三元正极材料行业深度报告：三元正极技术篇，深挖护城河
（报告出品方：方正证券）
1. 三元正极：锂电池的核心
正极材料是锂电池的重要组成部分
锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等四大主材组成。锂电池按照形状划分，可以分为圆柱、方形、软包等。另外也常以使用的正极材料种类进行划分， 包括钴酸锂电池、三元电池、磷酸铁锂电池等。2021年我国动力电池装机量154.5GWh，主要以磷酸铁锂电池和三元电池为主。其中三元电池装 机量74.35GWh，占比48.1%。
三元正极市场高速增长
随着新能源汽车销量高速增长，以及电动工具等市场稳定增长，三元正极材料出货量持续保持高 速增长。2021年国内正极材料出货量合计超过100万吨，达到109.4万吨，同比增长98.5%。2021年国内三元正极材料出货量42.2万吨，同比增长79.6%。
三元正极材料占电芯成本比例过半
正极材料是锂电池的核心组成部分，对锂电池的很多核心性能指标都有直接影响，包括容量、寿 命、倍率、安全性等。通常锂电池中的可脱嵌锂离子，都源自正极活性物质。成本方面，正极占比过半。我们以5系三元电池为模型，并结合上海有色网的主要材料报价，对5 系三元电池进行成本拆分。目前正极材料占电芯的成本达到60%左右。
正极材料多技术路线并存
正极材料根据晶体结构，可以分为三大类：尖晶石、橄榄石和层状结构。动力电池市场，磷酸铁 锂、磷酸锰铁锂，以及宁德的新技术路线M3P正极都属于橄榄石结构。动力电池市场商业化应用的NCM、NCA等都属于层状结构。从克容量指标来看，三元正极相对磷酸铁锂、锰酸锂都有比较大的优势。
三元正极性能仍有较大提升空间
磷酸铁锂正极材料理论容量为170mAh/g，目前产业化已经能做到超过156mAh/g，实际值/理论 值达到92%。磷酸铁锂将继续精益求精。目前商业化的三元5系和6系，克容量可以达到180mAh/g左右，实际值/理论值仅有65%。目前商业化的三元8系正极克容量约为200mAh/g，实际值/理论值也仅有72%。
加速产品迭代
三元正极材料企业在现有产品基础上，不断推陈出新。主营三元正极材料的企业中，2021年容百科技和当升科技的研发费用均超过3亿元。主营磷酸铁锂的企业中，德方纳米2021年研发费用为1.64亿元。
2. 三元正极三大发展方向
三元正极三大趋势
趋势一：单晶化（优点）
正极材料可以分为多晶和单晶。一般多晶材料是以微米级别的团聚体形式存在。团聚体内部存在 大量晶界。在电池充放电过程中，由于各向异性的晶格变化，多晶材料容易出现晶界开裂，导致 二次颗粒发生破碎。从而导致副反应快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。采用单晶颗粒，可以减少晶界，减少副反应的发生，还能提高压实密度，从而提高能量密度。与多晶相比，单晶材料的循环性能一般会好很多。
趋势二：高电压化（优点）
三元正极材料的第二个发展趋势是高电压化，相当于是提高锂电池充电截止电压。一般三元电池的充电截止电压为4.2V～4.3V。国家标准GB/T 37201-2018指出，三元电池测试时 一般是以0.2C恒电流充至4.2V，再恒压充电。以5系三元为例，当充电截止电压由4.2V提高到4.4V时，正极材料放电克容量可以由158.4mAh/g 提高到188.6mAh/g，提高19%。并且充电截止电压到4.5V时，正极克容量可以超过200mAh/g。
趋势三：高镍化（优点）
