從工藝、成本及供需角度看三元材料高鎳化趨勢

在目前的政策導(dǎo)向下,高鎳材料的發(fā)展重心短時間內(nèi)可能偏向NCM622,NCM811和NCA的腳步或暫時放緩,但鑒于需求端對于新能源汽車高續(xù)駛里程及輕量化的追求,高鎳化長期趨勢不變。

一

核心觀點:

三元材料應(yīng)用已占絕對優(yōu)勢,高鎳化長期趨勢不變。

據(jù)統(tǒng)計,電池系統(tǒng)成本通常占到整車成本的30%-50%,其中正極又占30%-40%,為占比最大的部分。我們認為,三元材料在新能源汽車上的應(yīng)用已占絕對優(yōu)勢,且三元材料高鎳化的長期趨勢不變,原因主要有二:

(1)政策面對高能量密度的追求雖有所放緩,但其門檻仍在合理上調(diào),能量密度向偏高值集中;

(2)需求面上消費者對于新能源汽車的續(xù)駛里程較為關(guān)注,而目前新能源汽車與油車續(xù)駛里程差距較大,矛盾點將一定程度上推動高鎳化進程。

高鎳材料單位電量制造成本低于普通三元材料,但使用成本仍然偏高。

成本分拆結(jié)果顯示,雖然在高鋰源價格和制造費用的共同作用下,高鎳材料的噸成本明顯高于普通三元材料,但由于同樣電量所使用的兩種正極材料的量有所差別,高鎳材料的kwh制造成本則低于普通三元材料。

值得注意的是,由于目前高鎳材料具有明顯的技術(shù)溢價,因此其kwh使用成本仍高于普通三元材料,隨著技術(shù)逐漸成熟,未來高鎳材料毛利率將逐步回落。

此外,我們發(fā)現(xiàn)若正極材料生產(chǎn)廠商將外購前驅(qū)體全部替換為自制前驅(qū)體,有望將正極材料毛利率提高約6個百分點。

原材料價格變動對高鎳材料影響相對較小。

敏感性分析結(jié)果顯示,鈷源的價格變動1萬元/噸將帶動NCM523正極材料成本變動5%,同時帶動NCM811正極材料成本變動2%,由于NCM523中鈷含量高于NCM811,因此NCM523受鈷價影響程度較大。

測算同時顯示,若七水合硫酸鈷價格高于11.15萬元/噸,則NCM523的噸成本將高于NCM811;若七水合硫酸鈷的價格低于4萬元/噸,則NCM811的kwh制造成本將高于NCM523。

到2020年高鎳材料總體供需緊張,短期重心有望偏向NCM622

供給方面,據(jù)SMM統(tǒng)計,截至2018年國內(nèi)三元材料總產(chǎn)能為33.67萬噸,較2017年新增12.93萬噸,據(jù)我們統(tǒng)計,其中高鎳材料產(chǎn)能已超過5萬噸,主流廠商此后的大規(guī)模擴產(chǎn)計劃也主要針對的是高鎳材料,其中以NCM811和NCA居多。

需求方面,我們預(yù)計2019及2020年高鎳材料的裝機需求量分別為2.90噸及6.13噸,占總需求比例亦逐年提高;考慮到高鎳產(chǎn)能實際釋放不足及動力電池裝機量通常大幅小于實際出貨量,我們認為到2020年高鎳材料總體處于供需緊張的狀態(tài)。

此外,在目前的政策導(dǎo)向下,高鎳材料的發(fā)展重心短時間內(nèi)可能偏向NCM622,NCM811和NCA的腳步或暫時放緩,但鑒于需求端對于新能源汽車高續(xù)駛里程及輕量化的追求,高鎳化長期趨勢不變。

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三元正極材料高鎳化的必要性分析

1.1正極材料在鋰離子電池中成本占比高、性能影響大

新能源汽車主要由動力系統(tǒng)、底盤、車身、內(nèi)飾、汽車電子等部分組成,其中動力系統(tǒng)占據(jù)整車成本的50%左右。動力系統(tǒng)主要包括電池、電機、電控“三大電”系統(tǒng),其中動力電池成本占比首當(dāng)其沖,達到76%。據(jù)生意匯統(tǒng)計,電池系統(tǒng)成本通常占到整車成本的30%-50%。

據(jù)生意匯統(tǒng)計,鋰電池成本中70%為材料成本,其中正極占30%-40%,隔膜占15%-30%,電解液占20%-30%,負極5%-15%,正極材料為占比最大的部分。

正極材料在鋰離子電池中充當(dāng)鋰源并參與電化學(xué)反應(yīng)。在鋰電池充電過程中,Li+從正極脫出,釋放一個電子,正極中Co3+等金屬離子被氧化為高價態(tài);Li+經(jīng)過電解質(zhì)嵌入炭負極,同時電子的補償電荷從外電正極材料在鋰離子電池中充當(dāng)鋰源并參與電化學(xué)反應(yīng)。

在鋰電池充電過程中,Li+從正極脫出,釋放一個電子,正極中Co3+等金屬離子被氧化為高價態(tài);Li+經(jīng)過電解質(zhì)嵌入炭負極,同時電子的補償電荷從外電路轉(zhuǎn)移到負極,維持電荷平衡;在鋰電池放電過程中,與上述過程相反,電池外部,電子從負極到達正極,電池內(nèi)部,Li+向正極遷移,嵌入到正極,并由外電路得到一個電子,正極中Co4+等金屬離子被還原。

正極材料的性能對于電芯性能具有顯著影響,包括但不限于:

(1)正極材料的種類、用量設(shè)計和加工制作過程中的振實密度對電芯成品的能量密度產(chǎn)生影響,尤其是種類的選擇,將決定電芯能量密度的上限;

(2)正極材料的種類、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、顆粒尺寸、摻雜原子、碳包覆工藝、制備方法等將對電芯的功率密度產(chǎn)生影響;

(3)正極材料活性物質(zhì)在循環(huán)使用中的損耗,以及充放電過程中材料結(jié)構(gòu)的崩壞引發(fā)的正極容納鋰離子能力的衰減、以及雜質(zhì)成分的含量都將影響電芯循環(huán)壽命。

此外,電芯設(shè)計中正極材料用量遠遠大于負極材料的容量,會提高熱失控風(fēng)險,正極材料的選材、質(zhì)量將對電芯的安全性能造成顯著影響。因此,理想的鋰離子電池正極材料應(yīng)該滿足以下條件:

1.2政策推動新能源汽車市場化,能量密度門檻持續(xù)提高

1.2.1新能源汽車補貼額度降幅逐年增加

自2014年以來,國內(nèi)新能源汽車補貼開始進入退坡階段,下圖顯示了補貼的下滑幅度變化情況(由于針對不同車型補貼有不同變化,因此該圖只表明大趨勢,不代表具體數(shù)字)。補貼降幅已由2014年-2015年的5%左右極速上升至2018年的40%左右,2019年補貼整體降幅在2018年的基礎(chǔ)上進一步增加,達到60%左右水平。

分車型看,下列兩圖較為直觀地展示了2013年-2019年純電動乘用車及客車的補貼額度變化情況。

純電動乘用車補貼由2013年起維持整體下降趨勢;2018年,續(xù)駛里程150km以下的車型停發(fā)財政補貼,而高續(xù)駛里程車型補貼轉(zhuǎn)而向上,這是2018年補貼新政的一大特點;

