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2020年中国三元正极材料行业发展现状及未来发展前景分析:三元高镍化不可阻挡[图]

2020年06月20日 14:25:30字号:T|T

    一、三元电池脱颖而出,引领汽车电动化浪潮

    电动车要求电池具有比能量高、比功率大、自放电少、价格低廉、使用寿命长及安全性好等特性,相应的正极材料也应满足相同的要求。正极材料是电池中锂离子之源,其性能直接关系到电池性能,是锂电能量密度的基础,是锂离子电池中关键的功能材料。锂离子电池产业链中,市场规模大、产值高的也是正极材料,其占锂离子电池生产成本的30-40%。

正极材料参数与 电动汽车表现的对应关系

正极材料参数与电动汽车表现的对应关系
正极材料性能
期望方向
电动汽车性能
能量
能量密度越高,单位重量电池包下电动车续航里程越远
功率
功率越高,电动车加速、爬坡性能越好
安全性
电动车安全性的决定因素之一
循环性能
循环性越好,电动车寿命越长

数据来源:公开资料整理

    锂离子电池正极材料技术路线有很多,主要围绕着磷酸铁锂、三元材料(NCM、NCA)、钴酸锂、锰酸锂这四大类。

正极材料性能对比

正极材料性能对比
性能指标
钴酸锂(LCO)
锰酸锂(LMO)
磷酸铁锂(LFP)
三元材料
镍钴锰NCM
镍钴铝NCA
材料结构
层状氧化物
尖晶石
橄榄石
层状氧化物
材料主成分
LiCoO2
LiMn2O4
LiFePO4
Li(NiCoMn)02
Li(NiCoAl)02
理论比容量(mAh/g)
274
148
170
278
-
实际比容量(mAh/g)
135-140
100-130
130-150
150-200
压实密度(g/cm3)
3.6-4.2
3.2-3.7
2.1-2.5
3.7-3.9
循环寿命
500-1000
500-2000
2000
800-2000
500-2000
安全性
优秀
较好
较差
原料资源
钴资源贫乏
锰资源丰富
磷与铁资源非常丰富
钴资源贫乏
钴资源贫乏
优点
充放电稳定生产工艺简单
资源丰富价格低较易制备
安全性好价格低廉循环性能好
电化学性能稳定能量密度高循环性能较好
电化学性能稳定能量密度高
缺点
价格昂贵循环性能差安全性较差
能量密度低循环性能较差相容性差
能量密度低产品一致性差低温性能差
部分金属价格昂贵
部分金属价格昂贵

数据来源:公开资料整理

    智研咨询发布的《2020-2026年中国正极材料产业运营现状及发展前景分析报告》数据显示:各种正极材料应用领域各不相同,三元材料和磷酸铁锂主要用于动力电池领域。

    (1)三元材料是镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂为代表的多元金属复合氧化物,能够充分发挥三种金属的优势,电池能量密度较高,是动力电池主要正极材料之一,主要用于乘用车以及大部分物流车。(2)磷酸铁锂原材料低廉,循环性和安全性好,但能量密度较低,主要用于客车以及部分物流车。(3)锰酸锂资源丰富,价格便宜,安全性好,但循环性差,高温中衰减严重,少量用于动力电池中。(4)钴酸锂能量密度高,但价格高且安全性一般,目前主要用于3C产品数码电池中。

正极材料性能对比

数据来源:公开资料整理

    近年来国外动力电池企业主打三元正极材料路线,依靠先发优势技术积累明显。在锂离子电池技术路线选择方面,国外动力电池企业并未大量采用磷酸铁锂电池,而是在锰酸锂电池基础上发展出锰酸锂+三元掺混电池路线。随着技术进步,三元材料掺混比例逐步提升,锰酸锂材料掺混比例逐步降低,直至发展出纯三元电池。

    我国动力电池逐步由磷酸铁锂电池转向三元电池,乘用车领域尤为明显。我国对动力电池的研究起步于“十五”科技部电动汽车重点专项,研究重点主要是镍氢电池和锰酸锂电池;到“十一五”时,研究重点转向磷酸铁锂电池,从我国新能源汽车推广示范开始,2010-2015年,磷酸铁锂电池一度在我国新能源汽车领域占据主导地位,后因为能量密度偏低的原因,在乘用车和专用车等领域逐步被三元电池所取代,现在主要用于客车等对安全性和循环寿命要求比较高的领域。到“十二五”,受能量密度驱使,动力锂电池研发重心转向了三元锂离子电池。为进一步提升能量密度,2025年后技术路线有望转向固态电池/锂硫电池/金属空气电池等下一代电池。

动力电池技术发展趋势

数据来源:公开资料整理

    二、高能量密度代表电池未来发展方向,三元正极材料是关键

    1、补贴政策挂钩能量密度,驱动高能量密度化

    从2009年国家开始新能源汽车推广试点以来,我国一直推行新能源汽车补贴政策,随着新能源汽车市场的发展,国家对补贴政策也有所调整。但总体来看,补贴政策呈现额度收紧,技术标准要求逐渐提高的趋势,从2017年开始补贴政策与能量密度挂钩。2018年补贴政策鼓励高续航里程、高能量密度、低能耗的车型。续航里程和能量密度双高的车型补贴不降反升,补贴政策开始向扶强扶优转变,有利于淘汰行业内落后产能,促进行业龙头企业业务发展。

    受补贴下滑影响,2019年下半年起国内新能源汽车单月销量同比持续下滑。2019年1-10月,我国新能源汽车产销量分别为98.3和94.7万辆,同比增长11.7%和10.1%。10月我国新能源汽车销量7.5万辆,同比下滑45.6%,环比下滑5.9%,产量为9.5万辆,同比下滑35.4%,环比增长6.2%。其中,新能源乘用车产销量分别为8.3和6.6万辆,同比分别下滑34.5%和45.0%,产量环比增长3%,销量环比下滑8.9%。新能源商用车产销量分别为1.2和0.9万辆,同比分别下滑41%和49.4%,环比增长35.8%和24.1%。

新能源汽车月度销量及增速(万台)

