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谁在抢占锂电制高点——动力电池创新材料全景报告(上篇)

作者: 来源:第一财经网 发布时间:2022-9-7 11:11:18 浏览:

  新能源汽车发展浪潮下,锂电池需求量持续攀升,也给上游原材料供应链带来前所未有的机遇。

  2022年上半年,动力锂电池材料四大关键材料——正极材料、负极材料、隔膜、电解液出货量分别为76.4万吨、54万吨、54亿平方米、33万吨,同比增长61.05%、68%、59%、63%。

  但是,随着动力电池技术的革新,传统材料逐渐不能满足电池降本、提升能量密度等需求,单晶三元、硅基负极等新材料应用加速。材料和化学体系创新越来越成为未来电池产业链企业的核心竞争力。

  本报告将从正极材料、负极材料、电解液用锂盐、导电剂领域入手,探讨新型材料如何为提升动力电池性能添砖加瓦,又将如何推动动力电池材料市场格局不断演变。

  全文篇幅较长,主要从以下方面展开:

一、正极材料

  1.1锰基正级

  1.2单晶三元

二、负极材料

  2.1硅基负极

三、电解液用锂盐

  3.1双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)

  3.2小众锂盐:二氟磷酸锂

四、导电剂

  4.1碳纳米管材料

五、结语

一、正极材料

  正极材料是提高动力电池性能的关键。例如,正极材料的表面特性和机构稳定性很大程度上决定了动力电池的安全性能和循环次数;电压平台、克容量和压实密度等影响着动力电池的能量密度。

  同时,正极材料也是动力电池所有环节中成本最大的部分,占比高达40%以上。随着上游原料价格的飞速增长,在提升电池性能的基础上,正极材料厂商对降本技术的研发也迫在眉睫。

  目前,磷酸铁锂与三元材料仍为正极材料市场中的主流选择,而低成本、高电压的新型正极材料也接连出现。比如,升级领域涵盖磷酸铁锂、三元材料的锰基正级,以及渐成动力电池主流应用的单晶三元。

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1.1 锰基正级

  镍、钴、锂等新能源金属的价格上涨倒逼电池厂不断探寻新的电池材料和技术,锰在电池领域的应用正得到市场越来越多关注。其中,具备高电压特性的锰基电池材料有望成为电池能量密度的突破点。

  目前常见的锰基电池材料包括磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基和锰酸锂。从能量密度来看,富锂锰基>磷酸锰铁锂>镍锰酸锂>锰酸锂。因此,磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基可用于动力电池,锰酸锂则多用于两轮车或消费领域。

  相较于市面上主流的磷酸铁锂和三元动力电池,高电压、成本低、循环寿命短是锰基电池的共同特性。

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1.1.1 磷酸锰铁锂:掺杂使用才是王道?

  磷酸锰铁锂是磷酸铁锂的升级方向之一。与磷酸铁锂相比,磷酸锰铁锂电压平台可达3.8V-4.1V左右,高于磷酸铁锂的3.4V,在克容量几乎相同的情况下,能量密度可提升约20%。同时,磷酸锰铁锂的主要原材料为锰系化合物,锰含量约40%,并非稀缺资源,中银证券测算原料成本可较磷酸铁锂低约28%。

  但是,磷酸锰铁锂目前仍存在“硬伤”。由于导电性差、电阻高,磷酸锰铁锂在充放电过程中的极化程度较大,电池的循环次数较磷酸铁锂减少了约1000次。为此,业界正在通过碳包覆、离子掺杂等材料改性技术努力弥补短板。

  “锰基电池只会适当占有市场,是辅助产品,不会成为主流。”有新能源分析师认为,比如磷酸锰铁锂具有与三元5系相近的能量密度,二者混合后在提升电池安全性和使用寿命的同时,还能进一步优化成本,在未来2-3年更多会以复配三元材料的方式加以应用。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高表示,当时比亚迪舍弃磷酸锰铁锂技术的原因之一就是单独使用会面临一些难题。磷酸锰铁锂电池的材料粒径需要做到50纳米,粒径小就易吸水,压实密度也会降低,但与三元锂电池配合使用有不错的效果。

  2022年7月,容百科技在战略新品发布会上展示了4种磷酸锰铁锂和高镍三元混合使用的产品。

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  具体来看,不同的掺杂比例所达到的能量密度也不同。当磷酸锰铁锂占比95%时,电池能量密度为210Wh/kg,主要的竞争对手是磷酸铁锂市场;当磷酸锰铁锂占比仅5%时,电池能量密度高达270Wh/kg,主要应用市场为高镍三元迭代产品。

