高鎳三元時代即將到來!一文了解為何鎳在高鎳三元材料中脫穎而出!

摘要

【高鎳三元時代即將到來！一文了解為何鎳在高鎳三元材料中脫穎而出！】2018年新能源汽車產量激增，硫酸鎳產量增加明顯，2018年1-5月新能源汽車產銷同比增長率都超過100%，在新能源汽車補貼新政過渡期內表現依舊偏強。而作為電池的重要原材料的產量情況也增長明顯，同比增加了超過41%，整體行業欣欣向榮。（上海有色網）

　　2018年新能源汽車產量激增，硫酸鎳產量增加明顯，2018年1-5月新能源汽車產銷同比增長率都超過100%，在新能源汽車補貼新政過渡期內表現依舊偏強。而作為電池的重要原材料的產量情況也增長明顯，同比增加了超過41%，整體行業欣欣向榮。

　　2018新能源汽車補貼政策總的來說，本次新能源汽車國家補貼政策是針對過去一年市場發生的變化作出的一系列相應調控。在今年的補貼新標準引入了電池系統能量密度調整係數和車輛能耗調整係數，這些新加入的技術要求會推動廠商研發更高能量密度的電池、更高效的電控、更輕量化的車身。相應的，預計今年的鋰電池正極材料中三元材料的使用增長率會得到進一步提升，高鎳三元材料企業的產能逐步建設完成，後續對鎳需求也會進一步增加！

　　電動汽車高鎳三元時代的到來已毋庸置疑，但你真的了解高鎳三元嗎？這次，SMM小編就帶大家來一探究竟！

　　何為三元正極材料？

　　三元材料是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，根據實際情況對鎳鈷錳的比例進行配比。與磷酸鐵鋰和錳酸鋰相比較，三元材料能量密度明顯提升。當前，經過改進的磷酸鐵鋰能量密度可以達到160Wh/kg；錳酸鋰能量密度在150Wh/kg左右；鎳鈷錳三元材料NCM中，隨著鎳含量的增加，能量密度也大幅增加，當前國內主流NCM還是NCM523/622體系，正在快速向NCM811體系切換，能量密度可以達到210Wh/kg；鎳鈷鋁三元材料NCA的能量密度在220-280Wh/kg，松下供給特斯拉的NCA能量密度能達到300Wh/kg，是國內企業追趕的目標。

　　三元前驅體的製備技術

　　硫酸鈷

　　電子級硫酸鈷的製備可通過除雜、還原、萃取、分離和結晶等工序製備。此外，常用的硫酸鈷製備方法還包括高溫合成法等。

　　硫酸鎳

　　鎳金屬的來源包括紅土鎳礦和硫化鎳礦，可通過溼法、火法、電解沉積法和電解精煉法得到硫酸鎳等鎳鹽。

　　硫酸錳

　　國內硫酸錳的生產工藝主要包括高溫焙燒法、酸浸法和兩礦加溼法。高溫焙燒法主要針對於低品位的軟錳礦適合；酸浸法過程簡單，但生產成本高，容易對設備造成腐蝕；兩礦加溼法工序相對簡便，一定程度上降低了成本，是一種值得推廣的新工藝；此外，還有二氧化硫法、硫酸亞鐵法等也在使用。

　　三元電池的劃分

　　按照鎳鈷錳的比例，三元可以分為111、523、622、811等。NCM811電池則指三元鋰電池中正極材料的鎳鈷錳比例為8:1:1，也就是我們常說的高鎳電池。

　　高鎳電池為何脫穎而出？

　　鎳主要的作用是提升能量密度，高鎳意味著更高的能量密度以及更低的鈷含量，高鎳811電池的主要優勢為增加續航又能大幅度降低成本，因而高鎳811的研發成為目前熱點。

　　當前國內普遍使用的三元鋰電池型號為523(鎳鈷錳比例為5:2:3)，其能量密度可以達到160-200Wh/kg，少數企業可以生產NCM622型號電池，可達到230Wh/kg，而NCM811則可以達到280Wh/kg。

　　《汽車產業中長期發展規劃》中明確規劃，到2020年，動力電池單體能量密度達到300Wh/kg以上，力爭實現350Wh/kg。到2025年，動力電池系統能量密度達到350Wh/kg。

