高鎳三元路線成未來發(fā)展趨勢

 

電池企業(yè)作為新能源動(dòng)力發(fā)展的中間關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中起到承上啟下的作用。電池企業(yè)目前的情況是“上壓下榨”，原材料端價(jià)格持續(xù)上漲，車企條件苛刻且不斷壓價(jià)，此外，還需承擔(dān)售后、回收、梯次利用等問題。如果夾縫中生存的電池產(chǎn)業(yè)想要突出重圍，持續(xù)健康長久發(fā)展，目前最關(guān)鍵的突破口就是迫切需要改進(jìn)鋰電池技術(shù)，在降低成本的基礎(chǔ)上同時(shí)提升能量密度，這一迫切需求助推了三元材料向低鈷高鎳化路線方向發(fā)展。

 

目前，國內(nèi)主要用的三元電池為NCM，根據(jù)鎳鈷錳三種材料的化學(xué)組成配比，NCM材料可分為NCM111、NCM333、NCM523、NCM622和NCM811等，此外，根據(jù)組成配比數(shù)值大小，又可以將NCM進(jìn)一步分為低鎳的NCM111、NCM333、NCM523以及高鎳的NCM622、NCM811等材料。NCA中主要為鎳、鈷兩種元素，鋁元素含量較少，實(shí)際上是一種二元材料，但也可以將NCA視為高鎳三元材料的一種。

 

表1：三元材料中引入鈷、鎳、錳、鋰元素的作用

 

 

鎳有提高材料能量密度的作用，鎳含量越高，能量密度比也就越大，而且鈷具有一定的毒性，價(jià)格相對(duì)較高，鎳含量的上升會(huì)相應(yīng)減少鈷的使用量，因此增加鎳的比例是件兩全其美的事情，但最高比例也是有限度的。當(dāng)前國內(nèi)動(dòng)力電池市場上主要以三元NCM523體系為主，隨著能量密度比要求的提升以及消費(fèi)者對(duì)續(xù)航里程的延長，三元電池技術(shù)會(huì)向高鎳的622、811甚至是NCA方向發(fā)展。究其原因主要是因?yàn)樵谌牧现校嚭外捠侵饕碾娀钚栽?，而錳和鋁只是起維持材料在充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，鋰離子在低鎳三元材料中遷移活性較低，此外，與鈷相比鎳的電壓更高，容量更大，因此為了不斷提高正極材料的比容量，必然是向著鎳含量越來越高的高鎳化方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)鈷和錳的需求相應(yīng)的會(huì)有所降低。

 

截止到目前為止，特斯拉選擇應(yīng)用的三元NCA電池中鎳含量達(dá)到了80%，雖然三元NCM622已突破技術(shù)難關(guān)，但可與NCA相比的NCM811產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還仍需時(shí)日，目前比克公司研發(fā)的18650型圓柱電池已經(jīng)用上了寧波金和生產(chǎn)的NCM811材料，但是用量還不大，可見近期，高端容量型鋰電池市場還將主打NCA路線。但是NCM811技術(shù)突破將會(huì)是中國新能源產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的又一次重大發(fā)展機(jī)遇，為了實(shí)現(xiàn)中國新能源汽車“彎道超車”的夢想，實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)上下游的共同轉(zhuǎn)型升級(jí)，高鎳NCM811研發(fā)技術(shù)的開發(fā)具有重大的戰(zhàn)略意義。

 

真鋰研究張盼盼認(rèn)為，未來一兩年內(nèi)鈷資源供應(yīng)緊張的局面有望延續(xù)，鈷價(jià)或?qū)⒗^續(xù)上揚(yáng)，這導(dǎo)致正極材料廠商和電池廠商紛紛開始布局低鈷高鎳路線，在降低電池材料成本的基礎(chǔ)上同時(shí)還可以大幅提升能量密度，這是電池廠家夾縫生存的突破口。近期三元電池隊(duì)伍在快速膨脹，廠商數(shù)量眾多，但是目前集中度還不高，三元電池前3強(qiáng)（CATL、孚能科技、比亞迪）市場份額合計(jì)56%。預(yù)計(jì)未來兩年高鎳NCM811和NCA會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。

 

大型號(hào)21700電池成重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象

 

七月底，特斯拉發(fā)布旗下第四款車型Model3，新車根據(jù)續(xù)航里程有354公里和499公里兩款，以后可能會(huì)有高性能版本。其中售價(jià)最低3.5萬美元，使Model3成為特斯拉至今為止價(jià)格最親民的車型。值得注意的是，能讓特斯拉推出如此平民級(jí)電動(dòng)車的關(guān)鍵，在于其使用了加粗加長的升級(jí)版電池—21700電池。與18650型電池相比，21700型電池能量密度更高，但成組后成本更低。

 

表2：21700型電池和18650型電池參數(shù)對(duì)比

 

 

 

