锂电池三元正极行业深度研究：高镍趋势下的行业集中度提升
1、技术路线之争：三元、铁锂未来渗透率
1.1.三元与铁锂正极结构与性能对比
在动力电池领域，三元正极与磷酸铁锂正极是两种主流的应用材料，两种材料物理化学结构的差异导致了材料性能的差异，进而决定了三元电池与磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。
三元正极性能更优越，铁锂胜在安全性和低成本。相同锂离子数量下，三元材料的分子量更低，因此它的比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高。三元材料的晶体呈现层状结构，在充放电过程中，Li+在MO6（Mn=Ni，Mn，Co）层间结构中嵌入和脱嵌，随着镍含量的增加，可嵌入和脱嵌的Li+量增加，三元材料的理论容量和电池的能量密度随之提升。磷酸铁锂晶体呈现三维空间网络橄榄石结构，形成一维Li+传输通道，限制Li+的扩散； 同时八面体FeO6在顶部连通，导致电子迁移率比三元层状结构慢100-1000倍，三元正极的锂离子可以向两个不同的方向移动，使三元电池比铁锂具有更高的功率和充放电性能。
但由于三元材料中Ni2+(0.069nm)和Li+(0.076nm)半径接近，随着镍含量的提高，三元材料高温烧结时Li、Ni混入的概率迅速增大，Li+不易脱嵌，导致材料比容量和循环性能下降，且这种现象难以逆转；另外随着镍含量的提高，材料中不稳定的Ni3+占比增加，易与空气中的水分、二氧化碳发生反应，加剧比容量和循环性能的损失。相比之下，磷酸铁锂的PO化学键比较稳定，直到温度达到700-800摄氏度才会分解，即使电池变形损坏，也不会释放出氧分子引起剧烈燃烧，因此铁锂电池的稳定性和安全性能更佳。
通过对比三元与铁锂的性能差异发现，三元正极的活性层状晶格结构相较于铁锂的橄榄石结构除了带来正极比容量、电池能量密度的优势外，其低温性能也优于铁锂，在零下20℃的电池放出容量比铁锂高15pct，这样的性能差异将使搭载三元电池的汽车在冬季拥有比铁锂电池更好的续航里程。铁锂材料拥有更加稳定的晶格结构，在高温条件下明显更加安全稳定，同时铁锂稳定的结构也带来比三元材料更高的首次效应和循环寿命。同时，由于铁锂材料的主要组成元素是廉价的铁和磷，相对于三元材料中较为稀缺的镍、钴、锰等元素，铁锂材料拥有明显的价格成本优势。
此外，三元与铁锂材料在电化学性能上的差异还体现在SOC曲线上的差异。三元电池的SOC曲线与其电压高低相对线性，而铁锂电池的SOC曲线由于其充放电平台较长，且在平台期后电压会出现突变，因此不易通过电压变换来判断电池的剩余电量。三元电池的SOC预估值与实际值的偏差在1-2%以内，而铁锂电池的SOC预估值与实际值的偏差可能在10%左右。由于SOC曲线的差异，三元电池车型对剩余续航里程的计算和显示能力更强，而铁锂车型容易出现续航里程显示系数突然下降的情况，进而带来车主使用体验上的差异。
1.2、未来渗透率：短期铁锂反弹，长期三元金属向好
回顾国内三元、铁锂电池历史渗透率曲线，其变化可分为三个阶段：1）2014-2015年，国内新能源汽车市场蓬勃发展，此时补贴政策对电池能量密度等指标考核较低，价格低廉、技术成熟的铁锂电池受到青睐，2014-2015年铁锂渗透率提升；2）2016-2019年，补贴政策调整，高能量密度、长续航的三元电池获得超额补贴，三元渗透率由2016年的50%提升至2019年的69%； 3）2020年，随着补贴退坡速度减缓、补贴金额降至较低水平，低成本铁锂电池的相对优势更加凸显，三元渗透率较2019年有所下降。