数据来源:公开资料整理

    双积分修正征求意见稿发布,保障新能源汽车长期发展。7月9日,工信部发布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案(征求意见稿),要点如下:(1)鼓励发展低油耗乘用车:计算乘用车企业新能源汽车积分达标值时,低油耗乘用车的生产量或者进口量按照其数量的0.2倍计算。(2)修改纯电动乘用车积分计算方法,降低单车积分上限值(纯电动乘用车积分上限从5分下调至3.4分,插电混动积分从2分下调至1.6分)。(3)新能源汽车积分比例的期限延长2021-2023新能源汽车积分比例要求为14%、16%、18%。新的积分测算方式将引导行业向节能减排方向发展,单车积分上限的降低也有望从供需结构变化修正新能源积分价值,从长效机制上保障行业中长期的快速发展。

    工信部正编制《2021-2035年新能源汽车产业发展规划》,征求意见稿提出2030年新能源汽车占比40%。工业和信息化部装备工业司副司长罗俊杰11月7日在第二届中国国际进口博览会“中国汽车产业发展论坛”透露,工信部会同20多个部门牵头编制的《2021-2035年新能源汽车产业发展规划》正处在征求意见阶段。征求意见稿提出了两个阶段性目标:到2025年,新能源汽车竞争力明显提高,销量占当年汽车总销量的20%,到2030年,新能源汽车形成市场竞争优势,销量占当年汽车总销量的40%。

    2019年补贴政策调整,续航里程和能量密度门槛进一步提高。2019年新的补贴政策里程分类由2018年的5段,变为250≤R<400km和R≥400km两种。补贴金额续航里程R≥400km从5万元下降至2.5万元,300≤R<400km从4.5万元下降至3万元。最低续航区间150≤R<200km将不再补贴。2019年补贴标准也提高了对能量密度的要求,取消了对125wh/kg以下的电池的补贴,并对其余各级别的能量密度系数下调了0.2。达到160wh/kg的能量密度成为标准要求。在新的补贴标准下,部分车企继续提升新车型的续航和能量密度,也有部分车企转向低续航的低成本路线。

2018年与2019年新能源乘用车补贴标准对比

2018年与2019年新能源乘用车补贴标准对比
车辆类型
纯电续驶R(工况法、里程)
2018年
2019年过渡期
2019年过渡期后
同比2018年
纯电动乘用车
150≤R<200
1.5
0.15
-
200≤R<250
2.4
0.24
-
250≤R<300
3.4
2.04
1.8
-47%
300≤R<400
4.5
2.7
1.8
-60%
R≥400
5
3
2.5
-50%
插电式混合动力乘用车(含增程式)
R≥50
2.2
1.32
1
-55%

数据来源:公开资料整理

2018年与2019年的能量密度要求对比

2018年与2019年的能量密度要求对比
2018年
2019年
能量密度区间(wh/kg)
补贴系数
能量密度区间(wh/kg)
补贴系数
105-120
0.6
125以下
120-140
1
125-140
0.8
140-160
1.1
140-160
0.9
160以上
1.2
160以上
1

数据来源:公开资料整理

    乘用车部分车型探索磷酸铁锂低成本路线,续航里程分布也呈现两极分化。从工信部车型公告数据来看,部分乘用车企今年探索磷酸铁锂的低成本路线,过渡期之后,今年第7、8、9批次推广目录中,纯电动乘用车采用磷酸铁锂电池的车型数分别为6、7、5款。而从续航里程上来看,过渡期之后的3批目录中较低续航车型数也有所上升。在第9批的25款纯电动乘用车中,300公里续航以下车型数为11款,有2款车型的续航里程在150公里以下,4款在150-200公里,也有车企推出600公里以上续航车型,预计明年乘用车续航里程仍将呈现两级分化。

乘用车车电池种类分布趋势

数据来源:公开资料整理

乘用车续驶里程分布趋势

数据来源:公开资料整理

    2、高能量密度提升关键在于正极材料,高镍化趋势已定

    纯电动汽车续航里程一直是核心买点和消费者核心关注点,持续增加的续航里程也是影响车型终端销量的重点要素之一。动力电池容量大小直接关系到纯电动汽车的续航里程,现代汽车结构设计基本保持固定不变,即使开发专门的纯电动汽车平台,预留给动力电池的布局空间也仅仅是前后轴之间的固定位臵。在无法改变布局空间的前提下,提升电池整体容量便是解决续航问题的基础。从2013年开始至今,国产纯电动汽车的续航里程,已经从150公里快速提升至400公里左右,部分高端车型已迈向500公里续航里程。动力电池以更轻的整备质量以及更高的能量密度,获得更大的电池容量,作为核心升级的便是电池能量密度。
提高电池包能量密度,主要有两大途径:一是采用更高能量密度的电芯,二是提高成组效率。现阶段主流方形电芯成组效率已经在75%左右,在现有技术条件下可提升空间相对有限,未来有较大发展空间的是从提升电芯能量密度出发,进而提升电池包整体的能量密度。

    高能量密度电池是各国政府及领先电池企业竞相布局、重点研发的方向。日本政府早在2009年就提出了高能量密度电池的研发目标,2020年,纯电动汽车用动力电池电芯能量密度为250Wh/kg,2030年达到500Wh/kg,2030年以后发展到700Wh/kg。美国政府在2015年11月将2020年电芯能量密度目标提升为350Wh/kg。

1990-2030年锂离子电池能量密度发展路线

数据来源:公开资料整理

现有动力电池的技术指标以及未来的发展目标

数据来源:公开资料整理

    2017年3月,国家发改委、财政部、工信部和科技部四部委联合发布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,提出到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量超过300Wh/kg,系统比能量力争达到260Wh/kg;到2025年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达500Wh/kg。2017年5月,工信部、国家发改委和科技部三部委联合发布的《汽车产业中长期发展规划》再一次提出到2020年,动力电池单体比能量达到300Wh/kg以上,力争实现350Wh/kg,系统比能量力争达到260Wh/kg,到2025年,动力电池系统比能量达到350Wh/kg。

    2019年方形电芯将主推能量密度230-240Wh/kg的产品,软包主推240-260Wh/kg产品,18650电芯将推出3.2-3.4Ah的产品、21700电芯将推出4.8-5.0Ah的产品。

