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新能源汽车对中高端电池材料的需求

2022-08-24

新能源汽车进入新的转折点,电动汽车的渗透性持续增强。根据中国汽联的统计,2022-6月份的新能源汽车生产总量为2661000台,销售260万台,同比增幅为1.2倍,市场占有率达到21.6%。随着市场的发展,锂电池的原材料价格不断上涨,供应紧张,对汽车的耐用性也越来越高。所以,提高能量密度,提高安全性能,降低成本,是实现“破局”的重要途径。三元电池是目前中高端电池材料的主要产品,其市场需求潜力很大。为了达到更高的市场要求,必须在材料技术和工艺上进行创新。电动化加速渗透,三元材料长年看好。在新的行业循环中,新能源汽车的销售增长迅速,到2022年1-6月份,新能源汽车的销售总量已经超过了预计。

由于电动汽车的迅速发展,动力电池的装机量也随之增长。GGII的数据表明,到2022年1-6月份,中国的动力电池装机总量为100.24 GWh,同比增长116%,而今年上半年,除了4-5月份受疫情管控影响外,其余月份同比增速均在一倍以上。三元电池因其高能量密度而受到市场的青睐,在2022年1-6月份,我国三元动力电池装机总量为44.93 GWh,较上年同期增加55%,占到了45%。

纵观全球,欧洲地区的三元动力电池装机主要集中在三元,根据统计,欧洲明年1-11月的三元三元电池装机量达到138.2 GWh,占欧洲电力系统总装机量的95.4%。随着国内和国际三元电池的市场需求的持续上升,三元正极的发货量也随之增加。以一千五百到一千五百吨三元材料为例,光是在2022年上半年,四亿九千九百九十万吨的三元材料,就能为三元材料提供六七千到八千吨。技术创新,“两高一单”,降低成本,提高效益。在新的行业周期中,电池的能量密度和安全性越来越高,而锂电池的成本也在不断上涨。

中高端电池材料--三元正极材料的发展方向是:高镍化、高压化、单晶化。三元正电极的性能得到了进一步的提高。

1、高镍化:8系三元合金快速成长,超镍成为未来发展趋势

随着能源密度的不断提高,汽车的高镍化发展也日趋明显。目前已经上市的型号有 Model 3/Y,标致e-208,现代 Kona,大众 ID系列,宝马IX3/X1,奔驰 EQ系列,蔚来ES6,小鹏P7,哪咤 U,爱驰U5,广汽 AionV, AION LX PLUS,吉利几何 A等已经在市场上销售的汽车,都是高镍的。在这种情况下,三元高镍原料的发货量迅速增加。

GGII的统计数字表明,全球高镍三元的发货量在2021年达到30.9万吨,较上年同期增加120.71%,在三元正极材料中占据了41.76%;中国三元材料(8系及以上)的发货量为170,000吨,较上年同期增加181%。

高镍三元电池是目前国内和国际上主要的高档车的首选,它的应用也在不断加快。根据高工锂电的不完全数据,宝马i3,奔驰 EQS,奥迪Q4e-tron,凯迪拉克 LYRIQ,雪佛兰 Bolt EUV,广汽丰田2022款iA5,大众2022IXCROZZ, Lucid Air, HIXX,智己L7等国内外中高端车型,将在2022年集中投放市场。未来十年,随着高镍电池的成本不断降低,以及固态电池的产业化进程加快,高镍正极材料的市场份额将会持续快速增长,到2030年,其产能将超过五百万吨。容百科技,厦钨新能,长远锂科,这些公司都在加速开发高镍三元材料,并取得了突破性进展。

以容百科技为例,2016年已完成首代NCM811的研发与中试,2017年开始批量生产,并取得了较快的出货量。容百公司还积极开发新一代超高镍电池,以进一步降低生产成本,提高电池的能量密度。目前,公司正在研制二代Ni90系统,并已投入批量生产,并与客户合作研发第3代Ni96系统,并有望于年内实现小批量生产。另外,中、日、韩三家领先的电池厂商,也将目光投向了镍含量超过90%,甚至是完全没有钴的高镍、高镍、固态电池,以及更清晰的生产时间表。因此,超高镍三元正极是今后的发展趋势。

2、高压:综合性能优异,加速应用

高压线路采用中镍三元结构,通过增加电压平台,使正极材料在高压下脱除大量锂离子,从而获得较高的比容、平均放电电压,从而提高了电池的能量密度。就目前使用的主要产品而言,具有735.15 Wh/kg的高压Ni6系列典型产品(Ni65)的能量密度已经接近于739.32 Wh/kg的Ni8系列典型产品。

目前,高压化用中镍三元材料作为基础工艺,其原材料、生产工艺和加工成本都比高镍化三元高;同时,高压电池中的镍元素含量也比较低,制造工艺也没有高镍合金那么复杂,所以高压电池在提高电池的能量密度的同时,也可以提高电池的安全性。

由于其优异的综合性能,高压三元材料的市场逐渐被打开,各大正极厂商和电池企业纷纷进入该领域,加快了其应用。比如,厦钨新能公司研发出了新型的4.4 V高压6系三元电池,并在电池续航能力1000公里以上的情况下得到了应用;长期锂科的4.3 V、4.35 V三元正极材料已经在电力系统中大量使用,4.4 V三元正极材料也在数字电池中得到了广泛的应用。

至于电池制造商,中创航将于2020年首次在世界范围内使用高压三元电池技术批量生产590模块,并在广汽埃安公司的Aion-LX上进行了装配;而今年,它将会在 Smart 1号平台上发布,它的电池功率密度将超过250 Wh/kg,并支持150 W的超级快充、100 W的快充和7.2 kW的慢充,并且可以在80%的电量下,支持10年的续航里程。

但是,在高压三元正极材料中,仍然存在着一些问题。在高压条件下,由于锂离子的大量析出,三元正极材料会发生结构稳定性差、离子混排、不可逆的相变等一系列问题,导致了电池寿命短、热稳定性差、电解液损耗等宏观缺陷。采用金属离子掺杂、人工包覆层、配合高压电解溶液、外加添加剂等方法,可以有效地抑制以上问题。

3、单晶:双线并进,市场需求迅速增加

与传统的二次粒子团聚相比,单晶体材料具有更高的负载电压、更长的循环寿命和更高的安全性。它的发展方向有两条。

一是,单晶中、低镍线.大型单晶产品的负载电压较高,国内一些中低镍单晶材料在高压下可以达到多晶高镍的能量密度,Ni55、NCM613等产品的价格比Ni55、NCM613等价格低廉,既能达到能量密度,又有较高的价格比。

二是,单晶高镍矿。在高镍的环境中,三元材料的稳定性较差,其单晶化学特性较稳定,循环性能较好,因此,适当的掺杂可以提高其安全性。随着电力行业的不断涌入,三元单晶材料的市场需求迅速增加。根据统计,到2022年第一季度,我国的单晶产能将达到49,000吨,占到38.5%。具体而言,中镍5系、中镍6系在2022年Q1的三元材料中,单晶系的比例都在50%以上;到2022Q1,高镍8系单晶三元材料的比例已经上升到13.5%。

中高端电池材料---三元正极材料的发展趋势是:高镍化、高压化、单晶化,在提高能量密度、提高安全性能、降低成本的同时,也加大了制造工艺的难度。在这种情况下,三元材料产业将会加速重组,产业结构将会发生变化,拥有相应技术储备的企业将会脱颖而出,其他企业则会被市场所淘汰,行业的竞争将会逐渐趋于集中。


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