新能源汽車電池最新發(fā)展動(dòng)向

電芯大型化趨勢(shì)明確，大圓柱路線前景可期。

相較于上一代 2170 圓柱電池，4680 大圓柱電池采用更大的 46mm*80mm 電芯，并采用內(nèi)阻更小的無極耳技術(shù)，使得 4680 在 2170 的基礎(chǔ)上能量提升 5 倍、里程提高 16%、功率提高 6 倍、生產(chǎn)成本下降 14%。大圓柱電池延續(xù)了圓柱電池一致性高、安全性好和兼容高能量密度材料的特點(diǎn)，電芯大型化同時(shí)帶來了成組效率高、BMS 難度低和高電壓平臺(tái)適配性的優(yōu)點(diǎn)。大圓柱電池可以兼容高能量密度材料和高電壓快充系統(tǒng)，是解決新能源汽車?yán)锍探箲]的重要技術(shù)路線。?

電池廠商加速布局大圓柱電池，大圓柱多重優(yōu)勢(shì)助力圓柱份額提升。

目前特斯拉明確表示將 4680 大圓柱電池用于高端長(zhǎng)續(xù)航乘用車，并在 Semi 卡車和 Cybertruck 上使用 4680 電池，預(yù)期第一款搭載大圓柱電池的車型將于 2022 年初生產(chǎn)。為滿足大圓柱電池需求量，除特斯拉自己的電池工廠布局大圓柱電池外，國內(nèi)外電池廠商如億緯鋰能、松下和 LG 化學(xué)等也在加速擴(kuò)產(chǎn)布局大圓柱電池。大圓柱電池的放量有望成為圓柱份額提升的重要支撐，大圓柱電池將憑借高性價(jià)比，對(duì)現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生影響。我們預(yù)計(jì) 2025 年圓柱動(dòng)力電池全球占比有望達(dá)到 27%，圓柱動(dòng)力電池需求量將達(dá) 318.2GWh。?

大圓柱電池需求增加，有望提升高能量密度材料應(yīng)用潛力。

圓柱電池在一致性、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、散熱性能方面均優(yōu)于方形電池和軟包電池，且大圓柱電池特有的無極耳設(shè)計(jì)可以減少大圓柱電池在充電過程中的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，因此大圓柱電池對(duì)熱穩(wěn)定性較差的高鎳正極和體積膨脹率較高的硅基負(fù)極包容性較好，大圓柱電池的放量將提升對(duì)高鎳正極和硅基負(fù)極的需求。此外，由于高鎳正極熱穩(wěn)定較差，高溫會(huì)加劇過渡金屬的溶解，惡化電池狀態(tài)，高鎳電池對(duì)電解液匹配性提出更高要求。使用熱穩(wěn)定性好的 LiFSI 作為電解質(zhì)可以顯著提升電池性能，高鎳正極商業(yè)化加速推進(jìn)將提升對(duì) LiFSI 的需求。?

大圓柱電池為相關(guān)材料廠商和結(jié)構(gòu)件廠商帶來機(jī)會(huì)。

4680 大圓柱電池有望明年開始量產(chǎn)配套特斯拉部分車型，關(guān)注布局大圓柱電池產(chǎn)能的電池廠商，由于 4680 大圓柱電池與高能量密度材料適配性較高，關(guān)注大圓柱電池產(chǎn)能擴(kuò)張帶來的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈中高鎳正極、硅基?負(fù)極、LiFSI 和碳納米管環(huán)節(jié)的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，以及 4680 大圓柱電池放量對(duì)圓柱結(jié)構(gòu)件的需求提升。此外，由于大圓柱全極耳技術(shù)采用激光切與激光焊接，將有利于激光焊接、切割設(shè)備。?

1、 電芯大型化趨勢(shì)明確，大圓柱路線前景可期 1.1、 18650→21700→46800，圓柱電池大型化趨勢(shì)明確 動(dòng)力電池根據(jù)封裝形式的不同，主要分為圓柱電池、方形電池和軟包電池。 三種形態(tài)電池中，圓柱電池以正極、隔膜、負(fù)極的一端為軸心進(jìn)行卷繞，封裝在圓柱金屬外殼之中；方形電池采用卷繞或疊片工藝制造，不同于圓柱電池，方形電池卷繞工藝通常有兩個(gè)軸心，將正極、隔膜、負(fù)極疊層圍繞著兩個(gè)軸心進(jìn)行卷繞，然后以間隙直入方式裝入方形鋁殼之中；軟包電池是典型的“三明治”層狀堆壘結(jié)構(gòu)，由正極片、隔膜、負(fù)極片依次層疊起來，外部用鋁塑膜包裝。?