2019年,續(xù)駛里程250km以下的車型停發(fā)財政補貼,高續(xù)駛里程車型補貼額度在2018年基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)而急速下降。

非快充純電動客車單車補貼上限于2013年-2015年維持不變,由2016年起大幅下降,退坡力度明顯大于純電動乘用車;2019年,各長度車型補貼上限在2018年基礎(chǔ)上繼續(xù)下降。

1.2.2能量密度門檻繼續(xù)上調(diào),高能量密度超額補貼略有緩和

如下表2統(tǒng)計,早在2009年,國內(nèi)新能源汽車相關(guān)政策就開始對車輛技術(shù)指標作出要求,最初的政策僅對新能源汽車的電池容量、續(xù)駛里程作出要求,從2017年起,相關(guān)政策開始對新能源汽車動力系統(tǒng)能量密度及能耗標準做出具體要求,并且門檻逐步提高,其中能量密度是政策對于新能源汽車技術(shù)指標關(guān)注的重中之重。

2019年的補貼新政中,雖然三種車型的動力電池系統(tǒng)能量密度門檻仍然在繼續(xù)提高,但是對于高能量密度的補貼態(tài)度出現(xiàn)一定轉(zhuǎn)變:其一,乘用車補貼標準加入了帶電量指標,從政策端平衡新能源汽車技術(shù)層面均衡發(fā)展;

其二,雖然乘用車能量密度門檻繼續(xù)提高,但最高標準并未進一步提高,且政策不再針對能量密度設(shè)置超過1倍的超額補貼,避免過度追求高補貼額度而忽視其他性能指標的情況發(fā)生;

其三,非快充類純電動客車的補貼調(diào)整系數(shù)的分檔標準由系統(tǒng)能量密度更改為單位載質(zhì)量能量消耗量,在客車層面削弱了能量密度指標的影響程度;

其四,取消新能源客車電池系統(tǒng)總質(zhì)量占整車整備質(zhì)量比例(m/m)不高于20%的門檻要求,一定程度上扼制了一味追求高能量密度動力電池的不良導(dǎo)向。

1.2.3解決“里程焦慮”為新能源汽車需求端關(guān)鍵一環(huán)

對于新能源汽車的“里程焦慮”已經(jīng)成為普通消費者最關(guān)注的問題之一,原因主要包括現(xiàn)有的新能源汽車續(xù)駛里程與傳統(tǒng)油車差距較大、充電樁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足、電動車電量在極端環(huán)境條件下存在嚴重衰減等,其中續(xù)駛里程偏短仍然是最主要的原因。

下表中我們挑選了各個價格范圍的代表性油車及純電動車來進行續(xù)駛里程對比。表中可見,油車續(xù)駛里程在各個價位基本沒有太大的變化,并且消費者通常并不甚關(guān)注油車續(xù)駛里程,而電車續(xù)駛里程隨價格的上漲有明顯的上升,由200km至600km不等,消費者通常較為關(guān)注電車續(xù)駛里程。

對比發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)能源車及新能源車的續(xù)駛里程的確有較大差距,20萬以下車型續(xù)駛里程差距基本在60%以上,甚至達到70%,30萬以上車型差距有一定縮小,但即使考慮了特斯拉Model3(參數(shù)|圖片)近600km的續(xù)駛里程,最小平均差距也達到了近40%。由于消費者普遍對低價位車型更加青睞,60%以上的續(xù)駛里程差距便成為了“里程焦慮”的元兇。從新能源汽車的需求端來說,提升動力電池能量密度成為了關(guān)鍵一環(huán)。

1.3三元正極材料已占據(jù)絕對優(yōu)勢,高鎳化長期趨勢不變

1.3.1三元正極材料為新能源汽車動力電池最優(yōu)選

下圖比較了常用的五種電池材料在安全性、比能量、比功率(電池的大倍率充放電的能力)、高低溫性能、壽命以及成本6個維度的性能。圖中可見,此前得到大規(guī)模應(yīng)用并曾經(jīng)占據(jù)明顯優(yōu)勢的磷酸鐵鋰材料在安全性、使用壽命等方面有明顯優(yōu)勢;鎳鈷錳酸鋰(NCM)及鎳鈷鋁酸鋰(NCA)兩種三元材料雖然在安全性能、壽命及成本等方面略微遜色,但在比能量方面卻具有絕對優(yōu)勢;圖中未列出的鈷酸鋰作為能量密度最高的正極材料之一,由于其高昂的成本使其并不適合大量應(yīng)用于一般新能源汽車。鑒于目前的政策及應(yīng)用導(dǎo)向都指向高能量密度動力電池,因此三元材料成為了最佳選項,并在應(yīng)用中逐步占據(jù)優(yōu)勢。

1.3.2三元材料在應(yīng)用中已占據(jù)明顯優(yōu)勢

據(jù)真鋰研究統(tǒng)計,2017年動力電池裝機總量約為33.55GWh,其中三元電池占比約45%;2018年月度裝機數(shù)據(jù)中,三元電池的占比均超過2017年全年數(shù)值,6月中旬正式實行補貼新政后,7月份單月三元電池裝機占比一度達到70%以上;2018年全年,動力電池裝機總量約為56.46GWh,其中三元電池占比約近60%,較2017年提高約15個百分點。

2019年1月動力電池裝機總量為4.98GWh,其中三元電池裝機占比進一步升高達到69.68%,該占比數(shù)據(jù)無論是同比還是環(huán)比都有明顯提高,幾乎與2018年最高值持平。

乘用車是對續(xù)駛里程及能量密度訴求最強烈、應(yīng)用三元材料最多的車型;與此同時,純電動乘用車銷量占比大,是直面普通消費者和廣大市場的車型,發(fā)展?jié)摿ψ畲?純電動乘用車的動力電池選擇將直接決定未來動力電池技術(shù)路線的走向。如下圖所示,2018年純電動乘用車三元裝機占比月度數(shù)據(jù)全部超過2017年全年水平,2018年全年水平達到近90%。

2019年1月純電動乘用車電池裝機3.22GWh,其中三元電池裝機占比進一步提高達到95%以上,三元電池在應(yīng)用中已占據(jù)明顯的優(yōu)勢地位。

1.3.3能量密度缺口主要在于正極材料,高鎳化長期趨勢不變

鋰離子電池的活性儲能材料為正負極材料,電池系統(tǒng)的能量密度主要取決于正負極材料本身的能量密度及其匹配性,對于正極來說,就是提高放電電壓和放電容量是提高能量密度的有效方法,對于負極材料來說則是提高容量和降低平均脫鋰電壓。

目前常用負極材料的單體比容量均在250mAh/g及以上,而目前常用正極材料的單體比容量除NCM811及NCA之外,均在200mAh/g以下。回顧此前工信部起草的《中國制造2025》中關(guān)于動力電池能量密度在2020年達到350Wh/kg的要求,目前能量密度缺口較大的顯然在正極材料環(huán)節(jié),雖然2019年補貼新政對于高能量密度動力電池的應(yīng)用速度要求有所緩解,但政策主要是基于應(yīng)用的安全性考慮,實際上從需求端來說,消費者對于高能量密度、高續(xù)駛里程車型的態(tài)度仍未轉(zhuǎn)變,高鎳NCM和NCA長期趨勢不變。

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高鎳三元材料結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)要點

