三元正極技術(shù)篇深挖護(hù)城河

1、摘要正極材料是鋰電池的重要組成部分。正極材料對鋰電池的很多關(guān)鍵性能都有直接影響，包括容量、壽命、倍率、 安全性等。三元電芯中，三元正極材料成本占比一般超過50%。三元正極材料呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢。當(dāng)前三元正極材料技術(shù)不斷迭代，推動(dòng)鋰電池行業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展?？傮w而言， 三元正極材料主要有三大發(fā)展趨勢：單晶化、高電壓化、高鎳化。單晶化，正極材料由多晶向單晶發(fā)展，可以提高壓實(shí)密度、循環(huán)壽命等。正極單晶化，對燒結(jié)工藝提出更高要 求，并且更高溫度燒結(jié)容易加劇鋰鎳混排，單晶化也容易引起倍率性能降低。高電壓化，提高鋰電池的充電截止電壓，可以提高正極材料的克容量，從而提高鋰電池的能量密度。但是提高 充電電壓，容易

2、引起正極材料表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)、過渡金屬溶解并在負(fù)極表面沉積、電解液氧化等。另外，采用單晶正極， 有利于提高正極材料的耐高電壓性能。高鎳化，三元正極材料由中低鎳向高鎳（8系）、超高鎳（9系）發(fā)展。高鎳化主要目的是為了提高克容量，但 是二價(jià)鎳在空氣中難氧化，對鋰源、燒結(jié)氣氛、生產(chǎn)設(shè)備等提出更高要求。并且高鎳材料更活潑，熱穩(wěn)定性降低，循 環(huán)壽命下降，也容易與空氣中的水和氧氣反應(yīng)等。在高鎳材料中，采用單晶也可以提高循環(huán)性能、安全性等。三大技術(shù)方向?qū)崿F(xiàn)依賴多重因素。除了生產(chǎn)工藝迭代之外，還很大程度依賴摻雜、表面改性等，另外電解液配方 優(yōu)化也有助于正極性能發(fā)揮。目前國內(nèi)三元正極企業(yè)推出中鎳高電壓、高鎳產(chǎn)品，海

3、外推出核殼、NCMA等。三元正極材料下一代：無鈷或富鋰錳基等。隨著三元正極向著高電壓、超高鎳方向發(fā)展，層狀鎳錳酸鋰（中鎳無鈷）、超高鎳無鈷等在成本、循環(huán)性能等方面可能更有優(yōu)勢。另外富鋰錳基在克容量方面更有優(yōu)勢。投資建議：三元正極技術(shù)門檻高，行業(yè)龍頭企業(yè)憑借技術(shù)優(yōu)勢不斷推出新品，深挖護(hù)城河。新進(jìn)入者很難實(shí)現(xiàn)超 越。三元正極方向建議關(guān)注：容百科技、當(dāng)升科技、長遠(yuǎn)鋰科、振華新材、廈鎢新能、貝特瑞等。另外三元前驅(qū) 體方面，我國已經(jīng)處于全球領(lǐng)先位置，建議關(guān)注：中偉股份、格林美、華友鈷業(yè)、芳源股份等。風(fēng)險(xiǎn)提示：新能源汽車銷量不及預(yù)期； 上游資源價(jià)格繼續(xù)大幅上漲； 新技術(shù)應(yīng)用不及預(yù)期等。目錄1. 三元正極：

4、鋰電池的核心2. 三元正極三大發(fā)展方向3. 三元正極下一代技術(shù)：無鈷、富鋰錳基等4. 三元正極產(chǎn)業(yè)鏈核心標(biāo)的5. 投資建議與風(fēng)險(xiǎn)提示正極材料是鋰電池的重要組成部分鋰電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等四大主材組成。鋰電池按照形狀劃分，可以分為圓柱、方形、軟包等。另外也常以使用的正極材料種類進(jìn)行劃分，包括鈷酸鋰電池、三元電池、磷酸鐵鋰電池等。2021年我國動(dòng)力電池裝機(jī)量154.5GWh，主要以磷酸鐵鋰電池和三元電池為主。其中三元電池裝 機(jī)量74.35GWh，占比48.1%。電池殼正極鋁箔隔膜負(fù)極銅箔鋰電池結(jié)構(gòu)鋰電池微觀結(jié)構(gòu)74.350.240.0702040608010079.84磷酸鐵鋰三元錳

5、酸鋰其他2021年我國動(dòng)力電池裝機(jī)結(jié)構(gòu)（GWh）正極隔膜負(fù)極AlCu三元正極市場高速增長隨著新能源汽車銷量高速增長，以及電動(dòng)工具等市場穩(wěn)定增長，三元正極材料出貨量持續(xù)保持高 速增長。2021年國內(nèi)正極材料出貨量合計(jì)超過100萬噸，達(dá)到109.4萬噸，同比增長98.5%。2021年國內(nèi)三元正極材料出貨量42.2萬噸，同比增長79.6%。39%42%10%10%三元磷酸鐵鋰 鈷酸鋰 錳酸鋰10.614.519.523.5 42.290%80%70%60%50%40%30%20%10%0%4540353025201510502017202120182019出貨量（萬噸）2020同比（右軸）國內(nèi)三元正