圓柱電池的發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)最為成熟，且標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。

最早的圓柱電池是由日本 SONY 公司于 1992 年發(fā)明的 18650 鋰電池，其中 18 表示直徑為18mm，65 表示長(zhǎng)度為 65mm，0 表示為圓柱形電池。由于 18650 圓柱電池歷史悠久，所以市場(chǎng)普及率較高，是目前市面上最為常見的電池型號(hào)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。

由于圓柱電池的技術(shù)最為成熟、一致性較好，特斯拉將圓柱電池引入動(dòng)力電池領(lǐng)域。 2008 年特斯拉首次使用松下的 18650 圓柱電池電芯作為車輛的動(dòng)力電池，并在 Roadster 上試驗(yàn)過之后，開始在 Model S 上大規(guī)模使用。為提高電芯能量密度和降低成本，2017 年特斯拉推出了與松下共同研發(fā)的 21700 圓柱電池，并將該電池應(yīng)用在Model 3車型上。21700圓柱電池直徑為21mm，長(zhǎng)度為70mm，電池能量較 18650 圓柱電池提升了 50%。此后特斯拉進(jìn)一步將圓柱電池向大型化升級(jí)，2019 年特斯拉申請(qǐng) 46800 大圓柱專利，并于 2020 年電池日對(duì) 46800大圓柱電池進(jìn)行宣傳，46800 大圓柱采用無極耳、新型硅材料和無鈷技術(shù)，較21700 圓柱電池的性能有較大提升，預(yù)計(jì) 46800 大圓柱電池能量將提升 5 倍、續(xù)航里程提升 16%、功率提升 6 倍。 相較于小圓柱電池，大圓柱電池具有高能量密度和低成本優(yōu)勢(shì)。 圓柱電池尺寸從 21700 升級(jí)到 46800，電芯體積增加 448%，而表面積僅增加 180%，這表明隨著圓柱電池直徑的增大，結(jié)構(gòu)件質(zhì)量占電池包總重量的比例下降，大圓柱電池的電池能量密度將有所提升，從而降低電池單 Wh 生產(chǎn)成本。從 21700 圓柱電池升級(jí)到 46800 大圓柱可以降低 14%的單位生產(chǎn)成本。電芯大型化是特斯拉降本增效的重要手段之一，圓柱電池大型化趨勢(shì)明確。?

1.2、 圓柱電池在一致性、安全性、材料應(yīng)用等方面優(yōu)勢(shì)明顯 ? 圓柱電池制造工藝較為成熟，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品一致性高。 由于圓柱電池在鎳氫電池和消費(fèi)類電子產(chǎn)品（3C）鋰離子電池上得到了長(zhǎng)期的應(yīng)用，業(yè)界積累了大量的生產(chǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此有較為成熟的自動(dòng)生產(chǎn)線及設(shè)備。此外，圓柱電池是以卷繞的方式進(jìn)行制造，卷繞工藝可以通過加快轉(zhuǎn)速從而提高電芯生產(chǎn)效率，而疊片工藝的效率提高受限，圓柱電池生產(chǎn)效率較高。在卷繞過程中，為保證電芯組裝成的電池具有高一致性，需要對(duì)卷繞張力進(jìn)行控制，張力波動(dòng)會(huì)使得卷繞出的電芯產(chǎn)生不均勻的拉伸形變，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的一致性。目前國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)圓柱電池張力波動(dòng)控制在 3%以下，大批量生產(chǎn)的圓柱電池產(chǎn)品一致性高。?

受益于圓柱電池?zé)崾Э貍鞑プ钄嗵匦?、密封性好和產(chǎn)品一致性高，圓柱電池在安全性方面優(yōu)勢(shì)明顯。由于方形、軟包電池具有平直表面，其組成模組后平面常處于緊密接觸狀態(tài)，在熱失控時(shí)，側(cè)向方向上熱量傳遞明顯，而圓柱電池由于其弧形表面，在充分接觸時(shí)仍存在較大間隙，一定程度上抑制了電池之間熱量傳遞，因此圓柱電池可以在一定程度上阻止熱失控蔓延。同時(shí)，由于圓柱電池單體能量低，可以減少熱失控蔓延初期的能量釋放總量，且圓柱電池的密封性較軟包好，不易發(fā)生漏液現(xiàn)象，因此圓柱電池在安全性方面優(yōu)勢(shì)明顯。此外，圓柱電池一致性高，可以一定程度上避免由于電池不一致導(dǎo)致的過充、過放和局部過熱的危險(xiǎn)。 ? 受益于圓柱結(jié)構(gòu)體本身的材料力學(xué)性能，圓柱電池和高鎳材料、硅碳負(fù)極材料兼容性良好，對(duì)材料應(yīng)用具有包容性。為提高電池能量密度，高鎳正極材料和硅碳負(fù)極材料被應(yīng)用到電池材料體系，但高鎳材料較差的熱穩(wěn)定性和硅碳材料較高的體積膨脹率對(duì)動(dòng)力電池的安全性帶來了考驗(yàn)。相較于方形電池和軟包電池，圓柱電池結(jié)構(gòu)體本身強(qiáng)度更高，對(duì)硅碳負(fù)極膨脹的容忍度較高，且圓柱電池的熱失控傳播阻斷特性可以在一定程度上彌補(bǔ)高鎳材料熱穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，因此在應(yīng)用高鎳材料和硅碳負(fù)極材料方面，圓柱電池優(yōu)勢(shì)明顯。