2.1三元材料結(jié)構(gòu)特征及鎳含量升高對材料性能的影響

2.1.1三元材料結(jié)構(gòu)特征及各元素作用機理

三元材料Li(Ni,Co,Mn)O2晶體屬于六方晶系,是一類層狀結(jié)構(gòu)化合物,如下圖所示。三元材料中包含Ni、Co、Mn三種過渡金屬元素,其分別以+3、+2、+4價態(tài)存在,參與電化學(xué)反應(yīng)的電對分別為Ni2+/Ni3+、Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+。

Ni在三元材料中充當(dāng)活性物質(zhì)之一,參與電化學(xué)反應(yīng),其存在可以提高材料活性及能量密度。但由于晶格中存在的Ni2+與Li+半徑相似,很容易發(fā)生陽離子混排,且隨著Ni含量的增加,混排變得嚴重,這將直接影響材料的電化學(xué)性能,降低放電比容量,且阻礙Li+的擴散。下圖展示了不同比例NCM的I(003)/I(104)比值,這個值越低,代表陽離子混排越嚴重。

Co在三元材料中也作為活性物質(zhì)存在,參與電化學(xué)反應(yīng)。Co的含量越高,所形成的層狀結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,且其能夠減小陽離子混排,便于材料深度放電,從而提高材料的放電容量,但Co含量的增加將明顯提高三元材料的原材料成本。

Mn在電池的充放電過程中不發(fā)生變化,起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用,其形成的MnO6八面體可以在電化學(xué)過程中起到支撐結(jié)構(gòu)的作用;此外,Mn元素的添加將在一定程度上降低三元材料的成本。

三元材料基本上綜合體現(xiàn)了上述幾種材料的優(yōu)點,并隨著各成分含量的不同,而具有不同的性質(zhì)和特點。

2.1.2高鎳含量對三元材料的性能影響

綜合上節(jié)所述,不同比例NCM材料的優(yōu)勢不同,Ni表現(xiàn)高的容量,低的安全性;Co表現(xiàn)高成本,高穩(wěn)定性;Mn表現(xiàn)高安全性、低成本。目前關(guān)于提高動力電池能量密度的重點主要在于提高正極材料比容量,其中最主流的觀點就是提高三元材料的鎳含量。

鎳在三元正極材料中充當(dāng)活性成分,鎳含量越高,可參與電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)越多,材料放電比容量越高,但鎳含量的提高也將對材料的性能造成一系列影響:

1)高鎳影響正極材料的循環(huán)性能:首先,如上文所述,三元材料中的Ni2+容易與Li+產(chǎn)生混排效應(yīng),高鎳材料中鎳含量越高,則Ni2+含量也越高,進而導(dǎo)致混排越嚴重,形成非計量比材料,同時影響材料的循環(huán)和倍率性能;其次,高鎳將使得材料在循環(huán)過程中發(fā)生多次相變,增加內(nèi)阻,影響材料循環(huán)性能。

2)高鎳使材料表面殘堿量增高:對于高鎳材料(尤其是鎳含量大于60%的高鎳材料)來說,其在空氣中很容易與CO2和H2O發(fā)生反應(yīng),在材料表面生產(chǎn)Li2CO3和LiOH,前者會導(dǎo)致材料在高溫儲存時產(chǎn)生嚴重的氣脹,尤其是在充電狀態(tài),后者將與電解液中的LiPF6反應(yīng)產(chǎn)生HF,高鎳材料殘堿量控制難度加大給電池的加工和電化學(xué)性能都產(chǎn)生很大的影響。下圖對各比例的三元材料表面殘堿量進行了列示,可見NCM811的表面殘堿總量較NCM622有近5.5倍的上漲,對殘堿量的控制將是高鎳材料制備過程中的重大課題之一。

3)高鎳影響材料熱穩(wěn)定性:對于高鎳含量的材料,由于在相同電位下脫出的Li要高于低鎳含量材料,Ni4+含量要高,Ni4+有很強的還原傾向,容易發(fā)生Ni4+→Ni3+的反應(yīng),為了保持電荷平衡,材料中會釋放出氧氣,而使穩(wěn)定性變差。

4)高鎳材料對電解液的要求變高:在電解質(zhì)和正極材料界面的反應(yīng)及電荷傳輸會影響鋰離子電池的性能和穩(wěn)定性?；钚圆牧系母g和電解液的分解嚴重影響電荷在電極/電解液界面的傳輸。

另外,高鎳含量的三元材料由于表面LiOH和Li2CO3含量高,在電池儲存時,尤其是高溫條件下易與電解液反應(yīng),在HF的腐蝕下造成Co、Ni離子的溶解使循環(huán)壽命和存儲壽命降低。因此,高鎳材料對電解液的要求會比低鎳材料更高。

2.2三元材料制備技術(shù)及高鎳材料的工藝特殊性

三元材料的制備方法主要有高溫固相法、溶膠凝膠法、化學(xué)共沉淀法、水熱合成法、噴霧干燥法及熔融鹽法等。由于高鎳三元材料在制備過程中對主成分均勻性分布、抑制沉淀物分相、控制材料殘存鋰量、金屬異物管理等方面要求較高,其通常使用化學(xué)共沉淀法制成前驅(qū)體,再通過高溫固相反應(yīng)制備出正極材料。

三元材料的成品制備中,高溫固相法通常以鎳鈷錳和鋰的氫氧化物或碳酸鹽或氧化物為原料,按相應(yīng)的物質(zhì)的量配置混合,在700~1000°C煅燒,得到產(chǎn)品。高溫固相法的主要工藝流程包括鋰化混合、裝缽、窯爐煅燒、破碎、粉碎分級、批混、除鐵、篩分、包裝入庫九大工序,每個環(huán)節(jié)的控制以及設(shè)備的性能都會對最終產(chǎn)品產(chǎn)生直接或間接的影響,高溫固相法最核心的生產(chǎn)環(huán)節(jié)為鋰化混合中的混料磨料、窯爐中的高溫?zé)Y(jié)及燒結(jié)后的粉碎分解,最核心的設(shè)備包括混料機、燒結(jié)爐、破碎機、除鐵機等。

2.2.1鋰化混合

2.2.1.1鋰源:制備流程及使用成本對比

常見的鋰源有碳酸鋰(Li2CO3)、一水氫氧化鋰(LiOH·H2O)、硝酸鋰(LiNO3)等,硝酸鋰在使用中會產(chǎn)生有害氣體,因此三元材料的制備中通常用到的是前兩種鋰源,尤其是碳酸鋰。

雖然從反應(yīng)活性和反應(yīng)溫度上來看,一水氫氧化鋰優(yōu)于碳酸鋰,但是由于一水氫氧化鋰的鋰含量波動比碳酸鋰大,且氫氧化鋰腐蝕性強于碳酸鋰,因此若無特殊情況,三元材料生產(chǎn)廠家都傾向于使用含量穩(wěn)定且腐蝕性弱的碳酸鋰。

用于制備三元材料的碳酸鋰的關(guān)鍵品質(zhì)點是鋰含量、雜質(zhì)含量、粒度分布。由下列流程圖可見,鋰輝石制備碳酸鋰過程中,雜質(zhì)含量主要在中和工序、堿化工序和離子交換去進行控制;鹵水制備碳酸鋰過程中,雜質(zhì)含量主要在堿液、二氧化碳的加入及沉鋰過程中進行控制。此外,不同廠家生產(chǎn)的碳酸鋰產(chǎn)品中,粒度分布通常各不相同。

