高镍三元材料风口，能否给镍消费带来实质性利好
一、锂离子动力电池的发展历史
20世纪以来，碳排放问题成为各国环境保护工作的重点。 以汽车为主的交通运输行业率先被提上节能减排议程，新能源汽车发展开始加速。 2016年以来，欧洲各国陆续开始提出严格的“禁烧”措施，给本就火热的新能源汽车市场又注入了催化剂。 因此，从长远来看，新能源汽车的发展是毫无疑问的。 燃油汽车和新能源汽车最大的区别就是动力来源不同。 电池动力系统作为不同类型电动汽车差异化竞争的核心部分，约占新能源汽车整个成本结构的30%-50%。 ，重要性不言而喻。
1.1 市场为何选择锂离子电池？
目前，市场上大多数新能源汽车使用的主要动力电池是锂离子电池（Li-ion）。 与其他传统电池相比，锂离子电池具有以下比较优势：
1、工作电压高：商品化锂电池的额定电压一般可以达到3.6V左右，几乎是传统镍氢电池工作电压的三倍。
2、能量密度高：质量比容量和体积比容量大，中型的体积比容量和质量比容量可分别超过620 Wh L-1和250 Wh kg-1。
3、工作寿命长：采用层状含锂化合物作为电池正极材料，两个电极之间Li+的来回脱嵌发生较好，对电池材料的结构影响很小，使得电池可充放电次数高达数千次，具有非常好的使用寿命。
4、自放电率低：锂离子电池前几次充放电可在材料界面形成EIS膜，削弱电池的自放电率，月放电率<10%。
5、环保：电池的正负极材料一般采用毒性较小的原料合成，对环境污染较小；
6、无记忆效应：电池可多次充放电。
7、工作温度范围宽：目前的锂离子电池可以在20~45℃内正常工作，新的研究有望进一步拓宽工作温度范围。
1.2 锂离子电池由哪些部件组成？
锂离子电池一般由正极、隔膜、电解液、负极和电池壳五部分组成。
正极：电池的放电比容量主要由正极材料决定。 正极材料一般包括锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、磷酸铁锂或镍钴锰酸锂三元材料。 正极材料涂覆在集流体上，厚度为10-20μm，材料为铝箔；
负极：是电池中电位较低的一端。 负极材料目前主要有石墨、氮化物、碳基材料、锡基材料等。负极材料涂覆在集流体上，厚度为7-15μm，材料为铜箔；
隔膜：隔膜是锂离子电池内部的主要部件之一。 它防止两个电极接触并造成短路，并允许电解质离子在两个电极之间来回通过。 目前的材料主要有微孔聚丙烯和聚乙烯或两者的组合；
电解质：电解质是在电池中来回传输锂离子的介质。 液体电解质主要由有机电解质和电解质锂盐组成。
外壳：一般为钢壳和铝壳。
1.3 锂离子电池的工作原理是什么？
在电池充电过程中，正极中的含锂化合物发生变化。 锂失去电子并变成锂离子（Li+）。 锂离子从正极材料中释放出来。 填充在两个电极之间的电解质充当交叉介质，使锂离子能够从正极逸出。 向负极移动，最终嵌入电池另一端的负极材料中。 此时负极材料处于富锂状态。 与此同时，电池外电路中的电子也从正极转移到负极。 外电路中的电子跑到负极后，材料中的Li+被还原成Li。 整个电池系统始终处于充电平衡状态。 电池的放电过程与充电反应过程正好相反。 在正常的充放电过程中，锂离子在嵌入和脱嵌过程中一般不会破坏其晶格参数和化学结构。 理论上，整个过程是一个高度可逆的化学反应和物理传导过程。 因此，锂离子电池也被称为“摇椅电池”。
1.4 市场上常见的锂离子电池有哪些？
锂离子电池的活性储能材料是正极材料和负极材料。 电池系统的能量密度主要取决于正负极材料本身的能量密度和匹配。 对于正极来说，提高放电电压和放电容量就意味着增加能量。 对于负极材料来说，增加密度的有效方法是增加容量并降低平均脱锂电压。 自商业化使用以来，其负极材料大部分都是碳材料，其中最常见的是石墨。 然而，相比之下，正极材料的选择范围却多种多样。 随着全球对新能源汽车的追求，追求更强的蓄电能力、更大的能量密度、更长的使用寿命成为各大动力电池厂商的目标，带动了市场正极材料的研发。 发展蓬勃发展。
目前，市场上主流新能源汽车采用的锂离子电池正极材料有以下几类：
1.钴酸锂()
钴酸锂是最早商业化的锂离子正极材料。 由于其制备方法可以让厂家在短时间内完成生产，适合行业进步，因此是最早商业化的正极材料。 但由于其比容量低，钴资源少，价格高，且钴有毒，限制了钴酸锂的发展。
2、锰酸锂
锂锰氧化物主要有锂和锰氧化物两种，但由于①在充放电过程中会逐渐从层状结构转变为尖晶石结构，造成容量衰减，放电比容量不高②材料在电解过程中与电解液相互作用相容性不好，在充放电过程中材料会溶解在电解液中。 此外，材料还会发生晶格变化和詹恩效应，导致电池容量迅速衰减。 因此，应用成本较高。
3、镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）