1.3、 受益于大圓柱電池的高成組效率、低 BMS 難度和高電壓平臺(tái)適配性，大圓柱電池路線前景可期 ? 圓柱大型化可以提高成組效率，彌補(bǔ)小圓柱電池成組效率低的不足。 根據(jù)鉅大鋰電數(shù)據(jù)，目前行業(yè)內(nèi)圓柱形電池的模組成組效率約為 87%，系統(tǒng)成組約為 65%，而方形電池則分別為 89%和 70%，圓柱電池成組效率較低。圓柱電池直徑變大后，動(dòng)力電池支架板和集流片的孔徑變大，相應(yīng)重量減輕，此外，動(dòng)力電池包中電芯數(shù)量的減少可以減少結(jié)構(gòu)件用量，在提高電池能量密度的同時(shí)提高成組效率。

圓柱路線對(duì)車企的 BMS 技術(shù)要求較高，大圓柱路線可降低 BMS 控制難度。單體圓柱電芯容量小，要達(dá)到一定的動(dòng)力性能，需要的電芯數(shù)量眾多。一款 75KWh的電動(dòng)車動(dòng)力電池組大約需要 7000 個(gè) 18650 電池，即使是 21700 電池也需要4400 個(gè)，對(duì) BMS 提出極高要求，對(duì)于在 BMS 領(lǐng)域積累薄弱的車企來說難度較大，而換成 46800 電池僅需要 950 個(gè)電池，所需電池?cái)?shù)量顯著減少，從而降低BMS 控制難度。因此，大圓柱路線可降低車企對(duì)中游電池企業(yè)的技術(shù)依賴程度。 46800 電池?zé)o極耳設(shè)計(jì)縮短電子傳輸路徑，從而降低電池內(nèi)阻。極耳是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，是電池在進(jìn)行充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。傳統(tǒng)圓柱電池通過單極耳來實(shí)現(xiàn)電流收集，由于電阻的存在，電池在充放電的過程中，特別是大電流充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆熱，引起電池溫度的升高，隨著電芯尺寸的變大，卷繞長(zhǎng)度更長(zhǎng)，會(huì)加劇內(nèi)部電流和溫度分布的不均勻性，在極耳處產(chǎn)生局部高溫。為降低電池內(nèi)阻，減少充放電過程中歐姆熱，特斯拉對(duì) 46800大圓柱電池采用無極耳技術(shù)，即整個(gè)集流體都變成極耳，導(dǎo)電路徑不再依賴極耳，因此無極耳技術(shù)也稱全極耳技術(shù)。無極耳技術(shù)將電子的傳輸路徑從沿極耳到集流盤的橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸，將電子傳輸路徑平均長(zhǎng)度從銅箔長(zhǎng)度（21700 電池銅箔長(zhǎng)度約 1000mm）降低到電池高度（80mm），從而將電池內(nèi)阻降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。?

大圓柱無極耳電池設(shè)計(jì)保證了電池充電效率。英國帝國理工大學(xué)的 Shen Li 等人通過模擬仿真對(duì)單極耳電池和無極耳電池進(jìn)行充放電過程發(fā)熱對(duì)比，計(jì)算得到無極耳設(shè)計(jì)能夠有效的降低局部的電流密度，且產(chǎn)熱速率要比單極耳電池低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。研究表明無極耳設(shè)計(jì)可以減少大圓柱電池在充電過程中的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，從而保證大圓柱電池的一致性、安全性和充電效率。