  民生证券测算,中性、乐观情景下,2025年全球动力电池和两轮车领域复配方案的磷酸锰铁锂需求量分别为11.43万、15.41万吨,对应市场空间分别为75.45亿、101.67亿元,2022-2025年CAGR分别为229.39%、264.82%。

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1.1.2 富锂锰基:最具前景的动力电池用正极材料之一

  富锂锰基在2V-4.8V电压平台基础上的比容量可超200mA·h/g,是目前所用正极材料实际容量的两倍左右,被认为是继磷酸铁锂和三元材料之后最具前景的动力电池用正极材料。

  但富锂锰基充放电效率低、循环稳定性差,使用过程中还会出现持续的电压衰减,且4.8V高压电解液是一项极具挑战性的研发工作,这在一定程度上降低了其高比容量带来的优越性。

  目前,富锂锰基整体还处在研发阶段。

  中信建投数据显示,截至2022年4月,富锂锰基处于有效、实质审查和公开状态的专利数共有1000余个,主要集中在中国。其中,中南大学、福建师范大学、湖南妙胜汽车电源有限公司专利规模位居前三位。申请专利的年份自2010年起,集中爆发于2017年之后。

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  中信建投认为,若高性能的富锂锰基材料能够得以应用,理论上可以替代三元正极和部分铁锂正极,甚至创造出更多增量。同时,富锂正极搭配高锂含量负极也是材料应用方面的亮点之一。

1.1.3 产业链相关企业布局一览

  中信证券认为,率先发力新型锰基材料研发生产的正极企业和向下游电池材料延伸的锰产品制造商将受益,并建议围绕这两条主线进行投资。

  从最上游的锰资源开采来看,青岛中程(300208.SZ)持有东帝汶锰矿约476公顷,目前勘探面积为103.47公顷,储量约34万吨,锰含量约为45%-60%;三峡水利(600116.SH)则拥有锰矿开采、电解锰生产加工及销售的完整产业链。

  原料加工企业方面,五矿资本(600390)拥有亚洲最大的四氧化三锰厂和国内最大的电解金属锰生产基地,市场占有率超50%;红星发展(600367)子公司大龙锰业主要生产一次电池和锂电池用的电解二氧化锰(锰酸锂的主要原材料)、三元正极材料使用的高纯硫酸锰等产品;中钢天源(002057)则是全球最大的四氧化三锰制造商。

  另有锰产品制造商已开始积极向下游拓展电池材料业务。

  湘潭电化(002125)是国内规模最大的电解二氧化锰生产企业,电解二氧化锰年产12.2万吨。公司正在布局锰酸锂、四氧化三锰等锰系新能源电池材料。为了节约资本,公司正在湖南、广西等地寻找低成本、安全性高的优质锰矿资源,现已取得湘潭楠木冲锰业有限公司51%的控股权、广西靖西市爱屯锰矿普查探矿权,楠木冲锰矿复产后,有望为公司提供资源保障。

  磷酸锰铁锂正极材料方面,德方纳米(300769.SZ)进度较为领先。公司现具有百吨级别的中试线,相关产品已经送样电池厂,电池端测试已基本完成,现已进入车端验证阶段。当升科技(300073.SZ)、厦钨新能(688778.SH)则仍处于小试阶段。有业内人士称,磷酸锰铁锂目前没有规模化应用,但应该很快会提上议程。

  值得一提的是,2021年“宁王”也已悄然布局磷酸锰铁锂材料业务。

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  富锂锰基方面,国内已有多家公司储备了相关生产技术。容百科技、当升科技目前已进入小试阶段。多氟多、振华新材等企业据悉也开展了富锂锰基相关研发工作。

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1.2 单晶三元

  单晶化路线作为提升动力电池正极材料能量密度的主要方式之一,市场渗透率逐步提升。

  据鑫椤咨询,中国单晶三元在三元正极材料市场中的占比从2019年的20%左右,上升至2022年前四个月的42.7%,预计2022全年的市占率将保持在40%以上。

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  渤海证券等多家研究机构认为,三元材料的单晶化与高镍化路线将殊途同归,长远来看,高镍低钴乃至高镍无钴的单晶三元材料体系将会成为国内动力电池主流应用品种。

1.2.1 单晶中镍:当前性价比突出

  从国内各型号电池单晶材料占比来看,单晶中镍占比较高。其中,5系占比最高,6系排名第二但占比逐渐增加,主要代表产品为Ni55(55/15/30)和Ni65(65/7/28)。

  为什么中镍成为当前主流?

