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1、三 元 正 极 技 术 篇：深 挖 护 城 河2022三元正极材料行业深度报告证券研究报告电力设备与新能源行业/行业专题报告2022年5月20日分析师：张文臣登记编号：S1220522010003分析师：方杰登记编号：S1220522030001分析师：刘晶敏登记编号：S1220522010004分析师：周涛登记编号：S1220522010002联系人：申文雯登记编号：S1220122030009P 2摘要正极材料是锂电池的重要组成部分。正极材料对锂电池的很多关键性能都有直接影响，包括容量、寿命、倍率、安全性等。三元电芯中，三元正极材料成本占比一般超过50%。三元正极材料呈现三大发展趋势。当前
2、三元正极材料技术不断迭代，推动锂电池行业进一步向前发展。总体而言，三元正极材料主要有三大发展趋势：单晶化、高电压化、高镍化。（1）单晶化，正极材料由多晶向单晶发展，可以提高压实密度、循环寿命等。正极单晶化，对烧结工艺提出更高要求，并且更高温度烧结容易加剧锂镍混排，单晶化也容易引起倍率性能降低。（2）高电压化，提高锂电池的充电截止电压，可以提高正极材料的克容量，从而提高锂电池的能量密度。但是提高充电电压，容易引起正极材料表面结构重构、过渡金属溶解并在负极表面沉积、电解液氧化等。另外，采用单晶正极，有利于提高正极材料的耐高电压性能。（3）高镍化，三元正极材料由中低镍向高镍（8系）、超高镍（9系）发
3、展。高镍化主要目的是为了提高克容量，但是二价镍在空气中难氧化，对锂源、烧结气氛、生产设备等提出更高要求。并且高镍材料更活泼，热稳定性降低，循环寿命下降，也容易与空气中的水和氧气反应等。在高镍材料中，采用单晶也可以提高循环性能、安全性等。三大技术方向实现依赖多重因素。除了生产工艺迭代之外，还很大程度依赖掺杂、表面改性等，另外电解液配方优化也有助于正极性能发挥。目前国内三元正极企业推出中镍高电压、高镍产品，海外推出核壳、NCMA等。三元正极材料下一代：无钴或富锂锰基等。随着三元正极向着高电压、超高镍方向发展，层状镍锰酸锂（中镍无钴）、超高镍无钴等在成本、循环性能等方面可能更有优势。另外富锂锰基在克
4、容量方面更有优势。投资建议：三元正极技术门槛高，行业龙头企业凭借技术优势不断推出新品，深挖护城河。新进入者很难实现超越。三元正极方向建议关注：容百科技、当升科技、长远锂科、振华新材、厦钨新能、贝特瑞等。另外三元前驱体方面，我国已经处于全球领先位置，建议关注：中伟股份、格林美、华友钴业、芳源股份等。风险提示：新能源汽车销量不及预期；上游资源价格继续大幅上涨；新技术应用不及预期等。oPqPqRqQsMpOoNwPmNsPpO9P9R8OtRpPpNnPlOnNrMeRoMoM9PoPnRuOmMsMuOmOtNP 3目录1.三元正极：锂电池的核心2.三元正极三大发展方向3.三元正极下一代技术：无钴
5、、富锂锰基等4.三元正极产业链核心标的5.投资建议与风险提示P 4正极材料是锂电池的重要组成部分资料来源：Joule，CABIA，方正证券研究所整理锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等四大主材组成。锂电池按照形状划分，可以分为圆柱、方形、软包等。另外也常以使用的正极材料种类进行划分，包括钴酸锂电池、三元电池、磷酸铁锂电池等。2021年我国动力电池装机量154.5GWh，主要以磷酸铁锂电池和三元电池为主。其中三元电池装机量74.35GWh，占比48.1%。电池壳正极铝箔隔膜负极铜箔锂电池结构锂电池微观结构79.84 74.35 0.24 0.07 020406080100磷酸铁锂三元锰酸锂其他
6、2021年我国动力电池装机结构（GWh）正极隔膜负极AlCuP 5三元正极市场高速增长资料来源：EVTank，方正证券研究所随着新能源汽车销量高速增长，以及电动工具等市场稳定增长，三元正极材料出货量持续保持高速增长。2021年国内正极材料出货量合计超过100万吨，达到109.4万吨，同比增长98.5%。2021年国内三元正极材料出货量42.2万吨，同比增长79.6%。39%42%10%10%三元磷酸铁锂钴酸锂锰酸锂10.614.519.523.542.20%10%20%30%40%50%60%70%80%90%05101520253035404520172018201920202021出货量（
