聊一聊动力电池正极材料

　　锂离子电池充放电的核心是锂离子的嵌入和脱嵌。充电时，正极产生的锂离子通过电解液跨越隔膜运动到负极，碳素作为负极材料呈层状结构并伴有很多微孔，当锂离子运动到负极之后就会嵌入微孔之中，嵌入的锂离子越多代表电池充电容量越高。放电时，嵌入的锂离子脱出并运动回正极，此时回正极的锂离子越多代表电池放电容量越高。
　　正极是动力电池中价值量最大的材料，占比45-60%，动力电池使用的正极材料主要有磷酸铁锂（LFP）、三元材料（NCA、NCM）。磷酸铁锂价格低廉、环境友好、较安全、结构稳定、循环性能好，但能量密度较低、低温性能较差。三元材料的能量密度更高、续航里程更长，但安全性较差，坚持不到300℃就会分解氧分子，遇到可燃物（如电解液、碳材料）后爆燃。相比之下，磷酸铁锂可以坚持到700-800℃，理论寿命7-8年。
　　1，市场规模
　　2021年，中国锂离子电池正极材料出货量为109.4万吨，同比98.5%。其中磷酸铁锂出货量45.5万吨，占比41.6%，三元材料出货量42.2万吨，占比38.6%，由于CTP技术、刀片电池及储能的发展，磷酸铁锂出货量反超三元正极材料，形成对中低镍三元材料的替代。GGII预测，到2025年中国正极材料出货量将达471万吨，头豹预计，2025年市场规模1395.2亿元，其中三元材料因为价值量大，市场规模1220亿元，磷酸铁锂175.2亿元。 2，行业格局
　　磷酸铁锂和三元材料的格局呈现较大差异。磷酸铁锂格局较好，CR2＞45%。
　　但相比之下，三元材料的格局较为分散。2021年中国三元材料出货量占全球58.77%，以NCM（镍钴锰）为主，日本三元材料以NCA（镍钴铝）为主，韩国则兼有NCM和NCA。
　　3，供需状况
　　磷酸铁锂扩产周期在6-10个月，2022年，磷酸铁锂正极材料主要生产企业产能将达到162.65万吨，根据各企业产能规划，2025年磷酸铁锂正极材料产能将超过417.75万吨。按产能计算，2025年Top3分别是湖南裕能（89.3万吨）、德方纳米（78.5万吨）、龙蟠科技（61.75万吨）。
　　1万吨三元正极材料产线建设时间约为1-1.5年， 不存在产能投产的核心限制因素 。2022年，三元正极材料主要生产企业产能将达到97.66万吨，根据各企业产能规划，2025年三元正极材料产能将超过195.91万吨，从产能上看，2025年Top3分别是容百科技（60万吨）、天津巴莫（40万吨）、当升科技（21.11万吨）。
　　正极材料需求量（万吨）=动力电池（GWh）*比例，这个比例，磷酸铁锂为22-25%，三元材料为15-20%。
　　在《动力电池隔膜，价值较高的投资方向》中，我们预测2025年动力电池总需求是2200GWh，其中磷酸铁锂占60%，则磷酸铁锂、三元材料的占比分别为：1320GWh、880GWh。
　　磷酸铁锂需求量=1320GWh*22%=290.4万吨。
　　三元材料需求量=880GWh*15%=132万吨。
　　照这个数据来看，2025年，磷酸铁锂供给417.75万吨＞需求290.4万吨，三元材料供给195.91万吨＞需求132万吨。整个市场是供过于求的。
　　华金一篇德方纳米的报告里对磷酸铁锂进行了测算，数量级上和我的测算是接近的，结论就是磷酸铁锂产能过剩的概率很大。
　　各券商对需求的测算差异较大，大多落在2000-2500GWh之间，也有30%的预测值是1100+GWh，这就是成长性行业的一个问题，那就是对未来需求的预测充满不确定性。大多数分析师习惯线性推演，但这就造成一个问题：增速放缓是大概率事件，线性推演造成的结果往往是高位接盘，但人类就是容易过度乐观（也容易过度悲观）。 4，产业链
　　产业链的痛点在于上游的资源。截至2020年底，全球锂矿储量12828万吨，主要分布在智利41.06％、澳大利亚14.34％、阿根廷13.20%、中国6.31%及美国4.44%。
　　中国镍资源较为匮乏，对外依存度高达86%，需大量进口。截至2020年底全球镍矿储量9063万吨，主要分布在印度尼西亚、澳大利亚、俄罗斯、古巴、巴西、加拿大和菲律宾等国家。中国镍储量398万吨，占全球4.39％。
　　钴方面，全球探明钴矿储量760万吨，钴矿资源分布极度不均，刚果(金)、澳大利亚等国最为富集，其中刚果(金)的钴矿资源储量占到全球总量的比重接近一半，而中国的钴矿资源储量占比仅有1%左右。
