高镍三元正极深度研报-2022Q3

admin 2022 年 7 月 11 日13:22:52脱水研报评论495 views阅读模式
摘要:

高镍三元正极趋势无疑,成本、安全、性能三端发力

电池科技行至中场,高镍三元为性能提升必经之路,预计2023年渗透率有望提速,催化剂来自成本、安全和性能优化:

1)成本上,预计镍价持续下行+能量密度提升,三元高镍度电成本有望下降10%以上,与LFP度电差距显著缩小;

2)安全性上,材料体系和电池系统两方面均有实质性突破,部分厂商高镍电池可以通过针刺实验;

3)性能上,通过工艺优化以及材料表面修饰,高镍三元体系性能优势更加突出,预计2023年麒麟电池和4680电池重磅产品放量,强势拉动三元高镍渗透率提升。

高镍三元正极需求主要来自于新能源汽车领域,根据车厂和车型规划,预计2022年中/美/欧新能源汽车高镍电池渗透率20%/77%/66%,高镍三元正极需求超40万吨,到2025年中/美/欧高镍电池渗透率30%/78%/77%,高镍三元正极需求超150万吨,预计年均复合增速53%,或为增速最快的正极细分环节。

高镍三元正极在技术、工艺和设备等方面的具备更强壁垒,对应格局更优( 2021年CR5份额86%,高于三元整体的56% ),而头部供应商加速全面迭代,产品具备更优性能和更低制造成本,目前看国内头部厂商规模、技术和工艺设备已经全球领先,尤其是相较海外厂商优势将进一步扩大,头部引领格局持续优化。


一、趋势研判:高镍三元渗透率提升确定性强

动力电池正极材料趋势:铁锂、三元各有所长,长期动态共存

正极材料对电池性能影响重大,正极克容量往往决定电池能量密度天花板,当前动力领域铁锂、三元正极各有优劣势,长期动态共存;

因三元和铁锂正极晶体结构差异,三元正极在容量和能量密度、低温性能、快充和倍率性能等方面具备优势,铁锂在成本、循环寿命和安全性能方面占优,另外三元SOC曲线变化平缓,实际偏离值较小更易于掌握实际电量,带来更佳用车感受。

 

动力电池正极材料趋势:晶体结构差异带来材料性能和应用差异

三元正极与磷酸铁锂正极的性能差异来自其结构差异,即三元层状氧化物结构和磷酸铁锂正极橄榄石结构,三元材料依托分子质量优势以及二维锂离子通道结构实现更好的性能,但铁锂依托廉价原材料和更稳定的结构在成本和安全性上占优。

渗透率复盘:政策驱动+技术进步曲线差异导致三元铁锂周期波动

复盘三元电池渗透率,2020年以前与政策关联度较高,如2017年开始的补贴倾向导致三元电池依托能量密度优势持续扩大渗透率,2020年以后政策效力减弱,铁锂依托CTP、刀片等技术缩小与三元能量密度差距,迎来渗透率提升;

三元预计随着22H2镍价下跌带来成本劣势缩小+23年开始4680电池放量增强能量密度优势而逐步进入渗透率上升周期。

新能源选车逻辑中,续航里程和经济性是两大重要考量,三元、铁锂各有优势

消费者在选车过程中,就性能方面看,续航里程和经济性是最重要的两大考量因素,三元和铁锂在两大方面具备机理上优势,但近年来铁锂通过CTP等成组技术进行续航的提升,三元也通过成分调整和比能量的提升实现经济性优化;

同时动力性能(考验倍率性能等)、安全性和低温性能同样是重要的考量因素,三元铁锂各有优劣。

高镍比容量显著提升,是推进电池性能提升、成本下降的主要方向

Ni—般为+2和+3混合价态,Co为+3价,Mn为+4价。在充电过程中, Ni 2+先氧化成Ni 3+ , Ni 3+再氧化为Ni 4+,且这个过程优先于Co 3+的氧化,也就是相同充电范围内, Ni含量越多,转移电子也就越多,释放的容量越多。目前量产8系产品较5系产品克容量提升30mAh左右,对电池能量密度提升显著,三元正极材料高镍发展趋势确定

高镍三元为何脆弱:三元正极的层状结构稳定性较弱,高镍正极性能刀尖起舞

三元正极材料属于层状结构,充放电过程中,随着锂离子嵌入脱出,材料会发生一系列相变,导致晶格常数出现变化,产生应力,而层状结构与铁锂的橄榄石结构不同,层间不具备强共价键,故更容易出现结构坍塌导致材料失效;