7、万吨）同比（右轴）国内三元正极材料出货量2021年国内正极材料出货量结构P 6三元正极材料占电芯成本比例过半资料来源：SMM，方正证券研究所正极材料是锂电池的核心组成部分，对锂电池的很多核心性能指标都有直接影响，包括容量、寿命、倍率、安全性等。通常锂电池中的可脱嵌锂离子，都源自正极活性物质。成本方面，正极占比过半。我们以5系三元电池为模型，并结合上海有色网的主要材料报价，对5系三元电池进行成本拆分。目前正极材料占电芯的成本达到60%左右。1GWh三元锂电池成本结构三元锂电池成本结构用量单位单价吨金额单位正极1600吨38万元/吨60800万元电解液1000吨13万元/吨13000万元负极100
8、0吨6.5万元/吨6500万元隔膜2000万平米2元/平米4000万元62%13%7%4%15%正极电解液负极隔膜其他P 7正极材料多技术路线并存资料来源：Advanced Energy Materials，连线新能源、IBTE、方正证券研究所正极材料根据晶体结构，可以分为三大类：尖晶石、橄榄石和层状结构。动力电池市场，磷酸铁锂、磷酸锰铁锂，以及宁德的新技术路线M3P正极都属于橄榄石结构。动力电池市场商业化应用的NCM、NCA等都属于层状结构。从克容量指标来看，三元正极相对磷酸铁锂、锰酸锂都有比较大的优势。正极材料分类正极材料综合性能晶体结构材料种类克容量 mah/g备注锰酸锂110镍锰酸锂1
9、40研发阶段，蜂巢实验室水平磷酸铁锂150160磷酸锰铁锂-比磷酸铁锂电压平台高M3P-比磷酸铁锂电压平台高钴酸锂150180主要用于手机等消费类市场NCM160220NCA190220NCMA228韩国汉阳大学实验室结果镍锰酸锂-研发阶段富锂锰基-研发阶段橄榄石层状尖晶石P 8三元正极性能仍有较大提升空间资料来源：湖南裕能招股说明书，当升科技2021年报，容百科技官网，方正证券研究所磷酸铁锂正极材料理论容量为170mAh/g，目前产业化已经能做到超过156mAh/g，实际值/理论值达到92%。磷酸铁锂将继续精益求精。目前商业化的三元5系和6系，克容量可以达到180mAh/g左右，实际值/理论
10、值仅有65%。目前商业化的三元8系正极克容量约为200mAh/g，实际值/理论值也仅有72%。正极材料理论克容量（mAh/g）产业化正极材料克容量（mAh/g）148 170 278 278 277 275 050100150200250300锰酸锂磷酸铁锂三元111三元523三元622三元811正极型号克容量单位高能量型156mAh/g储能型156mAh/g5系180190mAh/g6系177187mAh/g8系204219mAh/g9系215235mAh/g湖南裕能磷酸铁锂当升科技三元P 9加速产品迭代资料来源：wind，方正证券研究所三元正极材料企业在现有产品基础上，不断推陈出新。主营三
11、元正极材料的企业中，2021年容百科技和当升科技的研发费用均超过3亿元。主营磷酸铁锂的企业中，德方纳米2021年研发费用为1.64亿元。主要正极材料企业研发投入（亿元）2.61 1.46 1.48 1.02 0.52 0.65 4.52 3.60 3.36 2.87 1.64 1.49 012345厦钨新能容百科技当升科技长远锂科德方纳米振华新材20202021P 10目录1.三元正极：锂电池的核心2.三元正极三大发展方向3.三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等4.三元正极产业链核心标的5.投资建议与风险提示P 11三元正极三大趋势资料来源：方正证券研究所当前三元正极材料主要有三大发展趋势：单
12、晶化、高电压化、高镍化。发展单晶主要是为了提高电池的循环寿命，高镍和高电压主要是为了提高能量密度。单晶方向，代表性的正极材料企业有振华新材等，高电压方向有厦钨新能、长远锂科等，高镍方向有容百科技、当升科技等。各技术方向交叉发展，比如高镍单晶，代表性企业容百科技等。三元正极高镍高电压单晶振华新材厦钨新能长远锂科容百科技当升科技三元正极材料发展三大趋势P 12趋势一：单晶化（优点）资料来源：Energy Storage Materials，方正证券研究所正极材料可以分为多晶和单晶。一般多晶材料是以微米级别的团聚体形式存在。团聚体内部存在大量晶界。在电池充放电过程中，由于各向异性的晶格变化，多晶材料
13、容易出现晶界开裂，导致二次颗粒发生破碎。从而导致副反应快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。采用单晶颗粒，可以减少晶界，减少副反应的发生，还能提高压实密度，从而提高能量密度。与多晶相比，单晶材料的循环性能一般会好很多。多晶与单晶正极对比多晶与单晶正极循环性能比较多晶单晶单晶多晶P 13趋势一：单晶化（生产工艺）资料来源：Energy Storage Materials，方正证券研究所生产单晶正极材料的主要方法是进行高温烧结。制备方法可以分为三类：单步高温法、多步高温法和熔盐辅助合成法。其中熔盐辅助合成法需要引入熔盐，烧结完后需要水洗。与制备多晶材料相比，制备单晶材料的烧结温度一般高7080度。单
