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200亿市场规模,高镍三元正极电池的投资要点和技术干货!

目前处于高镍正极产业化初期,多家厂商积极推动高镍正极产能落地,从绝对产能规划来看,2018-2019年将开始密集投放高镍正极产能,2019年底高镍正极产能将达到17万吨左右。但产能落地距离批量产出优质产品仍有较大距离,尤其部分厂商更多具备NCA量产经验而非NCM811,同时客户认证亦需要较长周期。正极成本结构中,原材料成本占比80%左右,价格竞争将不会是主要手段,预计竞争将较为有序。

NCM811相比NCM523,钴含量从12.21%下降至6.06%,折算到动力电池每kwh用钴量从0.22kg下降至0.09kg,后续随镍比例进一步提升,钴用量将进一步下降。在钴价55万/吨左右情况下,单吨811正极相比523用钴成本可下降3.4万左右,且钴价越高成本优势越明显。而811正极的加工成本相比523高2万/吨左右,未来有望缩减至1万/吨,因此目前总体成本811正极相比523低1.4万/吨左右。

200亿市场规模,关于高镍三元正极电池的投资要点和技术干货!

目前NCM811报价在24万元/吨左右,而NCM523动力型主流价在21-21.5万元/吨,价差在2.5-3万/吨。考虑到NCM811正极总成本相比523低1.4万/吨左右,单吨毛利增加3.9-4.4万,盈利能力显著提升。毛利率将逐步回落,稳态盈利能力也将高于523。

三元523及111正极的技术含量更多在前驱体环节,而在高镍正极体系下,正极烧结环节的技术含量也显著增加,在以加工费定价的模式下,稳态情况高镍正极环节的毛利也将高于523产品。目前动力三元523毛利率在15%,622在20%,811在25%左右,考虑到随着高镍正极产能投放,811毛利率预计将下滑至较为稳定的20%左右。

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200亿市场规模,关于高镍三元正极电池的投资要点和技术干货!

200亿市场规模,关于高镍三元正极电池的投资要点和技术干货!

硬核技术干货:

在三元材料中,三种元素所起作用不同,相对含量高低影响整体材料性能:

1)Ni是主要活性物质之一,对容量有显著影响,其相对含量提升,克容量增加;

2)Co也是活性物质,既能稳定材料的层状结构,又能减小阳离子混排,便于材料深度放电,从而提高材料的放电容量;

3)Mn4+呈电化学惰性,主要起稳定结构的作用。

Ni表现为高容量,低安全性;Co表现为高成本,高稳定性;Mn表现为高安全性、低成本。为了得到低成本、高容量的三元材料,通过提高Ni的相对含量,降低Co、Mn的比例,放电容量有明显增加,但循环性能和热稳定性几乎线性下降。

高镍正极的循环性能及热稳定性较差原因主要在于:

1)Li/Ni容易发生混排,而高镍正极更为严重。由于Ni2+与Li+半径接近,在脱锂过程中,Li+脱嵌形成空位,Ni2+容易迁移到锂位,从而造成锂的析出,在不断的重复反应过程中,混排比例增加,材料层级结构塌陷,导致性能大幅减弱,因此循环性能较差。

2)三元材料中Ni含量的增加,热分解温度降低,放热量增加,材料热稳定性变差。此外,高镍正极Ni4+含量高,Ni4+具备强氧化性,会分解电解液,为了保持电荷平衡,材料中会释放出氧气,破坏晶体结构,从而使材料的稳定性变差。

因此高镍正极需要掺杂、包覆做材料改性方能在实际产业化中应用。

1)体相掺杂改性:通过改变材料的晶格常数或材料中部分元素的价态来提高材料结构的稳定性,提高材料的电子电导率和离子电导率,降低阳离子混排。掺杂主要分为阳离子掺杂(Al、Mg、Ti、Zr、Mo、Cr)、阴离子掺杂(F)和阴阳离子共掺杂(AlF3、MgF2)等。阳离子Al、Mg等掺杂可以抑制Li/Ni混排,抑制充放电过程的相转变,改善循环性能。阴离子F掺杂可以将结构中部分M—O键替换成更加稳定的M—F键,提高结构稳定性,减少正极与电解液的反应,降低循环过程中界面电阻的增加,改善循环稳定性。

2)表面包覆改性:通过减小正极与电解液直接接触导致的电解液氧化分解,减少材料在充放电循环过程中晶体结构的坍塌,并能抑制SEI膜的生长,从而提高电池的循环及安全性能。包覆材料主要为无电化学活性的无机材料,如AlPO4、Al2O3、AlF3、MgO、TiO2等。同时,表面碱性过大会影响正极材料电化学性能的发挥,并且会影响材料的涂布质量,表面包覆能有效降低三元材料的表面碱性。

高镍正极的核心技术在于掺杂包覆工艺,同时烧结的设备精度及工艺要求也大幅提升,技术难度显著增加。

目前三元正极工业化生产采用的主流生产工艺为:共沉淀法制备前驱体,然后将其与锂源混合固相烧结制成三元材料。掺杂在前驱体和烧结环节均可,包覆则主要集中在烧结环节,主要原因在于前驱体液相包覆工艺技术难度大,类精细化工控,在烧结环节实现包覆需要进行二次或多次烧结。

掺杂包覆的难点在于掺杂包覆元素选择、工艺方法以及参数控制以得到均匀的掺杂包覆效果。烧结环节的核心设备窑炉划分为多个温区,高镍正极在烧结过程中多温区的温度控制精度要求显著高于523等产品,同时由于正极材料氧空位的存在会诱发Ni/Li混排,高镍正极材料需要纯氧气氛烧结,对设备的精度及密闭性要求极高。高镍正极需要一次性烧结完成,不像523等产品可以进行返烧,整体的工艺要求也明显提高,技术难度显著增加。

参考研报:国盛证券《高镍化专题:格局重塑,溢价提升》

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