对镍基层状结构而言,Ni多价态性质(比容量来源)会在循环中带来更多反应, Ni比例越高反应越剧烈:1)表面相变,一方面Ni+2混排导致Li+迁移受阻及活性锂的损失,另一方面材料表面碱性高,易与空气发生反应,同时LiOH易吸水导致6F生成HF;2)界面副反应:高价态Ni+4易氧化电解液,产气、放热并形成酸性物质毁坏电池体系。高镍三元结构不稳定、表面不稳定及界面副反应导致容量衰减和稳定性下降。

安全性提升方案①:单晶化赋能循环稳定性及安全性能

单晶材料一次单晶颗粒直径在0.5-10µm,径粒在5μm以下的颗粒累积百分数大于60%;

单晶材料在长期循环过程中不会皲裂破碎,加工性能良好,制备的锂离子电池有优异的高温高电压循环稳定性及安全性能;

高镍材料中镍含量较高引起结构稳定性较差、表面碱度较高等问题,导致高镍产品安全性、循环性较差,材料单晶化将一定程度上使材料结构更稳定,循环性能更好,整体改善高镍短板,但其扩散距离提升,需通过高电压或掺杂等手段进一步提升性能。

安全性提升方案②:元素掺杂,优化高镍三元晶体结构

掺杂元素的有益作用主要是:1)通过掺杂电化学和结构稳定的元素来减少不稳定元素的数量,降低锂镍混排 ;2)在电化学循环期间,通过稳定 Ni 的价态或形成静电排斥来防止 Ni 从过渡金属层迁出;3)增加 TM-O 键(氧化物层与氧)的强度,增强结构稳定性和减少氧析出;4)抑制表面副反应,提高材料的表面稳定性,降低表面过渡金属元素的含量。主要包括Mg2+、Al3+、Ti4+等。

安全性提升方案③:包覆改善材料的电化学性能、化学稳定性和结构稳定性

表面包覆法是高镍三元正极材料最常见的改性方法之一:1)包覆材料通常充当保护层,隔离正极材料直接接触空气、水、酸性液体电解质,从而使有害副反应最小化,抑制放热反应;2)包覆物与材料发生反应产生其他增益,如氧化物包覆形成较强M-O键增强稳定性。总体上包覆改善材料的电化学性能、化学稳定性和结构稳定性。包括非导电、电子导电、离子导电、混合导电材料包覆等。

安全性提升方案④:模组Pack技术迭代,“不起火”电池防止热失控

高镍三元安全性的具体表现为汽车自燃等事故,除材料本身结构改性外,电池安全系统同样重要,也是各厂商投入重点;

电池热失控防护方案:1)一代断火,以广汽埃安“弹匣电池”为代表,主旨在加强隔热,加快散热;2)二代灭火,以主动冷却液灭火为核心,宁德时代、上汽智己等已有初步成果;3)三代不起火,一方面通过LFMP掺杂等改善电池安全性,另一方面以复合集流体、固态电解液等技术增强安全性,高镍三元可通过针刺实验。

安全性提升方案④:二代热失控防护方案核心为冷却液灭火,预计2023年应用

一代防护主要集中在隔热和散热,二代防护上升至冷却液灭火,主要思路为在电池系统中加入喷淋冷却系统,电池热失控时冷却液灌注至失控区,宁德时代、上汽智己等多家投入研究,预计2023年推进应用。

安全性提升方案④:三代热失控防护方案材料体系&电池系统同时改进

三代热失控防护方案材料体系&电池系统同时改进,材料体系上如LFMP与NCM811混用可大幅提升热稳定性,20%掺杂LFMP后,可以轻松通过针刺试验,电芯全程最高温度仅为54.5℃。

电池体系上,复合集流体技术的出现大幅提升三元电池安全性,当重物冲击破坏电池时,复合集流体有效防止短路,保障电池安全。

三元、铁锂价差收窄,三元高镍性价比悄然回升

21年底以来,三元和铁锂电芯价格经历了2轮提价周期,三元与铁锂电芯价差已从24%缩小至当前的10%,价差绝对值从0.13元/wh缩小到当前的0.08元/Wh,三元性价比悄然回升。