14、晶材料在烧结过程中，一次颗粒会长大，二次颗粒也会粘连在一起，因此烧结完后需要进行研磨处理。单晶三元正极的制备方法单步高温多步高温熔盐辅助P 14趋势一：单晶化（挑战）资料来源：Nano Letters，Science，方正证券研究所正极从多晶向单晶方向发展，也带来了一些挑战。（1）制备工艺：如果烧结不充分，形成了准单晶，可能会达不到预期效果。另外，单晶颗粒在充放电过程中会产生可逆滑移，一般晶粒尺寸不适宜超过3.5微米，也要防止过度烧结。（2）锂镍混排：制备单晶需要更高的烧结温度，但是高温容易引起锂镍的混排。单晶单晶准单晶多晶不同烧结工艺制备出的多晶、准单晶、单晶材料正极材料循环性能准单晶多晶P
15、 15趋势一：单晶化（挑战）资料来源：Advanced Energy Materials，鑫椤资讯，方正证券研究所（3）倍率性能：由于多晶体系中锂离子扩散系数高，采用单晶往往会牺牲倍率性能。当正极材料从多晶向单晶转变的过程中，需要充分考虑正极材料的整体性能。实际应用中，也会将单晶材料与多晶材料掺混使用。从2021年国内单晶材料出货量情况来看，处于领先地位的企业有振华新材、长远锂科和厦钨新能等。单晶多晶正极材料扩散系数国内单晶三元材料市场份额（2021年1-11月）振华新材26%长远锂科20%南通瑞翔14%厦钨新能13%容百科技7%广东邦普6%其他14%P 16趋势二：高电压化（优点）资料来源：
16、国家标准，Journal of The Electrochemical Society，储能及动力电池正极材料设计与制备技术，方正证券研究所三元正极材料的第二个发展趋势是高电压化，相当于是提高锂电池充电截止电压。一般三元电池的充电截止电压为4.2V4.3V。国家标准GB/T 37201-2018指出，三元电池测试时一般是以0.2C恒电流充至4.2V，再恒压充电。以5系三元为例，当充电截止电压由4.2V提高到4.4V时，正极材料放电克容量可以由158.4mAh/g提高到188.6mAh/g，提高19%。并且充电截止电压到4.5V时，正极克容量可以超过200mAh/g。NCM551530克容量（m
17、Ah/g，0.2C充放）1001201401601802002204.2v4.3v4.4v4.5v4.6vNCM551530充放电曲线P 17趋势二：高电压化（挑战）资料来源：Chemistry of Materials，方正证券研究所提高充电截止电压，虽然看起来简单容易实现，但是对于锂电池的综合性能带来了很大的挑战。充电截止电压越高，正极材料中的锂离子深度脱出，正极材料结构稳定性会变差。（1）循环性能：从4.2V到4.4V，锂电池的循环性能可能会大幅下降。（2）锂电材料体系恶化：正极材料表面结构重构（形成氧化镍）、镍钴锰等过渡金属溶解并在负极表面沉积、电解液氧化等。NCM811 循环性能镍钴
18、锰元素在负极表面沉积P 18趋势二：高电压化（实现路径）资料来源：Advanced Materials，Journal of Materials Chemistry A，方正证券研究所高电压体系下，正极材料失效机理主要有三种：正极析氧、相转变与正极颗粒破碎、过渡金属离子溶出。提高正极材料的高电压性能，常用的方法主要分为两类：包覆（氧化铝等）、掺杂（Mg、Al）。另外，在高电压体系下，单晶材料的性能表现要好于多晶。多晶材料在高电压充放电后，容易出现材料粉化，并且性能衰减更快等。高电压正极材料失效机理不同充电截止电压下，多晶与单晶正极循环性能比较多晶523单晶523P 19趋势三：高镍化（优点）资
19、料来源：Energy&Environmental Science，储能及动力电池正极材料设计与制备技术，方正证券研究所三元正极的第三大趋势：高镍化。高镍化的主要目的是为了提高能量密度。从电子结构来看，钴（Co）的eg轨道为空轨道，t2g轨道与氧（O）的2p轨道有较大重叠，深度脱锂时容易析氧，出现结构塌陷。此外钴的t2g轨道与氧的2p轨道形成键，作用力较弱，电子易转移。镍（Ni）的eg轨道与氧的2p轨道重叠非常小，因此理论上镍的eg轨道上电子可以完全失去，镍酸锂的有效容量更高。对于锰，当镍含量超过锰时，锰会转变为4价形态存在，非常稳定。一般而言，在NCM体系中，钴含量越高，倍率性能越好；镍含量越