国内主流电池厂商能量密度汇总

国内主流电池厂商能量密度汇总
企业
电池类型
能量密度(Wh/kg)
规划/试产能量密度(Wh/kg)
宁德时代
三元方形
240
2019年:270,2020年:300
比亚迪
三元方形
235
2019年:260,2020年:300
力神
三元圆柱
230
21700研发中:250
三元方形
220
2020年:300
国轩高科
三元方形
210
2020年:300
磷酸铁锂
180
孚能科技
三元软包
260
试产中:270
邀优动力
三元软包
260
-
磷酸铁锂
175
富锂锰基
220-240
桑顿新能源
三元软包
260
2019年:300
远东福斯特
三元圆柱
260
21700:2020年300
比克电池
三元圆柱
255
21700:小批量生产4.8Ah
天劲股份
三元软包
251.8
51AhVDA:小批量生产260
盟固利
三元软包
250
-
鹏辉能源
三元圆柱
250
三元软包
240
三元方形
230
方形磷酸铁锂
175
妙盛动力
三元软包
250
德朗能
三元圆柱
250
捷威动力
三元软包
245
B样开发完成:260小批量生产2019年:270
卡耐新能源
三元软包
240
试产中:250
亿纬锂能
三元软包
240
217002019年:260
三元圆柱
215
三元方形
200
万向A123
三元软包
230
53AhVDA已试产:260
微宏动力
HpCo
230
小批量250
国能电池
三元软包
230
年底投产:260
磷酸铁锂
180
-
亿鹏能源
三元软包
230
-
磷酸铁锂软包
185
锰酸锂软包
200
中兴高能
三元方形
225
2019年量产NCM811:250
瑞浦新能演
三元方形
220
2019年:240
磷酸铁锂方形
170
-
塔菲尔
三元方形
220
-
磷酸铁锂方形
180
-

数据来源:公开资料整理

    国内部分主流电池厂商均计划在2020年达到300Wh/kg。

四大锂电企业对未来技术的规划

数据来源:公开资料整理

    综合前面提到的主流电池厂商技术路线,要实现2020年动力电池单体能量密度达到300Wh/kg、电动汽车长续航里程和较低成本的目标,因磷酸铁锂能量密度存在瓶颈,可挖掘潜力有限,在现有技术体系下,三元材料成为技术发展主流线路。国内市场上常见的三元材料主要是镍钴锰酸锂NCM,其通式为LiNi1-x-yCoxMnyO2,其综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三种材料的优点,由于Ni、Co和Mn之间存在明显的协同效应,因此NCM的性能好于单一组分层状正极材料,是目前最具发展潜力的正极材料之一。三种元素对材料电化学性能的影响也不一样,一般而言,Co主要起稳定三元材料层状结构,提高材料的电子导电性和改善循环性能;Mn的存在能降低成本,改善材料的结构稳定性和安全性;Ni有助于提高材料容量,但Ni含量过高将会与Li+产生混排效应而导致循环性能和倍率性能恶化,而且高镍材料的pH值过高影响实际使用。Ni、Co和Mn三种元素不同配比可以获得不同性能的NCM材料,主流型号包括NCM333、NCM523、NCM622和NCM811。

NCM的放电容量、热稳定性和容量保持率关系图

数据来源:公开资料整理

    正极材料比容量与电池单体能量密度直接相关。从LFP到NCM333、NCM523、NCM622,目前正在向NCM811、NCA发展,随着正极材料的发展,电池能量密度也在不断提升,2020年单体能量密度有望达到300Wh/kg。

磷酸铁锂和三元材料性能

磷酸铁锂和三元材料性能
产品
理论比容量(mAh/g)
实际比容量(mAh/g)
电池单体能量密度(Wh/kg)
优点
缺点
LFP
170
140
140-150
循环寿命长、安全性好、成本较低
能量密度低
NCM333
278
145
170-180
能量密度、循环性、安全性相对均衡
首次充放电效率较低、有阳离子混排现象、放电平台低
NCM523
278
155
190-210
较高比容量和热稳定性
循环性能、倍率性能、热稳定性和自放电等之间的平衡差
NCM622
278
165
220-240
加工性能好,能量密度较高,易于在较低温度下烧结
循环性能较差
NCM811
278
190
280-300
能量密度高、钴含量较低
烧结条件苛刻、容易吸潮、不稳定
NCA
278
190
280-300
能量密度高
不稳定

数据来源:公开资料整理

    近年来,三元正极材料逐渐向高比容量、高压实、高电压、低成本方向发展,在此过程中合理设计材料的结构至关重要,通过不同的结构设计可以有效解决相应问题。目前三元正极材料结构设计的改进方向主要包括:类单晶型结构、放射状结构、核壳结构和梯度材料结构等。类单晶型结构能够提升正极材料的压实密度、颗粒强度、电压等;放射状结构能够提升正极材料的比容量和循环稳定性等;核壳结构和梯度材料结构适用于高镍三元材料,能够充分发挥正极材料的比容量,提升截止电压和循环稳定性等。所以,未来应该根据电池的使用要求,深入分析正极材料的性能特点,通过合理设计材料结构,结合三元正极材料的其他改性手段,开发综合性能优异的三元正极材料。

三元正极材料结构设计改进方向

三元正极材料结构设计改进方向
类单晶型结构
提升正极材料的压实密度、颗粒强度、电压等
放射状结构
提升正极材料的比容量和循环稳定性
核壳结构和梯度材料结构
适用于高镍三元材料,能够充分发挥正极材料的比容量,提升截止电压和循环稳定性等

