欢迎您访问合肥高新集团门户网站!    今天是  
新闻搜索:
您所在的位置:首页 > 品牌建设 > 高新智库 > 风投视界

新能源汽车锂电池三元正极材料研究报告

发布时间:2018.01.04

(合肥高新建设投资集团公司投资管理部  杜磊、徐爱雯)

一、锂电池及正极材料综述

(一)锂电池工作原理

锂离子电池是一种充电电池。充电时,锂离子(Li+)从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。简单地说,锂离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌的过程,就是锂电池的工作过程。

(二)锂电池产业链

锂电池产业链可分为上中下游三个环节,其中上游产业指锂原材料,主要是锂矿资源开采与利用;中游产业指锂电池生产制造,主要是正极材料、负极材料、电解液及隔膜四大模块;下游指锂电池应用领域,主要是消费电子、动力电池及储能设备。

(三)正极材料

锂电池主要由五部分构成,即正极材料、负极材料、电解液、隔膜和包装材料。其中,正极材料是决定锂电池容量、安全性和成本的最核心材料,约占锂电池总成本的30%40%,是五部分中成本占比最高的部分。

 

二、三元正极材料

(一)三元正极材料的优势

锂电池正极材料有碳酸铁锂、镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂和三元材料五类,不同正极材料有较为显著的区别,三元正极材料有其优于市场其他正极材料的地方,其具体区别可见下表。

1:常见正极材料特性对比

正极材料

化学成分

结构

能量

密度

循环

寿命

成本

安全性

钴酸锂(LCO

LiCoO2

层状

锰酸锂(LMO

LiMn2O4

尖晶石

镍酸锂(LNO

LiNiO2

层状

磷酸铁锂(LFP

LiPO4

橄榄石

镍钴锰三元(NCM

LiNixCoyAl(1-x-y)O2

层状

镍钴铝三元(NCA

LiNixCoyMn(1-x-y)O2

层状

钴酸锂是最早商业化的正极材料,但其固有的缺点是质量比容量低,实际只能达到137mAh/g。同时,由于钴属于稀有金属,也导致钴酸锂的成本偏高,难以在动力电池领域大规模普及,所以钴酸锂正极材料逐步被其他材料逐步取代。

锰酸锂主要应用于动力电池领域。锰酸锂的突出优点是成本低,低温性能好,缺点是比容量低,极限在148mAh/g,且高温性能差,循环寿命低。

镍酸锂由于稳定性、安全性、材料合成困难等方面的缺点,商业应用较少,市场上很少看到,本研究不做论述。

磷酸铁锂材料一度是国内锂离子动力电池最主要的应用材料,但是随着全球各国对锂离子电池能量密度的要求越来越高,而磷酸铁锂的比容量实际只能达到120mAh/g左右,已经无法满足当前和未来的市场需求。此外,磷酸铁锂的倍率性能一般,低温特性差等缺点,也限制了磷酸铁锂的应用。

镍钴锰三元(NCM材料随着日韩企业在近几年大力推动,国际市场也开始转向于此,将逐渐成为市场的主流。NCM内含镍、钴、锰三种金属元素,通行化学式为LiNixCoyMnzO2,其中xyz的数值(即摩尔比)决定了NCM的不同组分,进而影响其作为正极材料的整体化学性能。总地来说,NiCoMn三元素具有一定的三元协同效应,即Ni可提高电池容量、Co可稳定材料结构、Mn可降低成本及增加安全性。目前已投入商业化应用的NCM组分主要有如下三种:LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(摩尔比分别为212523111)。

我国企业也采取跟随策略,逐步转向三元材料研发生产。三元材料的比容量较高,目前市场上的产品已经可以达到170~180mAh/g,从而可以将电池单体的能量密度提高到接近200Wh/kg,满足电动汽车的长续航里程要求。此外,通过改变三元材料的配比(xy的值),还可以达到良好的倍率性能,从而满足PHEVHEV车型对大倍率小容量锂离子电池的需求,这也正是三元材料大行其道的原因。从化学式可以看出,镍钴锰三元材料综合了钴酸锂(LiCoO2)和锰酸锂(LiMn2O4)的一些优点,同时因为掺杂了镍元素,可以提升能量密度和倍率性能。

