中镍高电压三元材料生产工艺难度低于高镍。在三元材料中，高镍系列三元材料与除高镍系列外的普通三元材料相比较，生产工艺更为复杂，原材料体系也有一定差异。高镍三元材料对掺杂包覆技术、烧结设备精度及加工工艺具有较高的技术要求，例如在生产设备方面，为解决高镍三元材料金属离子混排问题，高镍产品需在氧气炉完成烧结，而常规三元只需使用空气炉；在生产环境方面，高镍三元材料对于湿度要求更高，需要专用除湿、通风设备；在磁性物控制方面，高镍三元材料需要对厂房设施进行特定改造；在锂源方面，高镍采用氢氧化锂，普通三元则采用碳酸锂作为锂源。
　　Ni65系高电压三元材料能量密度比肩Ni8系产品。高电压路线通过提升电池充电截止电压使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子，从而同时提升容量与工作电压，进而达到提升能量密度的目的。从材料性能来看，以Ni65高电压体系为例，将电压提升至4.4V，能量密度可以达到735.15Wh/kg，基本上接近于Ni8系常规电压材料，较Ni6系常规电压三元材料能量密度提升10%。
　　高电压不显著影响首次效率，兼具安全性。充电电压从4.2V提升至4.5V，NCM551530首次效率甚至出现小幅上升，由88.4%增加至88.7%，当电压进一步提升至4.6V时，首次效率降至88.0%。首次效率并不会随着充电电压的提升而出现明显下滑。随着充电电压提升和镍含量增加，三元材料的热稳定性降低，但中镍高电压三元的热稳定性仍显著高于高镍常规三元材料。4.3V充电电压下脱锂态NCM622的放热峰峰值温度为286.8℃，放热量为105.8J/g；充电电压提高到4.4V和4.5V时，峰值温度依次降低到281.2℃和265.7℃，同时放热量分别提高到366.9J/g和670.7J/g。尽管如此，与4.3V下的NCM811相比，4.5V的NCM622的放热峰值温度延后46.9℃，放热量降低26%，具有更高的热稳定性。这是由于NCM622包含更多的钴和锰元素，抑制了高镍材料类似于LiNiO2存在的阳离子混排和相变，在同等能量密度下稳定性更高。
　　当前钴价下，中镍高电压三元材料成本优势凸显。我们以Ni6系高电压和Ni8系产品为例进行比较，在原材料方面，中镍高电压产品（Ni6系高电压）相对Ni8系产品，镍钴含量更低，前者Ni/Co/Mn典型配比为65/7/28，而后者Ni/Co/Mn典型配比为83/11/6；在生产工艺方面，高镍材料对纯氧环境、低湿度的工艺要求，以及专用除湿、通风设备、窑炉的多温区控制精度和密封性的要求等方面更为严格，量产高品质、高一致性的高镍正极材料难度较大。另外，在锂源选择方面，中镍高电压产品可部分采用碳酸锂作为锂源，而高镍产品则需要选择熔点更低的氢氧化锂作为锂源。综上所述，Ni6系高电压产品单吨成本为24.29万元/吨，而Ni8系产品单吨成本为29.22万元/吨，单吨材料成本降低16.9%。在度电成本方面，尽管Ni6系高电压产品在克容量上低于Ni8系产品，但是电压的提升在一定程度上弥补了容量的减少，两者在能量密度上基本持平。Ni6系高电压产品度电成本为330元/kWh，而Ni8系产品度电成本为395元/kWh，度电材料成本降低16.4%。
　　投资建议：三元正极材料高电压化路线是以中镍三元材料为基础，通过提高其电压平台使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子，从而实现更高比容量和平均放电电压，进而达到提升能量密度的目的。从当前实际应用的主要产品来看，高电压Ni6系典型产品（Ni65）的实际能量密度735.15Wh/kg已与Ni8系典型产品的739.32Wh/kg接近。目前高电压化以中镍三元材料为基本路线，在原材料、生产工艺、加工成本方面均优于高镍化三元；同时，由于高电压材料的镍含量相对较低，生产工艺不如高镍三元复杂，因此高电压化正极材料在提升能量密度的同时还兼具了一定的安全性改善。以Ni6系高电压产品和Ni8系产品为例，中镍高电压产品镍钴含量相对于Ni8系产品更低，在锂源选择方面，中镍高电压产品可部分采用碳酸锂作为锂源，而高镍产品则需要选择熔点更低的氢氧化锂作为锂源。综上，Ni6系高电压产品单吨成本为24.29万元/吨，较Ni8系产品降低16.9%；在度电成本方面，Ni系高电压度电成本为330元/kWh，较Ni8系产品降低16.4%。综上所述，中镍高电压产品解决了Ni5系三元材料能量密度低的痛点，能够在接近Ni8系产品能量密度的前提下，同时兼顾了安全性和成本低的优点。凭借以上优越的综合性能，高电压三元材料市场有望打开，且随着正极材料厂商、部分电池企业入局此领域，有望加速其发展和应用。建议重点关注积极布局镍钴锂资源的华友钴业、洛阳钼业、腾远钴业、盛屯矿业、寒锐钴业、厦门钨业、厦钨新能（电新组覆盖）、中矿资源、天齐锂业、赣锋锂业、盛新锂能等。
　　风险因素：新能源汽车销量不及预期；中镍高电压技术路线变动；镍钴锂等上游原材料价格大幅上行等；本文对三元材料成本测算是基于一定前提假设，与实际数值可能存在一定偏差。
　　