受益于大圓柱電池內(nèi)阻小、一致性高，大圓柱電池和高能量密度材料及高電壓快充系統(tǒng)適配度高。為解決消費(fèi)者“里程焦慮”問題，大部分廠商通過增加電池容量提升續(xù)航里程、增加充電速度減少充電時(shí)間這兩種方式解決該問題。為增加電池容量，需使用能量密度更高的高鎳正極材料和硅碳負(fù)極材料；為減少充電時(shí)間，需要提高電動(dòng)車充電功率，即通過提高充電電流或提高充電電壓來增加充電速度，而在功率相同的情況下，提高電壓可以減少線路電流，從而減少能量損失。由于高能量密度材料和快充都容易在充電時(shí)產(chǎn)生析鋰、膨脹等副反應(yīng)，因此一般情況下高能量密度材料和快充系統(tǒng)不能兼容。目前電動(dòng)汽車普遍使用的是 400V電壓系統(tǒng)，由于單個(gè)鋰離子電池電壓只有 3~4V，因此需要 100 個(gè)左右電池串聯(lián)才能達(dá)到 400V 電壓要求，而 800V 高電壓快充系統(tǒng)則需要 200 個(gè)左右電池串聯(lián)，800V 高電壓快充系統(tǒng)對(duì)電池一致性提出了更高的要求。由于大圓柱電池具有內(nèi)阻小的特點(diǎn)，同時(shí)兼具圓柱電池自身一致性高、對(duì)高能量密度材料兼容的優(yōu)點(diǎn)，因此大圓柱電池可以兼容高能量密度材料和高電壓快充系統(tǒng)。?

2、 電池環(huán)節(jié)：電池廠商布局大圓柱電池，大圓柱多重優(yōu)勢(shì)助力圓柱份額提升 ? 2.1、 動(dòng)力電池行業(yè)集中度高，國內(nèi)外技術(shù)路線布局有所差異 動(dòng)力電池行業(yè)集中度有所提升，2021 年中日韓企業(yè)市占率超過 90%。 根據(jù) SNE Research 和起點(diǎn)研究統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力電池行業(yè) CR3 由 2017 年的 45.9%提升至 2021年的 65.1%，CR5 由 2017 年的 58.3%提升至 2021 年的 79.5%，行業(yè)集中度大幅提升。2021 年全球動(dòng)力電池企業(yè)裝機(jī)量前 10 名均為中日韓企業(yè)，占整體裝機(jī)量的 91.2%，中國、日本、韓國企業(yè)數(shù)量分別為 6 家、1 家和 3 家。

國內(nèi)外電池廠商對(duì)圓柱、方形、軟包三種技術(shù)路線布局有所差異。日本企業(yè)以圓柱路線為主，1998 年松下生產(chǎn)的 18650 圓柱電池已經(jīng)批量裝配在世界多個(gè)品牌的筆記本電腦里，由于松下對(duì)圓柱電池的技術(shù)積累較多，松下與特斯拉合作，共同開創(chuàng)了圓柱形鋰電池應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上的時(shí)代。韓國企業(yè) LG 化學(xué)和 SKI以軟包路線為主，LG 化學(xué)依靠在消費(fèi)類電子的軟包電池領(lǐng)域的積累，將軟包電池應(yīng)用到電動(dòng)汽車上，軟包電池由于其體積和形狀的靈活多變性，尤其受到插電式混合動(dòng)力車的偏愛。國內(nèi)企業(yè)在剛起步時(shí)，考慮到日本和韓國分別在圓柱和軟包電池的技術(shù)積累，且圓柱電池非?？简?yàn)車企電池管理水平，軟包電池的鋁塑膜國產(chǎn)化率低，因此以寧德時(shí)代和比亞迪為首的國內(nèi)企業(yè)以方形路線為主。 2017 年至 2020 年，國內(nèi)圓柱電池市場(chǎng)份額大幅下降，海外市場(chǎng)份額略有下降。從國內(nèi)市場(chǎng)看，2017 年后受補(bǔ)貼退坡影響，初期配套圓柱電池的短續(xù)航低端車型無法得到補(bǔ)貼，圓柱電池市場(chǎng)份額從 2017年的27.2%下降至 2020年的 9.7%，其市場(chǎng)份額主要被方形電池所取代，在此期間，以圓柱路線為主的比克、沃特瑪?shù)绕髽I(yè)破產(chǎn)倒閉。從全球市場(chǎng)看，受歐洲新能源車滲透率快速提升的影響，海外軟包電池出貨量增加，擠占一定圓柱電池市場(chǎng)份額，圓柱電池市場(chǎng)份額從 2018年的 29%下降至 2020 年的 23 %。?

2.2、 大圓柱電池產(chǎn)能即將放量，多重優(yōu)勢(shì)助力圓柱電池份額提升 目前，特斯拉明確表示將大圓柱電池用于高端長(zhǎng)續(xù)航乘用車，此外，特斯拉確認(rèn)在 Semi 卡車和 Cybertruck 上使用 46800 電池。特斯拉把大圓柱作為核心量產(chǎn)工藝的突破點(diǎn)，預(yù)期第一款搭載 46800 的車型將于 2022 年生產(chǎn)，特斯拉的弗里蒙特產(chǎn)線的 46800 良率已提升至 92%左右。 電池企業(yè)加速布局 46800，大圓柱電池產(chǎn)能即將放量。為滿足大圓柱電池需求量，除特斯拉自己的電池工廠布局 46800 外，國內(nèi)外電池廠商也加速擴(kuò)產(chǎn)布局46800：海外企業(yè)松下和 LG 化學(xué)正在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)以期達(dá)到特斯拉的要求；國內(nèi)電池企業(yè)億緯鋰能、寧德時(shí)代、比克等也在積極布局相關(guān)技術(shù)。目前來看，僅有特斯拉電池工廠和松下可以在 2022 年逐步量產(chǎn)大圓柱電池，億緯鋰能和 LG 化學(xué)計(jì)劃于 2023 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。?

