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1、证券研究报告电力设备与新能源行业/行业专题报告2022年5月20日三 元 正 极 技 术 篇三 元 正 极 技 术 篇 ： 深 挖 护 城深 挖 护 城 河河 20222022三元正极材料行业深三元正极材料行业深度报告度报告登记编号： S1220522010003登记编号： S1220522030001登记编号： S1220522010004登记编号： S1220522010002登记编号： S1220122030009分析师：张文臣分析师：方 杰分析师：刘晶敏分析师：周 涛联系人：申文雯 正极材料是锂电池的重要组成部分正极材料是锂电池的重要组成部分。正极材料对锂电池的很多关键性能都有直接影响
2、， 包括容量、寿命、倍率、 安全性等。三元电芯中， 三元正极材料成本占比一般超过50%。 三元正极材料呈现三大发展趋势三元正极材料呈现三大发展趋势。当前三元正极材料技术不断迭代，推动锂电池行业进一步向前发展。总体而言， 三元正极材料主要有三大发展趋势：单晶化、高电压化、高镍化。（1） 单晶化， 正极材料由多晶向单晶发展， 可以提高压实密度、 循环寿命等。 正极单晶化， 对烧结工艺提出更高要 求，并且更高温度烧结容易加剧锂镍混排，单晶化也容易引起倍率性能降低。（2）高电压化，提高锂电池的充电截止电压，可以提高正极材料的克容量，从而提高锂电池的能量密度。但是提高 充电电压，容易引起正极材料表面结构
3、重构、过渡金属溶解并在负极表面沉积、电解液氧化等。另外，采用单晶正极， 有利于提高正极材料的耐高电压性能。（3）高镍化，三元正极材料由中低镍向高镍（8系）、超高镍（9系） 发展。高镍化主要目的是为了提高克容量，但 是二价镍在空气中难氧化，对锂源、烧结气氛、生产设备等提出更高要求。并且高镍材料更活泼，热稳定性降低， 循 环寿命下降，也容易与空气中的水和氧气反应等。在高镍材料中， 采用单晶也可以提高循环性能、安全性等。 三大技术方向实现依赖多重因素三大技术方向实现依赖多重因素。除了生产工艺迭代之外， 还很大程度依赖掺杂、表面改性等，另外电解液配方 优化也有助于正极性能发挥。目前国内三元正极企业推出
4、中镍高电压、高镍产品，海外推出核壳、 NCMA等。 三元正极材料下一代：无钴或三元正极材料下一代：无钴或富富锂锰基等锂锰基等。随着三元正极向着高电压、超高镍方向发展，层状镍锰酸锂（中镍无 钴）、超高镍无钴等在成本、循环性能等方面可能更有优势。另外富锂锰基在克容量方面更有优势。 投资建议投资建议：三元正极技术门槛高，行业龙头企业凭借技术优势不断推出新品，深挖护城河。新进入者很难实现超 越。三元正极方向建议关注：容百科技、当升科技、长远锂科、振华新材、厦钨新能、贝特瑞等。另外三元前驱 体方面，我国已经处于全球领先位置， 建议关注：中伟股份、格林美、华友钴业、芳源股份等。 风险提示风险提示：新能源汽
5、车销量不及预期； 上游资源价格继续大幅上涨； 新技术应用不及预期等。摘摘要要P 2 1 1. . 三元正极三元正极：锂电池的核心锂电池的核心 2. 三元正极三大发展方向 3. 三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等 4. 三元正极产业链核心标的 5. 投资建议与风险提示目目录录P 3 锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等四大主材组成。 锂电池按照形状划分，可以分为圆柱、方形、软包等。另外也常以使用的正极材料种类进行划分， 包括钴酸锂电池、三元电池、磷酸铁锂电池等。 2021年我国动力电池装机量154.5GWh，主要以磷酸铁锂电池和三元电池为主。其中三元电池装 机量74.35GWh，占比48.1