6、極材料出貨量2021年國內(nèi)正極材料出貨量結(jié)構(gòu)三元正極材料占電芯成本比例過半正極材料是鋰電池的核心組成部分，對鋰電池的很多核心性能指標(biāo)都有直接影響，包括容量、壽 命、倍率、安全性等。通常鋰電池中的可脫嵌鋰離子，都源自正極活性物質(zhì)。成本方面，正極占比過半。我們以5系三元電池為模型，并結(jié)合上海有色網(wǎng)的主要材料報(bào)價(jià)，對5系三元電池進(jìn)行成本拆分。目前正極材料占電芯的成本達(dá)到60%左右。1GWh三元鋰電池成本結(jié)構(gòu)三元鋰電池成本結(jié)構(gòu)用量單位單價(jià)噸金額單位正極1600噸38萬元/噸60800萬元電解液1000噸13萬元/噸13000萬元負(fù)極1000噸6.5萬元/噸6500萬元隔膜2000萬平米2元/平米400

7、0萬元62%13%7%4%15%正極電解液 負(fù)極 隔膜 其他正極材料多技術(shù)路線并存正極材料根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，可以分為三大類：尖晶石、橄欖石和層狀結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電池市場，磷酸鐵 鋰、磷酸錳鐵鋰，以及寧德的新技術(shù)路線M3P正極都屬于橄欖石結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電池市場商業(yè)化應(yīng)用的NCM、NCA等都屬于層狀結(jié)構(gòu)。從克容量指標(biāo)來看，三元正極相對磷酸鐵鋰、錳酸鋰都有比較大的優(yōu)勢。正極材料分類正極材料綜合性能晶體結(jié)構(gòu)材料種類克容量 mah/g備注尖晶石錳酸鋰110鎳錳酸鋰140研發(fā)階段，蜂巢實(shí)驗(yàn)室水平橄欖石磷酸鐵鋰150160磷酸錳鐵鋰-比磷酸鐵鋰電壓平臺高M(jìn)3P-比磷酸鐵鋰電壓平臺高層狀鈷酸鋰150180主要用于手機(jī)等消費(fèi)

8、類市場NCM160220NCA190220NCMA228韓國漢陽大學(xué)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果鎳錳酸鋰-研發(fā)階段富鋰錳基-研發(fā)階段三元正極性能仍有較大提升空間磷酸鐵鋰正極材料理論容量為170mAh/g，目前產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)能做到超過156mAh/g，實(shí)際值/理論 值達(dá)到92%。磷酸鐵鋰將繼續(xù)精益求精。目前商業(yè)化的三元5系和6系，克容量可以達(dá)到180mAh/g左右，實(shí)際值/理論值僅有65%。目前商業(yè)化的三元8系正極克容量約為200mAh/g，實(shí)際值/理論值也僅有72%。正極材料理論克容量（mAh/g）148170500100150200250300278278277275錳酸鋰磷酸鐵鋰三元111三元523三元622三

9、元811產(chǎn)業(yè)化正極材料克容量（mAh/g）正極型號克容量單位高能量型156儲能型5系湖南裕能磷酸鐵鋰當(dāng)升科技三加速產(chǎn)品迭代三元正極材料企業(yè)在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，不斷推陳出新。主營三元正極材料的企業(yè)中，2021年容百科技和當(dāng)升科技的研發(fā)費(fèi)用均超過3億元。主營磷酸鐵鋰的企業(yè)中，德方納米2021年研發(fā)費(fèi)用為1.64億元。主要正極材料企業(yè)研發(fā)投入（億元）2.611.461.481.020.520.65 4.523.603.362.871.641.49012345廈鎢新能容百科技當(dāng)升科技長遠(yuǎn)鋰科德方納米振華新材20202021目錄1. 三元正極：鋰電池的核心2. 三元正極三大發(fā)展方向3. 三元正極下一代技術(shù)

10、：無鈷、富鋰錳基等4. 三元正極產(chǎn)業(yè)鏈核心標(biāo)的5. 投資建議與風(fēng)險(xiǎn)提示三元正極三大趨勢當(dāng)前三元正極材料主要有三大發(fā)展趨勢：單晶化、高電壓化、高鎳化。發(fā)展單晶主要是為了提高 電池的循環(huán)壽命，高鎳和高電壓主要是為了提高能量密度。單晶方向，代表性的正極材料企業(yè)有振華新材等，高電壓方向有廈鎢新能、長遠(yuǎn)鋰科等，高鎳方向有容百科技、當(dāng)升科技等。各技術(shù)方向交叉發(fā)展，比如高鎳單晶，代表性企業(yè)容百科技等。三元正極高鎳高電壓單晶振華新材廈鎢新能長遠(yuǎn)鋰科容百科技當(dāng)升科技三元正極材料發(fā)展三大趨勢趨勢一：單晶化（優(yōu)點(diǎn)）正極材料可以分為多晶和單晶。一般多晶材料是以微米級別的團(tuán)聚體形式存在。團(tuán)聚體內(nèi)部存在 大量晶界。在電池

11、充放電過程中，由于各向異性的晶格變化，多晶材料容易出現(xiàn)晶界開裂，導(dǎo)致 二次顆粒發(fā)生破碎。從而導(dǎo)致副反應(yīng)快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。采用單晶顆粒，可以減少晶界，減少副反應(yīng)的發(fā)生，還能提高壓實(shí)密度，從而提高能量密度。與多晶相比，單晶材料的循環(huán)性能一般會(huì)好很多。多晶與單晶正極對比多晶與單晶正極循環(huán)性能比較多晶單晶單晶多晶趨勢一：單晶化（生產(chǎn)工藝）生產(chǎn)單晶正極材料的主要方法是進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。制備方法可以分為三類：單步高溫法、多步高溫 法和熔鹽輔助合成法。其中熔鹽輔助合成法需要引入熔鹽，燒結(jié)完后需要水洗。與制備多晶材料相比，制備單晶材料的燒結(jié)溫度一般高7080度。單晶材料在燒結(jié)過程中，一次顆粒會(huì)長

