負極材料作為鋰電池四大組成材料之一，在提高鋰電池容量及循環性能方面起到了非常重要的作用，在提高鋰電池的容量以及循環性能方面起到了非常重要的作用。負極材料技術路線豐富，大類上可分為碳基材料（包括天然石墨、人造石墨）和非碳基材料（鈦酸鋰、硅基材料等），不過，雖然負極材料分類眾多，目前市場化應用的負極材料還是以石墨類碳材料為主。人造石墨負極材料符合動力電池和儲能電池對循環壽命、安全性等要求，因此在相當長一段時間內仍將是動力電池和儲能電池的主流應用方向（2021 年人造石墨國內負極份額占比84%，天然石墨14%）。

▲鋰離子電池負極材料，各種技術路線產品在參數性能上各不相同，使其在不同的應用場景具備差異化的優勢。例如，鈦酸鋰高倍率、長循環的特征使其在快充、儲能等領域具備優勢；硅碳負極作為比容量最高的負極材料，成為動力電池負極材料的主要研發方向。

石墨類碳材料分為天然石墨與人造石墨，天然石墨雖具備成本和比容量優勢，但其循環壽命低，且一致性低于人造石墨。天然石墨主要用于低端EV、小型鋰電池和一般用途的電子產品鋰電池等對負極材料循環性的要求相對不高，而對價格、能量密度的要求較高。人造石墨則憑借優良的循環性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優勢，廣泛應用于車用動力電池及中高端電子產品領域。

▲人造石墨與天然石墨鋰離子負極材料性能對比，藍色天然石墨，橙色人造石墨。

▲人造石墨骨料類型，人造石墨的骨料分為煤系、石油系以及煤和石油混合系三大類。其中煤系針狀焦、石油系針狀焦以及石油焦應用最廣，就目前市場而言，高端負極采用針狀焦作為原材料，中低端負極采用價格便宜的石油焦作為原料；瀝青則作為粘結劑起到將不同粒子粘結到一起的作用。

人造石墨基本的工序流程是一致的，主要包含破碎、造粒、石墨化、包覆碳化等步驟。但具體到每家企業的制備工藝，又都會有些許的差異。破碎和篩分相對簡單，體現負極行業技術門檻和企業生產水平的主要是造粒、石墨化和包覆工序。

▲人造石墨工藝流程（來源：華創證券）

#造粒：石墨顆粒的大小、分布和形貌影響著負極材料的多個性能指標。總體來說，顆粒越小，倍率性能和循環壽命越好，但首次效率和壓實密度越差，反之亦然，而合理的粒度分布（將大顆粒和小顆粒混合）可以提高負極的比容量；顆粒的形貌對倍率、低溫性能等也有比較大的影響。因此，負極企業需具備對顆粒粒度和形貌的設計和控制能力，以獲得期望中的性能指標。

#石墨化：石墨化是利用熱活化將熱力學不穩定的碳原子實現由亂層結構向石墨晶體結構的有序轉化，因此，在石墨化過程中，要使用高溫熱處理（HTT）對原子重排及結構轉變提供能量，是人造石墨生產的關鍵工序。這一過程需要消耗大量能量，屬于高能耗環節，并且在目前人造石墨成本結構中，石墨化約占了50%，為目前負極材料降本的重要環節。

石墨化工序按照生產的連續性與否可以分為間歇式石墨化工藝以及連續式石墨化工藝。間歇式工藝中，艾奇遜坩堝爐應用最多，特點是生產周期短、能耗高、成本高，但適合生產高端人造石墨；目前部分負極企業開始布局廂式法石墨化爐，單爐有效容積成倍增加，其成本能夠下30%-40%，符合降本方向，但容量、首效和石墨化程度略遜于坩堝裝爐法，此外廂式法工藝廂板拼接過程精度較高，裝料吸料操作難度加大，加熱過程需更加精確地控制送電曲線及溫度測量，所以整體對石墨化工藝掌握程度及技術優化水平要求較高；未來連續石墨化爐將成為全行業技術突破方向，其在生產過程中不需要斷電，生產工序簡單、周期更短、成本更低、一致性高，不過由于連續法加熱溫度相對較低，會導致產品比容量較低，其主打領域可能在中低端市場，在高端負極領域的應用還需要技術進一步改進和提升。

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#包覆碳化：石墨化工序完成后，為滿足高端產品需求，進一步改善人造石墨的表面缺陷，通常采用酚醛樹脂、瀝青、檸檬酸等低溫熱解碳材料在人造石墨的表面包覆一層無定形碳結構，及時修復石墨材料在石墨化過程中形成的裂紋、孔洞等結構缺陷，減小了材料的比表面積，可顯著改善電池倍率及循環性能。與未包覆石墨材料相比，包覆碳化石墨產品在相同的充放電倍率下，容量保持更高，倍率性能較好；在相同循環次數時，包覆碳化產品保持了更高的比容量。部分低端低成本沒有這一步工藝。

負極石墨用坩堝分為再生（石墨）坩堝和石墨匣缽，其中，再生坩堝主要應用于艾奇遜爐工藝的石墨化（使用溫度3000攝氏度左右）工序，石墨匣缽主要應用于預碳化和碳化工序（使用溫度1000攝氏度左右）。石墨化成本中有一半是電，有三分之一是坩堝，剩下的就是人工折舊（相對來說固定），目前一噸人造石墨的石墨化成本中坩堝的成本大約在3000元左右。受新能源汽車及儲能市場高速增長帶動，鋰電池負極材料需求增加，負極石墨化需求將保持高速增長，2025年市場規模有望超250萬噸。雖然廂式石墨爐的使用會一定程度上減少石墨耗材的消耗，但隨著鋰電池對負極倍率性要求進一步上升，碳化工序配套比例將上升，也將帶動石墨匣缽出貨增長，因此保守估計負極石墨用坩堝市場（含匣缽、廂式爐石墨板）規模超75億。

此外，石墨匣缽還可以用于磷酸鹽系鋰電正極材料的生產，伴隨著磷酸鐵鋰的爆發，也帶動了石墨匣缽的需求增長。

編輯：粉體圈Alpha

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