　　以現有的技術條件，磷酸鐵鋰和NCM622以下的正極材料是很難達到高能量密度的要求。如果要達到300Wh/kg以上的能量密度，縱觀當下，NCM811三元電池成為必然選擇，這也是我國政府和行業鼓勵的方向。

　　除了政策推動高鎳811電池的發展，鈷成本的上漲也使得企業通過「降鈷增鎳」來緩解成本壓力。原材料鈷的持續吃緊，加上2017年以來其價格不斷上漲，讓電池生產商壓力山大。高鎳811正極材料裡面鈷的比例較其他三元材料的鈷比例低，受到鈷價上漲的影響較小，價格也比鈷酸鋰價格低很多。各電池製造商開始將選材重心從鈷轉換到價格較為便宜、性能更為穩定的鎳金屬。

　　高鎳電池製備挑戰？

　　新一代鋰離子電極材料中研究較多的主要是高鎳氧化物(放電比容量200-220 Wh/kg)和富鋰氧化物(放電比容量250-300Wh/kg)，主要特點是比容量和能量密度較高，高鎳系正極材料Li(NixM1-x)O2 (x≥0.6)原材料成本較低、容量高，受到越來越多關注。

　　高鎳材料最大的缺點是結構穩定性和高溫性能較差，其表面顆粒極易發生如下現象：層狀結構-尖晶石結構-非活性巖石的相變過程，引起容量、循環性能衰減。為了解決這一問題，可通過離子摻雜和表面包覆的方法抑制材料性能衰減。摻雜主要是使摻雜離子進入晶格結構中，取代原材料中的部分離子，減少Li+/Ni2+的混排，穩固原材料結構，提高循環過程中材料結構的穩定性，改善材料的循環性。

　　選擇合適的包覆材料使表面塗層能提高材料的離子遷移率或電子導電率，抑制相變，增加材料結構的穩定性，減少活性物質中過渡金屬的溶解，還可除去HF，有利於電極表面形成固體電解質界面膜(SEI)，減少電極電阻和循環過程中副反應發生及熱生成，從而顯著改善材料的循環壽命、倍率性能、可逆容量和首次庫侖效率。電動汽車行業的發展促進了動力鋰電池的研究，越來越多的科研工作者逐漸認識到NCA 正極材料的衰減限制了動力鋰離子電池的應用，已在材料改性延緩電化學活性衰減方面做了大量工作。

　　採用溶劑析出結晶法將FeF3 包覆在NCA表面，FeF3包覆的NCA 比未包覆的NCA 具有更高的容量，0.2C倍率下未包覆NCA 的初始放電比容量是，50 次循環後容量保持率為95.3%， FeF3包覆後NCA的放電比容量為194.2 mAh/g， 經50 次循環後容量保持率為98.4%。

　　高鎳三元發展瓶頸

　　高鎳三元難度高，企業可能面臨分化

　　高鎳技術難度大，產業化需要重點關注殘鹼量、燒結溫度、溼度、電解液配套等核心關鍵指標。高鎳正極材料的容量主要由 Ni2+/Ni4+氧化還原對貢獻，因此高鎳材料的容量整體隨著鎳含量的提高而增加，但同時高鎳材料也面臨諸多難點和問題，如循環性能和安全性能變差，殘鹼含量增加以及需要配套的電解液等，其主要的問題如下：

　　高鎳混排導致化學計量比材料合成困難

　　三元材料中的 Ni2+容易與 Li+產生混排效應，高鎳材料中鎳含量越高，則 Ni2+含量也越高進而導致混排越嚴重，形成非計量比材料，同時影響材料的循環和倍率性能。

　　高鎳導致正極材料表面殘鹼量呈倍數級增長

　　鎳含量越高三元材料越容易與空氣中 CO2、H2O 反應，在材料表面形成 LiOH 和 Li2CO3，前者易與六氟磷酸鋰反應生成 HF，後者在高溫儲存時會產生嚴重氣脹，鎳含量越高殘鹼呈放大倍數增加，因此從 NCM523 轉向 622、811 對殘鹼的控制難度與從 NCM333 轉向 523 相比不可同日而語。

