三元正極技術(shù)不斷迭代，推動(dòng)要素矩陣持續(xù)優(yōu)化

1.三元正極材料格局仍相對(duì)分散

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)格局相對(duì)分散，頭部企業(yè)之間差距不明顯。2022年一季度我國(guó)三元正極材料前三企業(yè)容百科技/當(dāng)升科技/巴莫科技三元正極產(chǎn)量占比分別為15.7%/13.9%/10.6%，頭部企業(yè)之間份額較為接近，行業(yè)整體仍然處于相對(duì)分散的階段。

圖1：2021年我國(guó)三元正極產(chǎn)量行業(yè)格局較為分散 ；2022年一季度我國(guó)三元正極集中度有所提升（數(shù)據(jù)來(lái)源：鑫欏資訊，國(guó)泰君安證券研究）

2.三元正極技術(shù)不斷迭代，推動(dòng)要素矩陣持續(xù)優(yōu)化

多種正極材料路線并存，材料體系之間性能要素有所差異。目前正極材料主要可以分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料四大類(lèi)，其中三元又可以細(xì)分為鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰。鈷酸鋰和錳酸鋰主要用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，而磷酸鐵鋰與三元主要用于新能源汽車(chē)領(lǐng)域。

圖2：正極材料存在多種路線工藝（數(shù)據(jù)來(lái)源：廈鎢新能招股說(shuō)明書(shū)，國(guó)泰君安證券研究）

降本增效持續(xù)驅(qū)動(dòng)研發(fā)創(chuàng)新，三元正極材料在能量密度、安全性能、性?xún)r(jià)比方面不斷優(yōu)化。新能源汽車(chē)智能化發(fā)展趨勢(shì)成為主流，更豐富的座艙體驗(yàn)和智能駕駛功能都對(duì)動(dòng)力電池都提出了更長(zhǎng)續(xù)航里程、更高能量密度的要求。與此同時(shí)，更高容量、更高負(fù)載的電池系統(tǒng)伴生而來(lái)的安全性和成本性?xún)r(jià)比的要求同樣剛性，催生出對(duì)三元正極能量密度、安全性能、成本性?xún)r(jià)比的進(jìn)一步探索。

2.1 能量密度再升級(jí)：三元高鎳化/高電壓化趨勢(shì)明顯

解決續(xù)航里程焦慮，高鎳化和高電壓化提升三元正極材料能量密度。根據(jù)能量密度公式Wh/kg=U*I*h/kg=U*Q/kg，在同樣質(zhì)量下為實(shí)現(xiàn)能量密度的提升，目前行業(yè)內(nèi)主要通過(guò)提升材料的充電電壓上限（高電壓化）與提升鎳含量（高鎳化）來(lái)提高三元正極材料的能量密度。

高鎳8系三元占比逐漸上升，超高鎳進(jìn)一步提升高鎳三元競(jìng)爭(zhēng)力。三元材料高鎳化是指在三元材料中提升鎳元素的含量，進(jìn)而提升能量密度，并相應(yīng)降低對(duì)鈷元素的依賴(lài)。目前行業(yè)頭部正極材料企業(yè)已在逐步開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和生產(chǎn)9系的超高鎳正極材料，進(jìn)一步提升能量密度，解決電池輕量化問(wèn)題，提升高鎳三元競(jìng)爭(zhēng)力。我們認(rèn)為未來(lái)高鎳三元仍將會(huì)繼續(xù)成為長(zhǎng)續(xù)航車(chē)型的主流應(yīng)用之一，占據(jù)重要市場(chǎng)份額。

隨著中鎳電壓平臺(tái)的上升，高電壓化路線能量密度性能表現(xiàn)與高鎳三元趨于一致。高電壓化路線通過(guò)提升電池充電截止電壓使得正極材料在更高電壓下脫出更多的鋰離子，從而同時(shí)提升容量與工作電壓，進(jìn)而達(dá)到提升能量密度的目的。從當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的主要產(chǎn)品來(lái)看，高電壓Ni6系典型產(chǎn)品的實(shí)際能量密度735.15Wh/kg已與Ni8系典型產(chǎn)品的739.32Wh/kg接近。同時(shí)，由于高電壓材料的鎳含量相對(duì)較低，生產(chǎn)工藝不如高鎳三元復(fù)雜，因此高電壓化正極材料在提升能量密度的同時(shí)還兼具了一定的安全性改善。

