三元材料含義

三元材料是指由三種化學(xué)成分(元素)，組分(單質(zhì)及化合物)或部分(零件)組成的材料整體。在鋰離子電池的正極材料中其一般均指的是化學(xué)組成為LiNixXyCozO2的材料。其中X為Mn(錳)時(shí)就是NCM(俗稱鎳鈷錳酸鋰)，而X為Al(鋁)時(shí)指的就是NCA(俗稱鎳鈷鋁酸鋰)。

而所謂111、532、622和811等型號(hào)則均指的是NCM材料中x、y、z三個(gè)數(shù)字的比例，比如622中的x：y：z就等于6：2：2，其化學(xué)組成就是LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2。材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，NCA和NCM非常類似，但是由于其中真正走向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模制造的目前只有松下為首在使用的LiNi0.8Al0.05Co0.15O2，因而最后NCA就演變成了對(duì)它的特指。

NCM和NCA本質(zhì)上都是為了解決鈷酸鋰(LiCoO2)或鎳酸鋰(LiNiO2)層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。

錳元素和鋁元素在其中均起到支撐結(jié)構(gòu)的用途，其中錳的摻入可以引導(dǎo)鋰和鎳層間混合，因此改善材料的高溫性能;鋁的摻入則在一定程度上可以改善材料的晶格結(jié)構(gòu)，減少塌陷，進(jìn)而改善其循環(huán)穩(wěn)定性。

兩條技術(shù)路線本身并沒有什么高下之分，甚至NCM由于Mn的穩(wěn)定性更好還可能有著安全性上的優(yōu)勢，未來誰是三元材料的發(fā)展趨勢關(guān)鍵還是得看產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后誰的Ni含量更高。

正極三元材料與鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰性能比較

三元材料產(chǎn)業(yè)鏈圖

以三元電池NCM為例：

產(chǎn)業(yè)鏈上游包括三元前驅(qū)體和相應(yīng)的礦產(chǎn)資源(鋰礦、鈷礦、錳礦和鎳礦)，中游包括三元正極材料、電解液、負(fù)極材料、隔膜及其他，下游重要應(yīng)用在3C電子、新能源汽車、儲(chǔ)能蓄電池。

三元材料(NCM)產(chǎn)業(yè)鏈圖

鋰離子電池的需求增速在不斷加快

從我國鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域看，動(dòng)力、儲(chǔ)能以及3C等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展已成為驅(qū)動(dòng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，且動(dòng)力和儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的需求增速在不斷加快。

1)3C領(lǐng)域仍是鋰離子電池的最重要下游消費(fèi)終端，但增速開始逐漸趨緩，3C領(lǐng)域三元電池的使用量較少，重要是鈷酸鋰離子電池;

2)新能源汽車市場快速發(fā)展，動(dòng)力型鋰離子電池成為正極材料市場重要支撐，增量明顯。三元電池作為未來動(dòng)力鋰電池的主流發(fā)展方向?qū)⒅苯邮芤嬗谛履茉雌囀袌龅母咚偕仙彩俏磥砣牧闲枨蟮闹匾仙c(diǎn);

3)儲(chǔ)能蓄勢待發(fā)，成長空間即將打開。預(yù)計(jì)2015-2018年儲(chǔ)能領(lǐng)域鋰離子電池正極材料的市場需求量年復(fù)合增速將超過40%。

三元材料技術(shù)路線

目前三元正極材料重要包括兩種技術(shù)路線;即以鎳鈷錳酸鋰為正極的NCM路線和以鎳鈷鋁酸鋰為正極的NCA路線。

(1)鎳鈷錳酸鋰(NCM)

NCM根據(jù)組分可以分為兩個(gè)基本系列：

低鈷的對(duì)稱型三元材料和高鎳的三元材料兩種類型。前者的Ni/Mn兩種金屬元素的摩爾比固定為1，以維持三元過渡金屬氧化物的價(jià)態(tài)平衡，代表性的產(chǎn)品是333和442三元材料。

這類材料由于Ni含量較低Mn含量較高晶體結(jié)構(gòu)比較完整，因此具有向高壓發(fā)展的潛力;高鎳的三元材料由于采用氫氧化物共沉淀工藝使得Ni，Co和Mn三元素在前驅(qū)體里面實(shí)現(xiàn)了原子尺度的均勻分布，高鎳三元目前有代表性的組分有622、701515和811這幾種。811的物性和NCA非常相似，在全電池中的實(shí)際克容量發(fā)揮可以超過190mAh/g相當(dāng)可觀。

雖然提高鎳含量可以提升容量，但負(fù)面用途也同樣非常明顯。隨著鎳含量的升高，Ni在Li層的混排效應(yīng)也更加明顯，將直接惡化其循環(huán)性和倍率性能。而且提高鎳含量使得晶體機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性變差，表面殘堿含量也隨之升高，這些因素都會(huì)導(dǎo)致安全性問題比較突出，尤其是在高溫測試條件下電芯產(chǎn)氣非常嚴(yán)重。