12、大，二次顆粒也會(huì)粘連在一起，因此燒結(jié)完后需要進(jìn)行研 磨處理。單晶三元正極的制備方法單步高溫多步高溫熔鹽輔助趨勢一：單晶化（挑戰(zhàn)）正極從多晶向單晶方向發(fā)展，也帶來了一些挑戰(zhàn)。（1）制備工藝：如果燒結(jié)不充分，形成了準(zhǔn)單晶，可能會(huì)達(dá)不到預(yù)期效果。另外，單晶顆粒在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生可逆滑移，一般晶粒尺寸不適宜超過3.5微米，也要防止過度燒結(jié)。（2）鋰鎳混排：制備單晶需要更高的燒結(jié)溫度，但是高溫容易引起鋰鎳的混排。單晶 準(zhǔn)單晶 多晶不同燒結(jié)工藝制備出的多晶、準(zhǔn)單晶、單晶材料正極材料循環(huán)性能單晶準(zhǔn)單晶 多晶趨勢一：單晶化（挑戰(zhàn)）（3）倍率性能：由于多晶體系中鋰離子擴(kuò)散系數(shù)高，采用單晶往往會(huì)犧牲倍率性能。當(dāng)

13、正極材料從多晶向單晶轉(zhuǎn)變的過程中，需要充分考慮正極材料的整體性能。實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)將單晶材料與多晶材料摻混使用。從2021年國內(nèi)單晶材料出貨量情況來看，處于領(lǐng)先地位的企業(yè)有振華新材、長遠(yuǎn)鋰科和廈鎢新能 等。單晶多晶正極材料擴(kuò)散系數(shù)國內(nèi)單晶三元材料市場份額（2021年1-11月）振華新材26%長遠(yuǎn)鋰科20%南通瑞翔14%廈鎢新能13%容百科技7%廣東邦普6%其他14%趨勢二：高電壓化（優(yōu)點(diǎn)）三元正極材料的第二個(gè)發(fā)展趨勢是高電壓化，相當(dāng)于是提高鋰電池充電截止電壓。一般三元電池的充電截止電壓為4.2V4.3V。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37201-2018指出，三元電池測試時(shí)一般是以0.2C恒電流充至4.2

14、V，再恒壓充電。以5系三元為例，當(dāng)充電截止電壓由4.2V提高到4.4V時(shí)，正極材料放電克容量可以由158.4mAh/g 提高到188.6mAh/g，提高19%。并且充電截止電壓到4.5V時(shí)，正極克容量可以超過200mAh/g。NCM551530克容量（mAh/g，0.2C充放）2202001801601401201004.2v4.3v4.4v4.5v4.6vNCM551530充放電曲線趨勢二：高電壓化（挑戰(zhàn)）提高充電截止電壓，雖然看起來簡單容易實(shí)現(xiàn)，但是對于鋰電池的綜合性能帶來了很大的挑戰(zhàn)。 充電截止電壓越高，正極材料中的鋰離子深度脫出，正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)變差。（1）循環(huán)性能：從4.2V到4

15、.4V，鋰電池的循環(huán)性能可能會(huì)大幅下降。（2）鋰電材料體系惡化：正極材料表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)（形成氧化鎳）、鎳鈷錳等過渡金屬溶解并在負(fù) 極表面沉積、電解液氧化等。NCM811 循環(huán)性能鎳鈷錳元素在負(fù)極表面沉積趨勢二：高電壓化（實(shí)現(xiàn)路徑）高電壓體系下，正極材料失效機(jī)理主要有三種：正極析氧、相轉(zhuǎn)變與正極顆粒破碎、過渡金屬離 子溶出。提高正極材料的高電壓性能，常用的方法主要分為兩類：包覆（氧化鋁等）、摻雜（Mg、Al）。另外，在高電壓體系下，單晶材料的性能表現(xiàn)要好于多晶。多晶材料在高電壓充放電后，容易出 現(xiàn)材料粉化，并且性能衰減更快等。高電壓正極材料失效機(jī)理不同充電截止電壓下，多晶與單晶正極循環(huán)性能比較多晶

16、523單晶523趨勢三：高鎳化（優(yōu)點(diǎn)）三元正極的第三大趨勢：高鎳化。高鎳化的主要目的是為了提高能量密度。從電子結(jié)構(gòu)來看，鈷（Co）的eg軌道為空軌道，t2g軌道與氧（O）的2p軌道有較大重疊，深度脫鋰時(shí)容易析氧，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)塌陷。此外鈷的t2g軌道與氧的2p軌道形成鍵，作用力較弱，電子易轉(zhuǎn)移。鎳（Ni）的eg軌道與氧的2p軌道重疊非常小，因此理論上鎳的eg軌道上電子可以完全失去，鎳酸鋰的有 效容量更高。對于錳，當(dāng)鎳含量超過錳時(shí)，錳會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?價(jià)形態(tài)存在，非常穩(wěn)定。一般而言，在NCM體系中，鈷含量越高，倍率性能越好；鎳含量越高，克容量越高；錳含量越高，結(jié)構(gòu) 越穩(wěn)定。一般8系三元的克容量可以做到超過20