20、高，克容量越高；锰含量越高，结构越稳定。一般8系三元的克容量可以做到超过200mAh/g。正极材料中主要元素的相对能级示意图三元正极材料克容量（mAh/g）100120140160180200220LCONCM111NCM523NCM622NCM811P 20趋势三：高镍化（优点）资料来源：Journal of Power Sources，方正证券研究所与中低镍材料相比，三元高镍材料的钴含量逐步减少，但是在导电性、锂离子扩散性能等方面，也可以做的很好。电导率方面：NCM523为4.910-7s/cm，811可以做到1.710-5s/cm。锂离子扩散系数：5系可以做到10-10级别，8系可以做到
21、10-8级别。三元正极材料电导率三元正极材料锂离子扩散系数P 21趋势三：高镍化（挑战）资料来源：Journal of Power Sources，方正证券研究所与普通三元相比，高镍三元材料性能更活泼，在应用中也带来许多新的挑战。（1）随着镍含量上升，三元正极材料热稳定性下降。（2）循环寿命下降。同样的电解液配方体系等，高镍三元循环性能可能会衰减的更快。（3）高镍材料在制备与存储过程中，更容易与空气中的水和CO2反应，生产LiOH和Li2CO3。进一步影响：正极浆料粘度大，涂布不均匀；与电解液反应；正极电阻增加等。三元正极材料NCM综合性能三元正极材料表面锂残留量（ppm）P 22趋势三：高镍
22、化（制备工艺）资料来源：储能及动力电池正极材料设计与制备技术，Nature Energy，方正证券研究所高镍中的镍主要以三价形态存在。镍从镍盐到前驱体，都是以二价形态存在。在三元NCM材料中，当锰的含量较高时，Ni3+Mn3+Ni2+Mn4+，大部分镍是以2价形式存在（LiNi0.5Mn0.5O2）。但是在高镍材料中，镍主要以三价存在（LiNiO2）。二价镍在空气中难以被氧化成三价，带来影响：（1）高镍材料需要在氧气的气氛下烧结。（2）碳酸锂高温烧结会分解产生CO2，影响二价镍氧化。（3）锂源换成氢氧化锂后对设备腐蚀大。高镍材料，镍含量越高，适宜的烧结温度越低。金属离子价态金属氧化物标准生成吉
23、布斯自由能+2NiO-211.7 CoO-214.2 MnO-362.9+3Ni2O3-489.5+2，+3Co3O4-774.0+3Mn2O3-881.1+4MnO2-465.1+3，+4Mn3O4-1,283.2 主要金属氧化物标准生成吉布斯自由能（kJ/mol）不同三元正极材料适宜烧结温度与气氛P 23趋势三：高镍化（制备工艺）资料来源：Nature Energy，方正证券研究所高镍三元正极的主要制备流程和普通三元一样，上游的前驱体制备，然后混料、烧结、破碎、表面处理等。高镍三元制备中，前驱体共沉淀时需要碱性更强，锂源一般用氢氧化锂，烧结温度更低，烧结气氛氧气，烧结完以后需要水洗和表面包
24、覆等。水洗包覆前驱体原材料烧结破碎等表面处理等三元正极材料制备工艺P 24趋势三：高镍化（高镍单晶）资料来源：Nano Energy，Advanced Energy Materials，方正证券研究所与高电压化趋势相同，在高镍材料体系中，采用单晶颗粒，也非常具有潜力。（1）高镍单晶，一般循环性能更好。（2）可以提高安全性。当锂电池过充时，在晶界处会大量产生氧气。采用单晶可以减少产氧，提高安全性。过充对锂电池循环性能影响单晶多晶单晶多晶高镍正极循环性能（NCM831106）多晶过充多晶单晶单晶过充P 25趋势三：高镍化（高镍高电压）资料来源：Small，方正证券研究所无论是高电压方向，还是高镍方
25、向，主要目标都是为了提高正极材料的克容量。若将两者结合，理论上正极材料的克容量可以达到更高的水平，但是在实际应用中可能面临更大的挑战。高镍高电压更难实现。高镍三元材料在高电压体系下，不仅仅只是晶体结构的表面性能发生恶化，甚至晶体内部的结构也会发生恶化。三元正极材料充放电后晶体结构变化示意图P 26趋势三：高镍化（国内进展）资料来源：各公司2021年报，方正证券研究所产品方面：国内目前正处于由高镍（8系）向超高镍（9系）推进。8系产品中的Ni83多晶、Ni83单晶，国内部分企业已经能够做的比较成熟。产线方面，新建产线基本采取兼容方式。比如容百科技新投产线可以兼容生产NCM811、Ni90及以上超
26、高镍、NCA、NCMA等。超高镍进展：2021年容百科技9系超高镍产品开始批量出货。当升科技Ni95产品已完成国际客户验证，Ni98正在开展海外认证。国内主要正极材料企业高镍进展高镍（8系）与超高镍（9系）进展容百科技国内首家实现高镍NCM811大规模量产，公司高镍正极材料率先通过国内外多家主流锂电池厂商的认证程序，并通过宝马、奔驰等国际知名终端车企的跨级审核，2021年公司9系超高镍产品开始批量出货当升科技团聚型高镍产品持续向国际高端客户供货，并快速放量。单晶型高镍产品获得国际大客户认可，产品进入多个车型评测阶段。团聚单晶复合型高镍产品持续迭代开发，批量导入国际客户新一代高端车型。超高镍Ni