46800 大圓柱電池的放量有望成為圓柱份額提升的重要支撐。根據(jù)特斯拉電池日官方材料，如果未來 46800 電池成功量產(chǎn)，從 21700 電池升級(jí)到 46800 電池可以降低 14%的單位生產(chǎn)成本，縮小三元電池和磷酸鐵鋰電池之間的成本差距，大圓柱電池將憑借高性價(jià)比，對(duì)現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生影響。未來在大圓柱電池持續(xù)技術(shù)優(yōu)化的背景下，我們預(yù)計(jì) 2025 年圓柱動(dòng)力電池全球占比有望達(dá)到 27%，圓柱動(dòng)力電池需求量將達(dá) 318.2 GWh。?

3、 材料環(huán)節(jié)：大圓柱電池需求增加，有望提升高能量密度材料應(yīng)用潛力 3.1、 高鎳正極：圓柱大型化趨勢(shì)下迎高鎳擴(kuò)產(chǎn)高峰，一體化布局鑄就高鎳正極材料龍頭 ? 3.1.1、 高鎳材料能量密度優(yōu)勢(shì)明顯，里程需求驅(qū)動(dòng) NCM811 占比提升 正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，決定整個(gè)電池的性能，其成本約占電池的 30%-40%。目前常見的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料。三元材料一般為鎳鈷錳酸鋰（NCM），由于鎳、鈷、錳元素均在元素周期表第四周期的相鄰位置，離子態(tài)的化學(xué)性質(zhì)及半徑相似，能夠按照任意比例形成固溶體，因此可以通過調(diào)整材料中鎳鈷錳元素的比例來選擇性的放大材料某方面的優(yōu)點(diǎn)，來滿足不同電池性能要求： （1）鎳元素：充放電過程中的氧化還原反應(yīng)主要依靠鎳元素的變價(jià)，因此正極材料中鎳元素的含量決定了電池的能量密度，但是過高的鎳元素比例又會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的陽離子混排現(xiàn)象（指在放電時(shí)鋰離子大量脫出的時(shí)候，受到外界因素作用，二階 Ni 離子占據(jù) Li 離子晶格中位置的現(xiàn)象），影響材料性能； （2）鈷元素：鈷元素能夠抑制陽離子混排，穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，起到提升電導(dǎo)率降低阻抗的作用，但是鈷元素存在價(jià)格昂貴等問題； （3）錳元素：錳有良好的電化學(xué)惰性，使材料始終保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且廉價(jià)的錳也能夠起到降低電池成本的作用，但錳含量過高會(huì)對(duì)層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定破壞。?

在三元正極材料中，行業(yè)主流的 NCM 型號(hào)包括 523、622 和 811 三種型號(hào)，高鎳正極通常指鎳相對(duì)含量在 0.6 以上的材料型號(hào)。隨著鎳含量的升高、鈷含量的降低，三元材料的能量密度逐漸提高，但材料的容量保持率和熱穩(wěn)定性都會(huì)降低，氧氣析出現(xiàn)象會(huì)更加明顯。目前，正極材料廠家主要通過離子摻雜和表面包覆來對(duì)高鎳三元材料進(jìn)行改性，從而改善高鎳 NCM 和 NCA 的性能： （1）離子摻雜：高鎳三元材料的離子摻雜一般選擇離子半徑相近的離子進(jìn)行摻雜，分布在晶格內(nèi)的摻雜元素起到支撐柱的作用，從而降低了循環(huán)過程中晶格體積縮小的風(fēng)險(xiǎn)，因此通過引入離子可以穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，改善材料的電化學(xué)性能，尤其是熱穩(wěn)定性； （2）表面包覆：表面包覆可以抑制材料在充放電過程中晶型的轉(zhuǎn)變和過渡金屬的溶解，改變材料表面化學(xué)特性從而提高其電化學(xué)性能，避免或者減少電解液與正極材料的直接接觸，防止電極過渡金屬的溶解；同時(shí)，包覆層作為導(dǎo)電介質(zhì)可以促進(jìn)顆粒表面的 Li 離子擴(kuò)散，從而改善容量保持性能、倍率性能和熱穩(wěn)定性；此外，高鎳 NCM 正極材料存儲(chǔ)條件要求較高，當(dāng)高鎳三元材料暴露于潮濕環(huán)境中時(shí)，材料表面容易吸收空氣中的水和二氧化碳，生成 LiOH 和 Li2CO3等雜質(zhì)，嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能，包覆改性可以在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)減少正極材料與空氣的接觸，延長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命；常用的表面包覆劑有氧化物、磷酸鹽、鋰鹽和導(dǎo)電材料等。

