市占率
资料来源：GGII、华安证券研究所，截至2021年12月31日。
不过，业界普遍认为，硅基对碳基的替代之路大概率是“板上钉钉”的。因为石墨的物理理论容量已接近上限，实在无法满足新能车车主的里程及续航需求；而硅基材料的路径则相对明确，一些能够弥补自身缺陷的技术已经实现突破，商业化、规模化应用的前景，或值得期待一下～
未来，科技君还将继续为大家带来锂电池行业中的最新“黑科技”，感兴趣的球友们不妨多多关注哦！
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