27、95产品已完成国际客户验证，产品性能达到国际领先水平；Ni98正在开展客户认证工作，性能指标获海外客户高度认可振华新材高镍8系开始大批量出货，超高镍9系开始向部分客户进行吨级送样长远锂科高镍8系单晶导入国内外多家动力、数码客户。超高镍9系单晶产品率先完成设计开发，客户进入吨级试产阶段厦钨新能高镍8系多晶、单晶已经量产，超高镍9系处于量试阶段贝特瑞超高镍正极材料已完成小试阶段开发，进入中试阶段P 27实现路径：掺杂和表面改性对正极材料性能影响重大资料来源：Advanced Energy Materials，Energy Storage Materials，储能及动力电池正极材料设计与制备技术，方
28、正证券研究所无论是普通的正极材料，还是在向单晶、高电压、高镍方向发展时，掺杂和表面改性，都是提高正极材料综合性能的有效方法。并且掺杂、改性的方法也是正极材料企业的核心竞争力之一。掺杂元素包括Al、Mg、Cr等，提高机理包括稳定主结构、增加锂离子层间距、在晶界处偏析等。常用的包覆剂包括Al2O3、V2O5、ZnO、ZrO2、TiO2、MgO等。仅以氧化铝包覆方法为例，第一代技术用有机体系的异丙醇铝，第二代用水系的硝酸铝或羧酸铝，第三代用纳米级的氧化铝或氢氧化铝。正极材料表面包覆效果正极材料不断迭代（高镍迭代+机理分析+掺杂包覆改性）P 28实现路径：正极材料性能发挥需要合适电解液配方资料来源：A
29、dvanced Energy Materials，EVTank，伊维智库，方正证券研究所锂电池在充放电过程中，正极材料与电解液直接接触。正极材料的性能发挥，一般与电解液的配方有着密切的关系。常见的碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯等电解液体系，在高电压下容易被氧化分解，并产生气体。但是添加适量碳酸乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）等，可以有效提高电池耐高压性能。龙头电池企业掌握电解液配方，正极材料企业形成先发优势。不同电解液体系下高电压循环性能华盛锂电20.89%海外企业13.92%瀚康化工12.85%苏州华一6.93%青木高新5.07%浙江天硕4.80%中国其他35.54%2020年全球电解液添加
30、剂市场格局P 29国内两大方向对比：中镍高电压、高镍资料来源：厦钨新能公告，储能及动力电池正极材料设计与制备技术，方正证券研究所国内三元正极的两个发展方向存在一定的竞争：中镍高电压和高镍（常规电压）。从能量密度指标上来看，对于中镍高电压6系产品，充电截止电压4.4V，6系正极材料的能量密度可以做到接近镍83的水平。从热稳定性指标上来看，中镍高电压产品一般好于高镍。622充电电压到4.5V，热分解温度比811高，放热量比811小。三元正极性能对比中镍高电压与高镍热稳定性比较产品5系6系8系9系备注NCM比例55-15-3065-7-2883-11-692-5-3常规电压充电截止电压4.254.2
31、54.24.2V克容量170180202214mAh/g平均放电电压3.713.723.663.66V正极能量密度630.7669.6739.32783.24Wh/kg高电压充电截止电压4.354.4V克容量180195mAh/g平均放电电压3.783.77V正极能量密度680.4735.15Wh/kg02004006008001000050100150200250300350622-4.3v622-4.4v622-4.5v811-4.3v热分解峰值温度（）放热量（J/g，右坐标)P 30海外：核壳结构+NCMA 资料来源：ACS Energy Letters，方正证券研究所三元正极除了国内常
32、规的单晶、中镍高电压、高镍等，海外也在推核壳结构和四元NCMA。正极材料表面改性一般是包覆，但是普通的包覆容易损失克容量，可以升级为核壳结构，也可进一步升级为梯度材料。新的结构体系，对于生产工艺和生产成本提出了更高的要求。LG推出NCMA。根据韩国汉阳大学发布的结果来看，（1）从NCA89到NCM90，钴含量由10%下降到5%，循环性能更好。（2）NCMA89可以理解为对NCM90进行改性，铝掺杂比例为1%。NCMANCMNCA综合性能比较循环性能比较热稳定性比较P 31目录1.三元正极：锂电池的核心2.三元正极三大发展方向3.三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等4.三元正极产业链核心标的5.