数据来源:公开资料整理

    三、2020年后技术迭代速度变慢,高镍三元大有可为

    相比NCM333逐步提升到NCM523、NCM622,技术难度提升相对比较平缓,NCM811/NCA技术门槛明显提升,在制备工艺、设备以及生产环境等方面的要求明显高于普通三元材料。NCA技术壁垒高,几乎被日韩企业垄断,主要供应商有日本的住友金属、日本化学和户田化学,韩国的ECOPRO和GSEM。由于NCA对生产环境和制造工艺的要求更高,同时由于NCM811与之前的NCM333/523/622等同属于镍钴锰结构,与它们的生产工艺也更为接近,而NCA加入铝元素,合成工艺上会有区别。国内企业多数偏向于NCM811。拥有技术先发优势的正极企业盈利能力将显著提升。NCM811正极材料含钴量仅为6.1%,相比NCM523/622下降50%;如果考虑到每KWhNCM811电池所需要的正极质量为1.44kg,每KWhNCM523电池所需要的正极质量为1.89kg,每KWhNCM811电池钴用量仅为NCM523的40.5%。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,NCM811正极材料的毛利率也将高于目前NCM523产品。

    高镍三元正极,尤其是高镍NCM811有效产能释放难度非常高。一方面是生产工艺方面,高镍三元材料在前驱体烧结和材料生产环境方面的要求都较为苛刻,产品在存储使用过程中容易吸潮成果冻状,不易调浆和极片涂布,因此正极材料企业对窑炉等生产设备的各项性能要求都比较高;另一方面,高镍三元的安全性更差,因此合格供应商的认证难度较高、所需时间较长。此外,整车厂对上游零部件供应商有较高的门槛要求和长时间的认证测试,程序更复杂,时间也更长。目前,国内仅当升科技、容百锂电、杉杉股份等少数几家公司具备量产高镍三元材料能力,但产品性能和一致性仍需进一步提高,关键设备的技术水平和可靠性与国外存在一定的差距。要实现突破,就要研究包覆元素种类、包覆量对材料表面残余碱含量及电化学性能的影响,确定有利于降低残余碱含量,提高材料电化学性能的最佳包覆参数组合,提高关键设备如氧气气氛焙烧设备的技术水平和可靠性。随着高镍三元材料渗透率以及技术门槛的提升,少数具备量产技术的龙头企业市场份额有望提升,国内正极材料分散竞争格局有望得以改善,工艺技术水平过硬、成本管控优异的正极龙头企业有望“杀出重围”。

    展望未来,从目前的三元材料技术来看,通过降低电芯中非活性物质的质量比来提高电池的能量密度,几乎已经达到了技术的极限,采用具有更高比容量的正负极材料是提高电池能量密度更为有效的技术途径。富锂锰基正极+硅碳负极被视为下一代锂动力电池的理想之选。虽然富锂锰基正极材料具有高放电比容量的优势,但当前仍面临着结构复杂问题,充放电机理还存在争议,其首次放电效率、倍率性能、高温性能、全电池性能、长期循环性能和充放电过程中放电电压平台衰减方面的问题有待解决。目前解决这种材料问题的手段很多:包覆、酸处理、掺杂、预循环、热处理等方法,但是这些方法只能在某些方面提升材料的性能,实现富锂锰基动力电池产业化应用相对比较困难,据推测到2025年才有大规模产业化的可能。从目前至富锂锰基正极材料产业化之间,未来6-7年正极材料性能提升主要是依托NCM811/NCA技术路线,正极材料技术迭代速度在逐步变慢。随着能量密度提升,单车带电量有望随之提升,2020年纯电动乘用车平均续航里程有望达到400公里,部分车型甚至会达到500公里以上;如果将时间拉长到2025年,届时受益于电池成本的降低以及NCM811/NCA体系的进一步技术挖掘带来的能量密度提升,单车带电量有望进一步提升,纯电动乘用车续航里程有望接近甚至超过燃油车,“里程焦虑”将成为过去式。目前圆柱型动力电池已率先实现NCM811/NCA量产,方形、软包电池有望在2019年迎来高镍产品量产,国内动力电池龙头宁德时代和比亚迪均计划在2019年推出NCM811动力电池。NCM811/NCA技术路线产品生命周期有望延续到2025年。

    四、新能源汽车开启1-10阶段

    全球新能源汽车市场:2017年告别0-1阶段,2018年开启1-10新阶段。2017年全球新能源汽车销量超过122.3万辆,渗透率首次超过1%。按照产业发展的规律,一般情况下,当产品渗透率超过1%,意味着市场导入期结束,并将迎来快速发展的成长期。2017年,全球锂电池的总出货量达到148.1GWh,其中动力电池的总出货量达到62.35GWh。2014-2017年,动力电池的年复合增速达到80%;同期,传统消费类电池的复合增速仅有7%,锂电池行业的新增需求动力由消费电池逐步转向动力电池驱动。

    国外传统汽车巨头发力新能源汽车,全球市场有望大规模放量。传统汽车巨头凭借成熟的供应链体系、稳定的销售渠道以及品牌优势,将会推动全球新能源汽车渗透率提升。多家汽车巨头提出2025年新能源汽车销量占比达到15%-25%,凭借传统汽车巨头的号召力,新能源汽车认可度将大大提升,届时全球新能源汽车市场将步入千万辆级别,整个产业链规模效应尽显,从而加快新能源汽车成本的下降以及渗透率进一步提升。

    我国是全球最大的新能源汽车市场,也是增长最快的市场,是推动全球新能源车市增长的主要动力。2017年,我国新能源汽车渗透率已达到2.69%,2018年有望超4%。这一数据提升的背后,显示出汽车产业新旧动能的加速转换和中国汽车工业的加速转型,汽车电动化趋势日趋明朗。2018年1-11月我国新能源汽车产销量分别达到105.4和103万辆,同比增长63.6%和68.0%。根据我们的测算,2018-2020年我国新能源汽车的产量有望达123、169和234万辆,动力电池需求可达53.43GWh、75.17GWh和107.63GWh。

