您好!欢迎访问中国储能网!
您的位置: 首页  > 首屏 > 储能材料

关于高镍三元正极电池的投资要点和技术干货

作者:中国储能网新闻中心 来源:上海有色网 发布时间:2018-06-29 浏览:
分享到:

中国储能网讯根据国家工信部《汽车产业中长期发展规划》,要求2020年动力电池单体能量密度达到300Wh/kg,这是业界努力攻关的目标之一。

从目前技术来看,高镍三元正极+硅碳负极是最可行的商业化方案,正极高镍化趋势非常明确。而在2025年后有一定不确定性,需跟踪富锂锰基和固态电池的商业化进展,因此高镍三元正极产品生命周期预计至少5-10年。目前圆柱型动力电池已率先实现高镍产品量产,方形、软包电池突破在即,2019年行业将迎来高镍产品量产的普遍性突破。

到了2020年NCM811正极市场规模将突破200亿。你不了解一下?

核心逻辑:

1、高镍动力电池规模量产拐点已至,高镍化是中周期产业趋势。

2、18年811正极开始放量,20年市场将破200亿。

3、高镍正极技术门槛大幅提升,将重塑产业格局。

4、高镍正极用钴量减少,成本显著下降,盈利能力增强

高镍动力电池优势明显,可显著提升能量密度降低单位成本。

blob.png

能量密度显著提高,轻量化降低百公里电耗,提升乘用车续航里程。目前811动力电池产品相比523产品能量密度可能提升15-20%,后续高镍正极产品进一步性能优化可提升至30%以上。能量密度提升意味着同等重量的电池可以提供更多带电量,实现轻量化降低百公里电耗的同时显著提升续航里程,这对于空间有限且对续航性能敏感的乘用车至关重要。

相同良率下,能量密度提升将显著降低动力电池单位成本。电芯能量密度=正极克容量x电压x正极质量占比,811正极克容量较高,可以在其他材料用量不变的情况下提升电芯容量,意味着每wh其他材料用量成本降低,在同样良率的情况下,电芯的每wh成本将同比例下降,以目前811的克容量做测算,不考虑合格率影响,每wh成本可下降14%左右。

blob.png

由于811动力电池产品处于产业化初期,生产环境要求严苛及工艺控制难度较大,导致合格率较低进而提高了生产成本。但随着量产经验的积累,正极及电池厂商技术实力逐步提升,预计良品率将逐步提高,高镍动力电池成本优势将逐步显现。

圆柱型电池已率先实现高镍产品量产,方形、软包电池突破在即。从主流企业技术进展来看,日韩在高镍动力电池量产上领先,国内企业正在快速追赶。圆柱型电池龙头公司比克的高镍产品已经量产,在江淮 iEV7S、江淮大众首款车型以及造车新势力的云度π3和小鹏的车型上均会采用。

方形及软包的龙头公司宁德时代与孚能的高镍产品均有望于四季度量产,2019年行业将迎来高镍产品量产的普遍性突破。

2020年NCM811正极需求将达7.7万吨,市场规模将破200亿。NCM111及523由于量产难度较低,在2017年为市场主流,2018年过渡到单晶523及622体系,811开始放量,2019年811比例将大幅提升,2020年NCM811正极需求将达7.7万吨,市场 规模将达205亿。

blob.png

blob.png

目前在锂电池四大主材中,三元正极市场集中度最低,2017年三元正极出货量最高的容百也只有不到13%的市场份额,与负极、隔膜、电解液龙头市占率普遍在25-30%相比,三元正极市场格局最为分散,且相比同为正极的钴酸锂集中度也明显较低。高镍正极将重塑产业格局的原因在于技术门槛大幅提升,高品质性能的高镍正极难度非常大。具体掺杂包覆的参数控制,以及产线的工艺管控难度都要大很多。333和523差别不大,523到622难度略有提升,但811是个突变点,难度显著提升,可真正实现高镍正极批量出货的厂商数将显著减少。

目前处于高镍正极产业化初期,多家厂商积极推动高镍正极产能落地,从绝对产能规划来看,2018-2019年将开始密集投放高镍正极产能,2019年底高镍正极产能将达到17万吨左右。但产能落地距离批量产出优质产品仍有较大距离,尤其部分厂商更多具备NCA量产经验而非NCM811,同时客户认证亦需要较长周期。正极成本结构中,原材料成本占比80%左右,价格竞争将不会是主要手段,预计竞争将较为有序。

NCM811相比NCM523,钴含量从12.21%下降至6.06%,折算到动力电池每kwh用钴量从0.22kg下降至0.09kg,后续随镍比例进一步提升,钴用量将进一步下降。在钴价55万/吨左右情况下,单吨811正极相比523用钴成本可下降3.4万左右,且钴价越高成本优势越明显。而811正极的加工成本相比523高2万/吨左右,未来有望缩减至1万/吨,因此目前总体成本811正极相比523低1.4万/吨左右。

blob.png

目前NCM811报价在24万元/吨左右,而NCM523动力型主流价在21-21.5万元/吨,价差在2.5-3万/吨。考虑到NCM811正极总成本相比523低1.4万/吨左右,单吨毛利增加3.9-4.4万,盈利能力显著提升。毛利率将逐步回落,稳态盈利能力也将高于523。