33、投资建议与风险提示P 32三元正极下一代技术资料来源：方正证券研究所整理三元正极方向技术不断迭代。随着三元正极材料在高电压、高镍方向技术成熟，三元正极下一代产品可能是无钴，或者富锂锰基等。三元正极材料进一步迭代的可能方向P 33无钴：镍锰酸锂（NM，尖晶石型+层状结构）资料来源：Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials&Interfaces，方正证券研究所镍锰酸锂从晶体结构上来分，可以分为两类：尖晶石型和层状结构。第一种：对尖晶石型的锰酸锂（LiMn2O4）进行镍掺杂，可以形成尖晶石型的镍锰酸锂，其常见的化学式结构为LiNi0
34、.5Mn1.5O4。与锰酸锂相比，理论克容量不变，并且需要高电压发挥性能。另外一种镍锰酸锂是层状结构，相当于在现有三元NCM正极制备过程中不加入钴源，包括中镍无钴、高镍无钴、超高镍无钴等。尖晶石型锰酸锂与镍锰酸锂充电曲线锰酸锂镍锰酸锂层状镍锰酸锂综合性能P 34无钴：中镍无钴（层状结构）资料来源：Nature Energy，方正证券研究所在三元NCM材料中，钴的作用主要有两点：（1）减少锂镍混排，（2）降低相变，稳定结构。随着中镍向高电压方向发展，在高电压体系下，无钴材料可能部分性能会更好。含钴材料在充放电过程中，可能晶格变化更大，容易出现微裂纹；另外晶格中的氧更容易发生不可逆的氧化还原反应。
35、正极充电过程中晶格C轴方向变化幅度充电截止电压4.5V时循环性能NC64NM642021P 35无钴：超高镍无钴（层状结构）资料来源：wind，Advanced Energy Materials，方正证券研究所随着三元由高镍向超高镍发展，钴的重要性可能大幅下降，甚至可以被其他元素（Al、Mg、Mn等）取代，发展成四元化合物或者更多元化合物。超高镍无钴材料的循环性能可能更好。102030405060钴 Co024682019-01-022020-01-022021-01-022022-01-02镁 Mg铝 Al锰 Mn主要金属价格（万元/吨）高镍无钴正极材料循环性能20192021P 36富锂锰
36、基：更高的克容量（层状结构）资料来源：Nature Energy，方正证券研究所富锂锰基克容量更高，可以超过250mAh/g。晶体结构主要为层状相，锂离子进一步取代过渡金属层中的元素。其成分可以理解为Li2MnO3与三元正极NCM的混合（固溶体/纳米尺度混合）。制备工艺：富锂锰基与现有三元正极类似，前驱体+高温烧结。挑战：（1）首效低，Li2MnO3组分激活需要首充电压超过4.4V，Li和O以Li2O和O2的形式脱出，放电时只有一个Li+嵌回，并且晶格氧的氧化还原反应难控制。（2）倍率性能低。（3）放电电压平台衰减更快。（4）高电压，充电电压高于4.6V，当前商用电解液的分解电压通常在4.4V
37、以下。富锂锰基晶体结构与性能富锂锰基充放电机理过渡金属层过渡金属层锂层P 37目录1.三元正极：锂电池的核心2.三元正极三大发展方向3.三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等4.三元正极产业链核心标的5.投资建议与风险提示P 38三元正极行业高速发展，技术迭代，龙头占优资料来源：鑫椤咨询，方正证券研究所由于三元正极能量密度高，在新能源车市场稳稳占据中高端市场。2021年国内三元正极材料产量为39.81万吨，同比增长89.5%；全球产量为72.97万吨，同比增长79.3%。随着三元正极材料进一步向单晶、高电压、高镍方向发展，行业技术门槛不断提高。行业龙头公司凭借技术实力，不断推出新品，保持领先优势
38、。而新进入者很难撼动行业龙头公司地位。2021年三元正极出货量位居国内前十的企业有：容百科技、当升科技、长远锂科、振华新材、厦钨新能等。另外，贝特瑞也在大力布局三元正极材料。9%8%7%7%7%7%5%5%5%5%35%LGC容百科技Ecopro巴斯夫住友金属当升科技天津巴莫长远锂科LF振华新材其他14%12%12%9%8%7%6%32%容百科技当升科技天津巴莫长远锂科振华新材南通瑞翔厦钨新能其他2021年全球三元材料企业市占率分布2021年国内三元材料企业市占率分布P 39容百科技：三元高镍龙头资料来源：容百科技2021年报，wind，方正证券研究所容百科技是国内高镍三元正极材料的龙头企业。