车企与补贴政策博弈，三元铁锂电池屡屡陷入拉锯战。2019年之前，续航里程300km以上的乘用车补贴金额在4万多元，同时对电池能量密度140wh/kg的车型给予超额补贴系数，使得更多车企愿意选择能量密度更高的三元电池，实现长续航，获得更多补贴。2019年之后补贴大幅下滑，续航里程400km以上的车型补贴金额仅为2万元左右，在整车购置成本中已经属于较低水平。同时，为了防止车企一味追求高能量密度，造成安全风险，国家不再进一步提高电池能量密度考核门槛，三元电池相对于铁锂获得补贴的相对优势被削弱。
随着近二十年CTP、比亚迪刀片技术的推出，铁锂的潜力被进一步挖掘，且电池包组装效率提升带来能量密度提升，铁锂迎来复苏。虽然预计铁锂电池渗透率仍有提升空间，但相较于三元电池，磷酸铁锂发展面临两大瓶颈：电池寿命瓶颈和成本降低瓶颈。
续航瓶颈：铁锂随着刀片电池的加入，体积利用率和能量密度有所提升，但对于A级以下车型依然无法解决续航里程低的问题。2020年，宁德时代和比亚迪分别开始推广CTP技术和刀片电池方案，在降低电池生产成本的同时，提升了成组效率和体积利用率，从而提升了电池能量密度。
2020年，比亚迪推出搭载刀片电池的汉，电池体积能量密度229Wh/L，续航里程达605km。比亚迪汉轴距为2.92米，给电池组预留安装空间较大。普通A、B级车轴距分别为2.3-2.5米、2.6-2.7米，电池组能量密度提升空间有限。根据现网车型电池组功率及续航参数，模拟由传统电池组切换到刀片铁锂电池组后的功率及续航能力。以荣威ER6为例，模拟传统三元电池组切换到铁锂刀片后，虽然空间利用率提升，但是铁锂相对较低的能量密度导致续航里程由600km降至435km。 因此，比亚迪汉刀片电池的成功更多是基于其针对C级车的设计基础，在尺寸相对有限的A级车上，刀片铁锂电池续航里程仍难以达到500km以上，这会限制部分追求更高续航里程的A级车主的消费选择，进而影响车企对铁锂电池的长期渗透率。
成本下降瓶颈：电池能量密度提升带来的单位wh原材料消耗的降低，是电池成本不断下降的根本原因。根据能量密度计算公式，分子为电池正负极之间的电压差，分母Cca、Can分别代表正负极的比容量（mah/g），与电池能量密度成正比。
回顾铁锂及三元电池价格变化，在能量密度提升及规模经济的共同作用下，其单价持续下降。但铁锂电池受限于铁锂正极本身的比容量短板，预计电芯在200wh/kg时将达到瓶颈。主流铁锂电池能量密度目前已接近极限，未来成本下降空间主要依靠规模经济及原材料单价的下降。由于三元电池正极仍处于技术迭代的上升阶段，未来高镍8系9系等材料的改进将持续推动电池能量密度的提升，预计三元电池能量密度天花板将在300wh/kg左右，较目前240wh/kg水平仍有30%的提升空间。
虽然目前铁锂电池单体价格较三元电池低约20%+，但长期来看，三元电池能量密度的不断提升有望缩小三元与铁锂电池的成本差距。假设未来三元电池年均价格下降8%，铁锂电池年均价格下降5%，则预计2025年两种电池价格将持平，而电池组价格因高能量密度带来的成本分摊更低，有望提前实现与单体层面的平价。动力电池在新能源汽车成本中占比较高，三元与铁锂电池相对成本差异最终决定了消费者的购买意愿和车企对电池类型组合的选择。
从全球主要动力电池公司的电池类型布局来看，各公司呈现出较大的差异性，LG、松下以高镍三元产品为主，并正在向NCMA等更高镍产品迭代；SKI、三星SDI、CATL的产品布局相对均衡，其中CATL既有三元5系8系，也有铁锂，但各公司在高镍产品上也有布局和发力；比亚迪相对特殊，随着2020年刀片技术的推出，公司正在从原来三元铁锂均衡发展转向以铁锂产品为主。
从近20年来国内自主、合资、海外车企的新车型规划来看，各方势力在三元和铁锂的选择上存在很大差异。国内自主车企比亚迪全系车型均为铁锂，其他自主车企仍以三元为主，但部分车型如荣威、小鹏P7等也搭载了同样的铁锂版本作为低配版供消费者选择。而定位中高端市场的车型，无论国内外车企均多采用三元高镍方案。潜在新热销车包括大众ID4、宝马IX3、福特Mach-E、Zeekr 001、智行L7、北汽埃尔法S等。