三元523及111正极的技术含量更多在前驱体环节,而在高镍正极体系下,正极烧结环节的技术含量也显著增加,在以加工费定价的模式下,稳态情况高镍正极环节的毛利也将高于523产品。目前动力三元523毛利率在15%,622在20%,811在25%左右,考虑到随着高镍正极产能投放,811毛利率预计将下滑至较为稳定的20%左右。

推荐标的:当升科技、新宙邦

blob.png

blob.png

硬核技术干货:

在三元材料中,三种元素所起作用不同,相对含量高低影响整体材料性能:

1)Ni是主要活性物质之一,对容量有显著影响,其相对含量提升,克容量增加;

2)Co也是活性物质,既能稳定材料的层状结构,又能减小阳离子混排,便于材料深度放电,从而提高材料的放电容量;

3)Mn4+呈电化学惰性,主要起稳定结构的作用。 Ni表现为高容量,低安全性;Co表现为高成本,高稳定性;Mn表现为高安全性、低成本。为了得到低成本、高容量的三元材料,通过提高Ni的相对含量,降低Co、Mn的比例,放电容量有明显增加,但循环性能和热稳定性几乎线性下降。

高镍正极的循环性能及热稳定性较差原因主要在于:

1)Li/Ni容易发生混排,而高镍正极更为严重。由于Ni2+与Li+半径接近,在脱锂过程中,Li+脱嵌形成空位,Ni2+容易迁移到锂位,从而造成锂的析出,在不断的重复反应过程中,混排比例增加,材料层级结构塌陷,导致性能大幅减弱,因此循环性能较差。

2)三元材料中Ni含量的增加,热分解温度降低,放热量增加,材料热稳定性变差。此外,高镍正极Ni4+含量高,Ni4+具备强氧化性,会分解电解液,为了保持电荷平衡,材料中会释放出氧气,破坏晶体结构,从而使材料的稳定性变差。

因此高镍正极需要掺杂、包覆做材料改性方能在实际产业化中应用。

1)体相掺杂改性:通过改变材料的晶格常数或材料中部分元素的价态来提高材料结构的稳定性,提高材料的电子电导率和离子电导率,降低阳离子混排。掺杂主要分为阳离子掺杂(Al、Mg、Ti、Zr、Mo、Cr)、阴离子掺杂(F)和阴阳离子共掺杂(AlF3、MgF2)等。阳离子Al、Mg等掺杂可以抑制Li/Ni混排,抑制充放电过程的相转变,改善循环性能。阴离子F掺杂可以将结构中部分M—O键替换成更加稳定的M—F键,提高结构稳定性,减少正极与电解液的反应,降低循环过程中界面电阻的增加,改善循环稳定性。

2)表面包覆改性:通过减小正极与电解液直接接触导致的电解液氧化分解,减少材料在充放电循环过程中晶体结构的坍塌,并能抑制SEI膜的生长,从而提高电池的循环及安全性能。包覆材料主要为无电化学活性的无机材料,如AlPO4、Al2O3、AlF3、MgO、TiO2等。同时,表面碱性过大会影响正极材料电化学性能的发挥,并且会影响材料的涂布质量,表面包覆能有效降低三元材料的表面碱性。

高镍正极的核心技术在于掺杂包覆工艺,同时烧结的设备精度及工艺要求也大幅提升,技术难度显著增加。

目前三元正极工业化生产采用的主流生产工艺为:共沉淀法制备前驱体,然后将其与锂源混合固相烧结制成三元材料。掺杂在前驱体和烧结环节均可,包覆则主要集中在烧结环节,主要原因在于前驱体液相包覆工艺技术难度大,类精细化工控,在烧结环节实现包覆需要进行二次或多次烧结。

掺杂包覆的难点在于掺杂包覆元素选择、工艺方法以及参数控制以得到均匀的掺杂包覆效果。烧结环节的核心设备窑炉划分为多个温区,高镍正极在烧结过程中多温区的温度控制精度要求显著高于523等产品,同时由于正极材料氧空位的存在会诱发Ni/Li混排,高镍正极材料需要纯氧气氛烧结,对设备的精度及密闭性要求极高。高镍正极需要一次性烧结完成,不像523等产品可以进行返烧,整体的工艺要求也明显提高,技术难度显著增加。

关键字:储能材料

中国储能网版权声明:凡注明来源为“中国储能网:xxx(署名)”,除与中国储能网签署内容授权协议的网站外,其他任何网站或者单位如需转载需注明来源(中国储能网)。凡本网注明“来源:xxx(非中国储能网)”的作品,均转载与其他媒体,目的在于传播更多信息,但并不意味着中国储能网赞同其观点或证实其描述,文章以及引用的图片(或配图)内容仅供参考,如有涉及版权问题,可联系我们直接删除处理。其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何版权问题与本网无关,想了解更多内容,请登录网站:http://www.escn.com.cn

相关报道

深度观察