2023年锂电池三元正极行业研究报告

2023年锂电池三元正极行业争论报告技术路线之争：三元、铁锂将来渗透率研判三元、铁锂正极构造、性能比照进而打算了三元电池和磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。离子数量下更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高。三元材料晶体呈现层状构造，在充放电过程中，MO6〔Mn=NiMnCo〕可脱嵌Li+酸铁锂晶体呈现三维空间网状橄榄石构造，形成一维Li+传输通道，限制Li+FeO6共顶相连，导致电子迁移率相比三元的层状构造慢100-1000倍。三元正极的锂离子可以沿两个不同方向移动，这造就了三元电池相比铁锂具有更高的功率和充放电性能。然而，三元材料由于Ni2+〔0.069nm〕和Li+〔0.076nm〕半径LiNi混Li+Ni3+比例随之提高，简洁与空气中水分和二氧化碳发生反响，加剧比容量和循环性能的损失。与之相反，磷酸铁锂的P-O化学键较稳固，温度到达700-800不会释放氧分子发生猛烈燃烧，因此铁锂电池具有更优异的稳定性和安全性能。格构造相对铁锂的橄榄石构造带来的正极比容量和电池能量密度优20℃下电池释放容量相比铁锂高15pct，这一性能差异将使搭载三元电池的汽车在冬季相比铁锂电池具备更好的续航里程。而铁锂材料因更为稳定的晶格构造，在廉价的铁、磷，相比三元材料中更为稀缺的镍钴锰而言具备明显价格和本钱优势。SOC曲线的不SOC池的SOC曲线由于其较长的充放电平台和平台期后的电压突变而SOC估量值偏离其实际值在1-2％以内，而铁锂电池的SOC估量值则可能偏离其实际值10％左右。因SOC曲线的差异，三元电池车型更能紧缺计算显示剩余续航里程，而铁锂车型易消灭续航里程显示系将来渗透率：铁锂短期上升，三元长期向好密度等指标考核较低，低本钱且技术成熟的铁锂电池受到青睐，14-152〕16-19年，补贴政策调整，高能量16年的50%1969%；3〕2023192023年以前，300km以上乘用车单车补贴金额达4万以上，同时对电池能量密度在140wh/kg密度更高的三元电池来到达高续航进而获得更多补贴。而19年之400km以上车型补贴金额仅在2万左右，占造成安全风险，不再进一步提升电池能量密度考核门槛，三元相对随着20年以来CTP和比亚迪刀片技术的推出，铁锂的潜力被进一步挖掘，电池包成组效率提升带来能量密度改善，铁锂迎来回潮。虽然估量铁锂电池渗透率仍有改善空间，但相对于三元电池，续航瓶颈：铁锂在刀片电池加持积利用率和能量密度改善，但仍无法解决A2023年宁德时代和比亚迪分别开头推广CTP技术和刀片电池方案，在降低电池生产成本的同时，成组效率和体积利用率提升带来电池能量密度改善。2023年比亚迪推出搭载刀片电池的汉，电池体积能量密度达229Wh/L，续航里程为605km。比亚迪汉的轴距为2.92米，电池包的预留安装空间较大，而一般A、B级车轴距分别为2.3-2.5、2.6-2.7量和续航参数，模拟其从传统电池包切换为刀片铁锂电池包后的带ER6刀片后，虽然空间利用率提升，但由于铁锂相对较低的能量密度，导致续航降从600km下降到435km。因此，比亚迪汉刀片电池的成功更多是基于其C级车的设计根底，而在体积相对有限的A级500km航里程偏好较高的A级车主的消费选择，进而影响车企对铁锂电池降本瓶颈：电池能量密度提升带来的单位wh原材料消耗下降是电池持续降本的根本。依据能量密度计算公式，分子端为电池正负极的电压差，分母端Cca和Can分别表示正极和负极的比容量，其与电池能量密度呈正比。共同作用下，其单价均持续下降。然后，铁锂电池受限于铁锂正极本身的比容量短板，估量电芯在200wh/kg会到达瓶颈，目前主流铁锂电芯能量密度已接近极限，将来降本空间主要取决于规模效应将来高镍8系9300wh/kg240wh/kg的30%提升空间。