预计未来几年，铁锂电池将大量应用于国内续航里程在400km以内的中低端车型。三元5系+高压平台短期内尚能满足中高端车型的续航需求，但随着高镍技术的成熟带来的安全性能提升，预计三元高镍电池将逐步占领国内自主、合资车企的中高端车型。海外车企在技术路线的选择上更加坚定，全面坚持三元路线，大部分中高端车型坚持三元高镍电池。但随着CTP、刀片技术带来的铁锂电池潜力的进一步挖掘，一些看重成本和安全的海外车企如雷诺、PSA等也开始采用铁锂电池。预计铁锂电池海外渗透率将有所提升。
2、三元正极产品迭代：高镍开启长期窗口期
2.1. 高镍依旧高镍：从811、NCA到NCMA、NM
三元正极产品迭代引领电池技术升级，三元正极从早期的1系升级到现在的8系，随着消费者对车辆续航里程、成本要求的提升，电池能量密度的升级、正极材料体系的迭代不会止步，在现有三元8系基础上，正极及电池厂商正在研发和推广9系NCMA、无钴NM等产品。
正极行业一直呈现技术路线多元化、竞争格局碎片化，既有新进入者的机会，也有容百科技等专注于突破技术难度较高的8系高镍，获得超额收益和反攻的故事。但就目前时间点来看，新进入者完成反攻的概率正在快速降低。因为未来的技术迭代路线，无论从正极材料体系还是电池体系来看，高镍都还有很大的发挥空间。预计行业后续会从8系高镍迭代到9系NCMA、NM无钴高镍材料，提升电池性能。这还是高镍材料体系内的迭代，因此是渐进式创新而非颠覆式创新，需要在之前8系高镍的基础上进行小规模的迭代积累，后入者直接进入并颠覆行业的概率极低。
2.1.1.NCMA：不神秘，但很实用
NCMA四元材料是2016年由韩国汉阳大学金云赫提出的，本质上并不是一个新的材料体系，而是两种主流三元高镍材料NCM、NCA的混合，是在NCM三元材料中掺杂Al粒子得到，本质上是用Al代替Co。NCMA中镍含量达到了90%，钴含量降低到5%以下，在提高镍含量提高比容量的同时，还兼顾了降低成本和材料稳定性。
NCMA中过渡金属铝的加入形成的Al-O化学键强度远强于Ni(Co,Mn)-O化学键，从化学性能上增强了正极的稳定性。经过多轮充放电循环后，NCMA四元正极材料的不可逆相变电压保持稳定，材料内部微裂纹较少，正极材料中过渡金属的溶解并不明显。
除了强Al-O化学键带来的NCMA良好的形态稳定性之外，NCMA的循环性能也明显优于比容量相近的NCM和NCA。Un-Hyuck Kim团队对2032组电池进行了对比研究发现，无论是30℃下100次循环，还是25℃下1000次循环，NCMA的容量保持率均比NCM和NCA高出约10pct。
在NCMA应用开发方面，2020年3月，通用汽车宣布将与LG化学合作推出采用NCMA材料的新型电池产品，预计2022年实现量产。同时，LG化学将在2021年将NCMA应用于特斯拉。2020年，浦项化学宣布其NCMA正极材料将镍含量提升至80%以上，采用自主开发的铝掺杂工艺，即将进入商业化。科斯莫AM&T与LG化学合作颇多，NCMA镍含量达到92%，正极比容量高达104.4g/g。国内，蜂巢能源在行业内率先成功开发NCMA四元正极材料，预计2021年正式量产。国内材料龙头厂商如格林美、中维股份等也在NCMA深度布局。
2.1.2.NM无钴：材料改性方法与传统高镍
钴在NCM三元体系中的重要性在于，钴的增加可以有效减少阳离子混入、降低阻抗值、提高电导率并改善充放电循环性能。但全球钴储量较少，且易受地缘政治影响导致价格波动。随着电动汽车销量的逐年增加，开发无钴或低钴正极以保证钴原料供应安全并降低成本具有战略意义。Jeff Dahn团队是无钴材料研发的先行者，其通过用Al、Mg等元素替代三元体系中的钴证明了去钴化的可行性，其开发的采用Al、Mg替代的无钴材料与NCA相比表现出相似且稳定的电化学性能。