39、2021年公司出货量中高镍占比达到90%。公司高镍产品市占率已连续多年位居全国第一。目前公司高镍9系前驱体和9系单晶正极均已实现量产。产能方面，公司预计到今年年底扩产到25万吨，相对于年初的12万吨，增长一倍多。随着公司进一步高速扩张，公司在三元正极材料市场有望稳居全球第一。0.98 1.36 2.19 2.63 5.23 0%20%40%60%80%100%120%012345620172018201920202021出货量（万吨）同比容百科技正极材料出货量项目名称项目进展拟达到目标NCM90前驱体开发量产开发高容量、高循环寿命、高安全性的NCM前驱体产品（Ni90%）高镍单晶型Ni90量产
40、开发出高分散性、高温循环、高安全性能的单晶Ni90产品（Ni90%）Ni90高镍新品开发试生产现有量产的NCM811产品基础上提升能量密度6%，采用低钴化路线，降低成本8%，实现高镍产品的迭代Ni96新品开发产线调试开发出高容量，低成本，高温循环优异的超高镍多晶产品（Ni92%）多元高能量密度NCMA产线调试制备出容量高、结构稳定的NCMA正极材料容百科技部分研发项目P 40当升科技：海外市场占优资料来源：当升科技2021年报，wind，方正证券研究所当升科技主要产品是三元正极，以出口海外为主。公司国际客户主要包括SK on、LG化学、AESC、Northvolt 等动力电池企业和车企，公司产
41、品出口到日本、韩国、欧洲和美国。公司国内客户包括亿纬、中航、蜂巢等。与国内市场相比，海外认证周期更长，对产品的质量、稳定性等要求更高。并且海外认证通过后，在出货量和盈利方面也更有保障。公司高镍产品在行业中处于领先位置，团聚型高镍快速放量，单晶型高镍进入多个车型评测，团聚单晶复合型高镍持续迭代，超高镍Ni95完成国际客户认证。项目名称项目进展拟达到目标多元-新品23进一步扩产开发第二代高容量高镍多元产品多元-新品25批量供应国际动力电池客户开发单晶型高镍多元产品多元-新品26量产开发单晶型中镍高电压多元产品多元-新品30完成中试开发超高功率多元产品多元-新品32实现吨级供货开发单晶型超高镍多元产
42、品当升科技部分研发项目0.98 1.55 1.52 2.40 4.72-20%0%20%40%60%80%100%120%01234520172018201920202021正极销量（万吨）同比（右轴）当升科技正极材料出货量P 41长远锂科：一体化打造核心优势资料来源：长远锂科2021年报，wind，方正证券研究所长远锂科主要产品是三元正极材料，并且前驱体自供比例较高。21年公司三元前驱体产量2.89万吨，全部自用，三元正极材料产量4.47万吨，相当于前驱体自供比例65%。公司中镍高电压产品在行业处于领先位置。公司新一代中镍高电压65 系单晶产品采用低成本粗颗粒锂源，可以降低成本，并提高生产效
43、率。高镍方面，公司新一代镍83单晶产品已经通过宁德时代吨级样品测试。公司超高镍 9 系单晶产品，下游客户已经进入吨级试产阶段。0.64 1.17 2.07 1.86 4.54-50%0%50%100%150%200%01234520172018201920202021电池材料销量（万吨）同比长远锂科电池材料出货量序号项目名称进度1动力用高功率三元正极材料开发试产2高镍Ni88 单晶正极材料的开发试产3高镍Ni88 单晶前驱体及正极材料的开发试产4成本型高镍多晶产品开发小试5高镍高压实体系正极材料开发小试6超高镍层状正极材料开发小试长远锂科部分研发项目P 42振华新材：三烧工艺行业领先资料来源：
44、振华新材招股说明书，振华新材2021年报，wind，方正证券研究所振华新材主营三元正极材料。公司在单晶正极方面有着非常深入的研究。公司早在2009年就推出第一代5系单晶产品。从2018年开始，公司逐步推出6系和8系单晶产品。公司单晶产品以三次烧结工艺为主。三烧工艺在前驱体选择、高镍材料制备等方面均具备一定优势。2021年公司高镍8系产品实现批量供货，8系产品营收占比达到38.08%。并且公司超高镍9系三元正极材料已于2021年开始向部分客户进行吨级送样。振华新材与同行业单晶正极材料发展时间对比图振华新材0.77 1.53 1.82 0.90 3.41-100%-50%0%50%100%150%
