高鎳三元的高能量密度路線和鐵鋰高性價(jià)比路線將共同發(fā)展

從材料層面看，無論是按體積還是按重量，高鎳三元高能量密度的優(yōu)勢均十分顯著。磷酸鐵鋰材料的克容量已經(jīng)接近極限，并且由于磷酸鐵鋰材料自身的電導(dǎo)率較差，需做成納米材料并且進(jìn)行碳包覆，也限制了其壓實(shí)密度的提升。而三元材料更高的克容量和電壓平臺對應(yīng)了更低的正極材料單位用量，加上三元材料的壓實(shí)密度更高，也對應(yīng)了更小的體積。在三元材料中，高鎳三元由于更高的能量密度，優(yōu)勢更加明顯。

電池層面，高鎳三元高能量密度的優(yōu)勢也十分顯著，長期也將領(lǐng)先于磷酸鐵鋰。從電芯層面看，三元由于其更高能量密度，對于電解液、隔膜、負(fù)極等其他材料的用量也會稍有減少，能量密度優(yōu)勢將會放大。從電池包以及結(jié)構(gòu)層面看，磷酸鐵鋰由于其成熟穩(wěn)定性，在“刀片”“CTP”等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和成組效率上占據(jù)優(yōu)勢，但是隨著三元尤其是高鎳三元的技術(shù)發(fā)展成熟穩(wěn)定，也有提升空間，差距會縮小。寧德時(shí)代的“CTP”技術(shù)可以將磷酸鐵鋰電池能量密度提升至160Wh/kg以上，用在三元上則可以提升至200Wh/kg。

磷酸鐵鋰將憑借其性價(jià)比和安全優(yōu)勢在儲能和低續(xù)航乘用車中煥發(fā)活力，而高鎳三元將憑借其高能量密度優(yōu)勢在高續(xù)航乘用車中擴(kuò)大份額。在儲能領(lǐng)域，對成本和安全性的追求優(yōu)先于能量密度，目前以及將來都會是磷酸鐵鋰的主場。在新能源車方面，高中低端乘用車對于各項(xiàng)指標(biāo)的敏感度不一，高鎳三元和磷酸鐵鋰將實(shí)現(xiàn)分級消費(fèi)。我們對比了不同帶電量下的磷酸鐵鋰和高鎳三元正極材料層面的體積、重量和成本。當(dāng)帶電量為50kWh/輛時(shí)，使用磷酸鐵鋰替代高鎳能夠降低0.68萬/輛的成本，但同時(shí)正極材料的空間要大21.78L，重量要重78.93kg。在較低帶電量下，對空間和重量的容忍度相對較高，成本下降的優(yōu)勢十分明顯。當(dāng)帶電量為80kWh/輛時(shí)，使用磷酸鐵鋰替代高鎳能夠降低1.09萬/輛的成本，但正極材料空間會大34.84L，重量會增加126.28kg；顯著增加的空間和重量將使得車在其他的部分付出更多的成本以換取輕量化和更大的電池空間。綜合看來，高帶電量情況下的成本降低效應(yīng)會相對減弱。此外，里程焦慮是困擾新能源汽車發(fā)展最主要的問題，使用高能量密度的高鎳三元電池能夠很好的解決這一問題。

目前多種三元材料共存，高鎳占比逐步提升

高鎳三元材料在前驅(qū)體制備、正極材料燒結(jié)、生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)工藝方面要求相比常規(guī)正極材料要更為苛刻。高鎳三元正極材料由于氧化性較強(qiáng)，需要摻雜包覆做產(chǎn)品改性才能使用，摻雜包覆元素的選擇以及分布的均勻性，依賴生產(chǎn)廠商的技術(shù)工藝及生產(chǎn)設(shè)備。在原材料方面，對于常規(guī)三元正極材料，由于碳酸鋰成本普遍低于氫氧化鋰，大部分廠商均采用碳酸鋰作為鋰源材料。高鎳三元材料需要更高的能量密度、更好的充放電性能，普遍采用氫氧化鋰作為鋰源材料。在生產(chǎn)設(shè)備方面，高鎳三元材料尤其容易產(chǎn)生金屬離子混排問題，因而需要在純氧環(huán)境中生產(chǎn)，所以高鎳產(chǎn)品的燒結(jié)需要氧氣爐，而常規(guī)三元只需使用空氣爐。在生產(chǎn)環(huán)境方面，高鎳三元材料對于濕度要求更高，一般需要專用除濕、通風(fēng)設(shè)備。在磁性物控制方面，高鎳三元材料也有更高要求，往往需要對廠房進(jìn)行特定改造。由于生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)環(huán)境的要求顯著提升，窯爐的多溫區(qū)溫度控制精度、氧分燒結(jié)對設(shè)備的密閉性要求均顯著高于NCM523等常規(guī)產(chǎn)品，高品質(zhì)、高一致性的高鎳正極材料量產(chǎn)難度較大，產(chǎn)品整體合格率較低。