在行业内，特斯拉是无钴电池的践行者，自2016年起与Jeff Dahn团队签订了5年的独家合同，Jeff主要为特斯拉提供提升锂电池能量密度和使用寿命、降低成本相关的研究。在2020年的特斯拉电池日上，官方公布的未来产品矩阵中表示，无钴电池将应用于特斯拉的中高端车型。
国内厂商中，蜂巢能源是首家搭载无钴电池进行路试的动力电池企业，其无钴材料已获得40多项专利，主要通过阳离子掺杂技术、单晶技术、纳米网络包覆三大技术解决无钴三元层状结构稳定性问题。两款无钴产品预计2021年正式量产。蜂巢能源针对无钴材料的改性方案与8系高镍材料常用的掺杂、包覆、单晶改性方案本质上相同。可以看出无钴材料的突破仍是在传统8系高镍基础上的小步迭代，有8系高镍基础的材料厂商在无钴方面更有优势。
2.2. 富锂锰基产品具备一定颠覆性潜力，但产业化仍遥遥无期
富锂锰基层状氧化物（LMLOs）可以认为是由两个组分LiMO2（M=Ni，Co，Mn）组成，其中氧元素以立方体方式紧密堆积，锂离子和过渡金属离子占据氧八面体之间的空隙。与高镍材料相比，富锂锰基材料具有明显的能量密度和比容量优势：（1）富锂锰基材料具有较高的比容量，可达100Wh/g以上，在电压范围为2-4.8V，电流密度为10mA/g时，首次放电比容量可达100Wh/g，远高于NCM9系列材料的100Wh/g；（2）富锂锰基的能量密度为300Wh/kg，高于NCM9系列的280Wh/kg。
但富锂锰基材料存在首次库仑比低、能量衰减严重的问题，严重制约了其工业生产和应用：（1）富锂锰基材料的首次库仑比仅为75%，远低于NCM9系列（87%）和NCMA（91%），其主要原因是富锂锰基材料在第一次放电过程中，4.5V电压平台以上锂离子发生不可逆脱附，导致脱落的锂元素不能完全嵌入正极材料晶格中，造成第一次不可逆容量较高，即第一次库仑效率较低。（2）富锂锰基正极材料电压衰减是晶粒表面化学反应和内部扩散共同作用的结果； 经过超长循环后，富锂锰基材料的晶体结构逐渐由层状向尖晶石状转变，相变过程不可逆；同时，富锂锰基正极材料中除了过渡金属粒子外，晶格氧阴离子在电化学反应过程中也会与电解液发生反应释放氧气，导致富锂锰基材料电压衰减严重。
针对以上问题，目前的解决方案仍以包覆、掺杂、晶面调控等传统材料改性工艺为主。包覆可以在一定程度上阻止电解液对材料的腐蚀，改善材料与电解液的界面反应；掺杂使材料的晶格结构稳定，抑制材料的不可逆相变和氧的释放；晶面调控、表面一体化结构主要加速Li+的扩散动力学，减少过渡金属离子的溶解。但基于富锂锰基材料更为复杂、活性更高的晶体结构，仅靠传统的材料改性工艺距离实现全面产业化还有很长的路要走，亟待更多新工艺突破。目前，富锂锰基材料在行业中的应用案例较少，各电池及材料厂商尚未给出明确的时间表。 仅在2018年工信部的新车公告中，就出现了搭载浙江奥优动力提供的富锂锰基电池的新能源汽车——陆风和新日品牌纯电动运输车。
2.3. 未来固态电池仍将兼容三元高镍正极体系
固态电池的能量密度和热稳定性明显优于液态锂离子电池，具有长期的商业化前景。固态锂电池主要由正极、负极、固态电解质组成。与液态锂电池相比，固态电池有以下优势：（1）采用固态电解质替代液态电解质和隔膜，固态电解质的燃点极高，提高了电池的热稳定性；（2）固态电池的电压平台为5V，高于液态电池的4.3V，可匹配高压电极材料，电池能量密度和比容量优于液态电池；（3）固态电解质不是流体，因此不存在漏液，简化了电池组设计，减少了电池的重量和体积，能量密度有望超过300Wh/kg。