20%+，但远期来看，三元电池能量密度持续提升有望缩小三元和铁锂电池之间的本钱差距，8%5%，二者电芯价格有望2025年平价，而电池包的售价因高能量密度带来的更低本钱公摊，有望相比电芯层级提前实现平价。动力电池占能源车的本钱较高，三元和铁锂电池间的相对本钱差异变化最终打算了消费者的购置意愿和车企对电池类型装配的选择。异。LGNCMA等更高镍产品迭代；SKI、三星SDI和CATL产品布局相对均衡，其中CATL兼具三元5系8D对特别，随着2023年刀片技术的推出，公司正在从原来的三元铁锂均衡进展转向为聚焦铁锂产品。20势力在三元和铁锂的选择上差异较大。国内自主车企比亚迪全系车型Allin威、小鹏P7也配备了同款铁锂版作为低配版供消费者选择。对于潜在爆款车包括群众ID4、宝马IX3、福特Mach-E、极氪001、智己L7S等。400km以下中低端车型有望广泛推广铁锂，三元5系+高电压平台在短期内仍可满足中高端车型的续航需求，但随着高镍技术的成熟带来的安全性能改善，估量三元高镍会渐渐占据坚决，全面坚持三元路线，多数中高端车型坚持三元高镍，但随着CTP的海外车企如雷诺和PSA也开头承受铁锂电池，估量铁锂在海外的渗三元正极产品迭代：高镍开启长期窗口期811、NCA到NCMA、NM期的1系到目前的8系升级，随着消费者对整车续航及本钱要求的提升，电池能量密度的升级和正极材料体系的迭代不会停留。在现有三元89系NCMA、NM等产品。进入者存在着机遇，也存在着如容百科技重点发力突破技术难度更高的8进入者完成逆袭的概率正在快速降低。由于将来的技术迭代路线无论从正极材料体系还是电池体系上来看，高镍的潜能还有很大挖掘空间8系高镍向9系NCMANM无钴8系高镍的NCMA：惊奇性不大，有用性很强NCMA四元材料由韩国汉阳大学Un-HyuckKim在2023年提出，其本质上并不是一项全的材料体系，而是基于目前两大主流NCM与NCANCM三元材料中掺杂Al粒子得到的，本质是用Al替代Co。NCMA的镍含量已到达90%5%了降本和材料稳定性。NCMA过渡金属铝元素的参与所形成的Al-O化学键强度远大ONCMA四元正极材料在多轮充放电循环后，不行逆相变电压保持稳定，材Al-ONCMA较好的形貌稳定性外，NCMANCM和NCA。Un-HyuckKim团队对2032组电池比照觉察，无论是30℃下的100周循环，还是25℃下的1000NCMA的容量保持率高于NCM和NCA10pct。NCMA2023年3月通用汽车宣布与LG化学一同推出一款的电池产品Ultium，承受NCMA材料，估量2023LG2023NCMA。2023年浦项化学宣布其NCMA正极材料将镍含量增加到80%以上CosmoAM&T与GA镍含量到达%。国内方面，蜂巢能源在行业内领先成功研发NCMA四元正极材料，估量2023年正式量产。国内龙头材料厂商格林美、中伟股份等也在NCMA方面深入布局。NM无钴：材料改性手段与传统高镍类似钴在NCM子混排，降低阻抗值，提高电导率和改善充放电循环性能。然而，全球钴储量相对较小，且易受地缘政治影响导致价格波动，随着电动车销量逐年提升，研发无钴或低钴正极保证钴原料供给安全和降本具有战略意义。JeffDahn三元体系中的钴替换成AlMg发的Al、Mg替代的无钴材料表现出相比NCA类似稳定的电化学性能。2023年开头，其与JeffDahn团队签订了为期5年的独家合同，Jeff主要为特斯拉供给2023年特斯拉电池日上，官方公告的将来产品矩阵中无钴电池将在特斯拉中高端车型上应用。企业。其无钴材料获40+项专利，主要是通过阳离子掺杂技术、单晶技术和纳米网络化包覆三项技术解决无钴的三元层状构造稳定问题，两款无钴产品估量2023年正式量产。蜂巢能源针对无钴材料的改性方案与8质一样，由此可见，无钴材料的突破仍是在传统8系高镍根底上的小步迭代，具备8系高镍根底的材料厂向无钴更具优势。