研究报告全文：能源金属深度技术升级夯实需求行业TableIndustry深度报告TableReportTime2023年3月27日TableCoverAuthor娄永刚黄礼恒金属新材料行业首席分析师金属新材料行业联席首席分析师S1500520010002S1500520040001010-8332671618811761255louyonggangcindasccomhuanglihengcindasccomTableCoverReportList证券研究报告能源金属深度技术升级夯实需求TableTitle行业研究2023年3月27日本期内容提要行业深度TableReportType报告TableSTableSummary中镍高电压三元材料生产工艺难度低于高镍ummary在三元材料中高镍系有色金属TableStockAndRank列三元材料与除高镍系列外的普通三元材料相比较生产工艺更为复杂原材料体系也有一定差异高镍三元材料对掺杂包覆技术烧结投资评级看好设备精度及加工工艺具有较高的技术要求例如在生产设备方面为上次评级看好解决高镍三元材料金属离子混排问题高镍产品需在氧气炉完成烧结而常规三元只需使用空气炉在生产环境方面高镍三元材料对TableAuthor于湿度要求更高需要专用除湿通风设备在磁性物控制方面高娄永刚金属新材料行业首镍三元材料需要对厂房设施进行特定改造在锂源方面高镍采用氢席分析师氧化锂普通三元则采用碳酸锂作为锂源执业编号S1500520010002联系电话010-83326716Ni65系高电压三元材料能量密度比肩Ni8系产品高电压路线通过提邮箱louyonggangcindasccom升电池充电截止电压使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子从而同时提升容量与工作电压进而达到提升能量密度的目的从材料性能来看以高电压体系为例将电压提升至能量密黄礼恒金属新材料行业联Ni6544V度可以达到73515Whkg基本上接近于Ni8系常规电压材料较席首席分析师执业编号S1500520040001Ni6系常规电压三元材料能量密度提升10联系电话18811761255邮箱huanglihengcindasccom高电压不显著影响首次效率兼具安全性充电电压从42V提升至45VNCM551530首次效率甚至出现小幅上升由884增加至当电压进一步提升至时首次效率降至首次效88746V880率并不会随着充电电压的提升而出现明显下滑随着充电电压提升和镍含量增加三元材料的热稳定性降低但中镍高电压三元的热稳定性仍显著高于高镍常规三元材料43V充电电压下脱锂态NCM622的放热峰峰值温度为2868放热量为1058Jg充电电压提高到44V和45V时峰值温度依次降低到2812和2657同时放热量分别提高到3669Jg和6707Jg尽管如此与43V下的NCM811相比45V的NCM622的放热峰值温度延后469放热量降低26具有更高的热稳定性这是由于NCM622包含更多的钴和锰元素抑制了高镍材料类似于LiNiO2存在的阳离子混排和相变在同等能量密度下稳定性更高当前钴价下中镍高电压三元材料成本优势凸显我们以Ni6系高电压和Ni8系产品为例进行比较在原材料方面中镍高电压产品Ni6系高电压相对Ni8系产品镍钴含量更低前者NiCoMn典型配比为65728而后者NiCoMn典型配比为83116在生产工艺方面高镍材料对纯氧环境低湿度的工艺要求以及专用除湿通风设备窑炉的多温区控制精度和密封性的要求等方面更为严格量产高品质高一致性的高镍正极材料难度较大另外在锂源选择方信达证券股份有限公司面中镍高电压产品可部分采用碳酸锂作为锂源而高镍产品则需要CINDASECURITIESCOLTD北京市西城区闹市口大街9号院1号楼选择熔点更低的氢氧化锂作为锂源综上所述Ni6系高电压产品单邮编100031吨成本为2429万元吨而Ni8系产品单吨成本为2922万元吨单吨材料成本降低169在度电成本方面尽管Ni6系高电压产品在请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom2克容量上低于Ni8系产品但是电压的提升在一定程度上弥补了容量的减少两者在能量密度上基本持平Ni6系高电压产品度电成本为330元kWh而Ni8系产品度电成本为395元kWh度电材料成本降低164投资建议三元正极材料高电压化路线是以中镍三元材料为基础通过提高其电压平台使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子从而实现更高比容量和平均放电电压进而达到提升能量密度的目的从当前实际应用的主要产品来看高电压Ni6系典型产品Ni65的实际能量密度73515Whkg已与Ni8系典型产品的73932Whkg接近目前高电压化以中镍三元材料为基本路线在原材料生产工艺加工成本方面均优于高镍化三元同时由于高电压材料的镍含量相对较低生产工艺不如高镍三元复杂因此高电压化正极材料在提升能量密度的同时还兼具了一定的安全性改善以Ni6系高电压产品和Ni8系产品为例中镍高电压产品镍钴含量相对于Ni8系产品更低在锂源选择方面中镍高电压产品可部分采用碳酸锂作为锂源而高镍产品则需要选择熔点更低的氢氧化锂作为锂源综上Ni6系高电压产品单吨成本为2429万元吨较Ni8系产品降低169在度电成本方面Ni系高电压度电成本为330元kWh较Ni8系产品降低164综上所述中镍高电压产品解决了Ni5系三元材料能量密度低的痛点能够在接近Ni8系产品能量密度的前提下同时兼顾了安全性和成本低的优点凭借以上优越的综合性能高电压三元材料市场有望打开且随着正极材料厂商部分电池企业入局此领域有望加速其发展和应用建议重点关注积极布局镍钴锂资源的华友钴业洛阳钼业腾远钴业盛屯矿业寒锐钴业厦门钨业厦钨新能电新组覆盖中矿资源天齐锂业赣锋锂业盛新锂能等风险因素新能源汽车销量不及预期中镍高电压技术路线变动镍钴锂等上游原材料价格大幅上行等本文对三元材料成本测算是基于一定前提假设与实际数值可能存在一定偏差请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom3目录三元正极材料行业概况6三元材料概述6三元材料的结构7三元材料存在的问题8三元正极材料市场概述102022年全球三元正极材料出货量9933万吨102022年三元材料高镍化进程持续推进11中镍高电压三元材料两高一低实现降本增效11中镍高电压三元材料生产工艺难度低于高镍11Ni65系高电压三元材料能量密度比肩Ni8系产品13高电压不显著影响首次效率兼具安全性14当前钴价