界面问题和低电导率制约了全固态电池的应用。（1）固态电池电导率低，快充性能差。（2）物理接触不良影响使用寿命。液态电解质具有流体性，可以在有限的范围内填充隔膜和电极IDE的孔隙，赋予电极材料良好的离子路径。但固态电解质与金属锂都不是流体，其接触面存在较多微孔，导致界面电阻较大，对固态电池的电化学性能有明显影响，降低固态电池的使用寿命。
半固态电池可以缓解界面接触、导电性低等问题。从目前半固态电池量产情况来看，三元高镍正极仍是主要正极材料。虽然固态电池因安全性和稳定性更好，可以适配锂硫等更多活性材料体系，但由于全固态电池产业化难度较大，半固态电池只能是权宜之计。目前北京威蓝、江苏清陶等已开始半固态的小规模应用，三元高镍正极仍是各家首选的正极材料。
3、竞争格局：高镍趋势下集中度提升
3.1、是什么原因造成现在的三元正极格局比较分散？
目前，中国三元正极材料市场竞争格局较为分散，CR3和CR5分别为35%和52%，荣科、巴莫、长源锂电等头部企业市场份额差距不大。相比其他锂电池材料，正极材料的CR3和CR5远低于负极、隔膜和电解液。
首先，三元正极原材料成本占比高，导致公司间成本差异较小。作为典型的制造行业，中游材料龙头公司的低成本优势是推动行业集中度的重要因素。对于三元正极而言，三元正极原材料成本占比约90%，远高于负极（43%）和隔膜（30%），各公司锂、钴、镍等正极原材料采购价格差异较小。同时，制造及人工成本占比较低，导致各公司难以通过规模经济和工艺差异拉开制造及人工成本的差距。因此，三元正极各公司营业成本差异较小，龙头公司难以通过低成本优势提升市场份额。
二是正极材料产值总额最大，是地方政府招商引资的重点。
锂电池正极材料是电池最主要的组成部分，锂、钴、镍等稀有贵金属导致正极材料单价高于负极、电解液等其他环节。同时，正极单耗在锂电池四大主要材料中是最高的，1GWh锂电池消耗三元材料约1800吨，约为负极和电解液的2倍。在高单价和高单耗的共同作用下，正极材料成为产值最大的锂电池材料，2019年正极材料产值达737亿元，分别是负极材料、隔膜、电解液的7.7倍、9.6倍、20.7倍。
近年来，地方政府对新的能源政策的呼吁做出了回应，并通过投资促销来建立各种锂电池，这是锂电池材料中最大的产出价值的材料。 等具有完整的上游和下游支撑工业连锁店。
第三，阳性电极对电池性能有很大的影响，并且电池制造商垂直整合了阳性电极的布局，以吸引市场，作为电池中的锂离子的来源。另一方面，有利于电池性能的优化，可确保正材料的质量和供应稳定性，并降低了Byd的成本。
3.2。
3.2.1。
根据NCM三元系统阶段图，Ni可以改善材料活动和电池密度，同时增加LI/NI混合的可能性，并降低排放能力和热稳定性；但是，由于其革兰氏阴性高以及对电池能量密度的影响，如何确保材料结构的稳定性以及电池的安全性能和循环寿命，同时增加镍含量并减少钴含量是每个正电极制造商的困难问题。
上述技术困难导致三元高镍材料的生产障碍和2020年相对集中的市场竞争。控制。
The flow of high- is to that of - and low- , the front ( , bowl ), , and back (, , iron , etc.), but there are many in . Due to the poor of high- , high will lead to - , the , and it needs to be at a lower of 700-800℃. , with a point of 471℃ the of high- , the with a point of 720℃ used in - and low- .