　　鎳含量越高材料熱穩定性和安全性變差

　　在商業化電解液中 LiCoO2、LiNiO2和 LiMn2O4 三種材料充電至 4.2V 時熱分解溫度依次是 LiMn2O4>LiCoO2>LiNiO2，放熱量依次是 LiMn2O4 <licoo2<linio2，因此隨著鎳含量增加，熱分解溫度降低，放熱量增加，材料的熱穩定性變差。此外，高鎳材料中 ni4+含量更多且不穩定，其受熱易分解並析出氧氣，當熱量和=「」 co2、=「」 o2=「」 在密閉電池內部聚集到一定程度時，電池容易發生爆炸。

　　需要更理想的電解液進行匹配

　　高鎳三元吸水性強、穩定性低，在高溫條件下鎳元素會加速電解液分解，使電解液氧化、產氣並溶出錳、鈷等過渡金屬離子，並破壞負極上的 SEI 膜；(2)正極材料表面的殘鹼 LiOH、Li2CO3在高溫條件下易與電解液反應，在 HF 的腐蝕下造成 Co、Ni 離子的溶解，降低材料的存儲和循環壽命。因此，在高鎳趨勢下必須要尋找與之匹配的電解液。

　　對燒結溫度、溼度、金屬異物等提出了更高的要求

　　其中燒結溫度是最重要的工藝參數，可以影響材料的大部分性能，高鎳三元對窯爐溫度的穩定性和精度要求尤其甚高，溫控系統對材料的燒結也至關重要。而金屬異物過高會導致電池自放電率變大，影響電池安全性能，高鎳三元對除鐵設備也提出了更高的要求。

　　高鎳三元的未來發趨勢

　　高鎳三元增長進入快車道 2020 年市場規模有望達到 210 億元

　　判斷高鎳三元材料在未來兩三年有望進入快速增長階段，主要基於兩大趨勢：第一、全球來看 (包括中國)三元材料對磷酸鐵鋰及其他正極材料的替代還在不斷進行，2016 年全球三元材料銷量佔比為 46%，2017 年超過半壁江山進一步提升至 53%，由於海外基本擯棄磷酸鐵鋰路線，中國除了大巴外三元趨勢也較為明顯，因此未來三元材料市場比重還有望進一步提高；第二，從中國來看，由於補貼退坡、技術不斷突破以及海外企業留下窗口期，國內高鎳三元有望不斷加速，2016 年 NCM622 在三元材料中佔比僅為 5%，而到 2018 年一季度，NCM622 佔比提升至 14%， NCM811/NCA 也基本實現從零到有突破，佔比提升至 8%，其中 NCM811 產量大幅激增，結合下遊電芯企業布局，我們判斷未來這種趨勢將進一步加強，這也將支持高鎳三元進入快車道。

　　保守估計下到 2020 年國內 NCM622 及 NCM811 出貨量合計將達 10.9 萬噸，市場規模有望接近 210 億元。

　　受全球新能源車快速發展影響，根據當升科技可研報告，預計到 2022 年全球正極材料出貨量將突破 60 萬噸，到 2025 年將接近 100 萬噸，其中三元材料仍將是大頭，高鎳三元也將迎來水漲船高的機遇。從國內來看，未來三年三元材料出貨量複合增速有望維持在 30%以上，而到 2020 年出貨量將突破 20 萬噸大關。我們保守假設從 2018 年到 2020 年 NCM622 在三元材料中市佔率分別為 14%、20%、30%，NCM811 在三元材料中的份額分別為 10%、15%、20%進行測算， 則 18 至 20 年高鎳三元(NCM622 和 NCM811)的合計出貨量有望達到 2.8 萬噸、5.4 萬噸和 10.9 萬噸，如果 2020 年 NCM622 按含稅價格 18.96 萬元/噸、NCM811 按含稅價格 20.54 萬元/噸測算， 則兩者合計市場規模將達到 210 億元左右。

　　高鎳三元企業發展情況

　　補貼退坡、海外競爭下國內電芯企業有望率先使用高鎳三元

　　2018年 2 月 13 日，財政部、工信部等四部門聯合發布《關於調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，對我國新能源汽車財政補貼作出調整，其中續航裡程在 300 公裡以下的乘用車補貼出現明顯下滑，最高降幅達 2.1 萬元，而續航在 300 公裡以上的乘用車補貼不降反增，這也將促使更多車企使用高能量密度如 NCM622、811 電池材料。而展望未來，一方面補貼進一步退坡不可避免，國內主機廠和電芯廠都將加速進行產品的換代升級，為將來補貼完全退出之後與燃油車展開競爭提前準備；另一方面在缺乏補貼政策保護下國內新能源車產業鏈勢必將受到國外電芯企業衝擊，市場競爭包括成本、價格、質量、性能、體系的競爭也將不斷加劇，這也將倒逼國內電芯、 材料企業先行先試、突破創新，而我們認為高鎳三元即將成為重點競爭領域。