17、0mAh/g。正極材料中主要元素的相對能級示意圖三元正極材料克容量（mAh/g）220200180160140120100LCONCM111NCM523NCM622NCM811趨勢三：高鎳化（優(yōu)點(diǎn)）與中低鎳材料相比，三元高鎳材料的鈷含量逐步減少，但是在導(dǎo)電性、鋰離子擴(kuò)散性能等方面， 也可以做的很好。電導(dǎo)率方面：NCM523為4.910-7s/cm，811可以做到1.710-5s/cm。鋰離子擴(kuò)散系數(shù)：5系可以做到10-10級別，8系可以做到10-8級別。三元正極材料電導(dǎo)率三元正極材料鋰離子擴(kuò)散系數(shù)趨勢三：高鎳化（挑戰(zhàn)）與普通三元相比，高鎳三元材料性能更活潑，在應(yīng)用中也帶來許多新的挑戰(zhàn)。（1）隨

18、著鎳含量上升，三元正極材料熱穩(wěn)定性下降。（2）循環(huán)壽命下降。同樣的電解液配方體系等，高鎳三元循環(huán)性能可能會(huì)衰減的更快。（3）高鎳材料在制備與存儲過程中，更容易與空氣中的水和CO2反應(yīng)，生產(chǎn)LiOH和Li2CO3。進(jìn)一 步影響：正極漿料粘度大，涂布不均勻；與電解液反應(yīng)；正極電阻增加等。三元正極材料NCM綜合性能三元正極材料表面鋰殘留量（ppm）趨勢三：高鎳化（制備工藝）高鎳中的鎳主要以三價(jià)形態(tài)存在。鎳從鎳鹽到前驅(qū)體，都是以二價(jià)形態(tài)存在。在三元NCM材料中， 當(dāng)錳的含量較高時(shí)，Ni3+Mn3+Ni2+Mn4+ ，大部分鎳是以2價(jià)形式存在（LiNi0.5Mn0.5O2）。 但是在高鎳材料中，鎳主要以

19、三價(jià)存在（ LiNiO2 ）。二價(jià)鎳在空氣中難以被氧化成三價(jià)，帶來影響：（1）高鎳材料需要在氧氣的氣氛下燒結(jié)。（2） 碳酸鋰高溫?zé)Y(jié)會(huì)分解產(chǎn)生CO2，影響二價(jià)鎳氧化。（3）鋰源換成氫氧化鋰后對設(shè)備腐蝕大。高鎳材料，鎳含量越高，適宜的燒結(jié)溫度越低。金屬離子價(jià)態(tài)金屬氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯 自由能+2NiO-211.7CoO-214.2MnO-362.9+3Ni2O3-489.5+2，+3Co3O4-774.0+3Mn2O3-881.1+4MnO2-465.1+3，+4Mn3O4-1,283.2主要金屬氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能（kJ/mol）不同三元正極材料適宜燒結(jié)溫度與氣氛趨勢三：高鎳化（制備工藝

20、）高鎳三元正極的主要制備流程和普通三元一樣，上游的前驅(qū)體制備，然后混料、燒結(jié)、破碎、表 面處理等。高鎳三元制備中，前驅(qū)體共沉淀時(shí)需要堿性更強(qiáng)，鋰源一般用氫氧化鋰，燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)氣氛氧氣，燒結(jié)完以后需要水洗和表面包覆等。水洗包覆前驅(qū)體原材料燒結(jié)破碎等表面處理等三元正極材料制備工藝趨勢三：高鎳化（高鎳單晶）與高電壓化趨勢相同，在高鎳材料體系中，采用單晶顆粒，也非常具有潛力。（1）高鎳單晶，一般循環(huán)性能更好。（2）可以提高安全性。當(dāng)鋰電池過充時(shí)，在晶界處會(huì)大量產(chǎn)生氧氣。采用單晶可以減少產(chǎn)氧，提高安全性。過充對鋰電池循環(huán)性能影響單晶多晶單晶多晶高鎳正極循環(huán)性能（NCM831106）多晶單晶單晶過充

21、多晶過充趨勢三：高鎳化（高鎳高電壓）無論是高電壓方向，還是高鎳方向，主要目標(biāo)都是為了提高正極材料的克容量。若將兩者結(jié)合， 理論上正極材料的克容量可以達(dá)到更高的水平，但是在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨更大的挑戰(zhàn)。高鎳高電壓更難實(shí)現(xiàn)。高鎳三元材料在高電壓體系下，不僅僅只是晶體結(jié)構(gòu)的表面性能發(fā)生惡化，甚至晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生惡化。三元正極材料充放電后晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖趨勢三：高鎳化（國內(nèi)進(jìn)展）產(chǎn)品方面：國內(nèi)目前正處于由高鎳（8系）向超高鎳（9系）推進(jìn)。8系產(chǎn)品中的Ni83多晶、Ni83 單晶，國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)能夠做的比較成熟。產(chǎn)線方面，新建產(chǎn)線基本采取兼容方式。比如容百科技新投產(chǎn)線可以兼容生產(chǎn)NCM811、