高鎳的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難點(diǎn)，在于前驅(qū)體的生產(chǎn)和產(chǎn)物的燒結(jié)，以及表面處理工藝這些方面，其中三元材料技術(shù)含量60%體現(xiàn)在前驅(qū)體的制備工藝。前驅(qū)體制備必須嚴(yán)格控制氣氛以及絡(luò)合劑濃度，否則鎳含量將偏離化學(xué)計(jì)量比，導(dǎo)致前驅(qū)體碳含量偏高，而前驅(qū)體的品質(zhì)(形貌、粒徑、粒徑分布、比表面積、雜質(zhì)含量、振實(shí)密度等)直接決定了最后燒結(jié)產(chǎn)物的理化指標(biāo);燒結(jié)工藝重要體現(xiàn)在摻雜物的選擇、燒結(jié)程序溫度和氣氛的控制。

NCM生產(chǎn)工藝流程

(2)鎳鈷鋁酸鋰(NCA)

三元NCA材料，國外起步較早，國內(nèi)的起步較晚。根據(jù)GGII的統(tǒng)計(jì)，截至2016年末，國內(nèi)從事NCA生產(chǎn)的公司數(shù)量超過了15家，大多數(shù)處于建設(shè)發(fā)展初期，少量公司處于小批量生產(chǎn)送樣檢測的階段，與日韓存在明顯的差距。目前特斯拉電動(dòng)汽車采用的為日本松下的NCA電池，帶動(dòng)了全球的NCA生產(chǎn)的熱潮，目前國內(nèi)NCA生產(chǎn)量為幾百噸左右。

NCA材料的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)難度在于首先要掌握前驅(qū)體的共沉淀工藝，其次是要有比較獨(dú)特的Al摻雜技術(shù)，并且燒結(jié)程序溫度和氣氛的控制也較高。除了材料方面的因素，電池生產(chǎn)工藝也要與NCA材料匹配，NCA材料由于表面的堿性物質(zhì)含量很高，因而非常容易吸潮，所以要求勻漿涂布車間要非常嚴(yán)格地控制水分，防止在勻漿過程中漿料容易形成果凍狀，而導(dǎo)致無法涂布;此外，還要在勻漿過程中采取一些特別的措施，比加入少量草酸來改善漿料凝結(jié)，松下公司還在NMP里面加入一種特殊的助溶劑，來改善打漿過程中的團(tuán)聚。另外，與NCA對(duì)電解液的匹配性有較高要求，否則電芯脹氣將比較嚴(yán)重，高溫循環(huán)和存儲(chǔ)也很難過關(guān)。

三元材料未來發(fā)展趨勢

技術(shù)趨向高鎳化：三元材料中鎳元素含量的新增會(huì)新增材料容量，而綜合性能受到鎳鈷錳三種元素的比例影響較大，未來在對(duì)電池能量密度需求不斷提升的背景下，三元材料將向高鎳化方向發(fā)展。但是同時(shí)考慮到鎳含量新增會(huì)影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能，因此高鎳化趨勢更加考驗(yàn)公司對(duì)產(chǎn)品的把控能力。

不同類型NCM材料的比容量

行業(yè)集中度提高，中低端競爭更加激烈

產(chǎn)量過剩將加速行業(yè)的洗牌，具體表現(xiàn)為：

1)磷酸鐵鋰離子電池能量密度要求提高，落后產(chǎn)量淘汰，具有規(guī)模、技術(shù)優(yōu)勢和資金實(shí)力的公司存活下來;

2)磷酸鐵鋰產(chǎn)量擴(kuò)張放緩，部分公司逐步將一些磷酸鐵鋰離子電池產(chǎn)量切換為三元電池產(chǎn)量(具有成熟三元電池技術(shù)的生產(chǎn)公司將產(chǎn)線從磷酸鐵鋰調(diào)試成三元大概要3個(gè)月左右，但是關(guān)于之前沒有三元電池生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的公司來說產(chǎn)量切換可能要2-3年，同時(shí)受電池規(guī)格和型號(hào)不同的影響，并不是所有產(chǎn)線都可以直接切換);

3)龍頭鋰離子電池公司持續(xù)投入三元電池產(chǎn)量的建設(shè)，同時(shí)技術(shù)路徑向高密度三元鋰離子電池發(fā)展，如NCM(622、811)和NCA。

供給側(cè)上游各環(huán)節(jié)及重要參與者

三元材料的產(chǎn)業(yè)鏈上游重要包括三元前驅(qū)體和相應(yīng)的礦產(chǎn)資源(鋰、鈷、鎳、錳礦以及廢料回收)。隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了鈷、鋰量價(jià)齊增。