富锂锰基具备确定颠覆性，但产业化较远富锂锰基层状氧化物〔LMLOs〕可认为由Li2MnO3与LiMO2(M=Ni，Co，Mn)两种组分构成，其中氧元素是立方严密积存，锂离子和过渡金属离子占据氧八面体的间隙。相对于高镍材料，富锂锰基材料具有显著的能量密度和比容量优势〔富锂锰基材料具有超过250mAh/g的高比容量，在电压范围为2-4.8V、电流密度为g系材料的〔〕富锂锰基能量密度为0，高于NCM9280Wh/kg。严峻制约〔1〕富锂锰基首次库伦比仅，远低于9系〕和〔，主要缘由富锂锰基在首次放电过程中，高于4.5V电压平台的锂离子脱出是不行逆的，导致脱离的锂元素不能全部嵌入到正极材料的晶格中，造成首次不行〔2〕后，富锂锰基材料晶体构造由层状渐渐转变为尖晶石状，且相变过程是不行逆的；同时除过渡金属粒子之外，富锂锰基正极材料中的晶格氧负离子在电化学反响过程中也和电解质发生反响释放氧气，从而导致富锂锰基材料电压严峻衰减。等传统的材料改性工艺。包覆能够确定程度阻挡电解液对材料的腐蚀，改善材料与电解液之间的界面反响；掺杂稳定了材料的晶格构造，抑制了材料的不行逆相转变和氧释放；晶面调控以及外表集成构造主要加快了Li+基于富锂锰基更为简洁和活泼的晶体构造，仅凭传统的材料改性工前产业界中鲜有富锂锰基的应用案例，各电池及材料厂商尚未给出明确时间表，仅2023年工信部车公示中消灭搭载由浙江遨优动力供给富锂锰基电池的能源汽车——陆地方舟牌和日牌纯电动运输车。将来固态电池推出，仍适配三元高镍正极体系相对于液态锂电池，固态〔〕使用固态电解质替代液体电解质和隔膜，固态电解质燃点格外高，提高电池热稳定性能；〔2〕5V4.3V高压电极材料，电池能量密度和比容量优于液态电池〕质不具有流淌性，因此不存在漏液现象，简化电池成组设计，降低300Wh/kg。〔1〕固态电池导电率〔2〕物理接触差影响使用寿命，液态电解液IDE孔隙，赐予电极材料良好的离子通路，而固态电解质和金属锂均不具有流淌性，其接触面存在很多微孔，造成较高的界面抗阻，对固态电池的电化学性能产生较大的影响，降低固态电池的使用寿命。量产状况来看，三元高镍正极仍是主要适配的正极材料。虽然固态电池由于其较好的安全稳定性可以适配锂硫等更活泼的材料体系，但因全固态电池的产业化困难重重，半固态电池是权宜之计。目前北京卫蓝、江苏清陶等已开头半固态的小规模应用，而三元高镍正极仍是各家所选择的正极材料。竞争格局：高镍趋势下的集中度提升什么导致了现有三元正极格局相对分散目前中国三元正极材料市场竞争格局较分散，CR3和CR5分别为35%、52%，容百、巴莫、长远锂科等前几名公司市占率差距不CR3CR5均远低于负极、隔膜和电解液。第一，三元正极原材料本钱占比高，导致各家本钱差异较小。中游材料作为典型的制造业，龙头的低本钱优势是驱动行业集中度提90%左右，远高于负极〕和隔膜。正极原材料锂、钴、镍各家选购价格差异小，同时较低的制造和人工本钱占比导致各家难以正极各家营业本钱差异小，龙头公司难以通过低本钱优势提升份额。其次，正极材料总产值最大，是地方政府招商引资重点。锂电正极材料是电池最重要的组成局部，锂、钴、镍等稀贵金属导致正极材料单价高于负极、电解液等其他环节。同时正极单耗在锂电四大主材中最高，1GWh锂电池约消耗1800吨三元材料，约是负极和电解液的2年正极材料产值达77.7、9.6、20.7倍。锂电产业基地，作为锂电材料中产值最大的正极材料自然是引入重点。目前正极产能投资在国内各省多点开花，包括具有电力价格优势的贵州、宁夏、四川等以及产业链上下游配套完备的江苏、浙江和福建等。夺市场。作为电池中锂离子的来源，正极材料对锂电池能量密度、循环寿命、安全性能和成本等影响重大。