镍钴铝三元(NCA材料严格来说是一种改性的镍酸锂(LiNiO2)材料,即在其中掺杂一定比例的钴和铝元素(占比较少),达到将其改性的目的。NCA内含镍、钴、铝三种金属元素,常见化学组分为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(摩尔比1631)。

离子掺杂可以增强材料的稳定性,提高材料的循环性能。由于铝(Al)是两性金属,不易沉淀,在工艺和技术方面存在较高门槛。镍钴铝三元(NCA)材料目前仅有日本松下公司能够进行生产,而其主要供货给特斯拉,用于制作电动汽车的动力电池系统,并且做到了接近500公里的续航里程,是当前新能源汽车领域续航里程最长的动力系统,处于领先地位。与NCM相比,NCA以铝代锰,能够极大地增强电池的稳定性和循环性能,这也是特斯拉唯独青睐NCA的原因。

综上比较,三元正极材料(无论是镍钴锰三元还是镍钴铝三元)的特性远胜其他正极材料,且应用极广、市场规模不断扩大,对同类材料替代性越来越强。同时对镍钴铝三元材料的研发和应用更是企业在世界市场地位的重要彰显。

(二)三元正极材料的制备工艺

现行技术条件下三元材料的制备工艺主要有高温固相法、溶胶-凝胶法、水热法和共沉淀法,具体制备过程介绍如下: 

1、高温固相法

高温固相法即反应物仅进行固相反应,是合成粉体材料常用的一种方法,也是目前制备正极材料比较常见的一种方法。为了使合成材料有理想的电化学性能,满足Li+脱嵌体结构的稳定性,必需保证其有良好的结晶度。因此,在采高温固相法即反应物仅进行固相反应,是合成粉体材料常用的一种方法,也是目前制备正极材料比较常见的一种方法。

2、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是合成超微颗粒的一种先进的软化学方法。广泛应用于合成各种陶瓷粉体、涂层、薄膜、纤维等产品。该方法是将较低粘度的前驱体混合均匀,制成均匀的溶胶,并使之凝胶,在凝胶后或凝胶过程中成型、干燥,然后烧结或煅烧。和传统的高温固相反应法相比,溶胶-凝胶法合成的材料的具有以下优点:原材料各组分可达到原子级的均匀混合,产品化学均匀性教好,纯度较高,化学计量比可以得到准确的调控;热处理温度可以明显的降低,热处理时间可以 明显缩短;适用于合成薄和纳米粉体膜;通过控制溶胶-凝胶工艺参数有可能实现对材料的结构进行精确的剪裁。此外,溶胶-凝胶技术需要的工艺简单,过程容易控制。但是合成周期比较长,工业化生产的难度较大。

3、水热法

水热合成技术是指在高温高压的过饱和水溶液中进行化学合成的方法。它属于湿化学法合成的一种。利用水热法合成的粉末一般结晶度高,并且通过优化合成条件可以不含有任何结晶水,而且粉末的大小、均匀性、形状、成份可以得到严格的控制。水热合成省略了煅烧步骤,从而也省略了研磨的步骤,因此粉末的纯度高,晶体缺陷的密度降低 

4、共沉淀法

共沉淀法一般是把化学原料以溶液状态混合,并向溶液中加入适当的沉淀剂,使溶液中已经混合均匀的各个组分按化学计量比共沉淀出来,或者在溶液中先反应沉淀出一种中间产物,再把它煅烧分解制备出微细粉料的产品。传统的固相合成技术难以使材料达到分子或原子线度化学计量比混合,而采用共沉淀方法往往可以解决这一问题,从而达到较低的生产成本制备高质量材料的目的。液相共沉淀法具有如下四个特点:一是工艺设备简单,沉淀期间可将合成和细化一道完成,有利于工业化生产;二是可比较精确控制各组分含量,使不同组分之间实现分子/原子级的均匀混合;三是在沉淀过程中,可以通过控制沉淀条件及下一步沉淀物的煅烧程度来控制所得粉体的纯度、颗粒大小、分散性和相组成;四是与高温固相法相比,其样品煅烧温度较低、性能稳定、重现性好。