(1)鋰礦及碳酸鋰

鋰礦資源基本處于壟斷格局。

全球重要鋰礦供應(yīng)商

碳酸鋰是生產(chǎn)三元材料的重要原材料，碳酸鋰的材料成本占整個(gè)三元材料成本比重的50%以上，碳酸鋰的價(jià)格直接決定了三元材料的成本高低，全球碳酸鋰及其衍生產(chǎn)品供應(yīng)量約70%來自鹽湖鹵水提鋰，約30%來自礦石提鋰。

雖然鋰資源并不稀缺，但具備經(jīng)濟(jì)可采價(jià)值的鋰資源高度集中于鹽湖提鋰公司SQM、Rockwood、FMC和鋰輝石公司Talison、Galaxy手中，因此碳酸鋰的全球定價(jià)權(quán)基本集中于上述公司。

國內(nèi)鋰資源重要公司

(2)鈷

全球鈷礦重要儲(chǔ)量集中在非洲，其中最大儲(chǔ)量國為剛果，占全球總儲(chǔ)量的47%，我國的儲(chǔ)量極少，只占到全球儲(chǔ)量的1.11%。但由于非洲的電力等生產(chǎn)條件受限，鈷礦都是出口到國外深加工，其中我國是重要的鈷礦深加工國，全球42%的鈷礦在我國精煉。

國內(nèi)鈷礦資源重要參與公司如下：

金川集團(tuán)

金川集團(tuán)是全球知名的采、選、冶配套的大型有色冶金和化工聯(lián)合公司，是我國最大的鎳鈷鉑族金屬生產(chǎn)公司和我國第三大銅生產(chǎn)公司，在全球24個(gè)國家或地區(qū)開展有色金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)與合作。

格林美

格林美收購凱力克也極大提升了鈷行業(yè)發(fā)展?jié)摿?，公司在超?xì)鈷粉子行業(yè)具有明顯優(yōu)勢，公司是我國規(guī)模最大的采用廢棄資源循環(huán)再造超細(xì)鈷鎳粉體的公司，國際上采用廢棄鈷鎳資源生產(chǎn)超細(xì)鈷鎳粉體材料的先進(jìn)公司，我國鈷鎳粉體材料與循環(huán)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基地之一。致力于循環(huán)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研究與產(chǎn)業(yè)化，采用二次資源通過循環(huán)技術(shù)生產(chǎn)高技術(shù)材料，形成采用廢舊電池等二次資源生產(chǎn)超細(xì)鈷粉、超細(xì)鎳粉、先進(jìn)電池材料、無鉛焊接材料等多種產(chǎn)品，具有資源和成本優(yōu)勢。

我國中冶

公司是全球最大的工程建設(shè)綜合公司集團(tuán)之一，以工程承包、資源開發(fā)、裝備制造及房地產(chǎn)開發(fā)為主業(yè)的多專業(yè)、跨行業(yè)、跨國經(jīng)營的特大型公司集團(tuán)。

華友鈷業(yè)

公司是一家專注于鈷、銅有色金屬冶煉及鈷新材料產(chǎn)品深加工的高新技術(shù)公司，產(chǎn)品重要用于鋰離子電池正極材料、特種航天高溫合金、硬質(zhì)合金、色釉料、磁性材料、橡膠粘合劑和石化催化劑等領(lǐng)域。公司是我國最大的鈷化學(xué)品生產(chǎn)商，鈷綜合產(chǎn)量規(guī)模排名我國第二，世界前列。

(3)硫酸鎳

硫酸鎳重要應(yīng)用在電池和電鍍兩個(gè)行業(yè)中，而在電池行業(yè)中，硫酸鎳重要用于生產(chǎn)三元材料前驅(qū)體，鎳在其中的重要用途為提高三元材料的能量密度。

在動(dòng)力鋰電池提高能量密度的大趨勢下，三元材料高鎳化將是大方向，高鎳體系對(duì)硫酸鎳的需求會(huì)成倍新增。

據(jù)測算，理論上單噸NCM111、532、622、811以及NCA對(duì)硫酸鎳的需求在0.91、1.36、1.63、2.16以及2.19噸，高鎳三元對(duì)硫酸鎳的需求是低鎳三元的兩倍左右。

不同類型的三元正極材料所需硫酸鎳的量(噸)

受益于高鎳占比的快速提升，對(duì)應(yīng)電池級(jí)硫酸鎳的需求量不斷上升，考慮到硫酸鎳生產(chǎn)采用濕法冶金工藝，屬于高污染行業(yè)，目前國內(nèi)環(huán)保政策趨嚴(yán)的形勢下，可能會(huì)對(duì)廠商的開工率出現(xiàn)影響。

重要廠商：

格林美、我國中冶、貴研鉑業(yè)。