制備三元材料用氫氧化鋰的關(guān)鍵品質(zhì)店和碳酸鋰相同,同樣在中和過濾、堿化除雜及離子交換工序去除多數(shù)雜質(zhì),CO32-雜質(zhì)含量則通過采用封閉體系來進行控制。

下表中我們對兩種鋰源在制備三元材料(以目前較主流的NCM523為例)過程中的成本情況進行了計算,鋰源均價取2019年前兩月均價?？梢?由于一水氫氧化鋰的鋰含量低于碳酸鋰,其單耗略高于碳酸鋰,且截至目前一水氫氧化鋰的均價依然明顯高于電池級碳酸鋰,所以前者比后者的wh成本高58%左右。因此,若無對一水氫氧化鋰的特殊需求,綜合上文所述,普通低鎳三元材料均使用碳酸鋰作為鋰源。

2.2.1.2鋰化配比:工業(yè)生產(chǎn)中需嚴格控制一致性三元材料煅燒反應(yīng)式如下:

M(OH)2+0.5Li2CO3=LiMO2+0.5CO2↑+H2O↑(1)

M(OH)2+LiOH·H2O+0.25O2=LiMO2+2.5H2O↑(2)

其中式(1)和式(2)的鋰源分別為碳酸鋰和一水氫氧化鋰,鋰化配比即反應(yīng)式中Li/M的比值,在實際應(yīng)用中,鋰化配比的實際值將受到前驅(qū)體和鋰源中雜質(zhì)和水分含量的影響。一般情況下,三元材料的鋰化配比范圍在1.02~1.15之間。煅燒反應(yīng)中的鋰化配比將對煅燒后材料的比容量、循環(huán)性能、表面游離鋰含量及材料pH值等產(chǎn)生顯著影響。

最合適的鋰化配比值很容易在實驗室中找出,但在生產(chǎn)過程中,我們需要控制每個批次的產(chǎn)品都達到相同的容量值,這就需要做到以下幾點:(1)嚴格控制三元材料前驅(qū)體和鋰源供應(yīng)商的產(chǎn)品品質(zhì)和批次穩(wěn)定性;(2)準確檢測出三元材料前驅(qū)體的總金屬含量和鋰源的鋰含量;(3)采用混合效果好的混合設(shè)備,保證混合物料每個點的鋰化值都基本一致。

2.2.1.3混合工藝及設(shè)備:高速混料機為最優(yōu)選

在三元材料生產(chǎn)中,鋰化混合是將化學(xué)計量比的鋰鹽、前驅(qū)體、添加劑加入混合設(shè)備進行均勻混合,配混料工序決定了三元材料鋰配比的穩(wěn)定性和均勻性,其中穩(wěn)定性取決于原材料稱量的準確度,均勻性則取決于混料機的混合效果將會影響燒結(jié)過程中鋰、添加劑的均勻性,并直接影響三元材料的結(jié)晶程度和殘堿量,最終體現(xiàn)在電性能上?；旌弦话惴譂穹ɑ旌虾透煞ɑ旌?三元材料通常采用干法混合,其相較于濕法混合來說具有簡單易行、能耗低的特點。

目前常用的三元材料混料設(shè)備有斜式混料機(通常會加入研磨劑)、高速混料機、V型混料機、犁刀飛刀混料機等,幾種混料機的優(yōu)勢及劣勢對比如下。

目前工業(yè)中生產(chǎn)三元材料基本使用斜式混料機和高速混料機,而高速混料機在很多方面優(yōu)于斜式混料機,下列表格以體積為500L的高速混料機和體積為1500L的斜式混料機為例進行對比。

從上表可見,高速混料機在裝填率、混合時間、裝卸料時間及研磨介質(zhì)四個方面明顯優(yōu)于球磨混料機;此外,在混合效果方面,高速混合機也明顯優(yōu)于球磨混料機,如下表所示,高速混料機中不同取樣點的鋰化比例顯然更為均勻。

2.2.2裝缽:三元材料燒結(jié)應(yīng)選擇大缺口匣缽

三元材料混合好后,需要將混合物料放入匣缽,并將混合物料整平和切小塊,之后將裝好物料的匣缽和相應(yīng)的墊板放到窯爐入口輥棒上。在窯爐的出端,煅燒好的物料被倒入料筒,進行匣缽清掃并檢查匣缽是否有破損或裂縫,以判斷是否能再次使用。為提高生產(chǎn)效率并節(jié)省人工,設(shè)備廠家將上述工序用自動化設(shè)備來完成,即“三元材料匣缽自動化裝卸料系統(tǒng)”,該系統(tǒng)主要由供料機、搖勻機、切塊機、碎塊機、倒料裝置、匣缽清掃裝置、匣缽裂紋檢測裝置、傳送系統(tǒng)8個部分組成。

據(jù)資料顯示,三元材料常用匣缽規(guī)格尺寸(長寬高)主要有:320mm×320mm×60mm、320mm×320mm×65mm、320mm×320mm×70mm、320mm×320mm×75mm、320mm×320mm×85mm、320mm×320mm×100mm等;匣缽?fù)庑斡衅降讕笨?、平口帶腳、平口不帶腳三種。某鋰電池材料專用匣缽供應(yīng)商對不同燒結(jié)成分所使用的匣缽?fù)庥^及性能進行了總結(jié),如下表11所示,燒制鈷酸鋰及三元材料的匣缽缺口應(yīng)選擇大缺口,且材料密度相對偏高,耐腐蝕性好。

三元材料煅燒匣缽的選用一般需滿足以下條件:1耐堿腐蝕,不易與和原材料反應(yīng);2熱穩(wěn)定性好;3高溫荷重軟化點高于煅燒溫度;4導(dǎo)熱性好、冷熱急變性好;5透氣性好。

目前用于三元鋰離子電池正極材料煅燒的匣缽一般為剛玉質(zhì)、莫來石質(zhì)和堇青石質(zhì)等。堇青石匣缽具有優(yōu)異的抗侵蝕性能和熱震穩(wěn)定性,作為一般用途在1350°C氧化氣氛下使用次數(shù)可達到100次以上,但用于鈷酸鋰電池材料正極材料燒成時,即使燒成溫度降低到1000°C,使用壽命也只有5~6次;剛玉質(zhì)和莫來石質(zhì)匣缽用于電池材料燒結(jié)時,其使用壽命也大幅降低。

在高溫煅燒過程中,與鈷酸鋰相比,三元材料對于匣缽材料造成的侵蝕更為嚴重。資料顯示,煅燒三元材料時,開裂、內(nèi)部腐蝕掉渣是匣缽損壞的主要原因。一般來說鋁含量越高抗三元材料腐蝕能力越強,越不容易產(chǎn)生掉皮、掉渣等現(xiàn)象,剛玉-莫來石質(zhì)、氧化鋁質(zhì)具有較好的抗堿腐蝕性能,但其具有冷熱急變性差的特點,容易開裂損壞且造價高昂。

實際生產(chǎn)過程中多采用莫來石材質(zhì)、莫來石-堇青石材質(zhì),單個匣缽可使用10~15次,但一般使用4次左右時便開始出現(xiàn)輕微掉皮掉渣現(xiàn)象并逐漸加劇,因此有些廠家在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了鋯-莫來石質(zhì)的匣缽,相比而言具有更好的抗腐蝕性能,使用壽命也更長。