圖3：三元正極材料通過(guò)提升充電電壓上限（高電壓化）與鎳含量（高鎳化）來(lái)提高動(dòng)力電池能量密度（數(shù)據(jù)來(lái)源：廈鎢新能定增問(wèn)詢(xún)函，國(guó)泰君安證券研究）

2.2 安全性能再提升：三元單晶體系應(yīng)用增加

多晶三元正極體系成熟，單晶三元正極特點(diǎn)突出。從晶體結(jié)構(gòu)方面劃分，三元正極材料可以分為單晶型和多晶型三元正極材料。單晶指由一個(gè)晶核在各個(gè)方向上均衡生長(zhǎng)起來(lái)的晶體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上是一個(gè)完整的晶格，而多晶是由很多取向不同的單晶顆粒結(jié)合而成，其整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中不是由同一晶格所貫穿，常規(guī)的多晶三元正極材料是以二次球形顆粒團(tuán)聚形式而存在。單晶技術(shù)通過(guò)使用特殊前驅(qū)體及燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)三元正極材料形成晶體的特殊結(jié)構(gòu)，在保持現(xiàn)有的容量和充放電平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)法提高正極材料的單晶粒度，從而提高其振實(shí)密度，提高鋰電池的體積容量，并大幅度地提升鋰電池的安全性，使鋰電池的品質(zhì)得到大幅度提升。

圖4：多晶和單晶三元正極材料形態(tài)特征有所差異（數(shù)據(jù)來(lái)源：振華新材招股說(shuō)明書(shū)，國(guó)泰君安證券研究）

國(guó)外以多晶三元技術(shù)為主，國(guó)內(nèi)單晶三元和多晶三元技術(shù)并行。單晶三元材料的研究已久，但由于早期對(duì)材料體系的研發(fā)路線和專(zhuān)利儲(chǔ)備的側(cè)重，海外日韓系電池廠的主流三元材料基本以多晶三元材料為主，并由國(guó)內(nèi)頭部正極材料企業(yè)逐步導(dǎo)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。2009 年振華新材在國(guó)內(nèi)較早推出一次顆粒大單晶 NCM523 產(chǎn)品，而后廈鎢新能、長(zhǎng)遠(yuǎn)鋰科等頭部正極企業(yè)相繼突破單晶制作工藝。2017 年下半年，隨著寧德時(shí)代等頭部電池企業(yè)開(kāi)始將其應(yīng)用于在動(dòng)力電池，單晶材料逐步實(shí)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)放量。

單晶三元正極材料物化性能更為穩(wěn)定，能夠作為更高電壓的材料體系之一，且在安全性能及循環(huán)性能上較多晶產(chǎn)品具備一定的優(yōu)勢(shì)。三元正極材料在高電壓下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加內(nèi)阻變大，電池容量衰減會(huì)很快，循環(huán)性能變差。同時(shí)，常規(guī)的多晶三元正極材料在循環(huán)過(guò)程中，顆粒不斷膨脹收縮會(huì)導(dǎo)致整個(gè)二次球開(kāi)裂、破碎，使得電池的電化學(xué)環(huán)境發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短；由于小單晶一次顆粒之間的連接較為脆弱，在極片冷壓過(guò)程中，易導(dǎo)致二次顆粒破碎，也容易導(dǎo)致電池性能惡化。單晶三元正極材料通常是直接由一個(gè)或幾個(gè)大顆粒(2~5μm)組成的一次不規(guī)則塊狀顆粒，材料內(nèi)部沒(méi)有晶界，微觀表面較光滑，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫性能，且其材料經(jīng)壓實(shí)和高溫循環(huán)后，不易發(fā)生破碎，從而獲得更加優(yōu)異的高溫循環(huán)穩(wěn)定性。因此，單晶三元正極材料具備更好的安全性能，可以較好地規(guī)避上述多晶三元正極材料存在的問(wèn)題。

圖5：?jiǎn)尉c多晶三元正極材料各方面對(duì)比（數(shù)據(jù)來(lái)源：鑫欏資訊，帕瓦股份招股說(shuō)明書(shū)，國(guó)泰君安證券研究）