我国新能源汽车产量及动力电池需求预测

我国新能源汽车产量及动力电池需求预测
项目
车型
2017
2018E
2019E
2020E
EV产量(万辆)
乘用车
44.95
76.42
110.81
158.46
YOY
80.90%
70.00%
45.00%
43.00%
客车
8.86
7.53
7.15
7.15
YOY
-23.40%
-15.00%
-5.00%
0.00%
专用车
15.35
9.98
9.48
9.48
YOY
153.10%
-35.00%
-5.00%
0.00%
PHEV产量(万辆)
乘用车
10.21
28.07
40.7
58.2
YOY
37.50%
175.00%
45.00%
43.00%
客车
1.64
0.66
0.59
0.53
YOY
-16.30%
-60.00%
-10.00%
-10.00%
新能源汽车总产量合计(万辆)
81.01
122.65
168.73
233.83
总产量YOY
56.20%
51.40%
37.60%
38.60%
新能源汽车保有量(万辆)
182.3
304.95
473.69
707.51
EV平均电池容量(KWh)
乘用车
27.05
38.8
45
50
客车
153.74
187
195
200
专用车
54.49
55
56
57
PHEV平均电池容量(KWh)
乘用车
14.9
14
14.2
14.5
客车
41.97
44
46
48
EV电池需求量(GWh)
乘用车
12.16
29.65
49.87
79.23
客车
13.61
14.08
13.94
14.3
专用车
8.37
5.49
5.31
5.4
PHEV电池需求量(GWh)
乘用车
1.52
3.93
5.78
8.44
客车
0.69
0.29
0.27
0.25
电池总需求量合计(GWh)
36.35
53.43
75.17
107.63
电池总需求量YOY
29.70%
47.00%
40.70%
43.20%

数据来源:公开资料整理

    五、电池黄金时代降临,高镍三元正极有望迎来快速增长期

    动力电池是锂离子电池需求增长的主要驱动力。2017年全球锂离子电池的出货量达到143.5Gwh,其中汽车动力锂电池的出货量达到58.1Gwh,储能锂电池出货量达到11.0Gwh,其他传统领域锂电池出货量达到74.4Gwh。基于对汽车动力锂电池发展前景的持续看好,2020年全球锂离子电池出货量有望达到265GWh,其中汽车动力锂电池出货量有望达到156GWh,占比近60%。

    锂离子电池需求快速提升带动正极材料出货量持续成长,2017年全球锂电正极材料出货量为36.5万吨,同比增长20%。

全球锂电正极材料出货量预测(吨/年)

数据来源:公开资料整理

    我国正极材料全球份额呈上升趋势。受新能源汽车行业快速发展带动影响,全球正极材料行业发展一直稳步提升,2011-2017年全球正极材料复合增速为35%。由于国内政策倾斜叠加国内新能源汽车市场高速发展,我国正极材料的发展速度相比其他国家提升速度更快,2011-2017年我国正极材料出货量复合增速为43%,明显高于全球正极材料出货量复合增速。从2015年起我国全球市占率逐年递增,年平均增速达到7.2%。

    我国三元正极材料市场占比逐步提升。2017年我国正极材料出货量为20.80万吨,同比增长29.53%;2018年Q1-Q3正极材料出货量为18.43万吨,同比增长19.8%。受新能源汽车动力电池需求持续拉动,同时在补贴政策与电池能量密度挂钩等刺激下,三元材料需求大增,2018年Q1-Q3三元材料出货量为9.25万吨,同比增长52%。2018年我国锂电正极材料产量将突破25万吨,其中三元材料仍将是市场最大需求产品。主要原因有:新能源汽车补贴政策高能量密度要求;以LFP为主的电池企业大批量转型三元;LCO价格较高,消费电子企业为节省成本将逐步改用高镍三元材料。

    受碳酸锂和金属钴价格下降影响,正极材料全线降价。钴价和锂价受累于供应端的快速增加,我们预计2019年整体呈现下跌走势,从而带动三元正极材料价格下行。

    受补贴政策推出时间影响,新能源汽车销量呈前低后高,一般每年Q4销量为全年单季度最大,电池装机量也是此趋势。考虑汽车销量季度性变化以及提前备货的影响,NCM、LFP正极材料同样呈现前低后高,下半年多为出货量放量时间点。

    正极材料技术路线和细分领域较多,我国正极材料市场整体集中度仍然相对分散。2017年我国正极材料CR5为32.5%,CR10为53.6%;2018年Q1-Q3我国正极材料CR5为35.7%,CR10为57.1%,市场集中度有所提升。

    三元材料竞争激烈,没有明显龙头,当升科技市占率提升明显。2017年我国三元材料CR5为49.7%,CR10为75.8%;2018年Q1-Q3国内三元材料CR5为47.2%,CR10为74.1%,市场集中度略有下降。其中当升科技、容百锂电、长远锂科市占率均超过10%,尤其是当升科技,在三元材料白热化竞争中能取得份额的提升实属不易。

    在中游四大材料中,三元正极材料竞争最为激烈,行业集中度最低。没有一家企业市占率超过15%,CR2、CR3、CR5、CR10等指标明显低于其他三大材料。

锂电中游材料行业集中度对比

数据来源:公开资料整理

    我们预计2018-2020年我国正极材料需求量分别为25.5、31和40.2万吨,其中三元材料仍将是市场最大需求产品,2018-2020年需求量分别为12.7、16.8和23.8万吨,三元材料市场份额分比为49.8%、54.2%和59.2%。主要原因有:(1)新能源汽车补贴政策高能量密度要求;(2)以磷酸铁锂为主的电池企业批量转型三元;(3)钴酸锂价格较高,消费电子企业为节省成本将逐步改用高镍三元材料。2019年宁德时代和比亚迪均计划推出NCM811电池,开启811新时代,由于811正极材料单价和毛利率均高于523/622,NCM811渗透率提升有望改善正极材料企业盈利状况。

我国正极材料需求预测

数据来源:公开资料整理

    分高镍三元渗透率偏悲观、偏中性、偏乐观三种情况对我国动力电池所需三元正极材料进行测算。按三元渗透率偏中性估计下,2018-2020年我国动力电池对应三元正极总需求分别为5.32、8.78和14.42万吨,其中高镍三元正极总需求分别为1.59、4.16和9.75万吨,高镍三元正极渗透率分别为29.94%、47.32%和67.58%。