下中镍高电压三元材料成本优势凸显14中镍高电压及高镍三元材料成本敏感性分析15锂源钴源价格变化对中镍高电压和高镍成本影响分析15锂源镍源价格变化对中镍高电压和高镍成本影响分析17钴源镍源价格变化对中镍高电压和高镍成本影响分析19投资建议22风险因素23表目录表1不同元素配比的三元正极材料的性能指标对比6表2LiNixCoyMnzO2x1305060708和085的I003I104比值8表3LiNixCoyMnzO2正极表面LiOH和Li2CO3含量单位ppm9表4不同镍含量的层状多元材料名义组成及其制备气氛控制要求12表5不同Ni含量三元正极材料比容量以及不同电压场景下的能量密度13表6不同充电电压下NCM551530的02C比容量和首次效率13表7三元材料前驱体成本测算元14表8三元正极材料成本测算元15表9锂源钴源价格变化对Ni6系高电压正极材料的吨成本影响15表10锂源钴源价格变化对Ni6系高电压正极材料的单位kWh成本影响16表11锂源钴源价格变化对Ni8系正极材料的吨成本影响16表12锂源钴源价格变化对Ni8系正极材料的单位kWh成本影响17表13锂源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的吨成本影响17表14锂源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的单位kWh成本影响18表15锂源镍源价格变化对Ni8系正极材料的吨成本影响18表16锂源镍源价格变化对Ni8系正极材料的单位kWh成本影响19表17钴源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的吨成本影响19表18钴源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的单位kWh成本影响20表19钴源镍源价格变化对Ni8系正极材料的吨成本影响20表20钴源镍源价格变化对Ni8系正极材料的单位kWh成本影响21图目录图1不同组分三元材料放电比容量热稳定性和容量保持率的关系7图2层状NCM的有序-无序相及结构转变7图3多元正极材料颗粒在高电压充电后相变模型8图4Li1-NixCoyMnzO2材料x1305060708085DSC结果9图5不同镍含量NCM微裂纹示意图10图62017-2022年全球三元材料出货量万吨11图72017-2022年中国三元材料出货量万吨11图82021年三元正极材料各型号产量占比11图92022年三元正极材料各型号产量占比11图10常规三元材料生产工艺12图11高镍三元材料生产工艺12请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom4图12NCM551530在不同充电电压下首次效率14图13NCM622与811放热峰峰值温度与放热量对比14请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom5三元正极材料行业概况三元材料概述正极材料是锂电池的核心关键材料直接决定了锂电池能量密度安全性使用寿命充电时间及温度高低适应性等性能的优劣是电池电化学性能的决定因素对于锂电池总体成本的高低也有着关键性影响因此正极材料对于锂电池产业的发展有着引导性的作用三元材料是指含镍钴锰三种元素或镍钴铝三种元素组成的正极材料即镍钴锰酸锂简称NCM或镍钴铝酸锂简称NCANCA电池和高镍NCM电池性能类似根据三元材料中镍钴锰元素含量的不同NCM材料又可分为NCM523NCM622NCM811等NCA则由铝元素替代了锰元素相对含锰三元正极材料含铝三元正极材料的结构更稳定有助于提高锂离子电池的安全性能但是铝元素对于三元正极材料的活性来讲是惰性过高的铝含量会降低三元正极材料的克容量进而影响锂离子电池的能量密度从元素配比方面镍主要作用为提高能量密度钴主要作用为稳定三元材料层状结构提高材料的电子导电性和改善循环性能锰铝主要作用为降低成本改善材料的结构稳定性和安全性三元正极材料综合了镍钴锰铝三种元素的特点在寻求高能量密度的同时控制成本三元材料通过Ni-Co-Mn的协同效应结合了三种材料的优点LiCoO2的良好循环性能LiNiO2的高比容量和LiMnO2的高安全性及低成本等已经成为目前应用最为广泛的正极材料之一表1不同元素配比的三元正极材料的性能指标对比材料类型比容量mAhg优点缺点应用领域NCM333160循环性能好安全性相对较好价格高比容量低电动汽车3C高倍率电池循环性能倍率性能热稳定性电动汽车消费电子电动NCM523170较高比容量和热稳定性和自放电等之间的平衡差自行车加工性能好高热量易于NCM622180循环性能较差电动汽车本电高脑端笔记在较低温度下烧结具有高比容量能量成稳定性较低安全性较差需要NCM811200-220电动汽车消费电子本低等优势特殊的处理修饰工艺复杂NCA210能量密度高稳定性较低安全性较差电动汽车资料来源当升科技定向增发说明书帕瓦股份招股说明书信达证券研发中心不同组分的三元材料理论容量有差异大致为280mAhg左右不同组分的三元材料在27-42V相对于LiLi电压范围放电比容量不同Ni含量越高实际放电比容量越高随着三元材料中Ni含量的增加放电比容量由160mAhg增加到200mAhg以上但是热稳定性和容量保持率都有所降低综合下游需求技术进展工艺制造成本控制等因素NCM523是当前最广为使用的三元材料之一近年来NCM622逐渐受到行业下游客户的认可出货量占比逐年提升国内外动力电池企业正加快研发NCM811或NCA等高镍三元动力电池产品请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom6图1不同组分三元材料放电比容量热稳定性和容量保持率的关系资料来源ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLiNixCoyMnzO2x1305060708and085cathodematerialforlithium-ionbatteries信达证券研发中心三元材料的结构根据层状镍钴锰酸锂三元正极材料的研究进展介绍NCM层状材料为R-3m结构是O-Li-O-TM-O-Li-O-TM-O沿立方相111方向的重复O3结构根据晶体场理论e轨道的非配对电子自旋导致Ni3的不稳定性因此Ni在面心立方八面体位置倾向于形成与Li半径相似的Ni2Ni2在迁移至锂层与TM层之间的四面体间隙位点后会进一步迁移至相邻的八面体锂位点并且不可逆地永久占据此时空间群由R-3m转变为Fm-3m结构此外在深度充电状态下由于锂位点空出材料结构不稳定Ni2也会从TM层迁移到锂层以维持电荷平衡一方面占据锂位点的Ni2会在充电过程中被氧化成半径更小的Ni3Ni4导致晶体结构中锂层间距减小Li迁移能垒增加另一方面占据锂层位置的Ni2也阻碍了Li扩散LiNi混排导致正极材料容锂能力下降在循环中表现出电极容量不可逆下降循环性能与倍率性能变差图2层状NCM的有序-无序相及结构转变资料来源Nickel-RichLayeredLithiumTransitional-MetalOxideforHigh-EnergyLithium-IonBatteries信达证券研发中心根据锂离子电池三元材料-工艺技术及生产应用介绍对于不同NiCoMn配比三元材料随着Ni含量的不同阳离子混排程度不同通常用I003I104比值大小衡量阳离子混排程度比值低说明阳离子混排严重Ni2在Li层不仅降低了放电比容量而且阻请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom7碍了Li的扩散这种结构的无序状态使电化学性能变差研究表明随着Ni含量的增加I003I104峰的比值降低说明随着Ni含量增加LiNi混排严重表2LiNixCoyMnzO2x1305060708和085的I003I104比值材料类型I003I104LiNi13Co13Mn13O2135LiNi05Co02Mn03O2132LiNi06Co02Mn02O2126LiNi07Co015Mn015O2120LiNi08Co01Mn01O2119LiNi085Co0075Mn0075O2118资料来源ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLiNixCoyMnzO2x1305060708and085cathodematerialforlithium-ionbatteries信达证券研发中心三元材料存在的问题随着Ni含量的增加循环性能变差造成这一现象的主要原因是随着Ni含量增加在充放电过程中发生了多次相变根据储能及动力电池正极材料设计与制备技术介绍多元材料在高电压和高温下存储或使用晶体结构的对称性降低能量处于高度非稳定态不可避免地在材料颗粒表面率先向类尖晶石相岩盐相畸变并逐步往颗粒内部扩展对于高镍材料此类相变尤为突出这些相变在轻微发生时正极材料的比容量倍率特性高低温性能存储性能安全性能等都会发生不可逆的劣化严重时材料失效不再具有电化学活性甚至伴随与电解液的热失控反应引发起火爆炸等安全事故低镍材料良好的循环性能主要是由于抑制了H2-H3的相变图3多元正极材料颗粒在高电压充电后相变模型资料来源CombiningInSituSynchrotronX-RayDiffractionandAbsorptionTechniqueswithTransmissionElectronMicroscopytoStudytheOriginofThermalInstabilityinOverchargedCathodeMaterialsforLithium-IonBatteriesUnderstandingtheDegradationMechanismsofLiNi05Co02Mn03O2CathodeMaterialinLithiumIonBatteries信达证券研发中心随着Ni含量的增高表面残碱增高根据高镍三元正极材料失效机制与改性介绍高镍表面残余碱的来源主要归为以下三个途径首先在高镍三元正极材料合成过程中一般需要加入过量的含Li化合物如Li2CO3或LiOH来补充煅烧过程中锂的损失但是电极材料表面过量的Li2O会与空气中的H2O和CO2反应生成Li2CO3LiOH其次在电池充放电过程中电解液分解的碳酸盐易与电极材料表面Li2O或锂负极产生的Li反应生成Li2CO3最后高镍合成过程中由于过渡金属分布不均匀其表面存在很多的镍元素从而显碱性这些导电性极差的碱性含Li化合物阻碍了电子和Li的传输同时这些副产物因具有高的pH值会使高镍材料在NMP溶剂搅拌过程中容易吸水从请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom8而导致其凝胶化影响三元材料的浆料涂布和电池存储性能另外在充放电过程中高镍表面残余Li2CO3和LiOH会与电解液中的锂盐发生反应从而产生CO2等气体导致电池发生严重的气胀现象甚至引发爆炸表3LiNixCoyMnzO2正极表面LiOH和Li2CO3含量单位ppm材料类型LiOHLi2CO3总计LiNi13Co13Mn13O279010081798LiNi05Co02Mn03O2131610802396LiNi06Co02Mn02O2259323154908LiNi07Co015Mn015O24514654011054LiNi08Co01Mn01O2109961282323819LiNi085Co0075Mn0075O2112851525726542资料来源ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLiNixCoyMnzO2x1305060708and085cathodematerialforlithium-ionbatteries信达证券研发中心随着Ni含量增高热稳定性变差根据高镍三元正极材料失效机制与改性介绍材料的热稳定性能与其安全性能密切相关高镍正极材料在充放电过程中会产生一部分Ni4而高价态Ni4具有很强的氧化性可以氧化电解液中的成分产生一系列的副反应和Ni4Ni3或Ni2的还原反应为了补偿Ni价态变化中电荷的损失O2-会以氧气形式进行释放因此相比低镍正极材料高镍材料会脱出更多的Li生成更多强氧化性的高价态Ni4造成电池热稳定性能下降此外该材料不仅只有过渡金属元素在充放电过程中参与氧化还原反应而且晶格中的负氧离子也参与电化学反应在长期循环过程中易产生氧气可能会与电解质发生反应从而使它们具有极为复杂的电荷补偿及结构老化失效机制导致结构和成分的快速失效甚至引发电池热失控同时该类材料在电化学循环过程中易出现不断的电压衰减情况导致其能量密度持续下降严重制约大规模应用图4Li1-NixCoyMnzO2材料x1305060708085DSC结果资料来源ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLiNixCoyMnzO2x1305060708and085cathodematerialforlithium-ionbatteries信达证券研发中心请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom9随着Ni含量提升微裂纹导致NCM材料性能衰减根据高镍三元层状锂离子电池正极材料研究进展挑战及改善策略介绍在锂离子电池的充放电过程中往往伴随着嵌锂脱锂的过程随着锂离子的嵌入与脱出三元正极材料从表面开始发生结构相转变由层状R-3m结构逐渐向尖晶石Fd-3m结构甚至岩盐相Fm-3m结构发生转变由于锂离子连续地嵌入与脱出氧离子层与过渡金属离子的斥力和引力会发生变化从而引起晶胞参数的变化正极材料中镍含量的增加也将导致晶格在c轴方向上更严重的变化在充放电过程中重复性的各向异性膨胀和收缩引起体积循环变化由此产生的内部应力引起晶粒内部的晶界之间产生裂纹和孔隙而晶粒与晶粒之间的距离也会逐步拉大出现部分晶粒离开正极独立存在的现象导致正极材料阻抗增加当三元正极材料中镍含量超过80微裂纹扩展更加严重晶间裂纹导致更多的晶面与电解液接触产生Ni-O相副产物消耗电解质和活性材料的同时增加了锂离子的扩散电阻图5不同镍含量NCM微裂纹示意图资料来源CapacityfadingofNi-richLiNixCoyMn1-x-yO206x095cathodesforhigh-energy-densitylithium-ionbatteriesBulkorsurfacedegradation信达证券研发中心三元正极材料市场概述2022年全球三元正极材料出货量9933万吨近年来受益于新能源汽车的旺盛需求特别是新能源汽车对更高续航里程的需求三元正极材料的市场规模迎来大幅增长目前全球三元正极材料产地分布主要集中在中国韩国和日本根据鑫椤锂电数据2022年全球三元材料总产量为9933万吨同比增长361根据EVTank数据2022年中国锂离子电池正极材料出货量为1947万吨同比大幅增长7797其中磷酸铁锂正极材料出货量1142万吨同比增长15099在整个正极材料中的市场份额已经上升到5865三元材料总体出货量为658万吨同比增长5592而锰酸锂材料和钴酸锂材料却出现了同比较大幅度的下滑请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom10图62017-2022年全球三元材料出货量万吨图72017-2022年中国三元材料出货量万吨120706589933100605080718422406030422354034319520237145106147201000201720182019202020212022201720182019202020212022资料来源振华新材增发说明书鑫椤锂电信达证券研发中心资料来源EVTank信达证券研发中心2022年三元材料高镍化进程持续推进据鑫椤资讯统计2022年国内三元材料累计产量为6023万吨同比增长5132022年的三元市场依旧延续着高镍化风格同时产品迭代升级不断加速据鑫椤资讯统计2022年国内高镍材料8系及以上累计产量为2694万吨同比增长769渗透率达到4476系三元受益于单晶高电压技术与5系三元升级需求的加持占比较去年同期提升7个百分点图82021年三元正极材料各型号产量占比图92022年三元正极材料各型号产量占比NCANCM333NCANCM3332221NCM523NCM8113536NCM81143NCM52348NCM622NCM6221219资料来源鑫椤锂电信达证券研发中心资料来源鑫椤锂电信达证券研发中心中镍高电压三元材料两高一低实现降本增效在产业新周期下下游整车厂对电池能量密度安全性能等方面要求愈发严苛同时随着锂电原材料价格跳涨驱动正极材料不断实现降本增效倒逼锂电材料体系革新因此聚焦三元正极材料我们认为高能量密度高安全性低成本有望逐渐成为未来三元材料发展的趋势中镍高电压三元材料生产工艺难度低于高镍根据长远锂科招股说明书介绍从目前的技术水平和产品应用情况看三元材料高镍化发展仍面临以下瓶颈其一成本较高NCM811和NCA等高镍三元正极材料的工艺流程对于窑炉设备匣钵反应气氛等均有特殊的要求且往往涉及二次烧结甚至更多请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom11次数的烧结生产成本显著高于NCM523其二安全性较差NCM811和NCA均存在多次充放电之后不稳定的缺点安全性弱于NCM523图10常规三元材料生产工