负极材料作为锂电池四大组成材料之一，在提高锂电池容量及循环性能方面起到了非常重要的作用，在提高锂电池的容量以及循环性能方面起到了非常重要的作用。负极材料技术路线丰富，大类上可分为碳基材料（包括天然石墨、人造石墨）和非碳基材料（钛酸锂、硅基材料等），不过，虽然负极材料分类众多，目前市场化应用的负极材料还是以石墨类碳材料为主。人造石墨负极材料符合动力电池和储能电池对循环寿命、安全性等要求，因此在相当长一段时间内仍将是动力电池和储能电池的主流应用方向（2021 年人造石墨国内负极份额占比84%，天然石墨14%）。
▲锂离子电池负极材料，各种技术路线产品在参数性能上各不相同，使其在不同的应用场景具备差异化的优势。例如，钛酸锂高倍率、长循环的特征使其在快充、储能等领域具备优势；硅碳负极作为比容量最高的负极材料，成为动力电池负极材料的主要研发方向。
石墨类碳材料分为天然石墨与人造石墨，天然石墨虽具备成本和比容量优势，但其循环寿命低，且一致性低于人造石墨。天然石墨主要用于低端EV、小型锂电池和一般用途的电子产品锂电池等对负极材料循环性的要求相对不高，而对价格、能量密度的要求较高。人造石墨则凭借优良的循环性能、大倍率充放电效率和电解液相容性等显著优势，广泛应用于车用动力电池及中高端电子产品领域。
▲人造石墨与天然石墨锂离子负极材料性能对比，蓝色天然石墨，橙色人造石墨。
▲人造石墨骨料类型，人造石墨的骨料分为煤系、石油系以及煤和石油混合系三大类。其中煤系针状焦、石油系针状焦以及石油焦应用最广，就目前市场而言，高端负极采用针状焦作为原材料，中低端负极采用价格便宜的石油焦作为原料；沥青则作为粘结剂起到将不同粒子粘结到一起的作用。
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、包覆碳化等步骤。但具体到每家企业的制备工艺，又都会有些许的差异。破碎和筛分相对简单，体现负极行业技术门槛和企业生产水平的主要是造粒、石墨化和包覆工序。
▲人造石墨工艺流程（来源：华创证券）
#造粒：石墨颗粒的大小、分布和形貌影响着负极材料的多个性能指标。总体来说，颗粒越小，倍率性能和循环寿命越好，但首次效率和压实密度越差，反之亦然，而合理的粒度分布（将大颗粒和小颗粒混合）可以提高负极的比容量；颗粒的形貌对倍率、低温性能等也有比较大的影响。因此，负极企业需具备对颗粒粒度和形貌的设计和控制能力，以获得期望中的性能指标。
#石墨化：石墨化是利用热活化将热力学不稳定的碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，因此，在石墨化过程中，要使用高温热处理（HTT）对原子重排及结构转变提供能量，是人造石墨生产的关键工序。这一过程需要消耗大量能量，属于高能耗环节，并且在目前人造石墨成本结构中，石墨化约占了50%，为目前负极材料降本的重要环节。
石墨化工序按照生产的连续性与否可以分为间歇式石墨化工艺以及连续式石墨化工艺。间歇式工艺中，艾奇逊坩埚炉应用最多，特点是生产周期短、能耗高、成本高，但适合生产高端人造石墨；目前部分负极企业开始布局厢式法石墨化炉，单炉有效容积成倍增加，其成本能够下30%-40%，符合降本方向，但容量、首效和石墨化程度略逊于坩埚装炉法，此外厢式法工艺厢板拼接过程精度较高，装料吸料操作难度加大，加热过程需更加精确地控制送电曲线及温度测量，所以整体对石墨化工艺掌握程度及技术优化水平要求较高；未来连续石墨化炉将成为全行业技术突破方向，其在生产过程中不需要断电，生产工序简单、周期更短、成本更低、一致性高，不过由于连续法加热温度相对较低，会导致产品比容量较低，其主打领域可能在中低端市场，在高端负极领域的应用还需要技术进一步改进和提升。
相关阅读：
#包覆碳化：石墨化工序完成后，为满足高端产品需求，进一步改善人造石墨的表面缺陷，通常采用酚醛树脂、沥青、柠檬酸等低温热解碳材料在人造石墨的表面包覆一层无定形碳结构，及时修复石墨材料在石墨化过程中形成的裂纹、孔洞等结构缺陷，减小了材料的比表面积，可显著改善电池倍率及循环性能。与未包覆石墨材料相比，包覆碳化石墨产品在相同的充放电倍率下，容量保持更高，倍率性能较好；在相同循环次数时，包覆碳化产品保持了更高的比容量。部分低端低成本没有这一步工艺。
负极石墨用坩埚分为再生（石墨）坩埚和石墨匣钵，其中，再生坩埚主要应用于艾奇逊炉工艺的石墨化（使用温度3000摄氏度左右）工序，石墨匣钵主要应用于预碳化和碳化工序（使用温度1000摄氏度左右）。石墨化成本中有一半是电，有三分之一是坩埚，剩下的就是人工折旧（相对来说固定），目前一吨人造石墨的石墨化成本中坩埚的成本大约在3000元左右。受新能源汽车及储能市场高速增长带动，锂电池负极材料需求增加，负极石墨化需求将保持高速增长，2025年市场规模有望超250万吨。虽然厢式石墨炉的使用会一定程度上减少石墨耗材的消耗，但随着锂电池对负极倍率性要求进一步上升，碳化工序配套比例将上升，也将带动石墨匣钵出货增长，因此保守估计负极石墨用坩埚市场（含匣钵、厢式炉石墨板）规模超75亿。
此外，石墨匣钵还可以用于磷酸盐系锂电正极材料的生产，伴随着磷酸铁锂的爆发，也带动了石墨匣钵的需求增长。
编辑：粉体圈Alpha
本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。
供应信息
采购需求
粉体圈首页
