中國儲能網(wǎng)訊：針狀焦作為一種高端石油焦，是由煉油副產(chǎn)品油漿深加工而來，對用好有限的石油資源、實現(xiàn)提質(zhì)增效有著重要意義。
近年，新能源產(chǎn)業(yè)，尤其是鋰電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，針狀焦產(chǎn)品在傳統(tǒng)的金屬冶煉行業(yè)外又開辟了一大新興市場，即作為動力電池和儲能電池負(fù)極材料的原材料被廣泛使用。目前新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，為以針狀焦為主要原料的石墨負(fù)極產(chǎn)品帶來增量，預(yù)計在2030年前針狀焦市場規(guī)模增長超過36%。但該產(chǎn)業(yè)也存在不少潛在風(fēng)險，針狀焦生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)緊跟市場，以下游客戶為中心，生產(chǎn)客戶需求的產(chǎn)品；注意負(fù)極廠商的分布范圍，提前規(guī)劃和布局原料、生產(chǎn)、物流供應(yīng)以降低成本；關(guān)注競品的替代情況及顛覆性技術(shù)發(fā)展情況，適時調(diào)整戰(zhàn)略。
本版文字由 中國石化經(jīng)濟技術(shù)研究院 許以欣 提供 圖片由 王建慧 提供
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?什么是鋰離子電池負(fù)極材料？
近年來，受政策鼓勵和市場選擇雙重影響，新能源行業(yè)，尤其是新能源汽車和儲能行業(yè)實現(xiàn)了長足發(fā)展。其中，鋰離子電池的發(fā)展勢頭最為強勁。
在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中，負(fù)極材料是重要組成部分。在電化學(xué)反應(yīng)中，負(fù)極材料是鋰離子的載體，負(fù)責(zé)在充電過程中儲存鋰離子，并在放電過程中釋放鋰離子，從而實現(xiàn)電能的儲存與轉(zhuǎn)換，其性能直接影響鋰離子電池的容量、能量密度、充電效率、循環(huán)性能及安全性等核心指標(biāo)。
?什么是針狀焦？
針狀焦是一種人造石墨材料，為一種外觀銀灰色的多孔固體，有明顯纖維狀或針狀紋理走向，具有低熱膨脹系數(shù)、低硫、低灰分、低金屬含量及易石墨化等優(yōu)點。
根據(jù)所使用的生產(chǎn)原料不同，針狀焦分為油系和煤系兩種。由于油系針狀焦具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢，且技術(shù)實施難度較小、生產(chǎn)成本低，成為主流針狀焦品種?，F(xiàn)階段，國內(nèi)油系針狀焦的生產(chǎn)均以延遲焦化工藝為基礎(chǔ)。
?針狀焦如何應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料？
一般情況下，鋰離子電池的正極活性物質(zhì)是磷酸鐵鋰或者鎳鈷錳酸鋰，負(fù)極則采用石墨。而生產(chǎn)石墨負(fù)極的原料主要是石油煉制副產(chǎn)品石油焦和針狀焦。其中，針狀焦結(jié)晶度更高，更易被石墨化，故更加受電池廠商，尤其是注重穩(wěn)定性的動力電池廠商青睞。目前，市面上80%以上的負(fù)極材料使用人造石墨。但隨著電池行業(yè)不斷發(fā)展及綠色低碳轉(zhuǎn)型，使用天然石墨及硅等其他材料的負(fù)極在各自領(lǐng)域也表現(xiàn)出競爭力。
鋰離子電池石墨負(fù)極材料迎來快速增長
新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展使鋰離子電池迎來增量市場，需求量迅速增加，增速和市場規(guī)模都已遠超傳統(tǒng)消費級電池市場，帶動負(fù)極石墨材料的需求水漲船高。
鋰離子電池與傳統(tǒng)鉛酸、鎳氫、鎳鎘充電電池相比，在能量密度、壽命、環(huán)保性等方面均存在優(yōu)勢，工業(yè)化成功后很快占據(jù)蓄電池市場的主導(dǎo)地位，并且隨著電子產(chǎn)品和新能源汽車性能提升，高性能鋰電池的需求一直在攀升。正極材料由于成本占比最大、對電池性能影響最深遠，科研機構(gòu)和企業(yè)研究較深入。目前已有多種材料被證實具有商業(yè)價值，如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰。不同正極材料性質(zhì)有所差異，其產(chǎn)品根據(jù)各自不可替代的特點，應(yīng)用于不同場景。相比而言，負(fù)極材料的種類和選擇較少。