22、Ni90及以上超高鎳、NCA、NCMA等。超高鎳進(jìn)展：2021年容百科技9系超高鎳產(chǎn)品開始批量出貨。當(dāng)升科技Ni95產(chǎn)品已完成國際客戶 驗(yàn)證，Ni98正在開展海外認(rèn)證。國內(nèi)主要正極材料企業(yè)高鎳進(jìn)展高鎳（8系）與超高鎳（9系）進(jìn)展容百科技國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)高鎳NCM811大規(guī)模量產(chǎn)，公司高鎳正極材料率先通過國內(nèi)外多家主流鋰電池廠商的認(rèn)證程序，并通過寶馬、奔馳等國際知名終端車企的跨級審核，2021年公司9系超高鎳產(chǎn)品開始批量出貨當(dāng)升科技團(tuán)聚型高鎳產(chǎn)品持續(xù)向國際高端客戶供貨，并快速放量。單晶型高鎳產(chǎn)品獲得國際大客戶認(rèn)可，產(chǎn)品進(jìn)入多個(gè)車型評測階段。團(tuán)聚單 晶復(fù)合型高鎳產(chǎn)品持續(xù)迭代開發(fā)，批量導(dǎo)入國際客戶新一代

23、高端車型。超高鎳Ni95產(chǎn)品已完成國際客戶驗(yàn)證，產(chǎn)品性能達(dá)到國際領(lǐng)先 水平；Ni98正在開展客戶認(rèn)證工作，性能指標(biāo)獲海外客戶高度認(rèn)可振華新材高鎳8系開始大批量出貨，超高鎳9系開始向部分客戶進(jìn)行噸級送樣長遠(yuǎn)鋰科高鎳8系單晶導(dǎo)入國內(nèi)外多家動(dòng)力、數(shù)碼客戶。超高鎳9系單晶產(chǎn)品率先完成設(shè)計(jì)開發(fā)，客戶進(jìn)入噸級試產(chǎn)階段廈鎢新能高鎳8系多晶、單晶已經(jīng)量產(chǎn)，超高鎳9系處于量試階段貝特瑞超高鎳正極材料已完成小試階段開發(fā)，進(jìn)入中試階段實(shí)現(xiàn)路徑：摻雜和表面改性對正極材料性能影響重大無論是普通的正極材料，還是在向單晶、高電壓、高鎳方向發(fā)展時(shí)，摻雜和表面改性，都是提高 正極材料綜合性能的有效方法。并且摻雜、改性的方法也是

24、正極材料企業(yè)的核心競爭力之一。摻雜元素包括Al、Mg、Cr等，提高機(jī)理包括穩(wěn)定主結(jié)構(gòu)、增加鋰離子層間距、在晶界處偏析等。常用的包覆劑包括Al2O3、V2O5、ZnO、ZrO2、TiO2、MgO等。僅以氧化鋁包覆方法為例，第一 代技術(shù)用有機(jī)體系的異丙醇鋁，第二代用水系的硝酸鋁或羧酸鋁，第三代用納米級的氧化鋁或氫 氧化鋁。正極材料表面包覆效果正極材料不斷迭代（高鎳迭代+機(jī)理分析+摻雜包覆改性）實(shí)現(xiàn)路徑：正極材料性能發(fā)揮需要合適電解液配方鋰電池在充放電過程中，正極材料與電解液直接接觸。正極材料的性能發(fā)揮，一般與電解液的配 方有著密切的關(guān)系。常見的碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯等電解液體系，在高電壓下容易被氧

25、化分解，并產(chǎn)生氣體。但是添加適量碳酸乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）等，可以有效提高電池耐高壓性能。龍頭電池企業(yè)掌握電解液配方，正極材料企業(yè)形成先發(fā)優(yōu)勢。不同電解液體系下高電壓循環(huán)性能華盛鋰電20.89%海外企業(yè)13.92%瀚康化工12.85%蘇州華一6.93%浙江天碩4.80% 青木高新5.07%中國其他35.54%2020年全球電解液添加劑市場格局國內(nèi)兩大方向?qū)Ρ龋褐墟嚫唠妷?、高鎳國?nèi)三元正極的兩個(gè)發(fā)展方向存在一定的競爭：中鎳高電壓和高鎳（常規(guī)電壓）。從能量密度指標(biāo)上來看，對于中鎳高電壓6系產(chǎn)品，充電截止電壓4.4V，6系正極材料的能量密度可以做到接近鎳83的水平。從熱穩(wěn)定性指標(biāo)上

26、來看，中鎳高電壓產(chǎn)品一般好于高鎳。622充電電壓到4.5V，熱分解溫度比811 高，放熱量比811小。三元正極性能對比中鎳高電壓與高鎳熱穩(wěn)定性比較產(chǎn)品5系6系8系9系備注NCM比例55-15-3065-7-2883-11-692-5-3常規(guī)電壓充電截止電壓4.254.254.24.2V克容量170180202214mAh/g平均放電電壓3.713.723.663.66V正極能量密度630.7669.6739.32783.24Wh/kg高電壓充電截止電壓4.354.4V克容量180195mAh/g平均放電電壓3.783.77V正極能量密度680.4735.15Wh/kg0200400600 80