成本驱动+供需偏紧是本次电池提价主因,成本方面,三元正极相对铁锂溢价率和价差绝对值已分别从21Q3和22Q1见顶回落,成本劣势缩小,同时铁锂需求旺盛导致21年底以来的提价周期中电池涨幅高于三元,性价比优势缩小。

镍价下降+能量密度提升,高镍三元成本有望持续下降

高镍三元从成本结构上看,镍占比较高,是成本下降的潜在催化。历史上看,在碳酸锂价格大幅上涨之前,硫酸镍为高镍三元电池第一大原材料成本来源,占比电池总成本约20%;目前在原材料价格普遍上涨的背景下,硫酸镍成本占比17%,位列第二,横向比较NCM523以及LFP成本结构后,镍价下降将带动高镍成本下降,考虑比容量优势,电池层面具备成本竞争力。

按当前镍价2.5万美金/吨测算,镍约占高镍三元电芯成本约13%,随着22年以来印尼湿法低成本镍持续投产,镍价有望开启下跌通道,预计镍价下跌50%,高镍电芯成本下降约6%;

能量密度提升带来电芯整体材料单耗下降而降本,高镍三元相比中镍和铁锂在能量密度提升上更有潜力,预计高镍能量密度提升10%,可降低电芯成本约9%。

高镍三元安全性、成本完美解决方案之4680电池

4680电池优势在于通过改变电芯结构带来高能量密度和低成本(容量提升5倍,输出功率提高6倍,整车续航里程增加16%,良率一致情形下成本低7%左右;同时4680无极耳设计方案大幅缩短电子传输路径和单极耳局部发热,解决大圆柱径向散热带来的安全隐患;

目前特斯拉及其主要供应商均积极4680电池的开发和量产,外部供应商中松下进度最快,预计2022年进入试产阶段,公司作为松下重要供应商料将率先受益。

高镍三元安全性、成本完美解决方案之麒麟电池

2022年6月,宁德时代正式发布麒麟电池,预计2023年上市,三元高镍版电池包能量密度达到255wh/kg,采用CTP3.0技术,集成效率72%,显著领先同行;

采用电芯大面冷却技术,将水冷功能置于电芯之间,使换热面积扩大四倍,支持4C快充,在兼顾高能量密度同时保障高镍三元电池的安全稳定。

高镍VS中镍高电压:性能、成本和安全多维度角逐

提高电压平台和三元体系镍含量均可以提升三元正极克容量,中镍高电压路线目前性能与高镍接近但成本略低,是有竞争力的路线之一,但未来随着镍价下跌,高镍三元成本下降更快,同时高镍体系通过向超高镍迭代,在克容量提升方面天花板更高,性价比有望逐步增强。

高电压双刃剑,电池体系受损,容量和循环性能下降

高压导致整个体系反应更加活跃,各组分稳定性更差,具体看:1)正极更容易与电解液发生反应,在正极表面产生电池内气体和厚膜;2)导致LiPF6分解,释放出酸性物质,酸性物质将持续腐蚀CEI和正极,过渡金属溶解-迁移-沉积,毒化电池,对体系内其他组成也产生影响。目前看这两个过程互相加速形成循环,最终导致结构损坏,容量和循环性能下降。

中镍高电压体系改性手段类似高镍,道阻且长

解决方案上,原理上抑制体系内各组分间反应,改性手段与高镍体系类似,包括:1)正极表面包覆;2)正极表面掺杂;3)新型粘结剂;4)新型电解液添加剂;5)无机固态电解质。

二、市场空间:高镍持续提升,是最高增速细分赛道

在售高镍车型爆款频出,覆盖特斯拉、新势力、传统豪华车和自主品牌

全球高镍车型不断推出,2022年下半年起多款爆款车型搭载高镍三元

全球主流电池厂积极推进高镍应用

全球主流电池企业积极推进高镍应用,松下进度最早,主要用于特斯拉,宁德时代紧随其后,高镍电池已完成海外和国内众多主流车企定点,SKI、LGES和三星SDI同样积极推进高镍产品。

全球新能源车需求共振,2025年预计需求超过2000万辆

根据当前各车厂对新能源汽车的展望,预计2025年全球实现新能源乘用车需求2000万辆(产量口径),2021年至2025年年均复合增速36%,中国销量860万辆,欧洲销量563万辆,美国销量440万辆。