鋰電池發(fā)展初期，曾嘗試使用金屬鋰作為負(fù)極，金屬鋰是理論上能量密度最大的負(fù)極材料，但劇烈的電化學(xué)反應(yīng)讓電池在幾個循環(huán)后就失去充放電能力。科學(xué)家不斷探索新負(fù)極材料，在容量和循環(huán)性能中尋找平衡點。1985年，日本化學(xué)家吉野彰制作出第一個鋰鹽-電解質(zhì)-碳負(fù)極的現(xiàn)代鋰離子電池原型，因此獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎。現(xiàn)今人們?nèi)栽诓粩嗝餍碌碾姵亟Y(jié)構(gòu)，但在鋰電池中大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的負(fù)極材料僅石墨一種。
近年來，新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，鋰離子電池迎來增量市場，需求量迅速增加，增速和市場規(guī)模都已遠超傳統(tǒng)消費級電池市場，帶動負(fù)極石墨材料的需求水漲船高。根據(jù)工業(yè)和信息化部的數(shù)據(jù)，2023年我國鋰電池產(chǎn)量超過940吉瓦時，比上年增長25%，其中動力和儲能電池出貨量分別為675吉瓦時和185吉瓦時，占鋰電池下游應(yīng)用90%以上的市場份額。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2024年，全國新能源汽車銷售1286.6萬輛，比上年增長35.5%，占汽車新車總銷量的40.9%。中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2024年我國動力電池累計裝車量548.4吉瓦時，比上年增長41.5%。據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2024年底，全國已建成投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達73.76吉瓦，較2023年底增長超過130%。新能源汽車和新型儲能行業(yè)雙繁榮帶動鋰離子電池負(fù)極材料快速增長。
針狀焦應(yīng)用從冶金擴大至新能源產(chǎn)業(yè)
在新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之前，針狀焦主要終端應(yīng)用是制作石墨電極。隨著針狀焦石墨化研究不斷深入，其在冶金產(chǎn)業(yè)之外的應(yīng)用場景被打開，逐漸開發(fā)成為生產(chǎn)鋰電池負(fù)極石墨的原材料。
針狀焦全稱針狀石油焦，是一種結(jié)構(gòu)和性能較為特殊的石油焦。針狀焦由多環(huán)芳烴化合物脫除雜質(zhì)和原生喹啉不溶物后經(jīng)液相碳化制得，外觀具有金屬光澤，內(nèi)部為層狀結(jié)構(gòu)，具有取向性好、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好的特點。石油焦是煉油的副產(chǎn)品，為延遲焦化單元生產(chǎn)，其中普通石油焦對進料幾乎沒有限制，原料可包括減壓渣油、催化油漿等一切重油。但針狀焦對原料有一定要求，常以優(yōu)質(zhì)催化油漿為原料，且在焦化反應(yīng)前對原料進行預(yù)處理，以滿足對芳香烴和飽和烴含量的要求。
在新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之前，針狀焦作為具有優(yōu)異物理化學(xué)性能的炭素材料，已經(jīng)形成了一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈。其主要終端應(yīng)用是制作石墨電極。石墨電極是短流程電爐煉鋼的重要元件，品質(zhì)直接影響煉鋼成本、效率和加工質(zhì)量。對石墨電極的研究，客觀上促進了高端針狀焦產(chǎn)品的發(fā)展。隨著針狀焦石墨化研究不斷深入，其在冶金產(chǎn)業(yè)之外的應(yīng)用場景被打開，逐漸挖掘出作為生產(chǎn)負(fù)極石墨原材料的潛力。石墨負(fù)極又隨著新能源產(chǎn)業(yè)的騰飛而快速發(fā)展，針狀焦石墨化市場進一步擴大，產(chǎn)業(yè)鏈需求推動創(chuàng)新鏈，針狀焦，尤其是用于制作負(fù)極材料的高端針狀焦被逐漸重視。
石墨負(fù)極材料市場規(guī)模仍有較大增量