  首先,从能量密度来看,通过提高电压平台,单晶中镍6系能量密度与多晶镍8系产品基本持平。厦钨新能此前发布公告称,公司6系高电压对标8系高镍,7系高电压对标9系超高镍。

  其次,从成本来看,Ni65高电压三元与Ni8系高镍三元相比,用22%的锰替代了18%的镍和4%的钴。而锰价远低于镍价和钴价,wind数据显示,2022年7月底,锰、镍、钴价格分别为7126元/吨、18.01万元/吨、33.7万元/吨。华安证券表示,由于单晶中镍产品镍钴用量较少,在近期镍钴价格扰动下具备一定成本优势。当前,单晶6系毛利率已接近高镍三元,体现较强的定价能力和盈利水平。

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  最后,从安全性来看,上文提到了单晶材料内部没有晶界,在多次循环后几乎不会出现粉碎情况。据天风证券,Ni55电芯即便在持续充放电过程中被针刺穿也仅仅是发烟、发热而不会起火燃烧。欣旺达相关负责人透露,欣旺达采用单晶高电压镍5X体系材料,产热较其它体系低至少18%,热失控温度则比其它体系高30%以上。

1.2.2 单晶高镍:市场份额逐步提升

  由于单晶高镍层状正极具有独特的一体化单晶结构,机械强度高、比表面积小,相较于多晶高镍层状正极具有更好的循环稳定性。同时,单晶高镍层状正极还具备更好的倍率性能、安全性以及机械稳定性和压实密度。

  但是,单晶高镍层状正极的合成路线还不够成熟,存在能耗高、合成成本高等问题。

  中南大学纪效波教授课题组在针对单晶高镍正极的研究中指出,单晶高镍层状正极的发展仍处于早期阶段,需要进一步优化和探究,但其在高性能锂离子电池方面仍有前景。

  当前,高镍8系三元材料目前仍以多晶体系为主,随着宁德时代等头部企业加速局,单晶高镍在8系领域的市场渗透率逐步提升,渗透率已从2019年的0.8%增长至2022年一季度的13.5%。

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1.2.3 市场竞争格局集中,头部企业单晶中镍、高镍齐发力

  由于单晶材料制备需进行多次高温烧结,同时,在合成的过程中还要克服大单晶对容量及功率性能的负面影响,遇到高端产品还需要包覆、掺杂、水洗等工序,工艺相对复杂。

  高技术门槛带来了行业的高集中度。据鑫椤资讯,2021、2022年前4月国内单晶三元厂商CR3分别为60%、61%。其中,振华新材、长远锂科、厦钨新能凭借技术优势快速抢占市场份额,2022年前四月分别占比20%、20%、15%。

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  振华新材早在2009年就完成了大单晶三元正极材料的研发及生产,2021年市占率第一。据国泰君安,目前该公司已批量销售多款一次颗粒大单晶5系、6系和8系产品,在研镍9系、低钴无钴等进一步提高能量密度及性价比的单晶三元产品也在向下游主要动力企业送样认证中,有望充分保证其产品端竞争力。

  产能方面,振华新材沙文二期2.6万吨高镍三元及钴酸锂项目(含技改,主要投向单晶)、义龙二期2万吨高镍三元正极项目(主要投向单晶)预计2022年投产。2022年6月,该公司发布公告称,拟募资不超60亿元用于义龙三期10万吨高镍产能,预计2025年分阶段投产。

   长远锂科目前绝大部分产品均采用单晶技术。该公司NCM523单晶镍含量50%-58%系列产品、NCM622单晶镍含量60%-65%系列产品实现量产;NCM811已实现量产,第二代单晶产品已经完成中试开发验证;9系NCM单晶产品率先完成设计开发,客户进入吨级试产阶段。

  长远锂科高新一期4万吨高镍三元正极(可兼容单晶高电压)已建成投产;高新二期4万吨高镍三元正极项目(可兼容单晶高电压),预计2022年建成。当前,该公司产品已进入宁德时代、比亚迪供应链。

  厦钨新能主打单晶中镍高电压,产品涵盖4.40V、4.45V、4.48V、45V等高电压系列,4.55V系列产品也正处于研发进程中。

  2020年,该公司为中创新航的高电压Ni5系提供材料,最终量产的590模组电池搭载于国内首款续航里程超过600公里的SUV广汽埃安AionLX。

  厦钨新能最新开发的Ni68系产品在安全性与成本方面具备综合优势,且在能量密度方面与NCM811材料持平。该材料目前已成功应用到续航里程超过1000公里的电动车上并实现大批量供货。