由于锰在充放电循环过程中不会改变其价态，因此起到稳定结构的作用。 LiNi0.5Mn1.5O4的高电压可以带来更高的能量，但同时也加剧了电极材料与电解液之间的相互作用。 反应的发生导致其耐高温性能较差。
4.磷酸铁锂()
磷酸铁锂材料的原因是：①制造技术相对成熟，成本较低； ②结构稳定，充放电循环过程中结构变化很小； ③热稳定性好，高温下循环能力好； ④丰富的原材料资源； ⑤ 环保、无毒、环保 ⑥ 容量稳定，充放电平台长，充放电性能好； 市场应用广泛，目前多用于公共交通领域。
但它也存在一些制约其发展的缺点：①电子电导率低，锂离子扩散系数小，限制了其大电流充放电能力； ②高温烧结过程中，氧化铁在还原性气氛中易被还原为单质物质铁，造成电池短路； ③磷酸铁锂堆积密度较低，目前商品化产品的振实密度仅为1.0-1.2g·cm-3左右，导致体积比容量较低。
5、三元材料（Li-Ni-Co-Mn-O）
近年来非常流行的三元正极材料可以扩展到不同的三元正极材料，因为它们可以用不同比例的Ni、Co和Mn来制备。 不同类型的材料有不同的优缺点，可以根据不同的需要进行配制。 三种元素的比例很快成为研究人员深入研究的课题。
三元材料中的三要素各有分工：
①Ni：随着镍含量的增加，材料的放电比容量也增加。 然而，由于Li+和Ni2+的离子半径相似，过量的Ni2+会与Li+发生位错，导致锂和镍的混合排列。 镍离子占据锂层越多，脱嵌和嵌入锂离子就越困难。 材料的电化学性能变差；
②Co：钴可以减少材料中的混合阳离子占据，稳定材料的层状结构，降低阻抗值，增加导电率，提高循环性能和倍率性能；
④Mn：锰在材料中保持+4价，可以提高材料的稳定性和安全性能。 但如果锰含量过高，材料容易转变为尖晶石结构，从而破坏原有的层状结构，导致材料容量降低、循环性能变差。
镍钴锰三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂的优点，形成//三相共晶体系，其综合性能优于任何单一组合化合物。 三效协同效应明显。 三元材料具有比容量高、成本低、环境友好、热稳定性高、安全性好等优点，具有广阔的市场前景。 近年来，随着三元材料技术的逐渐成熟和新能源汽车的快速发展，在动力锂电池领域占据了重要的市场份额，在消费类锂电池中也开始慢慢取代钴酸锂市场。
2、新能源汽车推动三元正极材料发展
全球多数国家将提前禁止燃油汽车销售。 其中，挪威、荷兰、英国、法国、葡萄牙、日本最新燃油车禁售年份分别为2025年、2030年、2040年、2040年、2040年、2050年。 中美德三国尚未宣布全国禁售燃油汽车，但都有计划：2019年8月，中国工信部发布《关于国家工信部第7936号建议的答复》十三届全国人大二次会议指出，今后将因地制宜、分类施策，支持有条件的地方、领域开展城市公交车租赁替代、设置禁行区等试点用于燃油车辆； 2018年，美国加州民主党众议员提出2040年实施零排放倡议； 德国联邦参议院也在2016年进行过投票，决定从2030年起禁止在欧盟销售汽油或柴油动力汽车，但一直没有后续行动。
新能源汽车长期增长趋势已经确立。 从各国新能源汽车发展规划来看，欧盟预计2030年新能源汽车销量占汽车总销量的35%，中国预计2025年这一数值将达到25%，日本预计将达到20% 2030年-30%。虽然美国加州电动化转型较为活跃，但其规划显示，2025年加州新能源汽车销量仅占汽车总销量的15%，略低于其他国家或地区。
2019年全球新能源汽车产量221万辆，同比增长15%； 我国生产汽车124万辆，主要是受去年补贴政策减少的影响，下半年出现大幅下滑。 中国工信部预计，到2025年，我国新能源汽车销量将占汽车总销量的25%以上。 根据全球主要车企发布的新能源汽车发展战略报告，预计2023年全球年产量将突破880万辆，复合年增长率约为35.8%。
2.1 为什么选择三元正极材料？
汽车动力电池的能量密度要求逐年提高。 2009年以来，国内新能源汽车相关政策对整车技术指标提出了相关要求。 最初的政策仅对新能源汽车的电池容量和续驶里程提出了要求。 但从2017年开始，相关政策逐渐开始对新能源汽车动力系统的能量密度和能耗标准提出具体要求，门槛也逐渐提高。 其中，能量密度是新能源汽车技术指标政策的重中之重。 。
从上表可以看出，2016年以来国内补贴政策对新能源汽车能量密度要求逐年提高，只有三元正极材料才能满足提高能量密度的高标准。 因此，即使在与磷酸铁锂电池的竞争中，三元锂电池在安全性和稳定性方面略显逊色，但其确实具有其他电池无法比拟的电池能量密度、材料成本、续航里程等优势。