在新能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的推動下，石墨負(fù)極產(chǎn)品市場規(guī)模預(yù)計仍有較大增量。其中主要貢獻者是以新能源汽車為主的動力電池產(chǎn)品，其次是隨光伏/風(fēng)電等綠電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的儲能電池產(chǎn)品。
相比之下，曾在數(shù)年前占據(jù)主導(dǎo)地位的用于3C數(shù)碼產(chǎn)品蓄電池的消費級電池產(chǎn)品，市場占比由于規(guī)模并未擴大反而下降。
歷史數(shù)據(jù)顯示，動力電池出貨量與新能源汽車銷量呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。新能源汽車自2019~2020年開始呈爆發(fā)式增長趨勢，滲透率不斷提高，2024年實現(xiàn)持續(xù)提升。除了政策鼓勵因素，汽車駕駛體驗不斷提高、汽車與智能化駕駛更適配及低廉的駕駛成本等因素，使得新能源汽車產(chǎn)品在與傳統(tǒng)化石能源汽車對比中占據(jù)優(yōu)勢，且該優(yōu)勢預(yù)計在中長期將得以保持。
儲能電池需求也推動了鋰離子電池快速增長。風(fēng)光等清潔能源具有時空分布不均勻的特質(zhì)，隨著我國清潔電站裝置的投放，電網(wǎng)調(diào)節(jié)和調(diào)度電能的能力顯得愈加重要，儲能站的建設(shè)已成為必要選項。與新能源汽車發(fā)展趨勢類似，儲能行業(yè)也經(jīng)歷了爆發(fā)式增長。預(yù)計2030年我國儲能電池產(chǎn)量將增至369吉瓦時，較2023年增長99%。
消費級鋰離子電池曾是鋰電池消費主力，主要應(yīng)用產(chǎn)品包括筆記本電腦、手機和照相機等。近年來，隨著電子消費品新增需求量的飽和及產(chǎn)品更新?lián)Q代趨于穩(wěn)定，產(chǎn)量數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)。當(dāng)前消費級電池主要應(yīng)用產(chǎn)品包括照相/錄像機、筆記本電腦和智能手機，其中照相/錄像機產(chǎn)量呈下降趨勢，而筆記本電腦和手機分別在2012年和2016年達到高點，之后產(chǎn)量周期性波動；智能手表、智能眼鏡、智能門鎖等智慧家居和高端電子產(chǎn)品將保持增長，但單產(chǎn)品對電池容量需求較小，增量貢獻有限。
在包括動力電池和儲能電池的新能源產(chǎn)業(yè)強勢發(fā)展的帶動下，鋰離子電池產(chǎn)銷量將爆發(fā)式增長。預(yù)計2030年總出貨量可達1771吉瓦時，較2023年增長約88%。隨著電池總出貨量基數(shù)變大和行業(yè)成熟化，電池市場增速將逐步放緩并進入平穩(wěn)增長期。石墨負(fù)極材料需求也將隨鋰離子電池需求總量增長而增長。預(yù)計至2030年石墨負(fù)極總需求將超過244萬噸，其中人造石墨負(fù)極材料需求增長至195萬噸。在負(fù)極、高端產(chǎn)品中占比不變的情景下，針狀焦原料需求將增至99萬噸，增長率將超過36%。
下游需求主要是以新能源汽車為主的動力電池產(chǎn)品，其次是隨光伏/風(fēng)電等綠電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的儲能電池產(chǎn)品，用于3C數(shù)碼產(chǎn)品蓄電池的消費級電池產(chǎn)品市場占比有所下降。
針狀焦在電池負(fù)極產(chǎn)業(yè) 面臨競品挑戰(zhàn)
天然石墨負(fù)極材料具有較大的成本優(yōu)勢且導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤滑性和可塑性更優(yōu)；硅基負(fù)極材料在充放電中可保持較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，提供良好的接觸介質(zhì)，改善鋰離子在負(fù)極界面處的傳輸過程。
?天然石墨負(fù)極材料
在負(fù)極材料選擇中，人造石墨占據(jù)大多數(shù)，但不可忽視的是，天然石墨也占據(jù)一定的市場份額，且隨著電池行業(yè)的發(fā)展也保持不小增量。
根據(jù)礦石種類的不同，天然石墨可分為隱晶質(zhì)石墨和晶質(zhì)石墨。隱晶質(zhì)石墨不具有工業(yè)應(yīng)用價值；晶質(zhì)石墨包括鱗片石墨和致密塊狀石墨，其中鱗片石墨是天然石墨產(chǎn)品最重要的原材料。我國是天然鱗片石墨資源最豐富的國家，晶質(zhì)（鱗片）石墨儲量達8100.8萬噸，主要分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林、福建、陜西等省區(qū)。我國也是天然石墨材料的最大生產(chǎn)國和出口國。2023年，我國天然石墨產(chǎn)量占全球77%，其中，約有76%是晶質(zhì)石墨。
