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(huán)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(huán)性能方面起到了非常重要的作用。負極材料技術(shù)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(yīng)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(huán)壽命、安全性等要求，因此在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍將是動力電池和儲能電池的主流應(yīng)用方向（2021 年人造石墨國內(nèi)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(shù)路線產(chǎn)品在參數(shù)性能上各不相同，使其在不同的應(yīng)用場景具備差異化的優(yōu)勢。例如，鈦酸鋰高倍率、長循環(huán)的特征使其在快充、儲能等領(lǐng)域具備優(yōu)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(fā)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(yōu)勢，但其循環(huán)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(chǎn)品鋰電池等對負極材料循環(huán)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(yōu)良的循環(huán)性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于車用動力電池及中高端電子產(chǎn)品領(lǐng)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(yīng)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(jié)劑起到將不同粒子粘結(jié)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(yè)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(xiàn)負極行業(yè)技術(shù)門檻和企業(yè)生產(chǎn)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(chuàng)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(biāo)。總體來說，顆粒越小，倍率性能和循環(huán)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(yè)需具備對顆粒粒度和形貌的設(shè)計和控制能力，以獲得期望中的性能指標(biāo)。

#石墨化：石墨化是利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的碳原子實現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化，因此，在石墨化過程中，要使用高溫?zé)崽幚恚℉TT）對原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量，是人造石墨生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。這一過程需要消耗大量能量，屬于高能耗環(huán)節(jié)，并且在目前人造石墨成本結(jié)構(gòu)中，石墨化約占了50%，為目前負極材料降本的重要環(huán)節(jié)。

石墨化工序按照生產(chǎn)的連續(xù)性與否可以分為間歇式石墨化工藝以及連續(xù)式石墨化工藝。間歇式工藝中，艾奇遜坩堝爐應(yīng)用最多，特點是生產(chǎn)周期短、能耗高、成本高，但適合生產(chǎn)高端人造石墨；目前部分負極企業(yè)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(shù)優(yōu)化水平要求較高；未來連續(xù)石墨化爐將成為全行業(yè)技術(shù)突破方向，其在生產(chǎn)過程中不需要斷電，生產(chǎn)工序簡單、周期更短、成本更低、一致性高，不過由于連續(xù)法加熱溫度相對較低，會導(dǎo)致產(chǎn)品比容量較低，其主打領(lǐng)域可能在中低端市場，在高端負極領(lǐng)域的應(yīng)用還需要技術(shù)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(chǎn)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?zé)峤馓疾牧显谌嗽焓谋砻姘惨粚訜o定形碳結(jié)構(gòu)，及時修復(fù)石墨材料在石墨化過程中形成的裂紋、孔洞等結(jié)構(gòu)缺陷，減小了材料的比表面積，可顯著改善電池倍率及循環(huán)性能。與未包覆石墨材料相比，包覆碳化石墨產(chǎn)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(huán)次數(shù)時，包覆碳化產(chǎn)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(yīng)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(yīng)用于預(yù)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(guī)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(guī)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(chǎn)，伴隨著磷酸鐵鋰的爆發(fā)，也帶動了石墨匣缽的需求增長。

編輯：粉體圈Alpha

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