我国动力电池对三元正极材料需求测算

我国动力电池对三元正极材料需求测算
年份
2017
2018E
2019E
2020E
2018E
2019E
2020E
2018E
2019E
2020E
我国动力电池需求(GWh)
36
53
75
108
53
75
108
53
75
108
我国三元电池需求(GWh)
16
31
52
88
31
52
88
31
52
88
三元电池占比(%)
45%
58%
69%
82%
58%
69%
82%
58%
69%
82%
三元电池中NCM333占比(%)
10%
3%
2%
0%
3%
2%
0%
3%
2%
0%
三元电池中NCM523占比(%)
80%
73%
58%
40%
65%
48%
30%
57%
38%
15%
三元电池中NCM622占比(%)
10%
20%
30%
40%
25%
35%
45%
30%
40%
50%
三元电池中NCM811占比(%)
0%
4%
10%
20%
7%
15%
25%
10%
20%
35%
1GWhNCM333电池对应三元正极需求(吨)
1890
1890
1890
1890
1890
1890
1890
1890
1890
1890
1GWhNCM523电池对应三元正极需求(吨)
1770
1770
1770
1770
1770
1770
1770
1770
1770
1770
1GWhNCM622电池对应三元正极需求(吨)
1660
1660
1660
1660
1660
1660
1660
1660
1660
1660
1GWhNCM811电池对应三元正极需求(吨)
1440
1440
1440
1440
1440
1440
1440
1440
1440
1440
NCM333电池对应三元正极需求(吨)
3066
1752
1971
0
1752
1971
0
1752
1971
0
NCM523电池对应三元正极需求(吨)
22972
39926
53534
62326
35550
44304
46745
31175
35074
23372
NCM622电池对应三元正极需求(吨)
2693
10259
25969
58453
12823
30297
65760
15388
34625
73066
NCM811电池对应三元正极需求(吨)
0
1780
7509
25353
3115
11264
31691
4450
15018
44368
动力电池对应三元正极总需求(吨)
28731
53717
88983
146132
53241
87836
144196
52765
86689
140807
动力电池对应高镍三元正极总需求(吨)
2693
12039
33478
83806
15938
41561
97451
19838
49644
117434
动力电池对应高镍三元渗透率(%)
9.37%
22.41%
37.62%
57.35%
29.94%
47.32%
67.58%
37.60%
57.27%
83.40%

数据来源:公开资料整理

    六、从发展时间和专利角度看三元正极材料

    国外锂电池公司商业化时间较早,具有比较明显的先发优势。国外动力电池三巨头:(1)松下于1994年开始研发可充电锂离子电池。1998年松下开始量产笔记本电脑专用的圆柱形锂离子电池,并建成了业内领先的锂离子电池生产线。2008年,松下与特斯拉首次展开合作,18650钴酸锂电池被特斯拉首款车型Roadster采纳。(2)LG化学于1998年正式开始研发锂离子电池;2009年,LG化学正式进入动力电池市场,与韩国现代起亚合作,首次将锂电池产品应用于商用混合动力车。(3)三星SDI于1999年开始进入锂离子电池领域;2008年,三星SDI和博世合资成立了动力电池公司SBLimotive,进军动力电池市场。总结来看,松下、LG化学和三星SDI于20世纪90年代即开始研发锂离子电池,并在2008-2009年相继进入动力电池市场,属于车用动力电池先行者。

    受益国外电池厂商起步早,其配套正极企业技术积累深厚,研发历史长,享有技术先发优势,尤其是在三元材料专利方面优势较为明显。最早的三元材料是日本电池株式会社于1997年9月9日申请的NiCoAl三元材料,其采用共沉淀法制备。之后,日本中央电气工业株式会社于1999年11月5日申请了共沉淀法制备阳离子掺杂的NiCoMn三元材料。2001年美国IIionTechnology公司申请了且优先权日为2000年9月14日的采用固相法制备NiCoMn三元材料的专利,从而使三元材料的制备方法从共沉淀法扩展到固相法。随后,开始出现原子掺杂改性三元材料的专利申请,如2000年12月11日申请的F原子掺杂改性,之后原子掺杂也发展迅速,成为改性三元材料的重要手段。2005年11月15日3M公司获得的、优先权日为2001年4月27日的关于NiCoMn三元材料授权的美国专利US6964828B2及其同族专利CN100403585C等,其主要限定了进一步提高三元材料的电化学性能、安全性能等。其后针对三元材料的改性方面的专利申请也开始逐渐增加。

    目前三元正极材料两大核心基础专利主要来自3M公司和美国阿贡国家实验室。美国3M公司和ANL均在2001年申请了三元材料的相关专利,但两者的侧重点并不一致。国际锂电池界普遍认为化学计量比的常规三元材料NCM专利(首次提出了组合物具有通式Li(NiyCo1-2yMny)O2,其中0.083<y<0.5)由美国3M公司拥有,而层状富锂高锰材料专利则是美国阿贡实验室申请的。一般而言,业内普遍认为3M的专利更具实际产业价值,因此大多数企业都是向3M购买三元材料专利授权。

三元正极材料两大核心基础专利情况

三元正极材料两大核心基础专利情况
专利拥有者
专利类型
授权企业
美国阿贡国家实验室
层状富锂高锰材料专利
巴斯夫、户田工业和LG
3M
化学计量比的常规三元材料NCM专利
LG、松下、三星等主流电池企业优美科、L&F、SK、湖南瑞翔和北大先行在内的数家主流正极材料企业

数据来源:公开资料整理

    国外三元材料的专利申请起步较早。在1990-1999年处于缓慢起步阶段,在2000-2009年处于平稳增长期,在此期间专利申请量的幅度波动不大;在2009-2013年间,申请量出现了飞跃,进入快速发展阶段。日本和韩国的企业,如丰田、三星、清美、三洋等早在2000年以前就有关于三元材料的相关研发,起步早,三星早在1997年就有关于三元材料的相关专利申请,并且随着年份的推进,丰田、LG、三星和ASAHI旭金属的申请量稳中有升,研发结构配臵合理。比如LG从2005年开始大规模的出现关于三元材料的专利申请,每年都有多项专利申请,说明其关于三元材料正在网络式布局。