里程需求驅(qū)動(dòng)高鎳材料占比持續(xù)提升。為解決消費(fèi)者“里程焦慮”問題，廠商通過增加電池容量提升續(xù)航里程，高鎳三元材料具有能量密度高的特點(diǎn)，具備續(xù)航里程優(yōu)勢(shì)，高鎳正極在三元材料中的占比快速提升。根據(jù) GGII 數(shù)據(jù)，國內(nèi)NCM811 在三元材料中的占比從 2018 年的 11.5%提升至 2020 年的 24%。根據(jù)鑫欏資訊數(shù)據(jù)，2021 年 8 月國內(nèi) NCM811 滲透率達(dá)到 41%，隨著 2021Q4 頭部企業(yè)高鎳產(chǎn)能的釋放，鑫欏資訊預(yù)計(jì) 2021 年我國高鎳材料（NCM811 和 NCA）的滲透率有望達(dá)到 40%。2021 年 11 月 18 日國家工信部發(fā)布《鋰離子電池行業(yè)規(guī)范條件（2021年本）》（征求意見稿），《規(guī)范》要求三元材料比容量≥175Ah/kg， 5 系和 6 系 NCM 三元材料比容量不滿足規(guī)范要求，而 8 系 NCM 和 NCA 高鎳三元材料滿足此要求，國家政策規(guī)范有利于高鎳材料占比的進(jìn)一步提升。?

3.1.2、 高鎳三元與圓柱電池優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，高鎳大圓柱電池優(yōu)勢(shì)明顯 鋰電池的熱失控主要是由電池內(nèi)部溫度上升導(dǎo)致。電池產(chǎn)熱是電池工作過程中的必然產(chǎn)物，若電池的產(chǎn)熱速度比熱釋放即熱擴(kuò)散速度要快，則會(huì)引起電池內(nèi)部溫度上升。電池過充、隔膜缺陷導(dǎo)致的短路和外部沖擊導(dǎo)致的短路等均會(huì)產(chǎn)生大量的熱，使電池溫度上升。當(dāng)這些熱量不能及時(shí)疏散，便會(huì)加劇反應(yīng)的進(jìn)行，并引發(fā)一連串的自加熱副反應(yīng)，正極材料副反應(yīng)會(huì)加劇熱量釋放并產(chǎn)生氧氣，電池溫度急劇升高，發(fā)生熱失控，最終導(dǎo)致電池的燃燒，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸。?

隨著三元材料中鎳含量的增加，電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)增加。 研究結(jié)果顯示，NCM811的熱失控起始溫度為 163.0°C，比 NCM622 的熱失控起始溫度低 22.5°C，且在 150-200°C 的溫度范圍內(nèi)，NCM811 的升溫速率遠(yuǎn)高于 NCM622。此外，在 100% SOC 情況下 NCM811 在放熱峰處的放熱量是 NCM622 的三倍。研究表明，高鎳材料的熱穩(wěn)定性更差，高鎳材料可以在相對(duì)更低的溫度下引起熱失控，且熱失控時(shí)放熱量更高，這將導(dǎo)致電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)增加。

充電過程中，電池一致性低將導(dǎo)致過充電，從而引起熱失控。在電池充電至特定 SOC 過程中，電池的不一致性會(huì)導(dǎo)致充電前 SOC 不同，具有高初始 SOC 的電池在充電過程中會(huì)被過度充電。過度充電首先會(huì)導(dǎo)致正極界面處的電解質(zhì)分解，導(dǎo)致電池溫度緩慢增加，隨后過量的 Li 離子從正極脫嵌，導(dǎo)致正極材料不穩(wěn)定并產(chǎn)生氧氣，過量的 Li 離子沉積在負(fù)極上形成鋰枝晶，鋰枝晶逐漸生長(zhǎng)并刺破隔膜導(dǎo)致電源短路發(fā)熱，引發(fā)熱失控和安全事故。?