艺资料来源容百科技向特定对象发行股票并在科创板上市募集说明书信达证券研发中心图11高镍三元材料生产工艺资料来源容百科技向特定对象发行股票并在科创板上市募集说明书信达证券研发中心在三元材料中高镍系列三元材料与除高镍系列外的普通三元材料相比较生产工艺更为复杂原材料体系也有一定差异高镍三元材料对掺杂包覆技术烧结设备精度及加工工艺具有较高的技术要求例如在生产设备方面为解决高镍三元材料金属离子混排问题高镍产品需在氧气炉完成烧结而常规三元只需使用空气炉在生产环境方面高镍三元材料对于湿度要求更高需要专用除湿通风设备在磁性物控制方面高镍三元材料需要对厂房设施进行特定改造在锂源方面高镍采用氢氧化锂普通三元则采用碳酸锂作为锂源表4不同镍含量的层状多元材料名义组成及其制备气氛控制要求组成种类气氛要求常用锂源备注LiNiO2LiNi05Mn05O2LiCoO2LiNi13Co13Mn13O2-666333空气碳酸锂低镍NCMLiNi04Co02Mn04O2-800200空气碳酸锂低镍NCMLiNi04Co03Mn03O2101600300空气碳酸锂低镍NCMLiNi05Co02Mn03O2200600200空气碳酸锂低镍NCMLiNi06Co02Mn02O2400400200高氧纯氧碳酸锂氢氧化锂中镍NCMLiNi065Co02Mn015O2500300200纯氧氢氧化锂中镍NCMLiNi070Co015Mn015O2550300150纯氧氢氧化锂高镍NCMLiNi08Co01Mn01O2700200100纯氧氢氧化锂高镍NCM请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom12LiNi090Co005Mn005O285010050纯氧氢氧化锂高镍NCMLiNi096Co002Mn002O29404020纯氧氢氧化锂高镍NCM资料来源储能及动力电池正极材料设计与制备技术信达证券研发中心Ni65系高电压三元材料能量密度比肩Ni8系产品NCM三元正极材料的理论容量由材料自身的结构特性决定与技术路径无关本质上各类型的NCM三元材料理论容量基本一致不存在实质性差异基本在270-280mAhg范围内但在实际应用层面受技术水平生产能力终端应用体系等多种因素影响目前各类型NCM三元材料的实际容量存在差异存在高电压产品优于常规电压产品高镍产品优于低镍产品的特点高电压路线通过提升电池充电截止电压使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子从而同时提升容量与工作电压进而达到提升能量密度的目的从材料性能来看以Ni65高电压体系为例将电压提升至44V能量密度可以达到73515Whkg基本上接近于Ni8系常规电压材料较Ni6系常规电压三元材料能量密度提升10表5不同Ni含量三元正极材料比容量以及不同电压场景下的能量密度Ni5系Ni6系项目Ni7系Ni8系Ni9系常规电压高电压常规电压高电压典型产品比例NiCoMn5515306572872523831169253理论克比容量mAhg27642774272027512748当前实际克比容量mAhg170180180195200202214当前适用电压V425435425440435420420当前应用能量密度Whkg63070680406696073515750007393278324资料来源厦钨新能公司公告信达证券研发中心随着充电电压的提高层状多元材料的充电容量和放电容量依次增大同时平均放电电压提升充电电压由42V提升到43V44V45V46V时放电比容量依次增加74166242和282比能量依次增加80185272和318充电电压提高后有更多的钴和镍参与电化学反应使得比能量的提升百分比超过比容量的增加幅度表6不同充电电压下NCM551530的02C比容量和首次效率比容量充电限制电压V平均放电电压V正极比能量Whkg比容量增加比能量增加充电mAhg放电mAhg42017911584382605100004301953173738566867480440213018863897337166185450226520093927874242272460235520723948164282318资料来源储能及动力电池正极材料设计与制备技术信达证券研发中心请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom13高电压不显著影响首次效率兼具安全性首次效率并不会随着充电电压的提升而出现明显下滑充电电压从42V提升至45VNCM551530首次效率甚至出现小幅上升由884增加至887当电压进一步提升至46V时首次效率降至880随着充电电压提升和镍含量增加三元材料的热稳定性降低但中镍高电压三元的热稳定性仍显著高于高镍常规三元材料43V充电电压下脱锂态NCM622的放热峰峰值温度为2868放热量为1058Jg充电电压提高到44V和45V时峰值温度依次降低到2812和2657同时放热量分别提高到3669Jg和6707Jg尽管如此与43V下的NCM811相比45V的NCM622的放热峰值温度延后469放热量降低26具有更高的热稳定性这是由于NCM622包含更多的钴和锰元素抑制了高镍材料类似于LiNiO2存在的阳离子混排和相变在同等能量密度下稳定性更高图12NCM551530在不同充电电压下首次效率图13NCM622与811放热峰峰值温度与放热量对比10001000放热峰峰值温度放热量Jg906488488988588788090090080080067077007006006005005003669400400286828122657300300218820020010581001000004243444546NCM622-43VNCM622-44VNCM622-45VNCM811-43V资料来源储能