　　海外電芯企業 811 進度推遲預留窗口期，國內電芯企業有望先行先試

　　從海外來看，韓國 SKI 在 2017 年 9 月宣布將於 2018 年三季度將第一代 NCM811 用於新能源車；而韓國 LG Chem 也宣稱按計劃將於 2018 年二季度開始為電動汽車提供 NCM811 電池，然而在今年兩家公司又不約而同宣布推遲 NCM811 進程，其中 LG 證實今年將只生產用於電動公交車的圓柱形 NCM811 電池。我們認為從歷史來看，國內由於動力電池技術源於磷酸鐵鋰(主要以比亞迪為主)，其次才導入三元電池並開始以之為主流，而海外尤其是日韓電芯企業最初就選擇跳過磷酸鐵鋰而直接切入三元電池， 不同的技術路徑選擇導致國內電芯企業在高能量密度領域與日韓企業相比始終落後一節，且需要依靠國家補貼。而在財政補貼不斷下滑甚至取消的趨勢下，如果中國與日韓企業維持這種代差，則日韓電芯企業的進入最終將對國內市場形成極大的衝擊力，也將使得前期的財政補貼缺乏戰略意義。

　　而此次海外電芯企業推遲 NCM811 進程，一方面可以看出 811 作為接近三元天花板的高性能材料， 海外企業在這方面的研發積累、產業化也缺乏較大領先性，國內頭部企業具備趕超的希望；另一方面海外進度的推遲也給了國內企業一定的窗口期，在通往更高性能材料道路上的這種代差劣勢將逐步得到修正與彌補。

　　國內電芯兩強寧德時代和比亞迪均計劃於明年推出電動車用 NCM811 電池

　　目前寧德時代用於電動汽車的電池主要是 NCM523，但寧德時代在高能量密度電池技術和工藝上有豐富的技術儲備，目前已經開始批量生產 NCM622 動力電池，同時也在積極推進 NCM811、鋰金屬電池、矽炭負極等技術以期在未來獲得足夠的競爭優勢。根據其電池技術路線圖，寧德時代在 2019 年電池能量密度要達到 250-280Wh/kg，主要依靠鎳 80 系列，而到 2020 年電池能量密度要達到 300-350Wh/kg，將同時採用更高鎳技術和矽炭複合技術。此外比亞迪也表示目前三元高鎳 811 電池研發進展順利，預計將於 2019 年下半年開始應用。

　　國內電芯企業高鎳811發展情況

　　小結

　　高鎳動力電池已經得到了國際市場認可，隨著我國新能源汽車補貼的退坡到退出，新能源汽車市場化將正式來臨，國內高鎳動力電池必將迎來爆發。正極材料做為電池最核心的材料，未來將持續受益，並且正極材料的技術仍處於不斷演變階段，具有巨大挖掘潛力。正極材料企業既要有技術開發、產品更新能力，又要有產能保駕護航；既要有穩定的上遊資源供給，又要得到下遊客戶的認可。

　　而對於高鎳三元企業來說，未來正是重塑正極材料散而亂格局的時候，龍頭企業有望勝出。

　　一方面由於技術難度高(NCM811 遠高於 NCM333、NCM523)、產品附加值高、高鎳三元產品生命周期相比低鎳三元也將更為長久，屬於中周期產業趨勢，對正極材料企業而言有著更高的價值意義，符合正極材料產業發展趨勢。

　　另一方面要解決高鎳三元發展的難題必須通過摻雜、包覆等手段對高鎳材料進行改性加工，同時燒結的設備精度及工藝要求也將大幅提升，整體加工難度顯著增加， 因此高鎳正極的技術門檻也將大幅提高進而重塑產業格局，正極材料企業有可能出現分化，市場集中度有望進一步提升，這其中具備高鎳技術優勢、率先突破高鎳三元產業化的企業有望主導行業格局，從而獲得可持續的長遠的發展。

（文章來源：上海有色網）

(責任編輯：DF318)