对于尼克尔的材料，必须增加烧结的温度，同时确保烧结的质量，中等和低的镍三元材料。 过程增加了制备高尼克三元材料的困难。
与米镍三元的空气烧结相比，在氧气条件下，高镍三元阳性电极的烧结需要使用氧气。发生较小和集聚，导致较低的水龙头密度。
就其他过程差异而言，氢氧化锂的碱度比碳酸盐含量更强，并且表面上的残留碱会吸收水分，并影响阳性的电极浆料涂层过程，因此需要在第一个烧结的过程中添加水的不稳定，因此需要添加水。公司之间的差异将在第4章中详细讨论。
在生产线设备方面，三元高镍生产线的环境湿度也比中等和低烟料三元的三元式三元组的湿度更为严格。
比较和拆卸中低镍的成本和高鼻型三元材料，制造成本几乎是5系的两倍。 OW镍三元时代。
3.2.2工业链的整合将促进行业集中
正极电极的毛利率远低于负电极，电解质和分离器的毛利率。从产业链中降低原材料的生产成本，这有利于扩大第一层公司和第二层公司之间的利润差距。
三元前体是高度定制的产品。前体的毛利率约为9％-14％。
除了扩大上游的阴极企业的综合布局外，上游尼克资源公司还扩大了下游企业，例如， 是另一个重要的综合方向。
电力锂电池的回收有助于公司控制原材料的成本，并确保原材料供应系统的稳定性。 IES每年回收5,783吨的钴（金属含量），9,432吨镍（金属含量），自2007年以来，Brunp每年都有每年的（金属含量）（金属含量）。回收能力为7,000吨。 （4）掌握了镍，钴和锂的回收，公司的TMR Co.
目前，各种正电极制造商的毛利率相对较近，大部分在10-20％之间。
4.从专利的角度和研发的角度比较三元阴极公司之间的差异
4.1。
由于镍含量的增加，由于镍含量增加了，但循环稳定性和热稳定性会增加能量密度，循环性能和热稳定性始终是行业的某些范围，因此，构造的材料（核心范围）是其他范围，因此，循环稳定性的范围是，循环稳定性的稳定性和其他范围各种修改过程反映了每个阴极制造商的非标准性能。
其中，最常用的三元阴极修改过程是涂料和掺杂过程。
表面涂层可以有效地稳定高镍材料的结构。
根据实验分析，比较并分析了高烟料材料的循环稳定性和高烟料材料的热稳定性。表明涂层修饰的材料有益于增强材料的热稳定性，因为涂层工艺有效地减少了表面杂质和电解质之间的反应，涂层后循环稳定性显着增强。
改进的掺杂过程可以显着改善掺杂某些金属离子的循环稳定性，或者在三元阳性材料的晶格中的非金属离子可以改善材料的电子电导率，并改善三元材料的周期稳定性与适当量的铜离子掺杂后的循环性和速率性能显着提高：100循环后1C循环后的放电特定能力从129.1mAh/g/g增加到157.29mh/g，其容量保留率从64.6％增加到64.6％到84.9％。
4.2。
根据每个阴极公司的专利申请， 和BAMO技术的累积判断，已经积累了全面的专利申请和发明专利申请，而在2014年建立，具有相对较短的历史和倾向，但在上却落后于较早的，但已超过了 Lith和Zhe的材料o。
从每个阴极公司的研发投资的角度来看人工智能技术领先于其他竞争对手的300多名研发人员。
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