三元正极的第三大趋势：高镍化。高镍化的主要目的是为了提高能量密度。从电子结构来看，钴（Co）的eg轨道为空轨道，t2g轨道与氧（O）的2p轨道有较大重叠，深度脱锂时容 易析氧，出现结构塌陷。此外钴的t2g轨道与氧的2p轨道形成π键，作用力较弱，电子易转移。镍（Ni）的eg轨道与氧的2p轨道重叠非常小，因此理论上镍的eg轨道上电子可以完全失去，镍酸锂的有 效容量更高。对于锰，当镍含量超过锰时，锰会转变为4价形态存在，非常稳定。一般而言，在NCM体系中，钴含量越高，倍率性能越好；镍含量越高，克容量越高；锰含量越高，结构 越稳定。一般8系三元的克容量可以做到超过200mAh/g。
实现路径：掺杂和表面改性对正极材料性能影响重大
无论是普通的正极材料，还是在向单晶、高电压、高镍方向发展时，掺杂和表面改性，都是提高 正极材料综合性能的有效方法。并且掺杂、改性的方法也是正极材料企业的核心竞争力之一。掺杂元素包括Al、Mg、Cr等，提高机理包括稳定主结构、增加锂离子层间距、在晶界处偏析等。
常用的包覆剂包括Al2O3、V2O5、ZnO、ZrO2、TiO2、MgO等。仅以氧化铝包覆方法为例，第一 代技术用有机体系的异丙醇铝，第二代用水系的硝酸铝或羧酸铝，第三代用纳米级的氧化铝或氢 氧化铝。
国内两大方向对比：中镍高电压、高镍
国内三元正极的两个发展方向存在一定的竞争：中镍高电压和高镍（常规电压）。从能量密度指标上来看，对于中镍高电压6系产品，充电截止电压4.4V，6系正极材料的能量密度 可以做到接近镍83的水平。从热稳定性指标上来看，中镍高电压产品一般好于高镍。622充电电压到4.5V，热分解温度比811 高，放热量比811小。
海外：核壳结构+NCMA
三元正极除了国内常规的单晶、中镍高电压、高镍等，海外也在推核壳结构和四元NCMA。正极材料表面改性一般是包覆，但是普通的包覆容易损失克容量，可以升级为核壳结构，也可进 一步升级为梯度材料。新的结构体系，对于生产工艺和生产成本提出了更高的要求。LG推出NCMA。根据韩国汉阳大学发布的结果来看，（1）从NCA89到NCM90，钴含量由10% 下降到5%，循环性能更好。（2）NCMA89可以理解为对NCM90进行改性，铝掺杂比例为1%。（报告来源：未来智库）
3. 三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等
三元正极下一代技术
三元正极方向技术不断迭代。随着三元正极材料在高电压、高镍方向技术成熟，三元正极下一代 产品可能是无钴，或者富锂锰基等。
无钴：镍锰酸锂（NM，尖晶石型 + 层状结构）
镍锰酸锂从晶体结构上来分，可以分为两类：尖晶石型和层状结构。第一种：对尖晶石型的锰酸锂（LiMn2O4）进行镍掺杂，可以形成尖晶石型的镍锰酸锂，其常见的 化学式结构为LiNi0.5Mn1.5O4。与锰酸锂相比，理论克容量不变，并且需要高电压发挥性能。另外一种镍锰酸锂是层状结构，相当于在现有三元NCM正极制备过程中不加入钴源，包括中镍无 钴、高镍无钴、超高镍无钴等。
富锂锰基：更高的克容量（层状结构）
富锂锰基克容量更高，可以超过250mAh/g。晶体结构主要为层状相，锂离子进一步取代过渡金 属层中的元素。其成分可以理解为Li2MnO3与三元正极NCM的混合（固溶体/纳米尺度混合）。制备工艺：富锂锰基与现有三元正极类似，前驱体+高温烧结。挑战：（1）首效低， Li2MnO3组分激活需要首充电压超过4.4V，Li和O以Li2O和O2的形式脱出， 放电时只有一个Li+嵌回，并且晶格氧的氧化还原反应难控制。（2）倍率性能低。（3）放电电压 平台衰减更快。（4）高电压，充电电压高于4.6V，当前商用电解液的分解电压通常在4.4V以下。
4. 三元正极产业链重点公司分析
三元正极行业高速发展，技术迭代，龙头占优
由于三元正极能量密度高，在新能源车市场稳稳占据中高端市场。2021年国内三元正极材料产量 为39.81万吨，同比增长89.5%；全球产量为72.97万吨，同比增长79.3%。随着三元正极材料进一步向单晶、高电压、高镍方向发展，行业技术门槛不断提高。行业龙头公 司凭借技术实力，不断推出新品，保持领先优势。而新进入者很难撼动行业龙头公司地位。