27、01000350300250200150100500622-4.3v622-4.4v622-4.5v811-4.3v熱分解峰值溫度（）放熱量（J/g，右坐標(biāo))海外：核殼結(jié)構(gòu)+NCMA三元正極除了國內(nèi)常規(guī)的單晶、中鎳高電壓、高鎳等，海外也在推核殼結(jié)構(gòu)和四元NCMA。正極材料表面改性一般是包覆，但是普通的包覆容易損失克容量，可以升級為核殼結(jié)構(gòu)，也可進(jìn)一步升級為梯度材料。新的結(jié)構(gòu)體系，對于生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本提出了更高的要求。LG推出NCMA。根據(jù)韓國漢陽大學(xué)發(fā)布的結(jié)果來看，（1）從NCA89到NCM90，鈷含量由10%下降到5%，循環(huán)性能更好。（2）NCMA89可以理解為對NCM90進(jìn)行改性，鋁摻雜

28、比例為1%。NCMANCMNCA綜合性能比較循環(huán)性能比較熱穩(wěn)定性比較目錄1. 三元正極：鋰電池的核心2. 三元正極三大發(fā)展方向3. 三元正極下一代技術(shù)：無鈷、富鋰錳基等4. 三元正極產(chǎn)業(yè)鏈核心標(biāo)的5. 投資建議與風(fēng)險(xiǎn)提示三元正極下一代技術(shù)三元正極方向技術(shù)不斷迭代。隨著三元正極材料在高電壓、高鎳方向技術(shù)成熟，三元正極下一代 產(chǎn)品可能是無鈷，或者富鋰錳基等。三元正極材料進(jìn)一步迭代的可能方向無鈷：鎳錳酸鋰（NM，尖晶石型 + 層狀結(jié)構(gòu)）鎳錳酸鋰從晶體結(jié)構(gòu)上來分，可以分為兩類：尖晶石型和層狀結(jié)構(gòu)。第一種：對尖晶石型的錳酸鋰（LiMn2O4）進(jìn)行鎳摻雜，可以形成尖晶石型的鎳錳酸鋰，其常見的化學(xué)式結(jié)構(gòu)為L

29、iNi0.5Mn1.5O4。與錳酸鋰相比，理論克容量不變，并且需要高電壓發(fā)揮性能。另外一種鎳錳酸鋰是層狀結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在現(xiàn)有三元NCM正極制備過程中不加入鈷源，包括中鎳無 鈷、高鎳無鈷、超高鎳無鈷等。尖晶石型錳酸鋰與鎳錳酸鋰充電曲線錳酸鋰鎳錳酸鋰層狀鎳錳酸鋰綜合性能無鈷：中鎳無鈷（層狀結(jié)構(gòu)）在三元NCM材料中，鈷的作用主要有兩點(diǎn)：（1）減少鋰鎳混排，（2）降低相變，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨著中鎳向高電壓方向發(fā)展，在高電壓體系下，無鈷材料可能部分性能會(huì)更好。含鈷材料在充放電過程中，可能晶格變化更大，容易出現(xiàn)微裂紋；另外晶格中的氧更容易發(fā)生不可逆的氧化還原反應(yīng)。正極充電過程中晶格C軸方向變化幅度充電截止電壓4.

30、5V時(shí)循環(huán)性能NM642021NC64無鈷：超高鎳無鈷（層狀結(jié)構(gòu)）隨著三元由高鎳向超高鎳發(fā)展，鈷的重要性可能大幅下降，甚至可以被其他元素（ Al、Mg、Mn等）取代，發(fā)展成四元化合物或者更多元化合物。超高鎳無鈷材料的循環(huán)性能可能更好。鈷 Co024660504030201082019-01-022020-01-022021-01-022022-01-02鎂 Mg鋁 Al錳 Mn主要金屬價(jià)格（萬元/噸）高鎳無鈷正極材料循環(huán)性能20192021富鋰錳基：更高的克容量（層狀結(jié)構(gòu)）富鋰錳基克容量更高，可以超過250mAh/g。晶體結(jié)構(gòu)主要為層狀相，鋰離子進(jìn)一步取代過渡金 屬層中的元素。其成分可以理解為

31、Li2MnO3與三元正極NCM的混合（固溶體/納米尺度混合）。制備工藝：富鋰錳基與現(xiàn)有三元正極類似，前驅(qū)體+高溫?zé)Y(jié)。挑戰(zhàn)：（1）首效低， Li2MnO3組分激活需要首充電壓超過4.4V，Li和O以Li2O和O2的形式脫出， 放電時(shí)只有一個(gè)Li+嵌回，并且晶格氧的氧化還原反應(yīng)難控制。（2）倍率性能低。（3）放電電壓 平臺衰減更快。（4）高電壓，充電電壓高于4.6V，當(dāng)前商用電解液的分解電壓通常在4.4V以下。富鋰錳基晶體結(jié)構(gòu)與性能富鋰錳基充放電機(jī)理過渡金屬層鋰層過渡金屬層目錄1. 三元正極：鋰電池的核心2. 三元正極三大發(fā)展方向3. 三元正極下一代技術(shù)：無鈷、富鋰錳基等4. 三元正極產(chǎn)業(yè)鏈核心