受益于圓柱電池?zé)崾Э貍鞑プ钄嗵匦院彤a(chǎn)品一致性高，大圓柱電池與高鎳三元正極材料適配性高。圓柱型電池采用相當(dāng)成熟的卷繞工藝，自動(dòng)化程度高，且產(chǎn)品一致性高。圓柱形特有的弧形表面使其在充分接觸時(shí)仍存在較大間隙，可以在一定程度上抑制了電池之間熱量傳遞。因此，圓柱電池在一致性和散熱性能方面均優(yōu)于方形電池和軟包電池，圓柱電池在應(yīng)對(duì)熱失控方面具有優(yōu)勢(shì)，將高鎳三元材料應(yīng)用在圓柱電池可以彌補(bǔ)高鎳三元材料熱穩(wěn)定差的缺陷。此外，大圓柱電池特有的無極耳設(shè)計(jì)可以減少大圓柱電池在充電過程中的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，進(jìn)一步避免高鎳三元鋰電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。高鎳三元材料應(yīng)用在大圓柱電池中可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，高鎳三元材料的高能量密度可以彌補(bǔ)圓柱電池成組效率低導(dǎo)致的比容量低的缺點(diǎn)，大圓柱電池的高一致性和熱失控傳播阻斷特性可以彌補(bǔ)高鎳三元材料熱穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。? ? 3.1.3、 大圓柱放量提升高鎳材料需求，三元前驅(qū)體和正極材料龍頭企業(yè)受益 大圓柱電池放量將提升對(duì)高鎳材料的需求，2025 年大圓柱電池對(duì)高鎳正極的需求量將達(dá)到 26.1 萬噸。 特斯拉自 2012 年起采用松下的 NCA 電池，此后電池正極鎳含量不斷提升，目前松下 21700 電池正極鎳含量達(dá)到 80%。2021 年 7 月，特斯拉首次使用 LG 化學(xué)生產(chǎn)的新型 NCMA 電池，該電池正極鎳含量已提升至90%。對(duì)大圓柱電池對(duì)高鎳三元正極需求影響進(jìn)行測(cè)算，參照 21700 對(duì) 18650的替代速度，假設(shè) 2022 年圓柱電池以 21700 為主，2023 年以后 46800 逐步替代 21700，預(yù)計(jì) 2025 年大圓柱電池滲透率達(dá)到 54.7%。假設(shè)大圓柱電池均采用NCM8 系、NCM9 系或 NCA、NCMA 等高鎳正極，則 2025 年大圓柱電池對(duì)高鎳正極的需求量將達(dá)到 26.1 萬噸，是 2020 年全球高鎳正極需求量的近 3 倍。在 2025 年高鎳電池三元正極需求量中，有近 45%的高鎳正極將用于大圓柱電池，大圓柱電池放量將大幅提升高鎳材料需求。?

三元前驅(qū)體：高鎳化利好一體化布局前驅(qū)體企業(yè)三元正極材料產(chǎn)業(yè)鏈涉及環(huán)節(jié)較多，產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 NCM 三元產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為鎳、鈷、錳、鋰與其他輔料供應(yīng)商，中游為前驅(qū)體與三元正極材料制造商，下游為鋰電池生產(chǎn)廠商以及應(yīng)用層面的電動(dòng)汽車、3C、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。其中，前驅(qū)體環(huán)節(jié)是正極材料產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以 NCM811 三元正極材料為例，前驅(qū)體占據(jù)正極總成本的 60%左右。三元前驅(qū)體是鎳鈷錳/鋁氫氧化物，通過與鋰源（高鎳正極材料一般采用氫氧化鋰；低鎳、中鎳正極材料一般采用碳酸鋰）混合后燒結(jié)制成三元正極。三元前驅(qū)體的上游產(chǎn)業(yè)鏈條較長(zhǎng)，以鎳資源為例，從最前端的原生礦（硫化礦、紅土鎳礦）經(jīng)冶煉加工成為鎳中間品（高冰鎳、MHP、MSP）再到硫酸鎳，最后加工為前驅(qū)體。 國內(nèi)三元前驅(qū)體行業(yè)集中度較高，2020 年 CR5 達(dá)到 65%。在全球動(dòng)力電池市場(chǎng)需求持續(xù)旺盛的背景下，三元正極需求增加，帶動(dòng)三元前驅(qū)體行業(yè)不斷擴(kuò)張，據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計(jì)，2021年國內(nèi)三元前驅(qū)體總產(chǎn)量為62.06萬噸，同比增長(zhǎng)82.3%。目前國內(nèi)三元前驅(qū)體行業(yè)集中度較高，據(jù) GGII 統(tǒng)計(jì)，2020 年國內(nèi)三元前驅(qū)體市場(chǎng)份額前五分別是中偉股份、邦普、格林美、華友鈷業(yè)和佳納能源，市占率分別為 21.8%、15.5%、12.1%、11.2%和 4.5%。?

