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【原創】三元材料“升維”路徑:高鎳、高壓、單晶化
三元材料 文章來源自:高工鋰電網
2022-07-25 10:35:05 閱讀:13494
摘要聚焦三元正極材料,高鎳化、高電壓化、單晶化成為趨勢。

三元正極材料不斷升級。

新能源市場迎來爆發拐點,電動車滲透率不斷提升。中汽協數據顯示,2022年1-6月我國新能源汽車累計產量266.1萬輛,銷量260萬輛,同比均增長1.2倍,市場滲透率達21.6%。

在市場形勢一片大好之下,鋰電池原材料價格跳漲、供應緊缺,并對汽車續航能力提出更高要求。因此,生產更高能量密度、更高安全性能、更低成本的電池成為“破局”的關鍵。

三元電池作為中高端電動車市場的主流選擇,市場需求空間巨大。若要滿足更高的市場期待,則需對其進行材料技術升級、工藝革新。

電動化加速滲透,三元材料市場長期向好

產業新周期下,新能源汽車銷量大幅攀升,2022年1-6月,國內新能源汽車產銷均突破260萬輛,完成情況超出預期。

受益于汽車電動化的快速推進,動力電池裝機量也同步攀升。GGII數據顯示,2022年1-6月,國內動力電池裝機量約100.24GWh,同比增長116%,整個上半年除4-5月份受疫情管控影響外,其余月份同比增速均在一倍以上。

其中,三元電池憑借高能量密度的優勢備受市場青睞,2022年1-6月國內三元動力電池裝機量約44.93GWh,同比增長55%,占總裝機量的45%。

放眼海外,歐洲市場動力電池裝機一直以三元為主,數據顯示,2021年1-11月歐洲三元動力電池裝機量達138.2 GWh,占歐洲動力電池總裝機量的95.4%。

國內外三元電池市場需求不斷攀升,帶動三元正極材料出貨量大幅增長。按照1GWh動力電池需要1500-1800噸三元材料測算,僅國內2022年上半年44.93GWh就帶動了6.7萬-8.1萬噸三元正極材料。

高工鋰電認為,隨著新能源汽車市場滲透率的繼續提升,三元正極材料市場長期向好。

技術迭代,“兩高一單”實現降本增效

產業新周期下,電池能量密度、安全性能等方面要求愈發嚴苛,同時隨著鋰電原材料價格跳漲,降本增效呼聲漸高,倒逼鋰電材料體系革新。

聚焦三元正極材料,高鎳化、高電壓化、單晶化成為趨勢。

1、高鎳化:8系三元高速增長,超高鎳成未來方向

能量密度要求越來越高, 國內外車型高鎳化趨勢愈發明顯。

目前,包括Model 3/Y、標致e-208、現代Kona、大眾ID系列、寶馬IX3/ X1、奔馳EQ系列、蔚來ES6、小鵬P7、哪吒U、愛馳U5、廣汽AionV、AION LX PLUS、吉利幾何A等已上市車型均搭載了高鎳電池。受此帶動,高鎳三元材料出貨量快速增長。

GGII統計數據顯示,2021年全球高鎳三元出貨量為30.9萬噸,同比增長120.71%,占三元正極材料總出貨量的41.76%;其中,中國高鎳(8系及以上)三元材料出貨17萬噸,同比增長181%。

高鎳三元電池作為國內外主機廠高端車型的主流選擇,其應用不斷加速。據高工鋰電不完全統計,包括寶馬i3、奔馳EQS、奧迪Q4 e-tron、凱迪拉克LYRIQ、雪佛蘭Bolt EUV、廣汽豐田2022款 iA5、大眾2022 ID.4 CROZZ、Lucid Air、高合HiPhi X、智己L7等國內外中高端車型將于2022年集中上市。

隨著后期高鎳電池成本進一步下降和固態電池產業化提速,預計高鎳正極材料在未來10年仍將保持高速增長態勢,到2030年全球出貨量有望達500萬噸以上。

針對此,容百科技、廈鎢新能、長遠鋰科等正極材料企業不斷加快高鎳三元材料的研發進度,并不斷取得突破。

例如,容百科技在2016年完成了第一代NCM811的開發和中試,2017年實現大規模量產,并實現出貨快速增長。為進一步提升市場競爭力,容百科技還在研發下一代超高鎳正極產品,進一步降低高鎳材料的瓦時成本和提升能量密度。目前,公司第二代Ni90體系正在開發中,已進入批量量產階段,第三代Ni96體系正在配合客戶開發,預計今年實現小規模量產。

