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　　2.1、正极材料是电池性能关键，低成本与高比容量是方向

 

　　正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，是电池材料中规模最大、产值最高的环节，占比电池完全成本约24%、占比材料成本约40-44%，正极材料对于下游动力电池与新能源车的成本影响巨大。

 

　　正极材料的关键指标包括比容量、循环性能（寿命）、成本、安全性等。正极材料作为电池的核心部件，对电池的能量密度和循环寿命等指标有重要影响，其容量大小直接影响锂电池能量密度，循环性能直接影响电池的使用寿命。理想的锂电池正极材料需要有较大的比容量、循环寿命长、出色的低温和倍率特性、较高的安全性和环境友好度以及较低的成本等特性。

 

　　低温磷酸铁锂电池3.2V 20A

 

　　低温磷酸铁锂电池3.2V 20A

 

　　-20℃充电，-40℃3C放电容量≥70%

 

　　充电温度：-20~45℃

 

　　-放电温度：-40~+55℃

 

　　-40℃支持最大放电倍率：3C

 

　　-40℃3C放电容量保持率≥70%

 

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　　纵观正极材料的发展历史，低成本与高容量始终是突破的主要方向。

 

　　（1）早期钴酸锂阶段：最早的商业化正极材料，适用于消费电子，成本较高。最早的正极材料为日韩企业开发的大容量钴酸锂，其理论容量达到274mAh·g-1，同时压实密度在产业化的正极材料中最高，制备的电池拥有较高的体积能量密度，因此在电池体积能量密度要求苛刻的消费电池市场具有较为成熟的应用。但其存在成本过高、高电压下材料结构稳定性较差、实际比容量与理论比容量差距较大（实际容量仅约140mAh·g-1）等问题，无法满足动力电池的要求。

 

　　（2）锰酸锂和磷酸铁锂阶段：降低成本，采用比容量稍低的材料。为了降低正极材料的成本，锰酸锂和磷酸铁锂正极迎来发展。虽然在理论比容量上，锰酸锂和磷酸铁锂均低于钴酸锂，但一方面其制备的电池能量密度能基本满足下游要求，另一方面，两者原材料来源丰富、成本低廉、安全性出色，对续航要求低、成本敏感的下游应用较为友好。其中锰酸锂循环寿命较短，主要用于电动工具、混动电动车和电动自行车等领域；而磷酸铁锂综合性能优于锰酸锂，因此在新能源商用车动力电池和储能电池领域占据主导地位。

 

　　（3）三元材料阶段：容量提高，成本抬升。为了降低钴酸锂的成本，用镍代替钴的“镍酸锂”正极凭借更低的成本、更高的比容量开始得到应用，但其存在制备困难、材料结构不稳定、电池循环性能差等较难解决的问题，于是钴和锰掺杂的NCM三元材料得到应用。另一方面，随着消费者对于新能源车续航里程的要求日益提升，理论比容量更高的三元材料渗透率快速提升。与钴酸锂相比，由于钴元素用量较少，三元材料成本较低；而与锰酸锂、磷酸铁锂相比，其具有更高的比容量，逐渐成为新能源乘用车主流选择，但其具有成本较高的劣势。

 

　　2.2、三元材料与磷酸铁锂是主流，两者各有优势将长期共存

 

　　低温高能量密度18650 3350mAh

 

　　低温高能量密度18650 3350mAh

 

　　-40℃0.5C放电容量≥60%

 

　　充电温度：0~45℃

 

　　放电温度：-40~+55℃

 

　　比能量：240Wh/kg

 

　　-40℃放电容量保持率：0.5C放电容量≥60%

 

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　　目前动力电池主流正极材料为磷酸铁锂和三元材料。随着下游新能源车渗透率的提升，过去几年正极材料的出货量保持快速增长。2020年国内正极材料的出货量达到51万吨，同比增长26.2%，近5年的复合增长率达到35.2%。由于成本与比容量兼顾，磷酸铁锂和三元材料是目前主流正极材料。

 

　　三元材料凭高比容量占据主流，磷酸铁锂依托成本优势出货量回升。由于前期政策补贴倾向长续航里程的新能源车，比容量更有优势的三元材料出货量从2015年的3.65万吨（占比32%）跃升至2020年的23.6万吨（占比46%）。但随着新能源车补贴退坡、电池企业降本压力增大，以及储能等领域的需求快速上升，2019-2020年低成本的磷酸铁锂出货量占比在下跌三年后迎来持续回升，2020年出货量达12.4万吨（同比+40.9%），占比提升3pcts到25%。

