三元材料定義

三元材料是指由三種化學成分(元素)，組分(單質(zhì)及化合物)或部分(零件)組成的材料整體。在鋰電池的正極材料中其一般均指的是化學組成為LiNixXyCozO2的材料。其中X為Mn(錳)時就是NCM(俗稱鎳鈷錳酸鋰)，而X為Al(鋁)時指的就是NCA(俗稱鎳鈷鋁酸鋰)。

而所謂111、532、622和811等型號則均指的是NCM材料中x、y、z三個數(shù)字的比例，比如622中的x：y：z就等于6：2：2，其化學組成就是LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2。材料的微觀結構來看，NCA和NCM非常類似，但是由于其中真正走向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模制造的目前只有松下為首在使用的LiNi0.8Al0.05Co0.15O2，因而最后NCA就演變成了對它的特指。

NCM和NCA本質(zhì)上都是為了解決鈷酸鋰(LiCoO2)或鎳酸鋰(LiNiO2)層狀結構的穩(wěn)定性問題。

錳元素和鋁元素在其中均起到支撐結構的作用，其中錳的摻入可以引導鋰和鎳層間混合，因此改善材料的高溫性能;鋁的摻入則在一定程度上可以改善材料的晶格結構，減少塌陷，進而改善其循環(huán)穩(wěn)定性。

兩條技術路線本身并沒有什么高下之分，甚至NCM由于Mn的穩(wěn)定性更好還可能有著安全性上的優(yōu)勢，未來誰是三元材料的發(fā)展趨勢關鍵還是得看產(chǎn)業(yè)化應用后誰的Ni含量更高。

正極三元材料與鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰性能比較

三元材料產(chǎn)業(yè)鏈圖

以三元電池NCM為例：

產(chǎn)業(yè)鏈上游包括三元前驅(qū)體和相應的礦產(chǎn)資源(鋰礦、鈷礦、錳礦和鎳礦)，中游包括三元正極材料、電解液、負極材料、隔膜及其他，下游主要應用在3C電子、新能源汽車、儲能蓄電池。

三元材料(NCM)產(chǎn)業(yè)鏈圖

鋰電池的需求增速在不斷加快

從我國鋰電池應用領域看，動力、儲能以及3C等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展已成為驅(qū)動鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力，且動力和儲能領域?qū)︿囯姵氐男枨笤鏊僭诓粩嗉涌臁?br/>
1)3C領域仍是鋰離子電池的最主要下游消費終端，但增速開始逐漸趨緩，3C領域三元電池的使用量較少，主要是鈷酸鋰電池;

2)新能源汽車市場快速發(fā)展，動力型鋰電池成為正極材料市場主要支撐，增量明顯。三元電池作為未來動力電池的主流發(fā)展方向?qū)⒅苯邮芤嬗谛履茉雌囀袌龅母咚僭鲩L，也是未來三元材料需求的主要增長點;

3)儲能蓄勢待發(fā)，成長空間即將打開。預計2015-2018年儲能領域鋰電池正極材料的市場需求量年復合增速將超過40%。

三元材料技術路線

目前三元正極材料主要包括兩種技術路線;即以鎳鈷錳酸鋰為正極的NCM路線和以鎳鈷鋁酸鋰為正極的NCA路線。

(1)鎳鈷錳酸鋰(NCM)

NCM根據(jù)組分可以分為兩個基本系列：

低鈷的對稱型三元材料和高鎳的三元材料兩種類型。前者的Ni/Mn兩種金屬元素的摩爾比固定為1，以維持三元過渡金屬氧化物的價態(tài)平衡，代表性的產(chǎn)品是333和442三元材料。

這類材料由于Ni含量較低Mn含量較高晶體結構比較完整，因此具有向高壓發(fā)展的潛力;高鎳的三元材料由于采用氫氧化物共沉淀工藝使得Ni，Co和Mn三元素在前驅(qū)體里面實現(xiàn)了原子尺度的均勻分布，高鎳三元目前有代表性的組分有622、701515和811這幾種。811的物性和NCA非常相似，在全電池中的實際克容量發(fā)揮可以超過190mAh/g相當可觀。

雖然提高鎳含量可以提升容量，但負面作用也同樣非常明顯。隨著鎳含量的升高，Ni在Li層的混排效應也更加明顯，將直接惡化其循環(huán)性和倍率性能。而且提高鎳含量使得晶體機構穩(wěn)定性變差，表面殘堿含量也隨之升高，這些因素都會導致安全性問題比較突出，尤其是在高溫測試條件下電芯產(chǎn)氣非常嚴重。