2.2.3窯爐煅燒:最關(guān)鍵工藝之一

煅燒過程是三元材料前驅(qū)體加工為三元材料最為關(guān)鍵的工藝之一,其對三元材料的物理性能和電化學(xué)性能均有較大影響。

2.2.3.1煅燒參數(shù)控制:溫度、時間、氣氛

三元材料煅燒工藝中最重要的是煅燒溫度、煅燒時間、煅燒氣氛這三大要素,其中煅燒溫度和煅燒時間并不相互獨立,當(dāng)煅燒溫度略高時,可適當(dāng)縮短煅燒時間;若煅燒時間過長,可適當(dāng)調(diào)低煅燒溫度。

1)煅燒溫度控制:煅燒溫度直接影響材料的容量、效率和循環(huán)性能,對材料表面碳酸鋰和材料pH值影響較為明顯。溫度升高對材料的松裝密度影響不大,而對產(chǎn)物的振實密度影響較大,但溫度過高會引起化合物的二次結(jié)晶,影響鋰離子在材料中的脫嵌,因此需要選擇適中的煅燒溫度。此外,不同組分的三元材料煅燒溫度也不相同,通常,三元材料的鎳含量越高,煅燒溫度越低,如下圖所示。

2)煅燒時間控制:在一定范圍內(nèi),煅燒時間對材料容量、比表面積、振實密度、pH的影響不太明顯,但對材料表面鋰殘留量和產(chǎn)品單晶顆粒大小影響較大。

3)煅燒氣氛控制:由上文的煅燒反應(yīng)方程式可知,三元材料的煅燒過程是氧化反應(yīng),需要消耗氧氣。在三元材料煅燒過程中,為提升氣體的擴散速率,要確保有足夠多的氧分壓,雖然可以通過采用純氧氣氛或減少煅燒量的方法來增加氧分壓,但綜合考慮生產(chǎn)成本來,在提高產(chǎn)能的同時,廠家一般會選擇增加進氣量和排氣量的方法來增加氧氣分壓。

2.2.3.2煅燒設(shè)備:輥道窯使用最為廣泛

三元材料的煅燒設(shè)備主要是指窯爐,推板窯和輥道窯是三元材料廠家采用較多的連續(xù)隧道式窯爐,其中又以輥道窯爐使用最為廣泛。

2.2.4粉碎:鄂式破碎→輥式破碎→氣流粉碎

三元材料重要的質(zhì)量指標之一是粒度及粒度分布,其會影響三元材料的比表面積、振實密度、壓實密度、加工性能及電化學(xué)性能。三元材料前驅(qū)體和鋰源的混合物在匣缽中經(jīng)高溫煅燒后,有24%以上的燒失率,所以材料板結(jié)嚴重,需要先使用破碎設(shè)備將幾厘米的大塊物料破碎成幾毫米的小塊,再用粉磨設(shè)備將小塊粉磨成最終產(chǎn)品。常見的三元材料粉碎工藝流程是:鄂式破碎→輥式破碎→氣流粉碎(或機械粉碎)。

按照產(chǎn)出顆粒大小不同,粉碎可細分為破碎和粉磨,破碎是指使大塊物料碎裂成小塊物料的加工過程,粉磨是指使小塊物料碎裂成細粉末狀物料的加工過程。下表列出了三元材料粉碎工藝流程中常用設(shè)備的粉碎粒徑及產(chǎn)能對比情況。需注意的是,三元材料的硬度較大且pH大于10,屬于堿性物質(zhì),粉碎設(shè)備需要耐堿腐蝕、耐磨損。

在三元材料的粉碎中,可以使用氣流粉碎機,也可以使用機械粉碎機,兩種粉碎設(shè)備各有優(yōu)缺點。通常來說,在氣流粉碎機之后會直接加上氣流分級裝置,直接對粉碎后的產(chǎn)品進行分級。

2.2.5除鐵:貫穿全流程的重要環(huán)節(jié)

三元材料在制程過程中將帶入一系列金屬雜質(zhì),而金屬雜質(zhì),特別是單質(zhì)鐵的存在將會造成電池的短路,情況嚴重時會導(dǎo)致電池失效,因此,磁選除鐵是三元材料制程中必不可少的環(huán)節(jié),并且貫穿了三元材料制程的整個過程。下表16對三元材料制程中金屬雜質(zhì)的來源進行了列示。

三元材料制備過程中常用的除鐵設(shè)備有管道除鐵器和電磁型磁選機。其中管道除鐵器安裝在物料輸送管道上,應(yīng)用于各個輸送環(huán)節(jié);電磁型磁選機則主要應(yīng)用于三元材料成品包裝前的除鐵。

2.2.6篩分/包裝

為避免材料中含有異物或粗大顆粒,還需在包裝前對三元材料進行篩分。據(jù)資料顯示,三元材料的DMAX應(yīng)至少小于50μm,根據(jù)標準篩網(wǎng)的目數(shù)對照表,三元材料需選擇300目或者400目的篩網(wǎng)。需要注意的是,由于在三元材料的制程過程中應(yīng)避免帶入鐵雜質(zhì)或其他金屬雜質(zhì),所以篩網(wǎng)的材質(zhì)要選擇非金屬材質(zhì),并具有良好的耐堿腐蝕性能。

常見的篩分機有固定格篩、圓筒曬、振動篩等,三元材料常用的篩分機為振動篩,且常將超聲波控制器與振動篩結(jié)合使用,稱為超聲波振動篩,使篩分效果及性能更加優(yōu)秀。

經(jīng)過篩分后的三元材料即可進行包裝,這也是三元材料加工工藝的最后一步,通常采用真空包裝或者真空后再充入惰性氣體的方式進行。

2.2.7高鎳三元材料制備:工藝條件更苛刻,設(shè)備要求更嚴格

相對普通三元材料,高鎳三元材料在原材料、制備方法及工藝流程等方面要求都更加苛刻,相對應(yīng)的,對工藝流程中核心設(shè)備的要求也將更高。根據(jù)公開資料總結(jié),高鎳三元材料在制備過程中與普通三元材料的差別主要如下:

1)鋰源:普通三元材料的鋰源通常采用碳酸鋰,而高鎳三元材料的鋰源必須采用氫氧化鋰。產(chǎn)生上述應(yīng)用差異的原因主要有以下幾點:首先,對于高鎳三元材料來說,要求燒結(jié)時溫度不能高于800°C,采用碳酸鋰作原料,過低的燒結(jié)溫度會造成分解不完全,導(dǎo)致堿性過強,對濕度的敏感性增強,影響電池性能;其次,高鎳三元材料燒結(jié)時對氧氣濃度有要求,用碳酸鋰作為鋰源時,分解釋放二氧化碳,稀釋氧氣濃度;用氫氧化鋰作為鋰源時,僅分解釋放水蒸氣,相應(yīng)的,制程中對濕度控制的要求也更高。

2)前驅(qū)體反應(yīng)條件:由于鎳、鈷、錳三元素的沉淀pH值不同,故不同組分三元材料前驅(qū)體的最佳反應(yīng)pH值不同,據(jù)資料顯示,隨著前驅(qū)體鎳含量的增加,所需的氨水濃度和反應(yīng)pH值都相應(yīng)提高。

