正极材料补短板,高镍趋势明显

60秒了解内容:

  1. 新能源趋势明朗,动力电池需求量稳定增长。
  2. 正极材料约占锂电池电芯成本的40%,整个动力电池成本的13%-15%,但是其比容量远低于负极的比容量,是动力电池成分中的短板。
  3. 受补贴和双积分政策的关注重点转移影响,以及其他正极材料受自身限制,三元正极材料正成为主流应用。而其中NCM811凭借高能量密度低成本吸引中日韩电池企业的集中投资和深入研发,未来NCM的发展潜力不可小觑。

    近5年中国新能源汽车产销量持续高速增长,年均复合增速在70%以上,新能车动力电池装机量从2016年的28.2GWh攀升至2019年的62.4GWh,2020年有望达90GWh。


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正极是提高动力电池能量密度的关键所在

    新能源电动车相较传统整车的核心优势在于能源结构与成本,短板在于续航里程,未来新能源汽车竞争力提升主要源于降成本与提里程。正极材料是目前锂电池中最为关键的原材料,是锂电池最大的成本来源,而电动汽车的续航里程主要由正极材料的容量决定,而正极材料决定了电池的容量(续航里程)、寿命等多方面核心性能,因此正极材料是电池最重要的子环节,约占锂电池电芯成本的40%,整个动力电池成本的13%-15%。

    按照木桶效应,正极材料正是电池的短板所在。目前正极比容量在150-160mAh/g,而石墨负极已经到了330-340mAh/g的水平。所以,提升正极的比容量对于改善整个电芯的能量密度至关重要,可显著降低动力电池材料用量,降低单位电芯成本。

    正极材料主要是为电池提供锂离子,在充电时正极材料锂离子脱离到负极,放电时锂离子经过电解液回到正极,使得负极材料在获得与释放锂离子时相对正极材料产生电位差从而形成工作电压。


正极产业链

    正极产业链上游主要是一些矿产资源作为原材料以及一些导电剂、粘结剂等作为辅材;下游就是电芯电池,除了用在新能源汽车上的动力电池还有用在消费电子和储能上的。



不同正极材料优势不同,应用领域也不同

    正极材料种类较多,主要包括磷酸铁锂、锰酸锂以及三元材料,其中三元材料分为镍钴锰NCM以及镍钴铝NCA,其中镍钴锰三元电池依据各个元素的相对含量占比可细分为NCM333、NCM523、NCM622以及NCM811。酸磷铁锂和锰酸锂的能量密度已达到应用极限,尚不存在太大的技术突破。

    锰酸锂(LMO)材料的主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性好,早期的日系电动车有部分应用;但其主要缺点是电池比能量低,同时循环稳定性欠佳,现在已经很少用于车用动力电池。

磷酸铁锂(LFP)材料是我国发展新能源汽车最早采用的动力电池的技术路线,其主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性和循环性能好,其主要缺点是电池比能量低。

    三元正极材料的具体命名通常根据元素的相对含量而定,其一般分子式为Li(NiaCobXc)O2,其中a+b+c=1。当X为Mn时,指的是镍钴锰(NCM)三元材料;当X为Al时,指的是镍钴铝(NCA)三元材料。镍钴锰三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,存在明显的三元协同效应。相较于磷酸铁锂、锰酸锂等正极材料,三元材料的应用可以有效提高电池单体能量密度,提升电动汽车续航里程。

三元正极材料成为当前市场的香饽饽

    2016年之前的补贴政策标准不在于能量密度,电池比能量低但安全性能好的磷酸铁锂正极得到快速发展。但随着锂离子电池技术发展,受益乘用车接替客车成为新能源车重要增量。补贴与双积分政策也开始更关注能量密度,现在锂离子电池的技术指标中最重要的是比能量和循环性能,其次是比功率、安全性、可靠性、成本和一致性等性能指标。比能量越高,单位能量的材料成本就下降;循环寿命越长,电池的实际使用成本就低,三元材料因此快速发展,是目前乘用车动力电池的主要正极材料。

    数据显示,今年2月新能源汽车产量为11921辆,其中乘用车产量为11283辆,占比95%,乘用车电池装机量中,三元电池的占比高达97.33%。

    随着下游领域对正极材料的需求增多,三元正极材料有望得到持续增长。预计2025年三元正极材料出货量可达150万吨,2019-2021年的增长率为44%、22%、26%。

高镍趋势明显,NCM811成为最佳选择

    三元正极材料产业化路径从NCM111、NCM523、NCM622再到NCM811,增镍降钴的趋势明显,当前NCM811的商业化应用已趋于成熟。

    随着补贴退坡幅度加大,且新能源汽车补贴政策关联能量密度,高能量密度的高镍三元电池将是今后发展的主要方向。

    根据汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》,到2020年,动力电池单体质量能量密度达到350Wh/kg,成本降至0.6元/Wh以下;到2025年,动力电池单体比能量达到400Wh/kg,成本降至0.5元/Wh,到2030年,动力电池单体比能量达到500Wh/kg,成本降至0.4元/Wh。

    目前由于磷酸铁锂自身性能和技术的限制,电芯的能量密度无法达到2020年300Wh/kg甚至350Wh/kg的要求。目前市场上主流的三元NCM523材料电池能量密度可以达到160-200Wh/kg,三元NCM622材料可以达到220-230wh/kg,而NCM811能量密度可达到280wh/kg以上,相比NCM523和NCM633的能量密度分别提升18%和12%。若要实现2020年的目标,正极材料选择高能量密度的NCM811技术路线是大多数汽车企业的最佳选择。

    我们认为未来新能源汽车将主要依托三元高镍化技术路线,中长期来看,高镍正极材料将会成为应用主流,其中在追求续航能力的途上,NCM811有望C位出道,市场有望迎来大爆发。

    当前,中日韩电池企业都在研发高镍电池,日本企业以NCA为主,韩国企业技术路线为NCM+NCA,而中国企业则以NCM为主,极少涉及NCA。在NCM811上,中韩电池企业齐头并进,韩国企业以LG化学和SKI为代表,中国企业以宁德时代为代表。

    国内众多电池企业都在高镍电池板块冲刺,计划快速推出NCM811电池。宁德时代的第一代NCM811电池已经达成量产,并实现批量供货,目前正在开发NCM811搭配硅碳负极的新一代高镍电池,能量密度突破300wh/kg,技术成熟后将推向市场。另外国轩高科已开发出NCM811软包电芯,能量密度可达到302wh/kg,目前正在建设一条GWh的产线,预计将在年内投产。

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