    相对于全球三元材料的发展趋势,我国的三元专利布局较晚,与我国动力电池开发转向三元电池密切相关。动力电池技术一路发展而来,核心是正极材料的开发。我国动力电池开发历程:2001-2005年是钴酸锂和锰酸锂动力电池开发,2006-2008年是锰酸锂和磷酸铁锂电池开发,2008-2010年是能量型功率型电池开发并进的状态,2010年以后基本以三元电池的开发为主。与技术路线相对应,我国三元材料专利申请量在1996-2008年期间发展相对缓慢,与全球专利的申请趋势相比,发展相对滞后。2009-2013年期间,由于磷酸铁锂的能量密度已经不能满足日渐发展的电动车的需求,受全球三元材料市场的影响,我国三元材料的专利申请量进入快速增长阶段。同时发现2009-2013年间,相比于国内申请量的大幅增加,国外来华的申请量并没有出现大幅度增加,其中可能与国外申请人在三元材料的安全性问题上还没有得到有效突破有关,因此,新的核心基础专利并没有出现,在我国相应的布局还没有完全展开。2013年之后由于部分专利尚未公开,统计数量略有下降。与国外企业相比,国内企业在三元材料上并没有掌握核心专利,且由于日韩企业、3M公司等国外重要申请人布局早,同时掌握核心专利,国内申请人在三元材料上的专利申请基本都是外围申请,且方法类专利申请偏多。

    三元材料主要存在的问题包括:(1)循环性能不高:主要由于随着Ni含量增加,在充放电过程中发生多次相变;(2)产气现象较严重,安全性不高:主要由于三元材料表面碳酸锂和氢氧化锂的存在与电解液发生反应产生气体;(3)相对于锰酸锂和磷酸铁锂,三元材料成本较高;(4)倍率性能和首次充放电性能不高等。目前,解决上述问题的主要手段有原子掺杂、表面包覆、与其它种类活性材料混用、改进制备方法等手段。在改性手段方面,掺杂和包覆的改性方法在三元材料的专利申请中占据绝对主流地位,将不同种类正极材料复合或混用以实现功能互补也有一定的申请量。

三元材料技术功效专利数量图

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    七、从产能角度看三元正极材料

    全球正极材料生产主要集中在中、日、韩三国,2017年我国全球市占率达到66%。日韩厂商占据大部分高端产品市场,比利时优美科,韩国L&F,日本日亚化学、户田工业、住友,德国巴斯夫是国际上主要的三元材料生产厂家。松下、三星SDI、LG化学等电池企业均拥有部分自有产能。现阶段各大正极厂商均推出较大规模的扩产计划,应对快速增加的正极需求。

主流正极公司扩产计划

主流正极公司扩产计划
公司
扩产计划
优美科
在韩国的天安市及中国的江门市投资4.6亿欧元,计划至2020年整体产能与2015年相比得到6倍的增长,预计2021年产能将达到17.5万吨。
巴斯夫
将其和日本户田成立的巴斯夫户田电池材料有限责任公司(BTBM)在日本的小野田生产基地的高镍正极活性材料的1.8万吨产能提高三倍。
住友金属
NCA材料目前产能已达4550吨/月,NCM产能50-60吨/月;2020年,NCM将提升至2000吨/月,镍氢电池正极材料产能400-500吨/月。
当升科技
1、江苏当升三期建设1.8万吨高镍三元材料产能,计划分别于2019、2020年投产;2、计划投资30亿元,在常州金坛扩建年产5万吨高镍正极材料产能,预计将于2023年前分批投产;远期规划年产能10万吨。
杉杉股份
启动10万吨高能量密度锂电正极材料扩产项目,规划于2025年底前分期完成;一期计划于2020年12月31日前完成,一期项目总产能设计为2万吨/年;一期第一阶段计划于2018年底前建成并试产设计综合产能为1万吨/年。
容百锂电
1、年产10万吨锂电正极材料项目落户贵州遵义;2、2025动力型锂电材料综合基地项目签约余姚市,总投资121亿元。项目建成后,产能规模可达到正极材料年产10万吨、前驱体年产20万吨、资源再生年产10万吨。项目分为三期建设,总周期为73个月,预计到2025年12月全部建成。
格林美
荆门格林美将与永青科技成立合资公司,将在宁德市福安市湾坞镇投资18.5亿元,建设年产5万吨动力三元材料用前驱体原料和2万吨三元正极材料项目。
长远锂科
在铜官基地,即前驱体工厂旁边,扩建新的2万吨智能化、全自动高镍NCM/NCA车间,2018年底将投入使用;2019年将达到30000吨/年前驱体、45000吨/年的正极材料产能,2022年将达到115000吨/年的正极材料总产能。
厦门钨业
宁德年产2万吨车用动力锂离子正极材料项目,预计将于2019年投产。

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    目前我国正极材料企业主要有三种情况:(1)原主营业务为正极的企业,如杉杉股份、当升科技;(2)采用前向一体化战略的上游资源类企业,向正极延伸产业链,如华友钴业;(3)采用后向一体化战略的下游电池企业,布局三元正极着力降本提效,如比亚迪、CATL、国轩高科。随着高镍三元材料渗透率以及技术门槛的提升,少数具备量产技术的龙头企业市场份额有望提升,国内正极材料分散竞争格局有望得以改善,工艺技术水平过硬、成本管控优异的正极企业有望“杀出重围”。受新能源汽车快速发展带来的动力电池材料产业确定性机会影响,资本大量涌入,正极行业持续扩产,尤其是2015年后加码NCM正极材料,NCM产能占比随之提升。2016年后随着新建产能逐步投产,正极行业整体呈现产能过剩,产能利用率呈下降趋势。

    目前NCM811电池导入呈现“外冷内热”,国内高镍正极材料扩产力度会比较大。国际动力电池企业NCM811导入“遇冷”,受国家新能源补贴政策对高能量密度、长续航里程的鼓励所影响,国内动力电池企业龙头加速布局高镍三元电池,宁德时代和比亚迪均表示将在2019年量产NCM811动力电池。