及动力电池正极材料设计与制备技术信达证资料来源储能及动力电池正极材料设计与制备技术信达证券研发中心券研发中心当前钴价下中镍高电压三元材料成本优势凸显我们以Ni6系高电压和Ni8系产品为例进行比较在原材料方面中镍高电压产品Ni6系高电压相对Ni8系产品镍钴含量更低前者NiCoMn典型配比为65728而后者NiCoMn典型配比为83116在生产工艺方面高镍材料对纯氧环境低湿度的工艺要求以及专用除湿通风设备窑炉的多温区控制精度和密封性的要求等方面更为严格量产高品质高一致性的高镍正极材料难度较大另外在锂源选择方面中镍高电压产品可部分采用碳酸锂作为锂源而高镍产品则需要选择熔点更低的氢氧化锂作为锂源综上所述Ni6系高电压产品单吨成本为2429万元吨而Ni8系产品单吨成本为2922万元吨单吨材料成本降低169在度电成本方面尽管Ni6系高电压产品在克容量上低于Ni8系产品但是电压的提升在一定程度上弥补了容量的减少两者在能量密度上基本持平Ni6系高电压产品度电成本为330元kWh而Ni8系产品度电成本为395元kWh度电材料成本降低164表7三元材料前驱体成本测算元前驱体MeOH2单耗Ni5常规Ni5高电压Ni6常规Ni6高电压Ni7系Ni8系Ni9系NiSO46H2Ott产品1578157818641864206123592612CoSO47H2Ott产品0460046002150215015303340152MnSO4H2Ott产品0554055405160516042301100055请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom14液碱32tt产品28282828282828水tt产品18181818181818电kWht产品1211121112111211121112111211蒸汽tt产品22222222222222人工元t产品500500500500500500500易损易耗品元t产品68686868686868折旧元t产品1000100010001000100010001000前驱体成本元t产品8898188981894268942693806110874112593资料来源三元材料前驱体产线设计及生产应用信达证券研发中心测算注1以截至2023年3月20日价格为基准2Me代表金属元素如NiCoMn等表8三元正极材料成本测算元正极材料LiMeO2单耗Ni5常规Ni5高电压Ni6常规Ni6高电压Ni7系Ni8系Ni9系前驱体MeOH2tt产品0949094909490949094909490956Li2CO3tt产品0402040202010201LiOHH2Ott产品02280228045504520452包覆剂氢氧化铝kgt产品176176176176191919氧气kgt产品883883883空气氧气kgt产品803803803803纯净水kgt产品197197197197150015001500电kWht产品4200420042004200754075407540折旧元t产品4032403240324032442444244424人工元t产品1490149014901490149014901490维修费元t产品806806806806867867867正极材料成本元t产品214878214878242873242873277100292157293619单位kWh正极材料成本元kWh341316363330369395375资料来源容百科技环评报告当升科技公告容百科技公告信达证券研发中心测算注1以截至2023年3月20日价格为基准2Me代表金属元素如NiCoMn等3锂盐的过量系数假设为1054假设Ni5系使用碳酸锂Ni6系使用碳酸锂和氢氧化锂各一半Ni7系及以上使用氢氧化锂作为锂源5假设固定资产折旧年限为10年不考虑残值中镍高电压及高镍三元材料成本敏感性分析锂源钴源价格变化对中镍高电压和高镍成本影响分析表9锂源钴源价格变化对Ni6系高电压正极材料的吨成本影响CoSO47H2O万元吨Ni6系高电压正极万元吨35404550556065707580859075129813081318132813381348135913691379138913991410100142114311441145114621472148214921502151215231533Li2CO3万元吨125154415541564157515851595160516151626163616461656150166716781688169817081718172917391749175917691779请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom15175179118011811182118311842185218621872188218931903200191419241934194519551965197519851995200620162026225203720472058206820782088209821092119212921392149250216121712181219122012211222222322242225222622273275228422942304231423252335234523552365237623862396300240724172427243824482458246824782489249925092519325253025412551256125712581259226022612262226322642350265426642674268426942705271527252735274527562766资料来源SMMWind信达证券研发中心测算注以截至2023年3月20日价格为基准表10锂源钴源价格变化对Ni6系高电压正