高鎳的產(chǎn)業(yè)化技術難點，在于前驅(qū)體的生產(chǎn)和產(chǎn)物的燒結，以及表面處理工藝這些方面，其中三元材料技術含量60%體現(xiàn)在前驅(qū)體的制備工藝。前驅(qū)體制備必須嚴格控制氣氛以及絡合劑濃度，否則鎳含量將偏離化學計量比，導致前驅(qū)體碳含量偏高，而前驅(qū)體的品質(zhì)(形貌、粒徑、粒徑分布、比表面積、雜質(zhì)含量、振實密度等)直接決定了最后燒結產(chǎn)物的理化指標;燒結工藝主要體現(xiàn)在摻雜物的選擇、燒結程序溫度和氣氛的控制。

NCM生產(chǎn)工藝流程

(2)鎳鈷鋁酸鋰(NCA)

三元NCA材料，國外起步較早，國內(nèi)的起步較晚。根據(jù)GGII的統(tǒng)計，截至2016年末，國內(nèi)從事NCA生產(chǎn)的企業(yè)數(shù)量超過了15家，大多數(shù)處于建設發(fā)展初期，少量企業(yè)處于小批量生產(chǎn)送樣檢測的階段，與日韓存在明顯的差距。目前特斯拉電動汽車采用的為日本松下的NCA電池，帶動了全球的NCA生產(chǎn)的熱潮，目前國內(nèi)NCA生產(chǎn)量為幾百噸左右。

NCA材料的工業(yè)化生產(chǎn)技術難度在于首先需要掌握前驅(qū)體的共沉淀工藝，其次是需要有比較獨特的Al摻雜技術，并且燒結程序溫度和氣氛的控制也較高。除了材料方面的因素，電池生產(chǎn)工藝也需要與NCA材料匹配，NCA材料由于表面的堿性物質(zhì)含量很高，因而非常容易吸潮，所以要求勻漿涂布車間要非常嚴格地控制水分，防止在勻漿過程中漿料容易形成果凍狀，而導致無法涂布;此外，還需要在勻漿過程中采取一些特別的措施，比加入少量草酸來改善漿料凝結，松下公司還在NMP里面加入一種特殊的助溶劑，來改善打漿過程中的團聚。另外，與NCA對電解液的匹配性有較高要求，否則電芯脹氣將比較嚴重，高溫循環(huán)和存儲也很難過關。

三元材料未來發(fā)展趨勢

技術趨向高鎳化：三元材料中鎳元素含量的增加會增加材料容量，而綜合性能受到鎳鈷錳三種元素的比例影響較大，未來在對電池能量密度需求不斷提升的背景下，三元材料將向高鎳化方向發(fā)展。但是同時考慮到鎳含量增加會影響產(chǎn)品結構穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能，因此高鎳化趨勢更加考驗企業(yè)對產(chǎn)品的把控能力。

不同類型NCM材料的比容量

行業(yè)集中度提高，中低端競爭更加激烈

產(chǎn)能過剩將加速行業(yè)的洗牌，具體表現(xiàn)為：

1)磷酸鐵鋰電池能量密度要求提高，落后產(chǎn)能淘汰，具有規(guī)模、技術優(yōu)勢和資金實力的企業(yè)存活下來;

2)磷酸鐵鋰產(chǎn)能擴張放緩，部分企業(yè)逐步將一些磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能切換為三元電池產(chǎn)能(具有成熟三元電池技術的生產(chǎn)企業(yè)將產(chǎn)線從磷酸鐵鋰調(diào)試成三元大概需要3個月左右，但是對于之前沒有三元電池生產(chǎn)技術經(jīng)驗的企業(yè)來說產(chǎn)能切換可能需要2-3年，同時受電池規(guī)格和型號不同的影響，并不是所有產(chǎn)線都可以直接切換);

3)龍頭鋰電池企業(yè)持續(xù)投入三元電池產(chǎn)能的建設，同時技術路徑向高密度三元鋰電池發(fā)展，如NCM(622、811)和NCA。

供給側上游各環(huán)節(jié)及主要參與者

三元材料的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括三元前驅(qū)體和相應的礦產(chǎn)資源(鋰、鈷、鎳、錳礦以及廢料回收)。隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，帶動了鈷、鋰量價齊增。