　　中国是锰第五大生产国，2020年，中国锰产量130万吨，但供不应求。
　　正极材料成本占锂电池总成本比例最大。正极材料成本下降是电池降本增效的关键，是进一步提高电动车渗透率的关键。
　　5，磷酸铁锂的发展趋势
　　磷酸铁锂的升级方向：磷酸锰铁锂（LMFP）
　　电池能量密度=电池容量*电压平台/重量，磷酸铁锂电池的理论克容量为170mAh/g，目前几乎已经到达极限，因此提高电压平台是提高能量密度的决定性因素。磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂的基础上掺杂一定比例的锰，锰的高电压特性使得磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具备更高的电压平台，由此打破目前电池能量密度上限，能量密度可以高出15%左右，且保留了磷酸铁锂电芯的安全性及低成本特性（成本仅为NCM523的一半）。磷酸锰铁锂制备工艺与现有磷酸铁锂生产体系区别不大，主要需要通过包覆、掺杂、纳米化等改性技术来解决其电导率较低的问题，两者成本差异也在可接受范围之内，预计2023年开始量产。 德方纳米 在LMFP方面布局较早，且其液相法工艺能有效提供LMFP电池的循环性能。 6，三元材料的发展趋势
　　高电压化、高镍化、单晶化。前两者是为了提高能量密度，而单晶化是为了提高循环性能。
　　趋势之一：高镍三元，通过增加镍的比重，减少钴的比重，来提高能量密度，同时降低成本。目前从技术角度而言，可以实现LFP电芯能量密度超过180Wh/kg，已接近铁锂材料体系能量密度的理论上限，进一步结构优化的空间非常有限。相比之下，三元8系电池量产能量密度已经达到270Wh/kg以上，超高镍+硅碳已经突破360Wh/kg，因此能量密度的进一步提升还需看三元材料。
　　2020年，NCM5系占比54.1%，但2019年占比达61.%，开始淡出市场；8系占比从11%提高到21.4%，6系也从18.5%提高到19.1%，高镍化趋势明显。由于磷酸铁锂更具性价比，能量密度接近中低镍三元材料，因此三元电池往高镍发展更具确定性，且三元材料相较于其他正极材料技术壁垒更高，不仅需要较高的研发技术门槛，还需要更高效稳定的工程技术能力及更精细的生产管理水平。
　　容百在高镍的市占率34%，巴莫科技23%，CR2＞50%，虽然正极材料总体上格局分散， 但从高镍的方向上看，容百科技更值得关注 。高镍技术存在壁垒，且是较为确定的发展趋势，如果容百科技能先行建立壁垒，那么三元材料的竞争格局有望优化。
　　趋势之二：高电压化。前面提到：电池能量密度=电池容量*电压平台/重量，在电池容量提高有限的情况下，提高电压平台可以增加能量密度。
　　提高正极材料的高电压性能，常用的方法主要分为两类：包覆（氧化铝等）、掺杂（Mg、Al）。另外，在高电压体系下，单晶材料的性能表现要好于多晶。多晶材料在高电压充放电后，容易出现材料粉化，并且性能衰减更快等。
　　趋势之三：单晶化。一般多晶材料是以微米级别的团聚体形式存在，团聚体内部存在大量晶界。在电池充放电过程中，由于各向异性的晶格变化，多晶材料容易出现晶界开裂，导致二次颗粒发生破碎，从而导致副反应快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。采用单晶颗粒，可以减少晶界，减少副反应的发生，还能提高压实密度。
　　从2021年国内单晶材料出货量情况来看，处于领先地位的企业有振华新材、长远锂科和厦钨新能等。
　　高镍+高电压难以兼得，高镍三元材料在高电压体系下，不仅仅只是晶体结构的表面性能发生恶化，甚至晶体内部的结构也会发生恶化，所以目前存在两个发展路线：中镍+高电压、高镍+常规电压。
　　NCM6系+常规电压，正极能量密度仅669.6Wh/kg，但如果加上高压技术，能量密度可接近8系水平。从热稳定性指标上来看，中镍高电压产品一般好于高镍。622充电电压到4.5V，热分解温度比811高，放热量比811小。
　　从能量密度的角度看，中镍高电压正极材料可达到684Wh/kg的能量密度，8系电池可达到688Wh/kg，中镍高电压和8系并不能有效拉开能量密度差距，而超高镍9系能够实现750Wh/kg的能量密度，较当前8系和中镍高电压的体系有显著提升，所以突破能量密度瓶颈还得看三元材料。