容百科技：三元高镍龙头
容百科技是国内高镍三元正极材料的龙头企业。2021年公司出货量中高镍占比达到90%。公司高 镍产品市占率已连续多年位居全国第一。目前公司高镍9系前驱体和9系单晶正极均已实现量产。产能方面，公司预计到今年年底扩产到25万吨，相对于年初的12万吨，增长一倍多。随着公司进 一步高速扩张，公司在三元正极材料市场有望稳居全球第一。
当升科技：海外市场占优
当升科技主要产品是三元正极，以出口海外为主。公司国际客户主要包括SK on、LG化学、AESC、 Northvolt 等动力电池企业和车企，公司产品出口到日本、韩国、欧洲和美国。公司国内客户包括 亿纬、中航、蜂巢等。与国内市场相比，海外认证周期更长，对产品的质量、稳定性等要求更高。并且海外认证通过后， 在出货量和盈利方面也更有保障。公司高镍产品在行业中处于领先位置，团聚型高镍快速放量，单晶型高镍进入多个车型评测，团 聚单晶复合型高镍持续迭代，超高镍Ni95完成国际客户认证。
长远锂科：一体化打造核心优势
长远锂科主要产品是三元正极材料，并且前驱体自供比例较高。21年公司三元前驱体产量2.89万 吨，全部自用，三元正极材料产量4.47万吨，相当于前驱体自供比例～65%。公司中镍高电压产品在行业处于领先位置。公司新一代中镍高电压65 系单晶产品采用低成本粗颗 粒锂源，可以降低成本，并提高生产效率。高镍方面，公司新一代镍83单晶产品已经通过宁德时 代吨级样品测试。公司超高镍 9 系单晶产品，下游客户已经进入吨级试产阶段。
振华新材：三烧工艺行业领先
振华新材主营三元正极材料。公司在单晶正极方面有着非常深入的研究。公司早在2009年就推出第一代 5系单晶产品。从2018年开始，公司逐步推出6系和8系单晶产品。公司单晶产品以三次烧结工艺为主。三烧工艺在前驱体选择、高镍材料制备等方面均具备一定优势。2021年公司高镍8系产品实现批量供货，8系产品营收占比达到38.08%。并且公司超高镍9系三元正极材 料已于2021年开始向部分客户进行吨级送样。
厦钨新能：全球钴酸锂龙头，中镍高电压快速推进
厦钨新能是全球钴酸锂正极材料龙头企业。21年公司钴酸锂销量4.5万吨，同增35%。公司高电压 4.48V钴酸锂产品从2020年开始大批量出货。根据鑫椤资讯统计，21年公司钴酸锂产品全球市占率达到42%，同比提升8.5pct。三元正极方面，公司开发的新一代中镍高电压6系产品，已经成功应用到续航里程超过1千公里的 电动车上。高镍方面，公司8系多晶与单晶产品均已经量产，9系处于量试阶段。
贝特瑞：全球负极龙头，三元正极开始放量
贝特瑞是全球负极材料的龙头企业。21年公司负极材料销量16.6万吨，同比增长121%。根据鑫椤 资讯统计， 21年公司负极材料全球市占率19%，稳居全球第一。公司研发投入高。21年公司研发费用5.9亿元，占营收比例5.6%。正极方面，21年公司三元正极销量1.83万吨，同比增长452%，实现突破性进展。并且公司超高镍 正极材料开发项目，已经完成小试，进入中试阶段。
三元前驱体：三元正极材料性能实现的关键原材料
三元正极向单晶、高电压、高镍方向发展，上游原材料三元前驱体对三元正极材料的最终性能也 有重要影响。目前我国在三元前驱体研发与生产方面，已经处于全球领先地位。2021年全球三元前驱体产量中， 中伟股份、格林美和华友钴业位居全球前三。另外芳源股份前驱体产品主要供应松下、贝特瑞、 当升科技等，技术实力在行业中也是处于领先位置。
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