综合比较,应用共沉淀法制备的三元正极材料产成品质量较好、适用于大规模工业化制备。

 

三、三元正极材料行业分析

(一)上游行业分析

三元正极材料的上游主要是金属原材料,其中钴镍锰铝较容易获取,市场竞争充分,而锂是正极材料的主要原材料,且属于稀有金属,此处主要对锂行业进行分析。从历史经验看现有锂资源生产易因气候、交通发生扰动,且新资源开发有一定的难度,稳定性也存疑,阶段性出现供不应求局面概率比较大,再叠加行业较高的集中度,电池级锂盐价格不断走高。

就锂资源储备来看,主要开采由美国雅宝、FMC、智力SQM和澳大利亚泰利森4家掌握,我国锂企业生产原料主要依赖于进口。

就提锂生产来看,国内主要生产厂商是天齐锂业(002466)和赣锋锂业(002460)。前者擅长矿物提锂,是全球最大的矿石提锂生产商,拥有全球规模最大的矿石提锂加工产能;后者则在锂再生资源综合利用方面占据绝对优势,是国内锂系列产品品种最齐全、产品加工链最长、工艺最全面的专业生产商,也是全球最大的金属锂生产商。

前者控股澳大利亚泰利森,后者近几年不断参股国外主要锂矿,二者生产的碳酸锂总产量占据国内三元电池所需总量近80%的市场。再加之锂行业技术壁垒高等要求致使该行业竞争格局趋于稳定。

(二)中游行业分析

三元电池正极材料的中游行业指正极材料的生产制造。从全球锂电池供给格局看,经过多年发展,形成中、日、韩三分天下的市场格局,三国基本垄断全球锂电池供应,而我国的出货量占全球50%以上。2016年我国锂电池三元材料产量5.43万吨,占正极材料总产值33.60%,市场规模达79.8亿元,占正极材料总规模38.37%;预计到2020年我国三元材料销量可达21.8万吨,市场产值达315亿元。

高镍化是趋势。三元正极材料分为镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种,由于镍有提高材料能量密度的作用,NCM材料根据三种过渡金属离子占比的不同,又可进一步分为低镍的NCM424NCM333NCM523以及高镍的NCM622NCM811等材料。NCA中由于铝元素含量较少,主要为镍、钴两种元素,因此也为高镍三元材料的一种。目前国内动力电池均为NCM体系,产业化进程主要是从低镍的NCM333523等向高镍的622811方向发展。

三元正极材料市场不断扩大。虽然3C等消费电子产品领域对锂电池的需求开始趋缓,但近两年,我国新能源汽车发展对锂离子动力电池的需求快速增长,并成为锂电池产业增长的主导力量。虽然目前我国市场上磷酸铁锂电池占比过半,但由于三元电池突出的能量比优势,在乘用车和专用车上装配越来越多。三元电池是最具有潜力达到要求的技术路线,且电动商用车领域对三元材料的解禁,也为三元电池进入商用车领域带来机会,致使整车厂越来越青睐以三元材料作为正极材料的动力锂电池,传统的磷酸铁锂动力电池将逐步被替代。

目前国内从事三元正极材料生产的上市公司主要有当升科技、科恒股份、杉杉股份、厦门钨业、国轩高科、格林美。根据当前行业产能数据,行业集中度较高,前十大企业(杉杉股份、厦门钨业、宁波金和、深圳振华、新乡天力、当升科技、河南科隆、深圳天骄、山东卓能和湖南金瑞)市占率达80%