极材料的单位kWh成本影响CoSO47H2O万元吨Ni6系高电压正极元kWh35404550556065707580859075176178179181182183185186188189190192100193195196197199200202203204206207209125210211213214216217218220221223224225150227228230231232234235237238239241242175244245246248249251252253255256257259200260262263265266267269270271273274276Li2CO3万元吨2252772792802812832842852872882902912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氢氧化锂作为锂源3在度电成本方面同样遵循这样的规律这是由于Ni6系高电压正极材料与Ni8系正极材料的能量密度接近但是单吨成本Ni6系高电压正极材料比Ni8系正极低钴源镍源价格变化对中镍高电压和高镍成本影响分析表17钴源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的吨成本影响NiSO46H2O万元吨Ni6系高电压正极万元吨20242832364044485256606435208721582229230023702441251225822653272427952865CoSO47H2O万元吨40209721682239231023802451252225932663273428052876请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom1945210821782249232023912461253226032674274428152886502118218922592330240124722542261326842755282528965521282199227023402411248225522623269427652835290660213822092280235024212492256326332704277528462916652148221922902361243125022573264427142785285629277021592229230023712442251225832654272527952866293775216922402310238124522522259326642735280528762947802179225023202391246225332603267427452816288629578521892260233124012472254326142684275528262897296790219922702341241224822553262426952765283629072978资料来源SMMWind信达证券研发中心测算注以截至2023年3月20日价格为基准表18钴源镍源价格变化对Ni6系高电压正极材料的单位kWh成本影响NiSO46H2O万元吨Ni6系高电压正极元kWh202428323640444852566064352842943033133223323423513613713803904028529530531432433334335336237238239145287296306316325335344354364373383393502882983073173273363463553653753843945528929930931832833834735736637638639560291300310320329339349358368377387397CoSO47H2O万元吨652923023113213313403503603693793883987029430331332233234235136137138039039975295305314324334343353362372382391401802963063163253353453543643733833934028529830731732733634635636537538439440490299309318328338347357367376386395405资料来源SMMWind信达证券研发中心测算注以截至2023年3月20日价格为基准表19钴源镍源价格变化对Ni8系正极材料的吨成本影响NiSO46H2O万元吨Ni8系正极万元吨20242832364044485256606435248425742663275328432932302231113201329033803470402500259026792769285829483038312732173306339634854525162606269527852874296430533143323333223412350150253226222711280128902980306931593248333834283517CoSO7HO万元4255254826372727281729062996308531753264335434433533吨60256426532743283229223012310131913280337034593549652580266927592848293830273117320732963386347535657025952685277528642954304331333222331234023491358175261127012790288029703059314932383328341735073597请阅读最后一页免责声明及信息披露httpwwwcindasccom20