中鎳領(lǐng)域單晶高電壓技術(shù)迭代，高鎳領(lǐng)域單晶加速導(dǎo)入。2022年一季度，在中鎳 5 系、中高鎳 6 系三元材料中，單晶材料體系占比均超過(guò) 50%。高鎳 8 系三元材料目前仍以多晶體系為主，但自 2021 年國(guó)內(nèi)頭部動(dòng)力電池企業(yè)開(kāi)始導(dǎo)入高鎳單晶以來(lái)單晶高鎳在 8 系三元材料市場(chǎng)滲透率逐步提升，2022 年一季度單晶 8 系三元材料占比已升至 13.5%。

2.3性?xún)r(jià)比再突破：三元瓦時(shí)成本有望下降

補(bǔ)貼退坡情形下，保持高能量密度的同時(shí)，性?xún)r(jià)比重要性凸顯。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)行業(yè)補(bǔ)貼呈整體下滑態(tài)勢(shì)，之前高能量密度帶來(lái)的政策補(bǔ)貼優(yōu)勢(shì)有所削弱。在此背景下，國(guó)內(nèi)車(chē)企重新考慮成本收益，在保證高能量密度（即保證續(xù)航里程）和性?xún)r(jià)比之間進(jìn)行權(quán)衡，結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際成本收益理性選取電池配置。

三元高鎳化/高電壓化推動(dòng)瓦時(shí)成本下降。從成本端來(lái)看，高鎳三元正極材料往超高鎳化發(fā)展，鈷金屬的使用減少，而高電壓三元正極材料依托更高的電壓平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在同樣中鎳材料成本體系下能量密度的提升，兩者在進(jìn)一步提升電池能量密度的同時(shí)，也帶來(lái)了三元鋰電池瓦時(shí)成本的有效降低。

2.4技術(shù)迭代工藝難度增加，細(xì)分市場(chǎng)集中度更高

從目前的技術(shù)水平和產(chǎn)品應(yīng)用情況來(lái)看，高鎳化、高電壓化、單晶化驅(qū)動(dòng)三元正極材料行業(yè)技術(shù)迭代，也向三元正極材料企業(yè)提出了更高的工藝難度：

高鎳化方向上來(lái)看，鎳含量越高，同等電壓條件下比容量越高，但鎳離子與鋰離子半徑接近，其結(jié)構(gòu)發(fā)生陽(yáng)離子混排可能性也越高，容易導(dǎo)致材料的比容量降低，倍率性能減弱，材料表面穩(wěn)定性的降低也更易引發(fā)安全問(wèn)題。同時(shí)，8 系以上的高鎳三元正極材料的工藝流程對(duì)于窯爐設(shè)備、匣缽、反應(yīng)氣氛等均有特殊的要求，往往涉及二次燒結(jié)甚至更多次數(shù)的燒結(jié),在保障產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性和一致性上實(shí)現(xiàn)難度更大。目前，行業(yè)主要通過(guò)摻雜、表面包覆等技術(shù)方法對(duì)材料進(jìn)行改性，以使得高鎳三元材料在熱穩(wěn)定性得到增強(qiáng)的同時(shí)減少應(yīng)用過(guò)程中所發(fā)生的副反應(yīng)。

單晶化方向上來(lái)看，大單晶三元正極材料的生產(chǎn)與合成需要克服大單晶對(duì)容量及功率性能的負(fù)面影響，同時(shí)需解決直流內(nèi)阻大的問(wèn)題。目前，行業(yè)主要通過(guò)摻雜和表面改性技術(shù)，以降低產(chǎn)品游離鋰、改善材料調(diào)漿穩(wěn)定性，降低直流內(nèi)阻，提高單晶三元材料在高溫、高鎳和高電壓環(huán)境下的循環(huán)穩(wěn)定性。

高電壓方向上來(lái)看，高電壓三元正極材料雖然能有效提升材料能量密度，但在 4.4V 及以上電壓的應(yīng)用場(chǎng)景下，面臨著晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、相變、界面副反應(yīng)、釋氧等一系列挑戰(zhàn)，使得材料開(kāi)發(fā)具備極高的技術(shù)壁壘。目前行業(yè)主要通過(guò)摻雜、包覆以及使用單晶形貌材料，提高三元材料高電壓下的容量，解決材料的高溫循環(huán)、脹氣、容量恢復(fù)等方面的問(wèn)題。

審核編輯 ：李倩