电池龙头厂商有意愿和力气投资正极产能，一方面是提升其对正极工艺研发的理解，进而有LG高镍化+一体化有望重塑三元正极格局高镍三元提升行业壁垒，工艺力气和本钱差异打算龙头地位依据NCM三元体系相图，Ni能够提高材料活性，提高电池密度，同时增加Li/NiCo既Li/Ni混排，提高放电容量，但是选购本钱较高；Mn和Al主要为电池的充放电过程供给稳定性，提高材料的循环性能。高镍正极因高克容量及对电池能量密度的提升作用稳定及电池的安全性能和循环寿命是考验各正极厂商的难题。2023年容百科技和天津巴莫在高镍三元材料市占率分别为49%、36%，集中度远高于中低镍三元正极材料。相对于低镍材料，高镍材料的生产流程更为简洁，对工艺、设备和本钱把握都提出了的要求和挑战。序〔锂化混合、装钵、烧结工序、后道工序〔裂开、筛分、除铁等〕三大局部，但工艺细节上存在诸多差异。因高镍正极晶格稳定性差，高烧结温度将导致锂镍混排现象，降低实际放电比容量，需要在700-800℃的较低温度烧结，因而471℃熔点氢氧化锂成为高镍正极的锂源，取代了中低镍三元正极常用的720℃熔点的碳酸锂。结时间，一般相对中低镍三元需要屡次烧结，进而增加了制造费用和降低了单线产能。烧结是正极制备的核心环节，烧结温度和烧结环境对高镍材料的构造、电化学性质、粒度等产生较大的影响，更为简洁的烧结工序增加了高镍三元的制备难度。要承受氧气。在氧气条件下，阳离子混排程度较低，颗粒粒径全都性较好，严密结合形成均一且外表光滑的二次颗粒。而在空气中制备材料，阳离子混排程度较高，一次颗粒较大，结晶程度较低，二次颗粒粒径较小，消灭团聚现象，导致振实密度较小。吸潮进而影响正极浆料涂布环节，因此水洗需要在一次烧结后增加杂等改性工艺，这是提升技术壁垒和打算各家差异的重要因素，第四章将重点阐述。要求更为严格。此外，高镍三元的窑炉控温精度要求更高，以保证屡次烧结的产品全都性，同时需要对炉膛内衬材料进展升级，使其耐碱性环境和氧气烧结腐蚀。8系高镍制造费用比5系高近一倍，8系高镍龙头公司的技术know-how优势带来的良率提升可进一步降本，高镍公司之间的本钱差距会拉开，因此将来可以通过低本钱优势提升集中度，这是在之前中低镍三元时代所看不NCM9系、NCMA、无钴NM产业链一体化将促进展业集中度的提升率维持在15%左右，且各公司间毛利率差距小于负极、隔膜和电解液。在锂电池产业链降本趋势下，正极龙头生产商主要通过产业链一体化布局纵向拓展前驱体和电池材料回收降低原材料生产本钱，有利于拉开一二线的盈利差距。三元正极和锂电池的电化学性能，是三元正极最重要的原材料。目前正极企业获得三元前驱体有两种途径：外购和自制。依据测算，70%，前驱体毛利率约9%-14%，假设前驱体毛利率为12%，企业自制前驱体可在保证高质量和供给稳定的状况下，同时具有显著的本钱优势。游拓展企业，比方华友钴业通过打造“钴镍矿开采—三元前驱体—三元正极”产业链也是一体化的另一重要方向。龙头公司的资金优材料供给体系的稳定性。目前华友钴业、广东邦普、秀丽科、容百科技均有电池循环回收布〔年华友钴业再生利用专用生产线投产，构建产业链闭环，年处理废旧动力蓄电池64680吨，每5783〔金属量9432〔金属量2050吨〔金属量〔2〕20232〔3〕2023年秀丽科建立第一条电池回收生产线，目前回收电池力气为7000〔4〕容百把握镍钴锂回收关键技术，公司TMR株式会社已实现了锂电池废料回收的成熟应用。锂电池湿法回收工艺繁杂，且对工艺设备要求较高，存在较高的技术壁垒，龙头和二线厂商有望形本钱钱差异，市场竞争格局将持续改善。目前各正极厂商毛利率较为接近，多在10-20%之间，将来随着高镍化高端产品溢价及一体化降本趋势，龙头公司有望相对二线厂专利、研发角度比照三元正极公司差异正极改性工艺非标属性强，专利积存构筑产品品质差异但循环稳定性和热稳定性变差，如何做到能量密度和循环性能、热稳定性的兼顾是产业界始终以来探究的主题。外表包覆、掺杂、单晶化和构造调控〔核壳构造、梯度浓度〕等手段确定程度弥补了三各家正极厂商在此也均有自己特色的解决方案，改性工艺的专