3)混料設(shè)備:普通三元材料由于高鎳材料表面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在環(huán)境濕度大的情況下,材料表面將生成強堿性的氫氧化鋰和碳酸鋰,漿料易成果凍狀,并且材料中的鎳含量越高,這種情況越嚴重;另一項造成這種現(xiàn)象的原因是三元材料在生產(chǎn)過程中混合不均勻,進而影響燒結(jié)過程中鋰、添加劑的均勻性,直接影響三元材料的結(jié)晶程度和殘堿量,最終體現(xiàn)在電性能上。

由于高速混料機相對于球磨混料機具有更加優(yōu)異的混合效果,因此高鎳材料混料設(shè)備均采用高速混料機,而普通三元材料,尤其是老產(chǎn)線則也可使用球磨混料機;此外,高鎳材料混料設(shè)備還應(yīng)具備更加優(yōu)異的耐堿腐蝕性和控制濕度的能力。

4)匣缽類型和裝料量:根據(jù)上文所述,三元材料燒結(jié)過程中對于匣缽的透氣性要求較高,而高鎳材料對于氧氣濃度的要求更甚,因此,高鎳材料用匣缽的透氣口相對較大;此外,匣缽堆疊層數(shù)及裝料量也對氧氣的進入和廢氣的排出有影響,其中以裝料量影響較大,因此,高鎳材料的匣缽裝料量相對普通三元材料少。

5)燒結(jié)次數(shù):普通三元材料通常采用一次燒結(jié),但高鎳材料更容易出現(xiàn)表面殘堿量高的問題,國內(nèi)廠家目前普遍采用對高鎳材料進行水洗,然后在較低溫度下二次燒結(jié)的方法來降低表面殘堿量。需要注意的是,水洗+二次燒結(jié)的方法雖然可以將材料表面殘堿清洗得比較干凈,但處理之后的三元材料的倍率和循環(huán)性能將受到影響,因此對于殘堿的控制還是應(yīng)貫穿三元材料整個制備過程,在前驅(qū)體階段控制好氨水的含量和保護氣氛的分壓,甚至加入適量添加劑來降低碳和硫含量,以盡量做到一次燒結(jié)。

6)煅燒溫度:如上文所述,三元材料的鎳含量越高,煅燒溫度越低,鎳含量50%及以下的普通三元材料煅燒溫度通常在900°C以上,而高鎳材料通常在800°C以下。這主要是因為溫度過高容易造成鋰鎳混排,難以燒結(jié)出計量比的高鎳層狀材料,影響材料性能

7)煅燒氣氛:進氣方面,普通三元材料在空氣氣氛中燒結(jié)即可,高鎳三元材料對于氧氣氛圍要求高,燒結(jié)需要在純氧氣氛中進行;排出廢氣方面,普通三元材料利用碳酸鋰作為鋰源,廢氣是二氧化碳和水蒸氣,高鎳三元材料利用一水氫氧化鋰作為鋰源,廢氣主要是水蒸氣。

8)煅燒設(shè)備:由于高鎳材料必須在純氧氣氛中高溫合成,因此窯爐材質(zhì)必須耐氧氣腐蝕;此外,高鎳三元材料利用氫氧化鋰作為鋰源,氫氧化鋰易揮發(fā)且堿性很強,窯爐材質(zhì)的耐堿腐蝕性必須非常優(yōu)良。目前高鎳三元材料生產(chǎn)主要采用密封輥道窯,國內(nèi)能生產(chǎn)該類設(shè)備的企業(yè)比較少,暫時無法完全滿足高鎳三元材料的制備要求。

3

普通三元材料及高鎳三元材料成本拆分及敏感性分析

為對比普通三元材料(以NCM523為代表)和高鎳三元材料(以NCM811為代表)的制造成本和使用成本,我們在本章對以上兩種材料從前驅(qū)體制備到正極材料成品制備做了較為詳細的成本拆分(拆分數(shù)據(jù)主要來源于多家前驅(qū)體及正極材料廠家的項目環(huán)評報告)。

3.1NCM523及NCM811成本拆分:高鎳材料kwh制造成本更低

3.1.1NCM523成本拆分

目前正極材料的制備多采用共沉淀法(前驅(qū)體)+高溫固相法(正極材料)的方式,下列式(1)及式(2)分別為NCM523前驅(qū)體及正極材料的化學(xué)反應(yīng)方程式:

NiSO4·6H2O+CoSO4·7H2O+MnSO4·H2O+NaOH→NixCoyMn(1-x-y)(OH)2+NH3+NaSO4+H2O(1)

Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2+0.5Li2CO3+0.25O2=LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+0.5CO2↑+H2O↑(2)

根據(jù)以上化學(xué)方程式,我們對生產(chǎn)1噸前驅(qū)體/正極材料所需的原料理論投料量進行了計算,并與生產(chǎn)廠家的實際投料量進行了對比,如下表所示。前驅(qū)體制備過程中,實際投放過量較多的是硫酸鈷;而在正極材料的制備過程中,前驅(qū)體和鋰源的實際投料都過量,且鋰源的過量比例較高。

綜合各廠家環(huán)評報告給出的數(shù)據(jù)和資料,我們對NCM523前驅(qū)體及正極材料的成本做出了如下表的詳細分拆。其他主要假設(shè)條件如下:

(1)作為絡(luò)合劑,假設(shè)液氨無循環(huán)利用情況,每一批次均為新購入;(2)假設(shè)人工成本為人均7.3萬元/年;(3)表格中價格數(shù)據(jù)全部為2019年3月18日數(shù)據(jù)。

由上述成本分拆結(jié)果,我們得到如下結(jié)論:

完全自制NCM523前驅(qū)體的正極材料生產(chǎn)廠商毛利率有望比外購前驅(qū)體的廠商高出近6個百分點。

3.1.2NCM811成本拆分

NCM811正極材料的制備同樣通過共沉淀法(前驅(qū)體)+高溫固相法(正極材料)的方式,其中前驅(qū)體制備的方程式與NCM523前驅(qū)體相同,僅為投料比變化,下列式(3)則為NCM811正極材料的化學(xué)反應(yīng)方程式:

Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2+LiOH·H2O+0.25O2=LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2+2.5H2O↑(3)同樣,根據(jù)以上化學(xué)方程式,我們對生產(chǎn)1噸NCM811前驅(qū)體/正極材料所需的原料理論投料量進行了計算,并與生產(chǎn)廠家的實際投料量進行了對比,如下表所示。NCM811的前驅(qū)體及正極材料制備過程中,實際投料值與理論投料值之間較為接近,過量投放現(xiàn)象不明顯。

綜合各廠家環(huán)評報告給出的數(shù)據(jù)和資料,我們也對NCM811前驅(qū)體及正極材料的成本做出了如下表的詳細分拆,主要假設(shè)條件同NCM523。

NCM811前驅(qū)體及正極材料制備的成本構(gòu)成與NCM523基本相同,但由于NCM811的燒結(jié)需要在氧氣氣氛下進行,并且需要進行二次燒結(jié),故NCM811正極材料的制造費用中,電費和氧氣的占比較高。

同樣,我們根據(jù)上述成本分拆結(jié)果得到自制NCM811前驅(qū)體及正極材料成本數(shù)據(jù),并通過查詢wind及CBC有色網(wǎng)數(shù)據(jù)得到NCM811正極材料及外購前驅(qū)體價格數(shù)據(jù),對正極材料制備過程中采用外購前驅(qū)體及自制前驅(qū)體的毛利率進行了計算對比,結(jié)果如下表所示。