32、標(biāo)的5. 投資建議與風(fēng)險(xiǎn)提示三元正極行業(yè)高速發(fā)展，技術(shù)迭代，龍頭占優(yōu)由于三元正極能量密度高，在新能源車市場穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)中高端市場。2021年國內(nèi)三元正極材料產(chǎn)量 為39.81萬噸，同比增長89.5%；全球產(chǎn)量為72.97萬噸，同比增長79.3%。隨著三元正極材料進(jìn)一步向單晶、高電壓、高鎳方向發(fā)展，行業(yè)技術(shù)門檻不斷提高。行業(yè)龍頭公司憑借技術(shù)實(shí)力，不斷推出新品，保持領(lǐng)先優(yōu)勢。而新進(jìn)入者很難撼動(dòng)行業(yè)龍頭公司地位。2021年三元正極出貨量位居國內(nèi)前十的企業(yè)有：容百科技、當(dāng)升科技、長遠(yuǎn)鋰科、振華新材、廈 鎢新能等。另外，貝特瑞也在大力布局三元正極材料。32%9%8%容百科技Ecopro14%容百科技 當(dāng)升科

33、技35%7%巴斯夫住友金屬12%天津巴莫 長遠(yuǎn)鋰科5%5%5%5%7%7%7%當(dāng)升科技天津巴莫 長遠(yuǎn)鋰科 LF振華新材6%7%8%9%12%振華新材 南通瑞翔 廈鎢新能 其他其他2021年全球三元材料企業(yè)市占率分布2021年國內(nèi)三元材料企業(yè)市占率分布LGC容百科技：三元高鎳龍頭容百科技是國內(nèi)高鎳三元正極材料的龍頭企業(yè)。2021年公司出貨量中高鎳占比達(dá)到90%。公司高 鎳產(chǎn)品市占率已連續(xù)多年位居全國第一。目前公司高鎳9系前驅(qū)體和9系單晶正極均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。產(chǎn)能方面，公司預(yù)計(jì)到今年年底擴(kuò)產(chǎn)到25萬噸，相對于年初的12萬噸，增長一倍多。隨著公司進(jìn) 一步高速擴(kuò)張，公司在三元正極材料市場有望穩(wěn)居全球第一。

34、0.981.362.192.635.230%20%40%60%80%100%120%01234562017201820212019出貨量（萬噸）2020同比容百科技正極材料出貨量項(xiàng)目名稱項(xiàng)目進(jìn)展擬達(dá)到目標(biāo)NCM90前驅(qū)體開發(fā)量產(chǎn)開發(fā)高容量、高循環(huán)壽命、高安全性的NCM前 驅(qū)體產(chǎn)品（Ni90%）高鎳單晶型Ni90量產(chǎn)開發(fā)出高分散性、高溫循環(huán)、高安全性能的單 晶Ni90產(chǎn)品（Ni90%）Ni90高鎳新 品開發(fā)試生產(chǎn)現(xiàn)有量產(chǎn)的NCM811產(chǎn)品基礎(chǔ)上提升能量密度 6%，采用低鈷化路線，降低成本8%，實(shí)現(xiàn)高 鎳產(chǎn)品的迭代Ni96新品開 發(fā)產(chǎn)線調(diào)試開發(fā)出高容量，低成本，高溫循環(huán)優(yōu)異的超高 鎳多晶產(chǎn)品（Ni

35、92%）多元高能量密度NCMA產(chǎn)線調(diào)試制備出容量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的NCMA正極材料容百科技部分研發(fā)項(xiàng)目當(dāng)升科技：海外市場占優(yōu)當(dāng)升科技主要產(chǎn)品是三元正極，以出口海外為主。公司國際客戶主要包括SK on、LG化學(xué)、AESC、 Northvolt 等動(dòng)力電池企業(yè)和車企，公司產(chǎn)品出口到日本、韓國、歐洲和美國。公司國內(nèi)客戶包括 億緯、中航、蜂巢等。與國內(nèi)市場相比，海外認(rèn)證周期更長，對產(chǎn)品的質(zhì)量、穩(wěn)定性等要求更高。并且海外認(rèn)證通過后， 在出貨量和盈利方面也更有保障。公司高鎳產(chǎn)品在行業(yè)中處于領(lǐng)先位置，團(tuán)聚型高鎳快速放量，單晶型高鎳進(jìn)入多個(gè)車型評測，團(tuán) 聚單晶復(fù)合型高鎳持續(xù)迭代，超高鎳Ni95完成國際客戶認(rèn)證。項(xiàng)

36、目名稱項(xiàng)目進(jìn)展擬達(dá)到目標(biāo)多元-新品23進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)開發(fā)第二代高容量高鎳多元產(chǎn)品多元-新品25批量供應(yīng)國際 動(dòng)力電池客戶開發(fā)單晶型高鎳多元產(chǎn)品多元-新品26量產(chǎn)開發(fā)單晶型中鎳高電壓多元產(chǎn)品多元-新品30完成中試開發(fā)超高功率多元產(chǎn)品多元-新品32實(shí)現(xiàn)噸級供貨開發(fā)單晶型超高鎳多元產(chǎn)品當(dāng)升科技部分研發(fā)項(xiàng)目0.981.551.522.40 4.72120%100%80%60%40%20%0%-20%01234520172020202120182019正極銷量（萬噸）同比（右軸）當(dāng)升科技正極材料出貨量長遠(yuǎn)鋰科：一體化打造核心優(yōu)勢長遠(yuǎn)鋰科主要產(chǎn)品是三元正極材料，并且前驅(qū)體自供比例較高。21年公司三元前驅(qū)體產(chǎn)量