预计2030年中国乘用车高镍电池渗透率40%,海外80%

我们根据全球各国对电池能量密度的要求以及技术迭代的节奏测算,至2030年预计中国乘用车中高镍电池渗透率40%,海外高镍电池渗透率至80%;小动力高镍渗透率预计至35%左右,主要用于无人机等高端领域。

预计2022年全球高镍三元正极需求超40万吨,2025年至150万吨

依据上述数据测算2022年全球高镍三元正极需求超过40万吨,其中国内超过10万吨,海外超过30万吨,乘用车为主要需求来源;2025年需求超过150万吨,国内超过40万吨,海外超过110万吨,高镍车型推出和放量驱动需求高速增长。

至2025年高镍三元需求年均复合增速53%,为细分环节最快

根据测算,判断三元高镍环节为未来几年需求增速最快的环节,2022至2025年年均复合增速为53%,超过LFP的40%。

三、竞争格局:高镍三元格局不断优化,全球化趋势明确

高镍三元大势不改,带动三元正极材料格局优化

行业趋势:松下NCA电池与特斯拉的合作开启了高镍电池大方向,LG、SDI、SK、CATL等电池厂快速跟进,2020年起众多车型开始导入高镍三元电池。从国内正极厂出货结构来看,高镍(NCM811+NCA)占比已超过40%。

三元正极朝高镍方向升级带动竞争格局优化,优势厂商迎份额、盈利能力双升:(1)高镍正极生产难度显著提升,一次良率低拉大成本差距,主要体现在:工艺流程更复杂、对生产环境(湿度、温度)要求更高、生产控制难度大(一次良率较低,是厂商间拉开成本差距的关键所在)。2021年国内高镍正极出货CR5份额86%,远高于三元整体的56%。(2)高镍正极加工费、单吨盈利显著高于中低镍。

高镍正极具备技术壁垒,工艺能力和成本差异决定龙头地位

高镍正极具备技术壁垒,在降低烧结温度同时保证烧结质量,则要增加烧结时间,一般相对中低镍三元需要多次烧结,进而增加了制造费用和降低了单线产能。烧结是正极制备的核心环节,烧结温度和烧结环境对高镍材料的结构、电化学性质、粒度等产生较大的影响,更为复杂的烧结工序增加了高镍三元的制备难度。

产线设备方面,三元高镍产线的环境湿度控制也相对中低镍三元要求更为严格。此外,高镍三元的窑炉控温精度要求更高,以保证多次烧结的产品一致性,同时需要对炉膛内衬材料进行升级,使其耐碱性环境和氧气烧结腐蚀。

工艺和设备的比例造就高镍材料更强盈利能力。成本相近、售价较高导致高镍产品单吨盈利较强(未考虑目前钴价高位抬升中镍价格的情况),高镍三元龙头盈利中枢较高。

除技术迭代外,头部公司通过一体化布局进一步提升成本竞争力

行业格局优化的根本在于头部公司竞争力的提升,除技术进步外,头部公司加快一体化布局,进一步提升成本竞争力。

目前正极公司布局上游基本秉承“新一体化”思路,即与上游企业合作参股或产业基金参股形式进行,项目上涉及镍、锂资源、电池回收等方面。

中国正极出海提速,持续突破海外供应链

海外正极供应商以日韩和欧洲老牌玩家为主,如住友,LGC,巴斯夫、Ecopro、L&F和优美科等。海外供应商对于电池材料的聚焦和资源配置有限,高镍产品迭代速度相对国内厂商并无优势,随着国内厂商在上游一体化资源布局、正极产能扩张节奏和自身技术迭代的持续进步,国内正极出海份额有望持续提升。

中国正极企业积极布局上游资源,保障成本优势

国内企业积极向上游拓展,通过参股资源及冶炼项目、布局回收实现原材料供应保障,提升全面竞争力。

2024年全球高镍产能152万吨,中国供应商领衔

根据全球各家供应商规划推算至2024年底高镍三元产能152万吨,时间加权产能133万吨,但依据目前各供应商技术工业化能力和2021年出货情况看,部分项目存在不确定性,故实际的产能会小于目前规划计算值,对应格局优化的逻辑其实并没有改变。

三元高镍的供需关系维持紧平衡,优质产能持续稀缺

根据前述新车型的梳理可推算新能源车各地区、各领域高镍三元渗透率,预计2024年高镍三元需求超110万吨,供需比118%,考虑到供给端产能兑现的不确定性,当前节点至2024年高镍三元供给过剩可能性小,是锂电材料中为数不多的未来两年量增利稳的环节。

