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鋰電池正極材料你到底懂多少？
一，研究背景
近年來，我國新能源汽車產(chǎn)銷量的雙豐收帶動(dòng)了整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展，特別是對(duì)動(dòng)力電池的需求量不斷攀升。由于動(dòng)力電池占新能源整車制造成本大約30~40%，要使新能源汽車更具價(jià)格優(yōu)勢，形成足夠的市場競爭力，必須降低動(dòng)力電池成本。而在動(dòng)力電池的構(gòu)成成本當(dāng)中，正極材料的成本超過40%，所以如何降低正極材料的成本成為關(guān)鍵。
二，關(guān)于磷酸鐵鋰和三元材料的對(duì)比
在正極材料當(dāng)中，最常用的材料有鈷酸鋰，錳酸鋰，磷酸鐵鋰和三元材料(鎳鈷錳的聚合物)。目前來看，外資日韓企業(yè)等主要采用的是三元電池材料整體技術(shù)上確實(shí)領(lǐng)先中國企業(yè)，但是在我國市場應(yīng)用上，磷酸鐵鋰電池相對(duì)于三元材料電池占據(jù)了上風(fēng)。去年磷酸鐵鋰搭載量高達(dá)20 Gwh，占比達(dá)到了73%，而三元材料電池的搭載量僅為6.3 Gwh，占比只有22%。
但從技術(shù)領(lǐng)域看，對(duì)于電池路線的爭議還在持續(xù)，未來唱主角的是磷酸鐵鋰還是三元材料電池?
從能量密度來看，三元電池確實(shí)比磷酸鐵鋰占據(jù)優(yōu)勢，以特斯拉，三星，LG為代表的外企便是采用三元材料;而磷酸鐵鋰電池最近幾年技術(shù)進(jìn)步很大，在比能量上已經(jīng)能夠接近三元材料電池，國內(nèi)汽車巨頭比亞迪便是采用磷酸鐵鋰材料。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，三元材料電池的比能量為160-200wh/kg，磷酸鐵鋰電池為120-150wk/kg。但有專家表示，比能量并非絕對(duì)的，也可以將磷酸鐵鋰電池的比能量做到160wh/kg，只不過其他數(shù)據(jù)要妥協(xié)。所以，動(dòng)力電池的數(shù)據(jù)，是要根據(jù)市場需求來的。而從成本來看，無意是磷酸鐵鋰占據(jù)優(yōu)勢，三元材料電池的原材料需要貴金屬，價(jià)格較高，未來也很難降下來，而磷酸鐵鋰電池的原材料相對(duì)價(jià)格穩(wěn)定，未來還有可能大幅度降低。且三元材料主要由外資供應(yīng)，因而沒有納入國家的補(bǔ)貼范圍，成本肯定比磷酸鐵鋰高;從安全性來看，也是磷酸鐵鋰更有優(yōu)勢。三元材料是有鎳鈷錳三種聚合而成，在到達(dá)一定溫度時(shí)發(fā)生分解，三元鋰材料會(huì)在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反映更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡單點(diǎn)，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。今年年初國家發(fā)布客車暫停(暫緩)使用三元材料電池條例，說明在短期內(nèi)，政策層面在客車領(lǐng)域不允許用三元，說明國家的導(dǎo)向。
不過，磷酸鐵鋰電池有一個(gè)致命性的缺點(diǎn)，那就是低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報(bào)廢了。這對(duì)于我國幅員遼闊，冬天低氣溫的確較多的綜合國情來說，的確不是一件好事。此外，材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差，這也是導(dǎo)致很多純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此，我們可以看到國內(nèi)有不少的新能源汽車(無論是純電動(dòng)還是混合電動(dòng))，或者是一些比較廉價(jià)的新能源汽車，會(huì)出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池。可以說，磷酸鐵鋰電池的使用，對(duì)于新能源汽車量產(chǎn)落地以及推廣，都有著不可磨滅的奠基作用。
那么這兩種電池現(xiàn)在的使用情況又是怎么樣的呢?讓我們來關(guān)注一組數(shù)據(jù)。去年11月，磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)大巴裝機(jī)量占到了64.9%，三元鋰電池裝機(jī)量只有27.6%。相反，在純電動(dòng)乘用車市場，三元鋰電池在去年11月的裝機(jī)量超過76%。而過去兩年中，商用車，包括大巴的產(chǎn)銷增速比乘用車更快，這也從說明了國家要把安全放在第一位的主要原因，但隨著的技術(shù)的成熟，乘用車的未來市場空間還很大。
三，碳酸鋰的介紹和發(fā)展現(xiàn)狀