(1)鋰礦及碳酸鋰

鋰礦資源基本處于壟斷格局。

全球主要鋰礦供應商

碳酸鋰是生產(chǎn)三元材料的主要原材料，碳酸鋰的材料成本占整個三元材料成本比重的50%以上，碳酸鋰的價格直接決定了三元材料的成本高低，全球碳酸鋰及其衍生產(chǎn)品供應量約70%來自鹽湖鹵水提鋰，約30%來自礦石提鋰。

雖然鋰資源并不稀缺，但具備經(jīng)濟可采價值的鋰資源高度集中于鹽湖提鋰企業(yè)SQM、Rockwood、FMC和鋰輝石企業(yè)Talison、Galaxy手中，因此碳酸鋰的全球定價權基本集中于上述企業(yè)。

國內(nèi)鋰資源主要企業(yè)

(2)鈷

全球鈷礦主要儲量集中在非洲，其中最大儲量國為剛果，占全球總儲量的47%，中國的儲量極少，只占到全球儲量的1.11%。但由于非洲的電力等生產(chǎn)條件受限，鈷礦都是出口到國外深加工，其中我國是主要的鈷礦深加工國，全球42%的鈷礦在中國精煉。

國內(nèi)鈷礦資源主要參與企業(yè)如下：

金川集團

金川集團是全球知名的采、選、冶配套的大型有色冶金和化工聯(lián)合企業(yè)，是中國最大的鎳鈷鉑族金屬生產(chǎn)企業(yè)和中國第三大銅生產(chǎn)企業(yè)，在全球24個國家或地區(qū)開展有色金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)與合作。

格林美

格林美收購凱力克也極大提升了鈷行業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ驹诔氣挿圩有袠I(yè)具有明顯優(yōu)勢，公司是中國規(guī)模最大的采用廢棄資源循環(huán)再造超細鈷鎳粉體的企業(yè)，國際上采用廢棄鈷鎳資源生產(chǎn)超細鈷鎳粉體材料的先進企業(yè)，中國鈷鎳粉體材料與循環(huán)技術的產(chǎn)業(yè)基地之一。致力于循環(huán)技術產(chǎn)業(yè)的研究與產(chǎn)業(yè)化，采用二次資源通過循環(huán)技術生產(chǎn)高技術材料，形成采用廢舊電池等二次資源生產(chǎn)超細鈷粉、超細鎳粉、先進電池材料、無鉛焊接材料等多種產(chǎn)品，具有資源和成本優(yōu)勢。

中國中冶

公司是全球最大的工程建設綜合企業(yè)集團之一，以工程承包、資源開發(fā)、裝備制造及房地產(chǎn)開發(fā)為主業(yè)的多專業(yè)、跨行業(yè)、跨國經(jīng)營的特大型企業(yè)集團。

華友鈷業(yè)

公司是一家專注于鈷、銅有色金屬冶煉及鈷新材料產(chǎn)品深加工的高新技術企業(yè)，產(chǎn)品主要用于鋰離子電池正極材料、特種航天高溫合金、硬質(zhì)合金、色釉料、磁性材料、橡膠粘合劑和石化催化劑等領域。公司是中國最大的鈷化學品生產(chǎn)商，鈷綜合產(chǎn)能規(guī)模排名中國第二，世界前列。

(3)硫酸鎳

硫酸鎳主要應用在電池和電鍍兩個行業(yè)中，而在電池行業(yè)中，硫酸鎳主要用于生產(chǎn)三元材料前驅(qū)體，鎳在其中的主要作用為提高三元材料的能量密度。

在動力電池提高能量密度的大趨勢下，三元材料高鎳化將是大方向，高鎳體系對硫酸鎳的需求會成倍增加。

據(jù)測算，理論上單噸NCM111、532、622、811以及NCA對硫酸鎳的需求在0.91、1.36、1.63、2.16以及2.19噸，高鎳三元對硫酸鎳的需求是低鎳三元的兩倍左右。

不同類型的三元正極材料所需硫酸鎳的量(噸)

受益于高鎳占比的快速提升，對應電池級硫酸鎳的需求量不斷上升，考慮到硫酸鎳生產(chǎn)采用濕法冶金工藝，屬于高污染行業(yè)，目前國內(nèi)環(huán)保政策趨嚴的形勢下，可能會對廠商的開工率產(chǎn)生影響。

主要廠商：

格林美、中國中冶、貴研鉑業(yè)。