 

　　2020年正极材料均价处下滑态势，需求向好带动当前价格回升。由于正极材料生产成本下降，同时补贴退坡导致的新能源车全产业链面临降本压力向上游传导；另一方面，正极材料集中度较低，与下游议价能力相对较弱，2020年全年正极材料均价呈现下滑态势。2020年Q4以来，受终端新能源车旺盛的需求驱动，正极材料供需趋紧，价格从底部回升。

 

　　2.2.1磷酸铁锂：成本低廉、循环寿命长、安全性较高

 

　　磷酸铁锂具有成本低廉、安全性高、循环寿命可以达到与车辆运行生命周期相当等诸多优势，一度被认为是理想的电动车正极材料，但其能量密度的上限较低，导致其应用受到一定程度的限制。

 

　　磷酸铁锂制备工艺主要采用高温固相法合成。从制备工艺来看，磷酸铁锂的制备有高温固相反应法、碳热还原法、喷雾热解法、水热法等，其中高温固相反应法是目前发展最为成熟也是使用最广泛的方法。通过将磷酸铁、锂源和包覆剂混合研磨并在氮气中烧制后，经后处理得到产物磷酸铁锂。高温固相法合成工艺简单，制备条件易控制，但存在晶体尺寸较大、粒径不易控制、分布不均匀、形貌不规则等缺点，导致产品倍率特性较差。

 

　　磷酸铁锂的原材料成本大幅低于三元材料。正极材料的产品定价模式较为成熟，一般采用“原材料成本＋其他制造成本＋正极材料企业毛利”的定价模式，其中原材料的成本占比约90%，因此原材料成本很大程度决定了正极材料的成本。

 

　　对比来看，磷酸铁锂的原材料主要由锂源（碳酸锂）、铁源（亚铁盐）和磷源（磷酸盐）构成，主要原材料价格均较低。常规三元材料（如NCM111，NCM523和NCM622）的锂源也是碳酸锂，而高镍三元材料（NCM811）的锂源则是一水合氢氧化锂；三元材料的其他原材料主要包括镍盐、钴盐和锰盐,其中硫酸镍和硫酸锰价格较低且波动稳定，但硫酸钴的价格较高且波动大，对三元材料成本影响较大，直接导致使用三元材料成本大幅高于磷酸铁锂。

 

　　自燃温度较高，燃烧速度缓慢，磷酸铁锂安全性能领先。一般而言，磷酸铁锂自燃温度高达800℃，除极端情况外，发生自燃概率相对较低。此外，磷酸铁锂高温分解不会释放氧气，因此即使发生自燃，燃烧速度也较缓慢。而三元电池的自燃温度为200℃，且分解时会释放氧气，与电池里可燃的电解液、碳材料一同被点燃，加剧材料燃烧，甚至引发爆炸。对比来看，磷酸铁锂电池的自燃像是“煤”的燃烧，三元电池的自燃像是“火药”的爆炸，磷酸铁锂安全性能更高。

 

　　磷酸铁锂材料稳定，理论循环寿命较长。由于磷酸铁锂晶体中的P-O键稳定性好，锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大，故而具有良好的可逆性，理论循环寿命较长。另一方面，国内的磷酸铁锂厂商已拥有成熟的制造工艺，可最大限度地发挥其优势，实现电池在实际使用中也具有较长的循环寿命。

 

　　2.2.2三元材料：高理论比容量带来相关电池能量密度优势明显

 

　　三元正极材料分为NCM（镍钴锰）和NCA（镍钴铝）两个体系，其中国内三元材料以NCM为主，日韩以NCA为主。NCM材料中，根据镍钴锰三种金属含量的比例不同，主要分为NCM333、NCM523、NCM622和NCM811，其中NCM811与NCA属于高镍三元材料。理论上，材料中镍的含量越高，材料比容量越大，相同条件下，对应电池的能量密度也越高。

 

　　从制备工艺来看，三元前驱体的制备技术壁垒相对较高。三元正极材料的生产主要包括前驱体制备、烧结、包装等工序，其中前驱体的性能直接决定了烧结后三元材料的理化指标。目前三元前驱体的制备主要采用氢氧化物共沉淀法，通过将硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰、氢氧化钠、氨水等原料按一定比例置于反应釜中，使盐、碱发生中和反应生成三元前驱体晶核并长大。由于在反应过程中需控制盐、碱、氨水的浓度、原料加入速率、反应温度、PH、搅拌速率、反应时间、浆料固含量等多个指标，因此前驱体制备是三元材料制备过程中壁垒较高的环节。