國內(nèi)部分18650電池企業(yè)表示了對(duì)特斯拉21700路線的認(rèn)可，并且也在進(jìn)行相關(guān)布局。比克、福斯特、猛獅、天鵬等圓柱電池企業(yè)都宣稱將在未來產(chǎn)能擴(kuò)充中投產(chǎn)21700電池。事實(shí)上，選擇21700，不是因?yàn)樗慕^對(duì)性能優(yōu)于其它型號(hào)，而是其物理性與經(jīng)濟(jì)性綜合均衡的結(jié)果。馬斯克曾在社交媒體表示：18650電池的出現(xiàn)完全是一場歷史事故，它是早期產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在只有21700電池才能滿足電動(dòng)汽車對(duì)電池性能的要求。因此，特斯拉推出21700電池并非是想引領(lǐng)技術(shù)方向，實(shí)際是迫于成本壓力。

 

真鋰研究張盼盼認(rèn)為，我國補(bǔ)貼政策刺激了企業(yè)提升電池能量密度的動(dòng)力，但是就我國正極材料研發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀來看，通過改進(jìn)產(chǎn)品型號(hào)來提升能量密度遠(yuǎn)比通過改進(jìn)材料性能更加快速。如果企業(yè)自身通過研發(fā)對(duì)材料性能改進(jìn)的實(shí)力不強(qiáng)，能量密度的提升最直接的方式就是通過物理方式可以做大型號(hào)提升能量密度。通過增大體積來提高能量密度的21700電池將會(huì)成為企業(yè)重點(diǎn)考慮的對(duì)象。工信部制定的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》征求意見稿中，目前推薦的圓柱電池型號(hào)只有18650和32650兩種，如果國家制定的電池尺寸標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確支持，那21700電池的發(fā)展前景將沒有看上去那么美好。但新能源快速發(fā)展的浪潮與續(xù)航里程的迫切要求極有可能會(huì)持續(xù)助推動(dòng)力鋰電池型號(hào)的變革。這可能是一場賭博，也可能是一場盛宴。

 

三元材料高鎳化進(jìn)程加快對(duì)鈷、鎳資源需求預(yù)算

 

日前，招商證券發(fā)布了《新能源汽車將迎全球放量，上游供需持續(xù)吃緊》的分析報(bào)告。報(bào)告中招商證券提出，三元電池短時(shí)間內(nèi)地位不可動(dòng)搖，811技術(shù)市場化仍需時(shí)日，未來將成為動(dòng)力電池的主流。

 

隨著三元電池技術(shù)和市場的不斷開拓，鋰、鈷等資源陷入緊缺的局面。近期，碳酸鋰價(jià)格連續(xù)拉漲，有錢也買不到貨的情況日趨嚴(yán)重。此外，三元前驅(qū)體廠家因上游原料環(huán)保減產(chǎn)的影響，市場供應(yīng)量相應(yīng)減少。金屬鋰和鈷資源持續(xù)吃緊，原材料價(jià)格上漲，雙重壓力作用下，倒逼鋰電池將向高鎳化NCM811技術(shù)邁進(jìn)，以降低材料端對(duì)鋰、鈷、錳等資源的需求。

 

從材料微觀結(jié)構(gòu)估算三元NCM333、523、622、811以及NCA對(duì)鎳、鈷資源的需求：

 

硫酸鎳材料為六水合物（NiSO4˙6H2O），相對(duì)分子質(zhì)量為262.69，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.34%；硫酸鈷材料為七水合物（CoSO4˙7H2O），相對(duì)分子質(zhì)量為280.93，其中鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.98%。

 

三元NCM材料和NCA材料中，鎳、鈷、錳、鋁4種元素的主要價(jià)態(tài)分別為+2價(jià)、+3價(jià)、+4價(jià)、+3價(jià)。因此根據(jù)分子電中性原理，各三元材料化學(xué)式表示如下：

 

（1）NCM333的化學(xué)式為Li(Ni0.3Co0.3Mn0.3)1.11O2，相對(duì)分子質(zhì)量為96.34，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.29%，鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.36%。據(jù)此推斷，生產(chǎn)1噸三元NCM333正極材料需要0.20噸鎳金屬、0.20噸鈷金屬；需要0.91噸硫酸鎳、0.97噸硫酸鈷。

 

（2）NCM523的化學(xué)式為Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1.07O2，相對(duì)分子質(zhì)量為100.53，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.24%，鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.54%。據(jù)此推斷，生產(chǎn)1噸三元NCM523正極材料需要0.31噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.40噸硫酸鎳、0.60噸硫酸鈷。

 

（3）NCM622的化學(xué)式為Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1.15O2，相對(duì)分子質(zhì)量為105.58，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.36%，鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.83%。據(jù)此推斷，生產(chǎn)1噸三元NCM622正極材料需要0.38噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.72噸硫酸鎳、0.61噸硫酸鈷。

 

（4）NCM811的化學(xué)式為Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1.30O2，相對(duì)分子質(zhì)量為114.74，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.21%，鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.67%。據(jù)此推斷，生產(chǎn)1噸三元NCM811正極材料需要0.53噸鎳金屬、0.07噸鈷金屬；需要2.38噸硫酸鎳、0.32噸硫酸鈷。

 

（5）NCA的化學(xué)式為Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)1.36O2，相對(duì)分子質(zhì)量為116.62，其中鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.76%，鈷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.30%。據(jù)此推斷，生產(chǎn)1噸三元NCA正極材料需要0.55噸鎳金屬、0.10噸鈷金屬；需要2.45噸硫酸鎳、0.49噸硫酸鈷。