在未來動(dòng)力電池的發(fā)展進(jìn)程中，在保證安全性的基礎(chǔ)上不斷提升能量密度是必然的發(fā)展趨勢，三元高鎳化就是其中最主要的技術(shù)路線。三元材料中三種元素的不同配置將帶來不同的性能，常見配比有鎳鈷錳NCM111、523、622、811等。鎳含量上升能夠提高材料容量但會降低循環(huán)性能和穩(wěn)定性，鈷含量上升可以抑制相變并提高倍率性能，錳含量上升有利于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但會降低容量。另有鎳鈷鋁NCA，常見配比為8:1.5:0.5,以鋁代替錳，是將鎳鈷錳酸鋰通過離子摻雜和表面包覆進(jìn)行改性，離子摻雜可以增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性，提高材料的循環(huán)性能。鎳含量越高，材料的克容量越高，對應(yīng)的電池模組能量密度也越高，但相應(yīng)的工藝難度也越大，安全性挑戰(zhàn)也越高。因此找到三種材料的比例關(guān)系以達(dá)到綜合性能最優(yōu)化，是三元材料研發(fā)的重點(diǎn)。

目前國內(nèi)三元正極材料已經(jīng)形成多種材料共存的局面，中鎳市占率保持平穩(wěn)，高鎳材料占比逐年增加。當(dāng)前行業(yè)主流的三元正極材料可以分為中鎳（以NCM523等5系為主）、中高鎳（以NCM613、NCM622等6系為主）和高鎳（以NCM811等8系為主），能量密度隨著鎳含量的提高而提升。2020年三元材料市場仍以5系及以下三元材料產(chǎn)品為主，占比53.1%，同比減少8.4pcts；高鎳8系和NCA產(chǎn)品市場占比由2019年12.7%上升到23.1%，提升10.4pcts；6系產(chǎn)品占比19.7%，同比上升1.2pcts。

雖然中國占據(jù)著全球半數(shù)以上的三元材料產(chǎn)能，但在高鎳市場方面國內(nèi)三元材料企業(yè)還有提升空間。2019年國內(nèi)共生產(chǎn)高鎳三元材料2.5萬噸左右，僅占全球高鎳三元材料總產(chǎn)量的四分之一左右，以住友、ECOPRO等企業(yè)為首的日韓企業(yè)依舊占據(jù)著全球高鎳三元材料市場的絕大部分市場份額。受疫情影響，歐美多家車廠選擇關(guān)停工廠，松下、LG、三星等企業(yè)也相繼關(guān)停了其位于歐美地區(qū)的電池廠。豐田、松下等企業(yè)也開始考慮或者關(guān)停日本本土的工廠，在一定程度上抑制海外市場對于日韓企業(yè)高鎳三元材料的需求。

高鎳正極材料的優(yōu)勢在于克容量較高，從各國動(dòng)力電池技術(shù)路徑規(guī)劃來看，動(dòng)力電池電芯能量密度普遍將達(dá)到300Wh/kg以上，在現(xiàn)有技術(shù)體系中，高鎳三元是最可行的商業(yè)化方案，三元正極高鎳化趨勢明朗。目前，NCM811動(dòng)力電池產(chǎn)品相較NCM523產(chǎn)品能量密度可提升25%，后續(xù)高鎳正極產(chǎn)品性能的進(jìn)一步優(yōu)化可使得能量密度優(yōu)勢提升30%以上。能量密度提升意味著同等重量的電池可以提供更多的帶電量，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)顯著提升續(xù)航里程。高鎳三元正極材料的新一代產(chǎn)品預(yù)計(jì)將具有更加廣闊的應(yīng)用與更加快速的增長。