(三)新能源汽车锂电池行业分析

2016年我国锂电池电芯产值1182亿元,同比增长42%,预计2017年该产值达2567亿元,至2020年将超3400亿元。受锂电池需求的快速增长,锂电池正极材料也快速发展,尤其是三元材料成为锂电池正极材料中增长最快的材料,市场供给一直处于偏紧状态。

2016年磷酸铁锂电池出货20.33GWh,三元电池货出货6.29GWh,占总出货量的比例分别为73%22%,在客车禁用三元电池的背景下,比例基本与201569%27%的比例接近,一定程度上反映了三元电池良好的市场景气度。两批推荐目录中三元电池的占比提升也成为其未来市场增长的积极信号。

未来动力电池出货情况进行了预测,由于其他动力电池占比较小,仅以磷酸铁锂和三元两种动力电池进行预测。预计未来动力电池总出货量将以年复合增速35.79%的速度增长,到2020年,出货量将达85GWh。其中三元电池占比逐年提高,2019年将与磷酸铁锂电池各占半壁江山,并于2020年市场份额达到55%,现出货量实现47GWh

动力电池生产企业中,比亚迪与CATL2016年分别出货7.35GWh6.72GWh,合计市场份额达到50.2%,沃玛特与国轩高科市场占有率也分别为8.9%6.6%,剩余企业2016年动力电池出货量均小于1Gh,前10名企业合计市场占有率达79%,市场集中度较高。2017年上半年市场集中度进一步提高,前十大企业市场占有率超过80%

 

1:动力电池市场占有率

 

四、研究结论

三元正极材料高镍化是趋势。三元电池通过NiCo-Mn/Al的协同作用,结合了钴酸锂循环性能好,镍酸锂高比容量和锰酸锂成本低安全性能好的优点。在三元材料的各个组分中镍决定电量,钴决定充放电速度,锰决定稳定性,随着镍含量的增加,电池的放电比容量也随之增加,热稳定性和容量保持率有所降低。但随着三元电池安全性得到提高与工艺演进,更高镍三元材料是大势所趋。

三元正极材料未来缺口仍较大。由于三元电池突出的能量比优势,在乘用车和专用车上装配较多,而更加强调安全性能的客用车目前还是以磷酸铁锂为主,按照《节能与新能源汽车产业发展规划》,到2020年,动力电池模块比能量达到300Wh/kg,三元电池是最有潜力达到要求的技术路线。根据预测,虽然2018年三元电池产量占比将会反超其他材料电池,达到36.50Gwh,仍难满足下游需求,而构成三元电池的核心材料三元正极材料在未来市场缺口仍较大。

政策规范行业发展,技术和规模领先企业终将获胜。由于新能源汽车和动力锂电池在国内都属于新兴行业,前期不可避免地出现了粗放式生长导致的行业乱象。针对行业成长过程中出现的问题,国家积极出台多项政策约束和规范行业发展。调整后的新能源车补贴政策中,首次引入电池系统能量密度等指标作为补贴门槛和参考标准,给予高能量密度汽车更多财政补贴;同时其他相关政策中也对动力锂电池企业的产能规模和2020年能力密度指标提出了更高要求。我们认为政策的出台将加速行业洗牌,鼓励动力电池企业加大技术提升,行业将向着高能量密度发展。

三元电池企业势均力敌,龙头之争开启序幕。以三元电池为代表的新能源汽车电池领域,目前市场格局暂未明朗,各家锂电池企业之间尚未分出高下。专用车电池市场与乘用车类似,同样是以三元电池为主,且供应商之间的份额差距较小。所以,我们认为国内三元电池行业集中度不断提升,但尚未角逐出绝对的龙头,处于各家企业群雄争霸的时期,目前正是动力电池企业提供产品性能、加大下游市场拓展的良好时机。


上一篇:传感器行业研究报告

下一篇:《2017年中国企业估值统计研究报告》发布

首页   |   加入收藏   |   问卷调查

© 2009 Copyright All rights reserved  

合肥高新建设投资集团公司  版权所有  

0551-65326529

  
皖ICP备17005441号-1  技术支持:明大网络