 

　　三元材料理论比容量较大，对应电池体系能量密度更高。一般而言，三元材料NCM的理论比容量在278mAh·g-1左右，实际比容量根据Ni含量不同在150-220mAh·g-1之间，且受限技术成熟度的限制，国内三元材料出货仍以NCM523为主，因此其理论性能极限远未到达。磷酸铁锂理论比容量为170mAh·g-1，实际比容量在140-160mAh·g-1，对应电池的能量密度在130-150Wh·kg-1，提升空间相对有限。

 

　　2.2.3三元与磷酸铁锂将并存，长期来看三元能量密度潜力更大

 

　　优势各显，国内磷酸铁锂和三元材料将并存发展。当前动力电池正极材料的应用来看，在商用车和专用车动力电池领域，磷酸铁锂凭借成本优势与安全性牢牢占据主流；三元材料电池的能量密度更高，对应电动车的续航里程更长，但其成本高于磷酸铁锂，安全性与电池寿命也逊色于磷酸铁锂，因此在对续航要求较高、价格敏感度相对较低的乘用车领域占比较高。

 

　　由于目前国内三元材料的主要出货产品为NCM523，能量密度优势相对磷酸铁锂较小；且部分电池厂商通过改进电池设计方案等方式提升磷酸铁锂电池实际能量密度，如比亚迪的刀片电池技术、宁德时代的CTP技术、国轩高科的JTM技术等，有效缩小了磷酸铁锂电池三元电池在能量密度上的差距。我们认为，在动力电池领域，在当前下游补贴退坡成本敏感度提升、高镍三元技术尚未完全成熟的情况下，磷酸铁锂将与三元材料并存发展。

 

　　长期看，三元材料理论性能更优，高镍无钴化趋势下，未来发展空间更大。由于磷酸铁锂的理论比容量上限较低，目前实际比容量已经接近理论上限，未来提升有限。而近年来三元材料高镍无钴化技术不断优化，高镍化通过增加镍元素含量提升材料的比容量，以提升电池能量密度（如宁德时代的第二代NCM811电池能量密度已到达304Wh·kg-1）；无钴化通过降低钴含量，有效降低材料成本。随着三元材料高镍无钴化，电池能量密度及生产成本将持续优化，我们认为长期来看三元材料在动力电池领域发展空间更大。

 

　　2.3、正极材料当下格局分散，领先企业有望脱颖而出

 

　　正极材料进入门槛较低导致行业竞争激烈、集中度分散。一方面，由于正极材料在锂电池中的成本占比较高，是四大电池材料中市场空间最大的品种；另一方面，低端正极材料的工艺成熟，进入门槛较低，因此国内正极材料行业竞争激烈，行业内企业较多，上游锂、钴企业和下游的电池企业等新进入者也在竞相布局，导致行业集中度较低。2018年整体正极市场的CR5为34%，CR10为57%。

 

　　磷酸铁锂行业格局好于三元材料。正极材料中，磷酸铁锂由于先前供给过剩价格下跌，行业经历洗牌，行业内企业数量较少，头部企业在技术、规模、成本和客户粘性上均更具优势。2019年磷酸铁锂行业出货量CR5已达到83%。相比于磷酸铁锂，三元材料行业的集中度较低，领先企业优势不明显，2019年的出货量CR5为44%，行业主要企业超过15家。

 

　　正极材料产品差异化，行业格局优化。一方面，由于正极材料对于锂电池性能的影响巨大，随着国内锂电池技术的发展，下游客户对正极材料的性能要求越来越高，高电压、高倍率等技术领先的产品需求持续增长。另一方面，随着高镍无钴化趋势以及领先企业的高电压、高倍率等产品逐步成熟，正极材料的行业竞争格局正在逐步分化，高低端产能的产能利用率差距拉大。

 

　　具体来看，领先企业产品产销更有保障，其依托技术优势绑定宁德时代、比亚迪、LG、松下等下游电池大客户，市占率也随着电池行业的马太效应而逐步提升。技术领先优势与大客户优势带动高端正极材料产能接近满产满销，而同质化竞争的低端产能则出现过剩情况，产能利用率相对较低，头部企业有望脱颖而出。