此外,中日韓頭部電池企業還將下一代電池的目標,瞄準鎳含量90%以上甚至完全無鈷的高鎳電池或固態電池,并且制定較為明確的量產計劃表。這意味著超高鎳三元正極材料將成為未來發展方向。

2、高電壓化:綜合性能優越,應用提速

高電壓化路線是以中鎳三元材料為基礎,通過提高其電壓平臺使得正極材料在更高電壓下脫出更多的鋰離子,從而實現更高比容量和平均放電電壓,進而達到提升能量密度的目的。從當前實際應用的主要產品來看,高電壓Ni6系典型產品(Ni65)的實際能量密度735.15Wh/kg已與Ni8系典型產品的739.32Wh/kg接近。

目前高電壓化以中鎳三元材料為基本路線,在原材料、生產工藝、加工成本方面均優于高鎳化三元;同時,由于高電壓材料的鎳含量相對較低,生產工藝不如高鎳三元復雜,因此高電壓化正極材料在提升能量密度的同時還兼具了一定的安全性改善。

憑借優越的綜合性能,高電壓化三元材料市場日漸打開,主要正極廠商、部分電池企業入局此領域,并加速其應用。

例如,正極廠商方面,廈鎢新能開發出新款4.4V高電壓6系三元材料,并成功應用到續航里程超過1000公里的電動車上;長遠鋰科高電壓4.3V和4.35V三元正極材料已批量用于動力電池領域,4.4V三元正極材料逐步應用于數碼電池領域。

電池廠商方面,中創新航于2020年在全球率先采用高電壓三元電池材料技術量產590模組電池,并在主要客戶廣汽埃安設計的Aion-LX車型上實現裝車;今年其高電壓快充三元鋰電芯還將搭載于Smart精靈#1,其能量密度達到250Wh/kg以上的行業領先水平,支持150kW超級快充、100kW快充及7.2kW 慢充,且在保持80%容量的前提下,可支持10年30萬公里的使用壽命。 

值得注意的是,目前高電壓三元正極材料還面臨著一系列挑戰。高電壓下,由于鋰離子大量脫出,三元正極材料容易出現晶體結構穩定性差、離子混排、不可逆相變等一系列問題,從而造成電池循環壽命短、熱穩定性低、電解液消耗等宏觀電池失效行為。

需通過金屬離子摻雜、構建人工包覆層、匹配高電壓電解液及添加劑等手段,對上述系列問題進行抑制。

3、單晶化:兩條發展路線并行,市場需求快速增長

相較于常規二次顆粒團聚的多晶三元材料,單晶材料具有負載電壓更高、循環壽命更長、安全性更高等性能。其有兩個發展路線。

一是,中低鎳單晶路線。大單晶產品負載電壓更高,國內部分中低鎳單晶材料通過高電壓可與多晶高鎳能量密度相當,如Ni55、NCM613等產品貴金屬含量更低,產品在滿足能量密度同時具有更高性價比。

二是,高鎳單晶路線。高鎳環境下三元材料穩定性欠佳,單晶化學性質穩定,具有更好的循環性能,相應摻雜可提升高鎳三元材料的安全性能。

隨著下游動力電池企業的逐步導入,單晶三元材料市場需求快速增長。數據顯示,2022年Q1,單晶產量達4.9萬噸,占比升至38.5%,預計2022年國內單晶三元材料的市占率有望升至40%以上。

具體來看,2022年Q1,在中鎳5系、中高鎳6系三元材料中,單晶材料體系占比均超過50%;2022年Q1單晶高鎳8系三元材料占比已升至13.5%。
值得一提的是,三元正極材料朝高鎳化、高壓化及單晶化方向升級,在帶來能量密度、安全性能提升和成本降低的同時,也增加了材料生產工藝難度,對相關企業在前驅體、摻雜、包覆以及材料體系理解等方面提出了更高要求。

在此情形下,三元材料領域將加速洗牌,市場或將重構,具備相關技術儲備的企業有望脫穎而出,其余企業或被市場淘汰,行業競爭格局漸趨集中化。

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