    在技术和成本优势的加持下,厦钨新能高电压三元材料收入占比快速提升,从2019年的不足25%,上升至2022年一季度的81.14%。

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二、负极

  负极是锂电材料中最成熟的环节,在锂电池中起主要起到储存和释放能量的作用,主要影响锂电池的电池效率、循环性能等。

  负极材料分为碳系材料和非碳系材料,目前市场应用主流材料为碳系材料中的石墨类。而石墨类材料又可分为石墨为人造石墨、天然石墨、中间相炭微球。由于人造石墨循环性能、安全性能相对突出,已广泛应用于动力电池和储能电池;能量密度高、循环性能差的天然石墨则多适用于数码电池。若要如需进一步提升动力电池能量密度,就不得不提到负极的新材料应用——硅基负极。

2.1 硅基负极

  随着正极比容量的不断上升,负极的比容量也收到了挑战。

  由于市场主流石墨负极在实际应用中,石墨比容量达到了约330—370mAh/g,已触及理论比容量372mAh/g的天花板;但硅的比容量超石墨10倍,能达4200mAh/g。

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  从技术路线来看,硅碳复合材料、硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。

  硅碳复合材料是由指纳米硅与石墨材料混合而成,拥有克容量高、充放电效率高等特点;硅氧复合材料制备较为复杂,但循环性能和倍率性能优于其他硅基负极材料。东方证券认为,近年来,硅氧负极的首次效率经过材料厂家的努力已经提升显著,其更优的综合性能为未来硅基负极的发展指明方向。

2.1.1 两大领域加速硅基负极放量

  动力电池尤其是4680圆柱电池的需求上量,逐渐打开了硅基负极的市场空间。

  其中,特斯拉早在2017年搭载21700电池时就已经引入了“掺硅”技术,大约掺了5%—6%的硅合金,占比较小。由于4680的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收硅在充放电过程中的膨胀力,未来硅的掺杂比例或超10%。

  随着圆柱电池技术的不断成熟,宁德时代、亿纬锂能等各大厂商已开始加速布局,光大证券预计2025年全球4680电池装机量将达264GWh。

  除圆柱电池外,使用硅基负极的方形电池应用范围也在逐步扩大。

  2022年1月,智己汽车首次提出使用“掺硅补锂”技术,电池单体能量密度可实现300Wh/kg 。与此同时,戴姆勒G-Class、蔚来ET7、广汽埃安等车型都将搭载含有硅基负极的动力电池。

  与此同时,快充的快速到来也对硅基负极市场起到了催化作用。

  据天风证券,目前主流的动力电池包已能支持2C充电倍率,往上提升类似木桶效应,短板在负极,负极析锂问题还待解决。由于硅的析锂风险小,且相较于碳所能接受的0.1V电压,硅可忍受0.4V,采用硅负极成为解决负极短板的方法之一。

  在动力电池与快充等因素的加持下,高工锂电数据显示,我国硅基负极出货量由2015 年的0.03万吨增长至2020年的0.6万吨,年复合增速达到了82%,已达到稳定批量生产状态。信达证券则表示,在具体应用方面,硅基负极搭配高镍三元使用效果更加突出,预计硅基负极掺杂比例将逐年提升,2025年全球硅基负极需求量将达23.1 万吨。

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2.1.2 量产企业较为有限

  当前,布局硅基负极的企业大体可分为三类:一是自身从事负极研发生产的企业,如贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等;二是科研院校的创始团队,如天目先导等;三是跨界布局的电池企业或,如国轩高科等。

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  虽然参与企业众多,但是可实现量产的企业有限,因此目前市场集中度较高。

  行业代表企业贝特瑞硅碳负极材料的技术已更新至第三代产品,比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g,更高容量的第四代硅碳负极材料产品也正在开发中。同时,硅氧负极材料部分产品的比容量达到1,600mAh/g以上。

  公司在2022年2月发布公告称,拟在深圳市光明区内投资建设年产4万吨硅基负极材料项目,项目预计总投资50亿元。

  杉杉股份则在硅氧负极布局上较为领先,公司第三代硅氧产品(克容量1350mAh/g)首次效率已达到90%,2021年硅氧负极出货量实现百吨级。

  2022年6月,公司发布公告称,拟50亿元投建年产4万吨锂离子电池硅基负极材料一体化基地项目。其中,一期规划年产能1万吨,预计2022年底开工;二期项目规划年产能3万吨,预计2024年底开工。

  客户方面,杉杉股份的高容量硅基负极在2017年就实现了量产并供货,并于2018年为宁德时代供货测试。



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