37、2.89萬 噸，全部自用，三元正極材料產(chǎn)量4.47萬噸，相當(dāng)于前驅(qū)體自供比例65%。公司中鎳高電壓產(chǎn)品在行業(yè)處于領(lǐng)先位置。公司新一代中鎳高電壓65 系單晶產(chǎn)品采用低成本粗顆粒鋰源，可以降低成本，并提高生產(chǎn)效率。高鎳方面，公司新一代鎳83單晶產(chǎn)品已經(jīng)通過寧德時(shí) 代噸級樣品測試。公司超高鎳 9 系單晶產(chǎn)品，下游客戶已經(jīng)進(jìn)入噸級試產(chǎn)階段。0.641.172.071.86-50%0%50%100%150%200%0123454.542017201820192020電池材料銷量（萬噸）2021同比長遠(yuǎn)鋰科電池材料出貨量序號項(xiàng)目名稱進(jìn)度1動(dòng)力用高功率三元正極材料開發(fā)試產(chǎn)2高鎳Ni88 單晶正極材料的開發(fā)試

38、產(chǎn)3高鎳Ni88 單晶前驅(qū)體及正極材料的開發(fā)試產(chǎn)4成本型高鎳多晶產(chǎn)品開發(fā)小試5高鎳高壓實(shí)體系正極材料開發(fā)小試6超高鎳層狀正極材料開發(fā)小試長遠(yuǎn)鋰科部分研發(fā)項(xiàng)目振華新材：三燒工藝行業(yè)領(lǐng)先振華新材主營三元正極材料。公司在單晶正極方面有著非常深入的研究。公司早在2009年就推出第一代5系單晶產(chǎn)品。從2018年開始，公司逐步推出6系和8系單晶產(chǎn)品。公司單晶產(chǎn)品以三次燒結(jié)工藝為主。三燒工藝在前驅(qū)體選擇、高鎳材料制備等方面均具備一定優(yōu)勢。2021年公司高鎳8系產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批量供貨，8系產(chǎn)品營收占比達(dá)到38.08%。并且公司超高鎳9系三元正極材 料已于2021年開始向部分客戶進(jìn)行噸級送樣。振華 新材0.771.5

39、31.820.903.41300%250%200%150%100%50%0%-50%-100%0123420172020202120182019正極銷量（萬噸）同比（右軸）振華新材與同行業(yè)單晶正極材料發(fā)展時(shí)間對比圖振華新材正極材料銷量（萬噸）廈鎢新能：全球鈷酸鋰龍頭，中鎳高電壓快速推進(jìn)廈鎢新能是全球鈷酸鋰正極材料龍頭企業(yè)。21年公司鈷酸鋰銷量4.5萬噸，同增35%。公司高電壓4.48V鈷酸鋰產(chǎn)品從2020年開始大批量出貨。根據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計(jì)，21年公司鈷酸鋰產(chǎn)品全球市占率達(dá)到42%，同比提升8.5pct。三元正極方面，公司開發(fā)的新一代中鎳高電壓6系產(chǎn)品，已經(jīng)成功應(yīng)用到續(xù)航里程超過1千公里的 電動(dòng)

40、車上。高鎳方面，公司8系多晶與單晶產(chǎn)品均已經(jīng)量產(chǎn)，9系處于量試階段。1.032.193.354.510.581.341.071.761.592.7101234520172018202020212019鈷酸鋰NCM三元廈鎢新能正極材料銷量（萬噸）項(xiàng)目名稱項(xiàng)目進(jìn)展擬達(dá)到目標(biāo)高鎳正極材料開發(fā)量產(chǎn)研究粒度窄分布的氫氧化物前驅(qū)體制備工藝， 并通過與單晶材料搭配，開發(fā)高壓實(shí)密度、低 產(chǎn)氣的NCM811高鎳正極材料高鎳單晶材料開發(fā)量產(chǎn)開發(fā)NCM811單晶產(chǎn)品，包括前驅(qū)體+正極材 料Ni9系高鎳正極材料開發(fā)量試開發(fā)Ni9系NCM多晶產(chǎn)品，包括前驅(qū)體+正極材料Ni9系單晶材料開發(fā)量試開發(fā)Ni9的NCM單晶產(chǎn)品，

41、包括前驅(qū)體+正極 材料4.4V高電壓三元材料 的開發(fā)中試通過選擇不同的包覆材料，提高材料的導(dǎo)電率 以及通過多次包覆同時(shí)提高導(dǎo)電率，從而顯著 地提高電化學(xué)性能廈鎢新能部分研發(fā)項(xiàng)目貝特瑞：全球負(fù)極龍頭，三元正極開始放量貝特瑞是全球負(fù)極材料的龍頭企業(yè)。21年公司負(fù)極材料銷量16.6萬噸，同比增長121%。根據(jù)鑫欏 資訊統(tǒng)計(jì)， 21年公司負(fù)極材料全球市占率19%，穩(wěn)居全球第一。公司研發(fā)投入高。21年公司研發(fā)費(fèi)用5.9億元，占營收比例5.6%。正極方面，21年公司三元正極銷量1.83萬噸，同比增長452%，實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。并且公司超高鎳 正極材料開發(fā)項(xiàng)目，已經(jīng)完成小試，進(jìn)入中試階段。19%11%11%10%8%7%34%貝特瑞杉杉股份璞泰來 凱金尚太科技 中科電氣 其他2021年全球負(fù)極材料企業(yè)市占率1.31.82.42.5 5.90%1%2%3%4%5%6%012354672017202120182019研發(fā)費(fèi)用（億元）2020占營收比例（右軸