6、%。C Cu u电池壳正正极极铝箔铜箔 隔膜负极正极材料是锂电池的重要组成正极材料是锂电池的重要组成部分部分 10079.84806040200磷酸铁锂资料来源： Joule， CABIA，方正证券研究所整理 P 420212021年我国动力电池装机结构（年我国动力电池装机结构（GWhGWh）锂锂电电池微观结构池微观结构0.24锰酸锂锂锂电电池结构池结构0.07其他负负极极正正极极隔隔膜膜三元74.35A Al l 随着新能源汽车销量高速增长，以及电动工具等市场稳定增长， 三元正极材料出货量持续保持高 速增长。 2021年国内正极材料出货量合计超过100万吨，达到109.4万吨， 同比增长98
7、.5%。 2021年国内三元正极材料出货量42.2万吨， 同比增长79.6%。4540353025201510502017 2018 2019 2020 2021出货量（万吨） 同比（右轴）90%80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%10%10%三元磷酸铁锂钴酸锂 锰酸锂42%资料来源： EVTank，方正证券研究所 P 5三元三元正极市场高速增长正极市场高速增长20212021年国内正极材年国内正极材料出货量结构料出货量结构国内三元正极国内三元正极材材料出货量料出货量39%42.223.519.514.510.6 正极材料是锂电池的核心组成部分， 对锂电池的很多
8、核心性能指标都有直接影响，包括容量、寿 命、倍率、安全性等。通常锂电池中的可脱嵌锂离子，都源自正极活性物质。 成本方面，正极占比过半。我们以5系三元电池为模型， 并结合上海有色网的主要材料报价， 对5 系三元电池进行成本拆分。目前正极材料占电芯的成本达到60%左右。15%正极电解液负极隔膜13%其他用量单位单价吨金额单位正极1600吨38万元/吨60800万元电解液1000吨13万元/吨13000万元负极1000吨6.5万元/吨6500万元隔膜2000万平米2元/平米4000万元三元正极材料占电芯成本比例三元正极材料占电芯成本比例过半半资料来源： SMM，方正证券研究所 P 61GWh1GWh
9、三元锂三元锂电电池成本结构池成本结构三元锂三元锂电电池成本结构池成本结构62%4%7% 正极材料根据晶体结构，可以分为三大类： 尖晶石、橄榄石和层状结构。动力电池市场，磷酸铁 锂、磷酸锰铁锂，以及宁德的新技术路线M3P正极都属于橄榄石结构。 动力电池市场商业化应用的NCM、 NCA等都属于层状结构。 从克容量指标来看，三元正极相对磷酸铁锂、锰酸锂都有比较大的优势。晶体结构材料种类克容量 mah/g备注尖晶石锰酸锂110镍锰酸锂140研发阶段，蜂巢实验室水平橄榄石磷酸铁锂150160磷酸锰铁锂-比磷酸铁锂电压平台高M3P-比磷酸铁锂电压平台高层状钴酸锂150180主要用于手机等消费类市场NCM1
10、60220NCA190220NCMA228韩国汉阳大学实验室结果镍锰酸锂-研发阶段富锂锰基-研发阶段资料来源： Advanced Energy Materials，连线新能源、 IBTE、方正证券研究所 P 7正极材料多技术路线并存正极材料多技术路线并存正极正极材材料综合性能料综合性能正极正极材材料分类料分类 磷酸铁锂正极材料理论容量为170mAh/g，目前产业化已经能做到超过156mAh/g， 实际值/理论 值达到92%。磷酸铁锂将继续精益求精。 目前商业化的三元5系和6系， 克容量可以达到180mAh/g左右，实际值/理论值仅有65%。 目前商业化的三元8系正极克容量约为200mAh/g，
11、实际值/理论值也仅有72%。正极型号克容量单位湖南裕能磷酸铁锂高能量型156mAh/g储能型156mAh/g当升科技三元5系180190mAh/g6系177187mAh/g8系204219mAh/g9系215235mAh/g三元正极性能仍有较大提升空三元正极性能仍有较大提升空间间 300250200148150100500锰酸锂资料来源：湖南裕能招股说明书，当升科技2021年报， 容百科技官网，方正证券研究所 P 8产业化正极材料克容量（产业化正极材料克容量（mAh/gmAh/g）正极材料理论克容量（正极材料理论克容量（mAh/gmAh/g）磷酸铁锂三元111三元523三元811三元62227
