高鎳三元路線成未來發展趨勢

 

電池企業作為新能源動力發展的中間關鍵環節，在產業發展過程中起到承上啟下的作用。電池企業目前的情況是“上壓下榨”，原材料端價格持續上漲，車企條件苛刻且不斷壓價，此外，還需承擔售后、回收、梯次利用等問題。如果夾縫中生存的電池產業想要突出重圍，持續健康長久發展，目前最關鍵的突破口就是迫切需要改進鋰電池技術，在降低成本的基礎上同時提升能量密度，這一迫切需求助推了三元材料向低鈷高鎳化路線方向發展。

 

目前，國內主要用的三元電池為NCM，根據鎳鈷錳三種材料的化學組成配比，NCM材料可分為NCM111、NCM333、NCM523、NCM622和NCM811等，此外，根據組成配比數值大小，又可以將NCM進一步分為低鎳的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，價格相對較高，鎳含量的上升會相應減少鈷的使用量，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。當前國內動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者對續航里程的延長，三元電池技術會向高鎳的622、811甚至是NCA方向發展。究其原因主要是因為在三元材料中，鎳和鈷是主要的電活性原子，而錳和鋁只是起維持材料在充放電過程中結構穩定的作用，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展，同時對鈷和錳的需求相應的會有所降低。

 

截止到目前為止，特斯拉選擇應用的三元NCA電池中鎳含量達到了80%，雖然三元NCM622已突破技術難關，但可與NCA相比的NCM811產業化應用還仍需時日，目前比克公司研發的18650型圓柱電池已經用上了寧波金和生產的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技術突破將會是中國新能源產業和電動汽車產業的又一次重大發展機遇，為了實現中國新能源汽車“彎道超車”的夢想，實現相關產業上下游的共同轉型升級，高鎳NCM811研發技術的開發具有重大的戰略意義。

 

真鋰研究張盼盼認為，未來一兩年內鈷資源供應緊張的局面有望延續，鈷價或將繼續上揚，這導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上同時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。近期三元電池隊伍在快速膨脹，廠商數量眾多，但是目前集中度還不高，三元電池前3強（CATL、孚能科技、比亞迪）市場份額合計56%。預計未來兩年高鎳NCM811和NCA會呈現爆發式增長。

 

大型號21700電池成重點關注對象

 

七月底，特斯拉發布旗下第四款車型Model3，新車根據續航里程有354公里和499公里兩款，以后可能會有高性能版本。其中售價最低3.5萬美元，使Model3成為特斯拉至今為止價格最親民的車型。值得注意的是，能讓特斯拉推出如此平民級電動車的關鍵，在于其使用了加粗加長的升級版電池—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型電池參數對比

 

 

 

國內部分18650電池企業表示了對特斯拉21700路線的認可，并且也在進行相關布局。比克、福斯特、猛獅、天鵬等圓柱電池企業都宣稱將在未來產能擴充中投產21700電池。事實上，選擇21700，不是因為它的絕對性能優于其它型號，而是其物理性與經濟性綜合均衡的結果。馬斯克曾在社交媒體表示：18650電池的出現完全是一場歷史事故，它是早期產品的標準，現在只有21700電池才能滿足電動汽車對電池性能的要求。因此，特斯拉推出21700電池并非是想引領技術方向，實際是迫于成本壓力。

 

真鋰研究張盼盼認為，我國補貼政策刺激了企業提升電池能量密度的動力，但是就我國正極材料研發技術現狀來看，通過改進產品型號來提升能量密度遠比通過改進材料性能更加快速。如果企業自身通過研發對材料性能改進的實力不強，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電池將會成為企業重點考慮的對象。工信部制定的《電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸》征求意見稿中，目前推薦的圓柱電池型號只有18650和32650兩種，如果國家制定的電池尺寸標準中沒有明確支持，那21700電池的發展前景將沒有看上去那么美好。但新能源快速發展的浪潮與續航里程的迫切要求極有可能會持續助推動力鋰電池型號的變革。這可能是一場賭博，也可能是一場盛宴。

 

三元材料高鎳化進程加快對鈷、鎳資源需求預算

 

日前，招商證券發布了《新能源汽車將迎全球放量，上游供需持續吃緊》的分析報告。報告中招商證券提出，三元電池短時間內地位不可動搖，811技術市場化仍需時日，未來將成為動力電池的主流。

 

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

 

從材料微觀結構估算三元NCM333、523、622、811以及NCA對鎳、鈷資源的需求：

 

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

 

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

 

（1）NCM333的化學式為Li(Ni0.3Co0.3Mn0.3)1.11O2，相對分子質量為96.34，其中鎳元素質量分數為20.29%，鈷元素質量分數為20.36%。據此推斷，生產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的化學式為Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1.07O2，相對分子質量為100.53，其中鎳元素質量分數為31.24%，鈷元素質量分數為12.54%。據此推斷，生產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的化學式為Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1.15O2，相對分子質量為105.58，其中鎳元素質量分數為38.36%，鈷元素質量分數為12.83%。據此推斷，生產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的化學式為Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1.30O2，相對分子質量為114.74，其中鎳元素質量分數為53.21%，鈷元素質量分數為6.67%。據此推斷，生產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的化學式為Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)1.36O2，相對分子質量為116.62，其中鎳元素質量分數為54.76%，鈷元素質量分數為10.30%。據此推斷，生產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。