目前在全球市場銷量最高的特斯拉采用的就是松下NCA和LG化學(xué)NCM811高鎳電池，大部分歐洲一線車企也更青睞811電池，各大主流電池廠都有各自高鎳或無鈷電池的開發(fā)計(jì)劃。寧德811電池早已量產(chǎn)裝車蔚來ES6、廣汽AionS、吉利幾何A，2020年重點(diǎn)發(fā)展三元811與高電壓523+CTP，2023年發(fā)展無鈷電池，將克容量上限提高到300mAh/g，電壓達(dá)到4.7V。蜂巢能源是國內(nèi)最先公開宣布研發(fā)出無鈷材料及電池產(chǎn)品的企業(yè)，2019年7月首次發(fā)布四元及無鈷材料電池，2020年5月公司發(fā)布了兩款無鈷電芯115Ah和L6無鈷長電芯，可支持電動(dòng)汽車行駛800公里以上，使用壽命超過15年120萬公里。目前蜂巢能源無鈷電池已經(jīng)裝車路試，搭載的量產(chǎn)車型有望在2021年推向市場。

在新能源車的大趨勢下，動(dòng)力電池三元正極材料產(chǎn)量快速提升，其中高鎳三元材料2022年全球產(chǎn)量超過60萬噸，實(shí)現(xiàn)翻倍增長。測算主要基于對2020年下半年和2021、2022年國內(nèi)新能源汽車逐步恢復(fù)增長，海外新能源汽車銷量在歐洲市場帶動(dòng)下滲透率加速提升，新能源汽車單車帶電量穩(wěn)中有升以及高鎳三元材料在車用電池市場應(yīng)用占比逐年提高。

兩種生產(chǎn)方法：固相法液相法各有優(yōu)劣

磷酸鐵鋰的規(guī)?；纳a(chǎn)工藝可以分為固相法與液相法兩類。固相法與液相法各有優(yōu)劣。固相法的主要優(yōu)勢在于工藝步驟簡單，且產(chǎn)品壓實(shí)密度較高；但燒結(jié)溫度較高，能耗較高，且由于原材料是固態(tài)研磨混合，產(chǎn)品的均勻性和一致性相對較差。而液相法在溶液中進(jìn)行原材料分子級別的混合，產(chǎn)品均勻一致性好，批次穩(wěn)定性好；但工藝過程較復(fù)雜，較難控制。

固相法可以分為碳熱還原法與高溫固相法兩類。其基本步驟為：首先將鋰源、磷源、鐵源以一定比例球磨混合，在較低溫度下預(yù)燒結(jié)，而后粉碎、添加碳源后，再次在較高溫度下燒結(jié)，最后粉碎、過篩，即得到納米磷酸鐵鋰產(chǎn)品。兩種方法最大的區(qū)別是碳熱還原法使用的鐵源是三價(jià)鐵，借助碳的還原作用，高溫條件下三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵，并與鋰源、磷源發(fā)生反應(yīng)。而高溫固相法使用的鐵源本身即為二價(jià)鐵，高溫條件下可以直接反應(yīng)生成磷酸鐵鋰。

液相法規(guī)?；a(chǎn)存在一定技術(shù)壁壘。傳統(tǒng)液相法為共沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法等，其本身存在危險(xiǎn)系數(shù)大、生產(chǎn)效率低等問題，因此逐漸被棄用。而德方納米改進(jìn)了傳統(tǒng)的液相制備方法，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自熱蒸發(fā)液相合成法。其主要步驟為：將鋰源、鐵源、磷源與絡(luò)合劑按照一定比例溶解在溶劑中，利用其反應(yīng)熱使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，將溶劑蒸干反應(yīng)即停止，形成前驅(qū)體。添加碳源、球磨、干燥后，高溫?zé)Y(jié)、粉碎、篩分，即得到納米磷酸鐵鋰終產(chǎn)物。