四、技术演变:材料、工艺、设备迭代明显,龙头持续领先

高镍三元制造天花板较高,升级方式多点开花

目前高镍三元仍存在成本较高,性能利用不尽等问题,可开发潜力较大。目前主要从材料体系、制造工艺和产线设备等几方面优化,如升级9系超高镍进一步提升理论容量,升级NCMA和镍锰二元显著下降材料成本;运用掺杂包覆等表面改性进一步提升体系实际容量和安全、循环等性能;通过窑体、闸钵升级等提升生产效率。

高镍材料体系升级:超高镍、四元成为主要方向

国内头部厂商均积极布局材料体系的升级,目前看几乎所有厂商均完成超高镍和NCMA产品的研发和生产,部分如容百科技当升科技和巴莫科技等已经批量出货,性能天花板再次提升,另外镍锰二元正极也逐步成熟,后续有望替代中底镍和磷酸铁锂材料,就目前进度看容百、当升、巴莫等领先其他供应商进度1~2年,且布局更为全面,壁垒持续加厚。

高镍三元正极深度研报-2022Q3
NCMA:进击的高镍材料,兼容安全性、高性能

高镍三元正极脆弱的原因之一是化学键的强度较低,NCA材料推出一定程度上解决了这个问题,但仍存在制备难、成本高等问题,NCMA的出现兼容了NCM和NCA的优点,在镍含量提升比容的同时兼顾降本和安全性。

二元无钴:成本降低,但安全性仍需改进

三元电池中钴对于材料性能“性价比”较低,二元无钴电池性能仍比较优秀,国内蜂巢能源无钴电池已经量产,其已有产品采用单晶4.3V电极,单体能量密度240Wh/kg,成本较811低10%,安全性能较811提升

应用上,蜂巢电池已经在欧拉樱桃猫中搭载,总电量82.5KWh,系统密度170Wh/kg,工况续航600公里。

制造工艺更迭:物尽其用,扬长避短,是高镍三元应用的关键

除材料体系持续升级外,其实目前高镍的实际比容量与理论比容量仍有差距,制造工艺的研究和精进是实现实际比容量的提升关键,同时也可以弥补高镍三元正极的短板,是高镍三元应用推广的关键。

产线设备优化:助力生产效率提升、制造成本下降

除了材料本身的性能提升,目前头部厂商已经向制造端布局,提升单线生产能力,降低制造成本,如辊道窑的装填方式优化,匣钵的摆放层数和列数提升以及新设备陶瓷回转窑引入等。以最核心的烧结设备为例,通过采用复合陶瓷内胆回转窑,可在控制较低金属异物前提下实现正极材料的高效烧结,通过回转动态煅烧,克服粉体物料煅烧过程中所产生的生烧、过烧、夹生等缺陷,从而提高了粉体物料的反应时间和品质均匀性。

产线设备迭代决定了单线产能和单位制造成本,头部正极公司已经加速设备迭代,预计回转窑在高镍正极领域的创新应用有望为龙头公司带来差异化降本能力。

填装送料等工艺持续优化大幅提升生产效率,降低能耗

除整体设备的迭代外,产线和工艺也持续优化,匣钵进料从单层并排目前提升至2层6列,进料效率提升6倍大幅降低能耗,支持单线产能提升。

头部三元正极公司单线产能持续提升

以容百为代表的的头部三元公司,依靠设备和工艺升级迭代实现单线产能持续提升,最新产线已达到5000吨/年产能,相比原有产线实现翻倍以上提升;

单线产能提升带来单位投资、单位折旧等制造费用、单位人工成本下降,体现规模效应,拉开头部公司和二线厂成本差异。

高镍制造费用更高,其可优化空间更大, 未来将成为盈利差异的关键

以5月价格测算中镍材料吨成本合计31.9万元,其中制造成本约0.9万元,高镍材料吨成本合计36.7万元,其中制造成本1.6万元,对比中镍材料,高镍制造费用更高,其可优化空间更大, 未来将成为盈利差异的关键。

【调研社提示】


所有资料仅为投资笔记,不构成投资建议;


所有调研和报告仅为他人观点,重点是取其精华;


最大的风险就是买入你不熟悉的公司;


在正确的时机买入比什么都重要。


  • 本文由 发表于 2022 年 7 月 11 日13:22:52
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