三元电池仍然是推荐车型目录中的主流。 虽然今年新能源汽车补贴政策并没有继续升级动力电池的能量密度要求。 不过，从工信部5月19日发布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录（2020年第六批）》的统计数据中，我们可以看到初步的线索。汽车车型共包括124家企业1815款车型，其中纯电动产品119家企业1619款，插电式混合动力产品29家企业130款，燃料电池产品17家企业66款。 模型。 其中，三元电池仍是市场主流，支持274款车型，占比86%； 磷酸铁锂电池型号有35个，占比11%； 锂离子电池型号有10种，未标注类型。
240款纯电动车型中，系统能量密度普遍在140wh/kg以上，最高超过180wh/kg； 续航里程在300公里以上，最长可达706公里。 其中，系统能量密度超过160wh/kg的车型有136款，占比57%； 系统能量密度在160wh/kg以下的车型有104款，占比43%； 系统能量密度低于140wh/kg的车型仅有26款，占比11%。 从材料体系来看，160wh/kg以上的电池均为三元电池，而磷酸铁锂电池体系能量密度普遍在140wh/kg以下，最低也仅为89wh/kg。 确定三元动力电池将成为未来主流发展趋势。
2.2 三元正极材料为何出现高镍含量趋势？
高镍含量可以提高动力电池的能量密度。 根据前面介绍的三元材料中不同金属元素的不同作用，可以得出，随着镍含量的增加，三元材料的放电比容量也会增加，从而提高动力电池的能量密度，有效提高电池的能量密度。三元材料的电容量。 汽车的续航里程和汽车电池的重量均得到同等程度的降低。 在同等水平下，具有生产成本低、产能高、数量大的优势。
钴金属价格昂贵且有毒。 三元材料中钴的比例过高将导致三元材料的制造成本增加，挤压三元前驱体生产商和正极材料生产商的利润空间。 高镍化将导致材料中镍元素替代钴元素，减少钴的使用比例，符合制造商降低成本的需求。
综上所述，三元材料的高镍含量符合国内补贴政策青睐高能量密度、长续航里程的新能源汽车的趋势，以及厂商降低成本的要求。 因此，尽管高镍含量三元材料的生产和实际应用技术难度较大，但仍然是市场主流动力电池厂商的重点领域。
2.3 三元正极材料的渗透率提高
三元电池在国内市场的渗透率已达到50%以上。 2019年，我国动力电池装机总量达到62.37GWh，同比2018年增长9.5%。其中三元动力电池装机量38.75GWh，同比增长26.22%，磷酸铁锂电池装机量19.98GWh，同比下降7.37%。 三元动力电池渗透率从2016年的27.2%提升至去年的56.3%。
从生产结构来看，高镍化趋势逐渐凸显。 2019年三元材料523占比56%，较2018年下降5.8%； 622人占比23.2%，较2018年下降1.7个百分点； 高镍811占比14.2%，相比2018年占比有了较大提升。
3、硫酸镍消费量逐年增加，但绝对消费比例仍然不高。
国内硫酸镍约50%用于新能源汽车的生产。 自2014年以来，硫酸镍的消费量大幅增长，复合年增长率为20%。 大部分增长来自于电动汽车动力电池所用的三元电池行业。
硫酸镍的产品分类包括电镀级和电池级。 电池级硫酸镍主要用于生产三元材料电池。 硫酸镍分为无水、六水和七水三种。 市场上的大多数产品都是六水合物，有两种变体：α型和β型。 前者为蓝色四方晶体，后者为绿色单斜晶体。 不同的三元正极材料，其镍含量比例差异较大。 目前，市场上最常用的三元材料主要是镍和镍。
据SMM数据显示，今年1-6月，我国三元材料总产量7万吨，同比下降36.3%，2019年下半年环比下降15.8%这主要是受新型冠状病毒疫情影响，导致一季度大量停产、减产。 国内汽车行业也受到较大影响，普遍购买情绪不高。 但国外疫情并未受到影响和控制，导致海外车企停产。 因此，总体来看，今年三元电池产量同比将略有下降。 但新能源汽车的趋势依然没有改变。 根据SMM统计的国内三元电池龙头企业的生产计划，预计到2022年我国三元材料产能将达到80万吨，产能利用率约为50%。
未来三年，新能源汽车趋势难以给镍消费带来实质性利好。 2020-2022年，三元电池行业硫酸镍用量约为29万吨、39万吨、69万吨，对应镍含量为6万吨、9万吨、15万吨，占比10%。占国内炼油的%。 镍消耗量为5%。
参考
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2.韩斌。 锂电池三元正极材料最新研究进展[J]. 电源技术。 2020.2，第44卷第2期：285-290。
3.张连伟。 三元材料专题报道：从工艺、成本、供需角度看三元材料高镍趋势[R]. 山西证券..
4.徐若虚，王宏伟。 高镍三元正极材料大势将受益于新能源汽车需求，锂、钴、硫酸镍龙头将全面受益[R]。 沉万宏远..