按上述計算結(jié)果,完全自制NCM811前驅(qū)體的正極材料生產(chǎn)廠商毛利率有望比外購前驅(qū)體的廠商高出近6.5個百分點。

3.1.3普通及高鎳三元材料成本分拆結(jié)果對比

我們針對上述普通及高鎳三元材料成本分拆結(jié)果進行了如下對比。下圖35為普通及高鎳三元材料的總成本構(gòu)成對比,可以發(fā)現(xiàn)兩種三元材料的前驅(qū)體成本幾乎相同,而NCM811所使用的鋰源為單價更貴的一水氫氧化鋰,因此高鎳三元材料的原材料成本較高主要來源于高成本鋰源;但就比例來看,由于NCM811的制造難度更大、要求更苛刻,因此高鎳材料的原材料成本占比反而是相對較小的,制造費用占比相對較大。

下圖中我們將兩種三元材料的制造費用放大來看。雖然高鎳材料的燒結(jié)溫度明顯低于普通三元材料,但由于高鎳材料通常需要進行二次燒結(jié),因此NCM811正極材料的用電費用明顯高于NCM523正極材料;此外,高鎳三元材料的燒結(jié)過程必須在氧氣氣氛下完成,因此NCM811正極材料的制造費用比NCM523正極材料多一項氧氣費用。

下表中我們根據(jù)成本拆分結(jié)果,對普通及高鎳三元材料的單位制造成本及單位使用成本進行了對比。結(jié)果顯示,NCM811的噸制造成本、噸使用成本均明顯高于NCM523,這是高鎳材料的高價鋰源及高昂的制造費用所共同作用的結(jié)果;kwh成本方面,由于達到同樣的電量所需的高鎳材料使用量明顯低于普通三元材料(據(jù)調(diào)研了解,生產(chǎn)1Gwh電池,需要NCM523和NCM811的量分別為1700噸和1400噸),故NCM811的kwh制造成本能夠略低于NCM523,但從下游廠家購買的角度來說,根據(jù)目前的售價計算,NCM811的kwh使用成本仍然高于NCM523。可以說,雖然NCM811的制造成本理論上更低,但NCM811的制造工藝較為復(fù)雜,且能夠生產(chǎn)出合格NCM811產(chǎn)品的正極材料廠商數(shù)量有限,因此正極材料廠商能夠獲取更高的技術(shù)溢價。未來隨著能夠制備出合格NCM811的廠商的增多,NCM811產(chǎn)品的毛利率會趨于回落。

3.2普通及高鎳三元材料成本敏感性分析

3.2.1鈷源、鋰源價格變化對NCM523的噸成本影響

3.2.5原材料價格變動對NCM523影響大于NCM811

上述四個表格中,我們對NCM523及NCM811兩種三元材料成本對原材料及價格的敏感性進行了分析,分析結(jié)果如下:

(1)在目前的原材料價格基礎(chǔ)上,七水合硫酸鈷的價格上漲1萬元/噸將帶動NCM523正極材料成本上漲5.02%,帶動NCM811正極材料成本上漲1.94%,由于NCM523中鈷含量高于NCM811,因此NCM523受鈷價影響程度較大;此外,碳酸鋰價格上漲1萬元/噸將帶動NCM523正極材料成本上漲3.24%,一水氫氧化鋰價格上漲1萬元/噸將帶動NCM811正極材料成本上漲2.98%。

(2)在目前的原材料價格水平下,NCM811的噸成本高于NCM523,但由于NCM523的含鈷量高于NCM811,鈷價的變化對于NCM523成本影響更大,若鈷價出現(xiàn)大幅上漲,二者成本差距將逐漸縮小,當(dāng)七水合硫酸鈷價格達到11.15萬元/噸后,二者成本趨同,若七水合硫酸鈷價格繼續(xù)上漲,NCM523的噸成本將高于NCM811。

(3)在目前的原材料價格水平上,NCM811的kwh成本低于NCM523,同上,七水合硫酸鈷價格變化對NCM523的kwh成本的影響也大于NCM811,當(dāng)鈷價出現(xiàn)下降,二者成本差距逐漸縮小,當(dāng)七水合硫酸鈷的價格跌至4萬元/噸左右,二者成本趨同,若七水合硫酸鈷的價格繼續(xù)下跌,則NCM811的kwh成本將高于NCM523。

3.2.6降低用電價格將對正極材料降本增效帶來積極影響

如下表格中,我們對NCM523及NCM811兩種三元材料成本對用電價格的敏感性進行了分析,分析結(jié)果如下:

(1)在目前的電價基礎(chǔ)上,電價變化0.1元/kwh,NCM523成本變化1.05%,NCM811成本變化1.18%,主要由于NCM811的用電量高于NCM523。

(2)在用電價格較低的地區(qū),工業(yè)用電價格可低至0.4元/kwh左右,若在當(dāng)?shù)亟◤S,NCM523正極材料和NCM811正極材料的成本分別可以降低3.96%和4.50%,因此正極材料建廠地址必須考慮當(dāng)?shù)赜秒妰r格,將對三元材料降本增效產(chǎn)生積極影響。

4

到2020年高鎳材料總體供需緊張,短期重心有望偏向NCM622

4.1供給端:三元材料市場集中度提高,高鎳材料擴產(chǎn)計劃多

我們在下表中統(tǒng)計了一系列國內(nèi)主要三元材料生產(chǎn)廠商的三元材料總產(chǎn)能及高鎳材料(主要針對NCM622及以上)產(chǎn)能情況。

統(tǒng)計結(jié)果表明,國內(nèi)主流廠商的三元材料總產(chǎn)能已超過14萬噸/年,但正極材料市場格局整體分散度較高,據(jù)SMM統(tǒng)計,截至2018年國內(nèi)三元材料總產(chǎn)能為33.67萬噸,較2017年新增12.93萬噸,增量來自于湖南杉杉,北京當(dāng)升,天津巴莫,廈門廈鎢,荊門格林美,寧波容百,貴州振華,四川科能,江蘇翔鷹,中化河北,湖南邦普,宜賓鋰寶等企業(yè)(排名不分先后)。

此外,國內(nèi)主流廠商高鎳材料總產(chǎn)能已超過5萬噸,且主流廠商此后的大規(guī)模擴產(chǎn)計劃也主要針對的是高鎳三元材料,其中NCM811和NCA的擴產(chǎn)計劃居多。

據(jù)鑫欏資訊對國內(nèi)28家三元材料企業(yè)產(chǎn)量統(tǒng)計,2018年三元材料產(chǎn)量為16.5萬噸,同比增長26%。具體到企業(yè)層面,在鑫欏資訊統(tǒng)計的這28家企業(yè)中,產(chǎn)量過萬的企業(yè)有7家,分別是當(dāng)升科技、優(yōu)美科、寧波容百、長遠鋰科、廈門鎢業(yè)、湖南杉杉、貴州振華,其中貴州振華、當(dāng)升科技、長遠鋰科、廈門鎢業(yè)為2018年新進入。據(jù)統(tǒng)計,2017年我國三元材料CR5為49.7%,CR10為75.8%;2018年上半年國內(nèi)三元材料CR5為51.0%,CR10為75.9%,市場集中度略有提升。