12、5278278277170 三元正极材料企业在现有产品基础上，不断推陈出新。 主营三元正极材料的企业中， 2021年容百科技和当升科技的研发费用均超过3亿元。 主营磷酸铁锂的企业中，德方纳米2021年研发费用为1.64亿元。3.603.362.872.61资料来源： wind，方正证券研究所 P 91.641.020.52厦钨新能 容百科技 当升科技 长远锂科 德方纳米 振华新材加加速产品迭代速产品迭代主要正极材料企业研发投入（主要正极材料企业研发投入（亿元亿元）1.490.655432102020 20214.521.461.48 1. 三元正极：锂电池的核心 2 2. . 三元正极三大发展
13、方三元正极三大发展方向向 3. 三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等 4. 三元正极产业链核心标的 5. 投资建议与风险提示目目录录P 10 当前三元正极材料主要有三大发展趋势：单晶化、高电压化、高镍化。发展单晶主要是为了提高 电池的循环寿命，高镍和高电压主要是为了提高能量密度。 单晶方向，代表性的正极材料企业有振华新材等， 高电压方向有厦钨新能、长远锂科等，高镍方 向有容百科技、当升科技等。 各技术方向交叉发展，比如高镍单晶，代表性企业容百科技等。三元正 极高电压单晶高镍三元三元正正极三大趋势极三大趋势三元正三元正极极材料发展三大趋势材料发展三大趋势资料来源：方正证券研究所容百科技振华新材厦
14、钨新能长远锂科当升科技P 11 正极材料可以分为多晶和单晶。一般多晶材料是以微米级别的团聚体形式存在。团聚体内部存在 大量晶界。在电池充放电过程中，由于各向异性的晶格变化，多晶材料容易出现晶界开裂， 导致 二次颗粒发生破碎。从而导致副反应快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。 采用单晶颗粒，可以减少晶界，减少副反应的发生，还能提高压实密度，从而提高能量密度。 与多晶相比，单晶材料的循环性能一般会好很多。趋势一趋势一： 单晶化（优点单晶化（优点）资料来源： Energy Storage Materials，方正证券研究所多晶多晶与与单晶正极循环性能比较单晶正极循环性能比较多晶多晶与与单晶正极对比单
15、晶正极对比单晶单晶多晶多晶P 12 生产单晶正极材料的主要方法是进行高温烧结。制备方法可以分为三类：单步高温法、多步高温 法和熔盐辅助合成法。其中熔盐辅助合成法需要引入熔盐，烧结完后需要水洗。 与制备多晶材料相比，制备单晶材料的烧结温度一般高7080度。 单晶材料在烧结过程中，一次颗粒会长大， 二次颗粒也会粘连在一起， 因此烧结完后需要进行研 磨处理。趋势一趋势一：单晶化（生产工艺单晶化（生产工艺）资料来源： Energy Storage Materials，方正证券研究所单晶单晶三元正极的制备方法三元正极的制备方法熔熔盐辅助盐辅助单单步步高温高温多多步步高温高温P 13 正极从多晶向单晶方向
16、发展，也带来了一些挑战。 （1）制备工艺：如果烧结不充分，形成了准单晶， 可能会达不到预期效果。另外，单晶颗粒在充 放电过程中会产生可逆滑移，一般晶粒尺寸不适宜超过3.5微米，也要防止过度烧结。 （2）锂镍混排：制备单晶需要更高的烧结温度，但是高温容易引起锂镍的混排。单单晶晶准准单晶单晶多多晶晶趋势一趋势一： 单晶化（挑战单晶化（挑战）不同烧结工艺制备出的多晶不同烧结工艺制备出的多晶、准单晶准单晶、单晶材料单晶材料资料来源： Nano Letters， Science，方正证券研究所单单晶晶准准单晶单晶 多多晶晶正极正极材材料循环性能料循环性能P 14 （3）倍率性能：由于多晶体系中锂离子扩散系数高，采用单晶往往会牺牲倍率性能。 当正极材料从多晶向单晶转变的过程中，需要充分考虑正极材料的整体性能。实际应用中， 也会 将单晶材料与多晶材料掺混使用。 从2021年国内单晶材料出货量情况来看，处于领先地位的企业有振华新材、长远锂科和厦钨新能 等。振华新材 26%广东邦普6%容百科技7%厦钨新能13%南通瑞翔 14%多晶单晶趋势一趋势一： 单晶化（挑战单晶化（挑战）资料来源： Advanced