国内外电池企业NCM811/NCA进展

国内外电池企业NCM811/NCA进展
 -
厂商
进展
海外厂商
LG化学
在电动巴士领域使用圆柱形NCM811电池;未来将会发展NCM712或NCMA(向NCM添加氧化铝)。
三星SDI
只在小型电池中使用NCM811,对于动力电池领域,2018年三星SDI供给宝马i3和i8的电池是NCM622电池,2021年后使用NCM811电池。
SKI
原计划2018年8月开始批量生产用于电动汽车的NCM811电池。目前SKI宣布推迟量产NCM811电池的计划。
特斯拉/松下
Model3动力电池能量密度全市场最高,NCA正极钴含量已经低于其他电池生产商即将生产的下一代产品(NCM811)。
国内厂商
比亚迪
2019年下半年NCM811动力电池将会投入使用。
宁德时代
2019年将会量产NCM811动力电池。
比克电池
2017年成功量产动力型高镍811并逐步导入新能源乘用车企,已成功应用于江淮、上汽大通、北汽新能源、小鹏、云度等品牌车型,车型均已入围新能源推荐目录。公司下一步4.8Ah21700圆柱电池开始小批量试样,未来将推出5Ah产品。
鹏辉能源
公司2.8Ah与3.0Ah圆柱18650电池已经开始使用811材料,并于2017年8月份开始量产,并供给相关整车厂测试认证。
力神
2018年上半年,天津力神突破正负极材料研发技术,成功研发的811电芯单体比能量达到302Wh/kg动力型NCM811电池配套的相关车型已成功进入的推荐目录,车型上市在即。
国轩高科
已开发出三元811软包电芯,能量密度可达到302Wh/kg,公司已开始建设相关产品中试线,计划2019年开始建设产线。
天力锂能
公司研发的811三元材料和NCA产品已进入中试阶段,已在相关车企送样送检。
天劲股份
NCM811软包电池已经通过国家强检认证。
邀优动力
NCM811软包电池已经通过国家强检认证。
多氟多
正在研发NCM811+硅碳负极的新一代高比能动力电池,预计将于2018年实现量产

数据来源:公开资料整理

我国NCM811/NCA正极材料进展

我国NCM811/NCA正极材料进展
正极材料企业
产品进度
容百锂电
国内811最早量产的企业,2016年下半年NCM811已经开始小规模量产,到2017年12月产量达500吨/月。按照容百锂电最新规划,2018年Q3每月NCM811产能达1000吨/月;2019年将提升到2000-3000吨/月。
杉杉股份
高镍三元正极材料产能7200吨。
当升科技
已实现811正极材料量产,现有NCM811产能4000吨,在建海门三期NCM811/NCA设计产能1.8万吨。规划中的常州金坛首期NCM811/NCA设计产能5万吨。
天津巴莫
2017年下半年NCM811开始量产,产能5000吨,已向国际大客户批量供货。
贝特瑞
NCM811/NCA产能3000吨,常州金坛NCM811/NCA1.5万吨产线在安装调试阶段。
厦门钨业
2018年年中811正极材料实现吨级量产,产品正在中试。
桑顿新能源
2018年将建成811和NCA产能8000吨生产线。
广州锂宝
2017年四季度811/NCA已出样品,供客户测试阶段。
长远锂科
2017年下半年NCA已量产并投市场.

数据来源:公开资料整理

    布局上游资源,减少资源涨跌对盈利能力的影响。正极材料价格与上游锂钴镍价格有比较密切的关联,为保证原材料稳定供应,抢占资源话语权,减少资源涨跌对盈利能力的影响,正极材料企业纷纷向上游资源进行布局。主要有电池回收资源、控制/间接控制矿产冶炼和签订战略合作协议等方式。

全球部分正极材料企业上游资源来源

全球部分正极材料企业上游资源来源
公司
上游资源部分来源
优美科
退役动力电池的材料循环回收
巴斯夫
芬兰哈尔亚瓦尔塔正极材料基地毗邻其供应商诺镍公司的镍、钴精炼厂附近,镍、钴等原材料由诺镍来供应。
住友金属
1、在矿山布局、开采技术上正在积极加大投入。其在所罗门群岛、印尼等地开发新的镍矿,同时还在通过深度精炼镍矿来提取钴资源。2、将在印度尼西亚投资超过2000亿日元建设镍矿石冶炼厂。选址在印尼苏拉威西岛东南部的Pomalaa地区,将利用该国生产的镍矿石制造锂离子电池的中间原料,年产量目标为4万吨。
ECOPRO
1、ECOPRO在2019年到2023年期间,从格林美总计采购17万吨高镍NCA三元前驱体,其中2019年1.6万吨,2020年2.4万吨,2021年4万吨,另行协商2022--2023年的年度采购量。2、格林美向ECOPRO供应氢氧化镍原料并共享氢氧化钴及氢氧化镍到硫酸盐的工程技术。3、ECOPRO和格林美共同推进在韩国的钴粉工厂及碱式碳酸镍工厂建设。
当升科技
1、与澳大利亚上市公司CleanTeQHoldingsLimited的全资子公司Scandium21PtyLtd签署了《产品承购协议》,Scandium21将在Syerston镍钴项目正式投产后向当升科技持续提供5年该项目出产的硫酸镍、硫酸钴产品用于生产锂电正极材料,且每年供应量占该项目计划产量的约20%。2、与鹏欣资源签署了《战略合作框架协议》,鹏欣资源将同意刚果(金)SMCO生产量30%的初级氢氧化钴提供给当升科技生产所需钴原料,供货期为从第一船货提单日起5年,为公司在钴原料方面提供保障和支持。鹏欣资源在刚果(金)希图鲁矿区建设的年产7000吨钴金属量的氢氧化钴生产线项目分两期,其中一期3000吨/年,二期增至7000吨/年。3、当升科技控股股东北京矿业集团与金川集团签署《战略合作框架协议》,加强矿产资源合作。
杉杉股份
杉杉股份持有洛阳钼业2.18%股份,并与洛阳钼业就Tenke钴产品的采购与销售事宜进行战略合作
格林美
1、退役动力电池的材料循环回收;2、与嘉能可签署动力电池用钴原料战略采购协议;3、联合青山实业、邦普循环、印尼摩洛哇丽工业园(IMIP)、日本阪和兴业株式会社在印尼成立合资公司,打造镍资料来源:新时代证券研究所资源产业链。

数据来源:公开资料整理

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