隨著正極高鎳化，鎳在三元前驅(qū)體成本中占比提升，將利好一體化布局的三元前驅(qū)體企業(yè)。從前驅(qū)體成本結(jié)構(gòu)看，硫酸鈷、硫酸鎳等硫酸鹽原材料成本占比較高，以華友鈷業(yè)生產(chǎn)的三元前驅(qū)體為例，硫酸鹽原材料成本占比達(dá) 87%。隨著正極鎳含量的增加，單噸前驅(qū)體硫酸鎳使用量增多，硫酸鎳的成本占比將提高。在高鎳化趨勢(shì)下對(duì)上游鎳資源的需求將增大，導(dǎo)致鎳供應(yīng)緊張，價(jià)格大幅度上漲。根據(jù)鑫欏資訊，截至 2022 年 3 月 23 日國產(chǎn)電池級(jí)硫酸鎳價(jià)格為 4.85 萬元/噸，較 2021 年年初的 2.95 萬元/噸上漲 64.4%，硫酸鎳的成本占比提升和鎳源價(jià)格的提升使得前驅(qū)體企業(yè)對(duì)于一體化的意愿得以強(qiáng)化。通過一體化布局產(chǎn)業(yè)鏈上游冶煉業(yè)務(wù)，將上游硫酸鎳等原材料供應(yīng)納入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，能夠充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效應(yīng)，保證材料穩(wěn)定供應(yīng)和品質(zhì)保障，以更低成本獲取原材料并提升三元前驅(qū)體材料性能，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)的成本優(yōu)勢(shì)和盈利能力。

三元正極材料：高鎳化提高技術(shù)壁壘，具有技術(shù)儲(chǔ)備的正極企業(yè)具備發(fā)展?jié)摿ξ覈龢O材料市場(chǎng)格局相對(duì)分散，高鎳化有望促使行業(yè)集中度提升。 由于我國動(dòng)力電池領(lǐng)域處于需求快速增長(zhǎng)階段，三元正極材料企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)較強(qiáng)，競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，導(dǎo)致行業(yè)相對(duì)分散。根據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計(jì)，2021 年我國三元正極市場(chǎng) CR5為 53%，5 家頭部企業(yè)的市占率均在 10%左右，沒有出現(xiàn)絕對(duì)領(lǐng)先的龍頭企業(yè)。隨著三元正極向高鎳化發(fā)展，由于高鎳材料的技術(shù)壁壘較高，三元正極行業(yè)出現(xiàn)明顯的集中趨勢(shì)，2020 年 1-10 月國內(nèi)高鎳正極材料市場(chǎng)的 CR2 和 CR5 分別為56%和 84%，高鎳三元正極材料市場(chǎng)龍頭優(yōu)勢(shì)明顯。?

高鎳三元正極加工難度大，技術(shù)壁壘高。三元正極以三次燒結(jié)工藝為主，由三元前驅(qū)體和氫氧化鋰混合后燒結(jié)制成。相對(duì)于 NCM523 等常規(guī)三元正極材料，高鎳三元正極材料的制備工序相對(duì)更為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求更高，且技術(shù)難度更大： （1）混合工序難點(diǎn)：由于氫氧化鋰與高鎳三元前驅(qū)體的粒度和密度大小差異較大，因此實(shí)現(xiàn)固相均勻混合難度較大；此外，氫氧化鋰含有結(jié)晶水，在混合過程中摩擦放熱造成氫氧化鋰脫水，部分氫氧化鋰會(huì)生產(chǎn)團(tuán)聚，影響混合效果；傳統(tǒng)高混機(jī)在使用前驅(qū)體與氫氧化鋰混合時(shí)，無法將氫氧化鋰分散混合均勻，提高轉(zhuǎn)速又容易破壞三元前驅(qū)體顆粒，因此，高鎳三元生產(chǎn)過程中對(duì)混合機(jī)要求較高； （2）燒結(jié)工序難點(diǎn)：由于高鎳三元材料中的二價(jià)鎳難以氧化成三價(jià)鎳，必須在純氧氣氛中高溫合成，因此窯爐材質(zhì)必須耐氧氣腐蝕；此外，高鎳材料使用氫氧化鋰做鋰源進(jìn)行高溫合成，氫氧化鋰容易揮發(fā)且堿性很強(qiáng)，需要窯爐材質(zhì)有較強(qiáng)的耐堿腐蝕性； （3）水洗工序難點(diǎn)：高鎳三元材料的表面殘堿含量過高，會(huì)給材料電化學(xué)性能帶來許多負(fù)面影響，國內(nèi)廠家普遍采用水洗和在較低的溫度二次燒結(jié)工藝來降低高鎳正極表面殘堿含量；由于高鎳三元材料表面對(duì)濕度敏感，因此水洗過程中固液比、水洗時(shí)間、攪拌強(qiáng)度、過濾時(shí)間與干燥過程均很難控制，如果處理不好，之后的三元材料容量與循環(huán)性能明顯下降而達(dá)不到動(dòng)力電池的使用要求。?

編輯：黃飛

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