天然石墨負(fù)極材料與人造石墨負(fù)極材料在生產(chǎn)流程上有所不同，最大區(qū)別在于是否需要進行石墨化工序。人造石墨由于原材料針狀焦不具備石墨結(jié)構(gòu)，需要人為制造高溫環(huán)境促使晶體生長；天然石墨本身具有石墨結(jié)構(gòu)，且較為優(yōu)質(zhì)的鱗片石墨本身的石墨化程度甚至高于經(jīng)過高溫處理的人造石墨，因此可以不采用或者以較低要求采用石墨化工序，故而以天然石墨為原料具有較大的成本優(yōu)勢。
雖然天然石墨有著成本上的優(yōu)勢，但是其在石墨負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)的占比遠不如人造石墨。原因主要有：一是在目前技術(shù)條件下，天然石墨產(chǎn)品的部分關(guān)鍵性能遜色于人造石墨產(chǎn)品；二是天然石墨的供應(yīng)增長較慢，難以滿足快速增長的負(fù)極材料需求。
天然石墨與人造石墨相比并非性能完全落后，而是優(yōu)缺點有所不同。由于天然石墨晶體結(jié)構(gòu)更加理想化，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤滑性和可塑性都優(yōu)于人造石墨。但天然石墨比人造石墨含有更多的其他元素雜質(zhì)，純化過程技術(shù)難度更高，而且天然石墨材料具有更強的各向異性等特征，可能嚴(yán)重影響天然石墨產(chǎn)品的穩(wěn)定性，在鋰離子電池負(fù)極應(yīng)用表現(xiàn)為具有較差的可循環(huán)性能和比較低的充放電倍率，而這兩點在快速發(fā)展的動力電池和儲能電池領(lǐng)域，比負(fù)極材料的比容量密度更為重要。因此在鋰電池廠商綜合考量電池性能時，天然石墨負(fù)極難以展現(xiàn)其優(yōu)勢，主要被用于對循環(huán)性能和快充性能要求不高的低端電池。
盡管當(dāng)前天然石墨在新能源領(lǐng)域負(fù)極材料的應(yīng)用尚不能和人造石墨相媲美，但差距有縮小趨勢。一是隨著生產(chǎn)工藝不斷進步，天然石墨性能劣勢可能縮小。2024年9月，中國五礦集團子公司五礦石墨已攻破高溫純化關(guān)鍵技術(shù)，成功開發(fā)出純度達到99.99995%以上的超高純石墨產(chǎn)品。高純度天然石墨將可能在保持天然產(chǎn)品優(yōu)勢情況下縮小與人造產(chǎn)品在循環(huán)性能上的差距。二是由于不需要高能耗石墨化步驟，天然石墨具有成本和低碳的優(yōu)勢。雖然礦物開采同樣會帶來粉塵、廢液等污染，但其生產(chǎn)的二氧化碳排放指數(shù)遠低于人造石墨。據(jù)加拿大北方石墨公司2021年的研究報告，人造石墨二氧化碳排放強度約為天然石墨的3倍?？紤]到全球碳關(guān)稅、碳市場的不斷完善，我國“雙碳”目標(biāo)的推進及地緣政治的不確定性，人造石墨可能面臨碳稅的政策風(fēng)險。
?硅基負(fù)極材料
硅基材料是電池負(fù)極產(chǎn)業(yè)又一不可忽視的發(fā)展方向。純硅材料具有比碳材料更高的理論比容量，但在電化學(xué)反應(yīng)中，硅負(fù)極很容易產(chǎn)生體積膨脹，使電池材料在循環(huán)過程中粉化，造成負(fù)極與電解液接觸不良，導(dǎo)致電池失效。該現(xiàn)象隨著電池循環(huán)次數(shù)增加會愈加嚴(yán)重，限制了硅負(fù)極的應(yīng)用。目前為解決這一難題，研究人員嘗試了各種辦法，包括將硅材料非晶化、納米化及摻雜改性等，其中最為重要的一種辦法為制成硅碳（Si/C）復(fù)合材料。
Si/C復(fù)合材料原理在于碳材料在充放電中可保持較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且電子和離子電導(dǎo)率均較高。在復(fù)合材料中碳原子可作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高負(fù)極的導(dǎo)電性，在充放電過程中提供良好的接觸介質(zhì)，改善鋰離子在負(fù)極界面處的傳輸過程。目前，Si/C復(fù)合材料是唯一被商業(yè)化應(yīng)用的硅基負(fù)極材料，市場已有較大增長。雖然當(dāng)前環(huán)境下石墨負(fù)極，尤其是人造石墨負(fù)極蓬勃發(fā)展，但各大產(chǎn)品供應(yīng)商仍在積極開發(fā)硅基材料，貝特瑞新材料集團股份有限公司已建成深圳、惠州硅基負(fù)極基地，上海璞泰來新能源科技股份有限公司擬于2025年在蕪湖建成硅基負(fù)極材料工廠。