4.2需求端:高鎳占總裝機量比重將逐年提高

我們根據(jù)2018年新能源汽車及鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵數(shù)據(jù),并基于對新能源汽車產(chǎn)業(yè)未來趨勢的判斷做出需求量預(yù)測,如表29所示,基本假設(shè)如下:

(1)如下測算僅考慮動力電池需求量,未考慮3C領(lǐng)域、儲能領(lǐng)域需求;

(2)2018年數(shù)據(jù)中,新能源汽車產(chǎn)量、動力電池裝機量、三元電池裝機量、各類型三元電池出貨量數(shù)據(jù)為已知,單車平均電量、三元電池滲透率、各類型三元電池滲透率及需求量數(shù)據(jù)均根據(jù)已知數(shù)據(jù)計算得出;

(3)基于我們對新能源汽車產(chǎn)業(yè)未來走勢的判斷,我們假設(shè)新能源汽車產(chǎn)量持續(xù)上升,到2020年產(chǎn)量數(shù)據(jù)有望超越政策要求;單車平均電量持續(xù)上升;三元電池滲透率繼續(xù)增長,其中,高鎳電池的占比將明顯提升。

測算結(jié)果顯示,2018年-2020年,三元材料的裝機總需求量分別為5.13噸、8.54噸及14.01噸,其中,高鎳材料的裝機需求量分別為1.23噸、2.90噸及6.13噸,占總需求比例逐年提高。

對比上節(jié)供給數(shù)據(jù)可知,國內(nèi)目前已有的高鎳材料產(chǎn)能在5萬噸左右,而實際能夠釋放的值低于5萬噸,加之目前大部分高端產(chǎn)品生產(chǎn)商的高鎳產(chǎn)線仍在供應(yīng)NCM523產(chǎn)品,實際可供應(yīng)量進一步縮水,即便廠商新建產(chǎn)能正在持續(xù)釋放,但新建產(chǎn)能爬坡需要時間,因此到2020年高鎳材料總體處于供需緊張的狀態(tài)。

此外,有兩個因素可能導(dǎo)致高鎳材料的實際需求量大于計算值,其一,我們目前的計算僅僅考慮了動力電池的需求,而未考慮3C領(lǐng)域需求及未來可能出現(xiàn)的儲能領(lǐng)域需求;其二,我們目前的計算只基于裝機量數(shù)據(jù),而動力電池實際出貨量可能會明顯大于裝機量,實際需求將進一步放大。

高鎳材料分品類來看,由于目前的政策對于能量密度提高的態(tài)度略有放緩,而對安全性的重視程度進一步提高,因此高鎳材料的發(fā)展重心短時間內(nèi)可能偏向NCM622,NCM811和NCA的腳步或暫時放緩,但鑒于需求端對于高續(xù)駛里程及汽車輕量化的追求,高鎳化長期趨勢不變。

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三元正極材料安全問題探討

近兩年來,新能源汽車自燃起火事故頻發(fā),新能源汽車安全性成為消費者購買過程中最大的顧慮之一。下表盤點了2017年-2018年8月國內(nèi)新能源汽車的起火事故及起火原因。

首先,我們需要明確的是,三元材料的應(yīng)用并不是導(dǎo)致新能源汽車起火的直接原因,據(jù)資料顯示,鋰電池中的易燃物是電解液,且存在各種各樣的起火原因,只是應(yīng)用三元材料的電池在出問題時更容易點燃電解液,因此,我們并沒有必要因噎廢食,否認三元材料的應(yīng)用。

但是,新能源汽車的頻頻自燃的確與高鎳材料的應(yīng)用,更確切地說是與此前新能源汽車技術(shù)門檻的頻繁提高有所關(guān)聯(lián)。

2019年之前,新能源汽車的政策導(dǎo)向主要是在補貼額度退坡的同時持續(xù)提高技術(shù)門檻要求,其中最重要的是對于新能源汽車續(xù)駛里程及動力電池系統(tǒng)能量密度的要求,而正極材料又是決定能量密度的最重要因素之一,這就在很大程度上推動了正極材料向高鎳化發(fā)展,而這個過程中的問題有二:

其一,如上文中我們提到的,三元正極材料的鎳含量越高,錳含量越低,其穩(wěn)定性就越差,隱患也就相對越大;

其二,據(jù)資料介紹,鋰電池能量密度的提高除需要正極和負極材料有較大的改進,此外還有與之相匹配的高電壓電解液、耐高溫高強度隔膜、補鋰工藝、電池的安全性控制結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)保護結(jié)構(gòu)等技術(shù)研究,這些問題的解決都需要將近24-28個月的時間,而目前的政策導(dǎo)向是門檻一年一提,略顯倉促,各材料的技術(shù)成熟程度有可能還暫未到達實際應(yīng)用階段,安全性的驗證周期也還偏短,出現(xiàn)問題的可能性偏大。

2019年補貼新政最大的變化就是對各類車型能量密度的要求有所放緩,其一,乘用車補貼標準加入了帶電量指標,從政策端平衡新能源汽車技術(shù)層面均衡發(fā)展;其二,雖然乘用車能量密度門檻繼續(xù)提高,但最高標準并未進一步提高,且政策不再針對能量密度設(shè)置超過1倍的超額補貼,避免過度追求高補貼額度而忽視其他性能指標的情況發(fā)生;其三,非快充類純電動客車的補貼調(diào)整系數(shù)的分檔標準由系統(tǒng)能量密度更改為單位載質(zhì)量能量消耗量,在客車層面削弱了能量密度指標的影響程度;其四,取消新能源客車電池系統(tǒng)總質(zhì)量占整車整備質(zhì)量比例(m/m)不高于20%的門檻要求,一定程度上扼制了一味追求高能量密度動力電池的不良導(dǎo)向。

如上文所述,我們認為,短期內(nèi)政策對于高能量密度的態(tài)度轉(zhuǎn)變主要來源于高鎳技術(shù)的不成熟及對安全性的重視,而非需求端疲軟導(dǎo)致,實際上,需求端消費者對于新能源汽車續(xù)駛里程及輕量化的追求仍然是影響消費者購買心態(tài)的重要因素,因此目前的平臺期實際上是在為未來鎳含量高于80%的高鎳材料的大規(guī)模放量做足準備,高鎳化長期趨勢不變。

目前政策面與市場面的權(quán)衡有望利好過渡性高鎳低鈷產(chǎn)品,如NCM613及NCM712,在控制合理鎳含量的同時降低含鈷量控制成本、提高錳含量加強穩(wěn)定性。

此外,即便我們不考慮高鎳三元材料的應(yīng)用,來討論普遍認為安全性較高的磷酸鐵鋰正極材料,其目前的裝機平均電芯密度已經(jīng)到了160Wh/kg,電池包能量密度在接近134Wh/kg,成組效率非常高,甚至達到90%以上,這樣的電芯安全性能同樣堪憂,由于三元材料主要通過提高電芯能量密度來提高系統(tǒng)能量密度而非通過提高成組效率來提高系統(tǒng)能量密度,三元材料的成組效率反而沒有磷酸鐵鋰那么高,大概也就65%左右。綜上,安全性能的問題主要出在對于續(xù)駛里程(或者說能量密度)和技術(shù)進步節(jié)奏的權(quán)衡上,而不是直接由三元材料、甚至高鎳三元材料的應(yīng)用而決定的。