磷酸鐵鋰的原材料當(dāng)中，主要有草酸亞鐵，氧化鐵紅，磷酸鐵，磷酸二氫鋰，磷酸二氫銨和，其中碳酸鋰占據(jù)了接近30%，而碳酸鋰由礦產(chǎn)資源提煉而成，在自然界中儲(chǔ)量非常有限，具有極強(qiáng)的地域性和稀缺性，屬于稀缺資源，因此在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，碳酸鋰資源的戰(zhàn)略重要性顯得尤為突出。
從下圖可以看到目前全球鋰資源最豐富的國家是智利，擁有72%的資源，其次是中國，擁有13%。而規(guī)模化生產(chǎn)碳酸鋰的企業(yè)必須擁有鋰資源儲(chǔ)量較為豐富的鹽湖資源開采權(quán)，使得該行業(yè)具有非常高的資源壁壘;另外碳酸鋰主要原料是鹽湖鹵水(礦石法由于成本高在全球產(chǎn)能很小)，由于全球鹽湖絕大多數(shù)都是高鎂低鉀型，而從高鎂低鉀老鹵中提純分離碳酸鋰的工藝技術(shù)難度很大，之前這些技術(shù)僅掌握在少數(shù)公司手中，這使得碳酸鋰行業(yè)又具備了技術(shù)壁壘。因此早就了碳酸鋰行業(yè)的全球寡頭壟斷格局。據(jù)了解，智利SQM，美國FMC，德國Chemmetal三巨頭主導(dǎo)著全球70%以上的碳酸鋰產(chǎn)能。
我國西藏礦業(yè)資源最豐富，保守估計(jì)有200萬噸碳酸鋰儲(chǔ)量，2008年產(chǎn)能2600噸，遠(yuǎn)期規(guī)劃2萬噸。碳酸鋰按照純度可以分為工業(yè)級(jí)98～99%、醫(yī)藥級(jí)98.5%、電池級(jí)99.5%、高純級(jí)99.99～99.999%，國內(nèi)廠商生產(chǎn)碳酸鋰主要集中在工業(yè)級(jí)別，電池級(jí)產(chǎn)能占總產(chǎn)能的1/3。
目前國內(nèi)生產(chǎn)碳酸鋰的企業(yè)主要集中在西藏礦業(yè)，中信國安，西部礦業(yè)集團(tuán)，青海鹽湖集團(tuán)，天齊鋰業(yè)和贛鋒鋰業(yè)這六家公司。但是前四家企業(yè)只限于工業(yè)級(jí)碳酸鋰，電池級(jí)碳酸鋰則由天齊鋰業(yè)，贛鋒鋰業(yè)掌控中，其中天齊鋰業(yè)技術(shù)最成熟，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者，約占國內(nèi)60%的市場份額，并且有部分出口。
四，三元材料的介紹和發(fā)展現(xiàn)狀
目前在鋰電池領(lǐng)域，三元材料主要是由鎳鈷錳三者的聚合物構(gòu)成，材料中鎳鈷錳三種元素的比例并不確定，我們可以通過改變?nèi)N元素的比例來改善電池的性能。在過往，國內(nèi)的三元一般是部分的替代鈷酸鋰使用領(lǐng)域，與錳酸鋰或者鈷酸鋰混合用于中低端的電子消費(fèi)品，與錳酸鋰混合應(yīng)用于中低端動(dòng)力市場。但隨著近年新能源汽車的高速發(fā)展，三元材料充當(dāng)越來越重要的角色。國外像特斯拉，三星等公司，由于技術(shù)領(lǐng)先于我們?nèi)廖迥辏毡椴捎萌牧献鳛殇囯姵卣龢O材料。所以未來，三元材料還有很大的提升空間。
五，低鈷高鎳的發(fā)展方向
目前，三元材料正向低鈷高鎳方向發(fā)展，電容量等性能指標(biāo)確實(shí)也越來越好，單體電池比能量也在向200Wh/kg的目標(biāo)靠近。我國目前處于從333型向523型發(fā)展的階段，2017年國內(nèi)動(dòng)力三元預(yù)計(jì)以523型為主，而國內(nèi)廠商能量產(chǎn)622型的不多，811型目前也還在研發(fā)推出階段。
三元材料業(yè)務(wù)未來的發(fā)展正是基于減少對(duì)鈷的依賴，因此未來三元材料中必將以高鎳型NCM為主導(dǎo)，未來單輛新能源車的鈷的需求一直是向下走的。但未來三年市場還是會(huì)以NCM523以及NCM622型為主，它們的鈷金屬單位消費(fèi)量約為12%-13%，高鎳型NCM占比還是很低。新能源車的增長速度能遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消單輛新能源車鈷的需求下降的趨勢。
我們只能站在未來可以看得清的一個(gè)領(lǐng)域里做出判斷，三元材料盡管向高鎳發(fā)展，但鈷未來在三元材料領(lǐng)域仍然大有可為，供需缺口在未來幾年必將會(huì)進(jìn)一步拉大。從另一方面看，由于國內(nèi)三元電池供應(yīng)主要依靠三星、LG等三元材料技術(shù)成熟的日韓企業(yè)，但是這一塊進(jìn)不了中國新能源車的補(bǔ)貼目錄，而國內(nèi)企業(yè)技術(shù)目前又不成熟，并且在安全性等問題還沒有得到很好的一個(gè)論證解決。近期三元材料應(yīng)用在國內(nèi)市場可能沒有預(yù)期的發(fā)展速度，需求主要來自國外，鈷的整體需求反轉(zhuǎn)可能慢于市場預(yù)期，但整體來說，在未來幾年也會(huì)穩(wěn)步攀升。
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