45、200%250%300%0123420172018201920202021正极销量（万吨）同比（右轴）振华新材正极材料销量（万吨）P 43厦钨新能：全球钴酸锂龙头，中镍高电压快速推进资料来源：厦钨新能2021年报，鑫椤资讯，wind，方正证券研究所厦钨新能是全球钴酸锂正极材料龙头企业。21年公司钴酸锂销量4.5万吨，同增35%。公司高电压4.48V钴酸锂产品从2020年开始大批量出货。根据鑫椤资讯统计，21年公司钴酸锂产品全球市占率达到42%，同比提升8.5pct。三元正极方面，公司开发的新一代中镍高电压6系产品，已经成功应用到续航里程超过1千公里的电动车上。高镍方面，公司8系多晶与单晶产品均
46、已经量产，9系处于量试阶段。1.03 1.34 2.19 3.35 4.51 0.58 1.07 1.76 1.59 2.71 01234520172018201920202021钴酸锂NCM三元厦钨新能正极材料销量（万吨）项目名称项目进展拟达到目标高镍正极材料开发量产研究粒度窄分布的氢氧化物前驱体制备工艺，并通过与单晶材料搭配，开发高压实密度、低产气的NCM811高镍正极材料高镍单晶材料开发量产开发NCM811单晶产品，包括前驱体+正极材料Ni9系高镍正极材料开发量试开发Ni9系NCM多晶产品，包括前驱体+正极材料Ni9系单晶材料开发量试开发Ni9的NCM单晶产品，包括前驱体+正极材料4.4
47、V高电压三元材料的开发中试通过选择不同的包覆材料，提高材料的导电率以及通过多次包覆同时提高导电率，从而显著地提高电化学性能厦钨新能部分研发项目P 44贝特瑞：全球负极龙头，三元正极开始放量资料来源：贝特瑞2021年报，鑫椤资讯，wind，方正证券研究所贝特瑞是全球负极材料的龙头企业。21年公司负极材料销量16.6万吨，同比增长121%。根据鑫椤资讯统计，21年公司负极材料全球市占率19%，稳居全球第一。公司研发投入高。21年公司研发费用5.9亿元，占营收比例5.6%。正极方面，21年公司三元正极销量1.83万吨，同比增长452%，实现突破性进展。并且公司超高镍正极材料开发项目，已经完成小试，进
48、入中试阶段。19%11%11%10%8%7%34%贝特瑞杉杉股份璞泰来凯金尚太科技中科电气其他2021年全球负极材料企业市占率1.3 1.8 2.4 2.5 5.9 0%1%2%3%4%5%6%0123456720172018201920202021研发费用（亿元）占营收比例（右轴）P 45三元前驱体：三元正极材料性能实现的关键原材料资料来源：鑫椤资讯，各公司2021年报，方正证券研究所三元正极向单晶、高电压、高镍方向发展，上游原材料三元前驱体对三元正极材料的最终性能也有重要影响。目前我国在三元前驱体研发与生产方面，已经处于全球领先地位。2021年全球三元前驱体产量中，中伟股份、格林美和华友钴
49、业位居全球前三。另外芳源股份前驱体产品主要供应松下、贝特瑞、当升科技等，技术实力在行业中也是处于领先位置。21%12%9%9%6%43%中伟股份格林美华友钴业湖南邦普住友金属其他2021年全球三元前驱体产量排名进展中伟股份2021年公司无钴单晶产品、多款7系产品、8系产品及9系产品均取得突破，其中无钴单晶完成批量认证和审厂格林美2021年公司9系三元前驱体产品出货量3.66万吨，同比增长103%华友钴业公司已经开发并量产多款8系、9系前驱体，储备多款高镍、NCMA前驱体新品。并实现 9 系超高镍 NCMA 正极材料达到月产千吨级芳源股份公司在2019年底开始向松下批量供应9系三元前驱NCA91
50、，公司其他高镍三元前驱体产品包括NCM83、NCM88等主要三元前驱体公司9系前驱体进展P 46目录1.三元正极：锂电池的核心2.三元正极三大发展方向3.三元正极下一代技术：无钴、富锂锰基等4.三元正极产业链核心标的5.投资建议与风险提示P 47投资建议与风险提示资料来源：wind，方正证券研究所三元正极技术门槛高，行业龙头企业凭借技术优势不断推出新品，深挖护城河。新进入者很难实现超越。三元正极方向建议关注：容百科技、当升科技、长远锂科、振华新材、厦钨新能、贝特瑞等。三元前驱体方面，我国已经处于全球领先位置，建议关注：中伟股份、格林美、华友钴业、芳源股份等。风险提示：新能源汽车销量不及预期，上