高(gāo)鎳三元的(de)高(gāo)能(néng)量密度路(δ∏lù)線和(hé)鐵(tiě)锂高(gāo)性價比路(lù)線将共同發→>展

從(cóng)材料層面看(kàn)，無論是(shì)按體(tǐ)積還(hái)是(shì)按重量，‌φ高(gāo)鎳三元高(gāo)能(néng)量密度的(de)優勢均十分(∞≠®↔fēn)顯著。磷酸鐵(tiě)锂材料的(de)克容量已經接近(jìn)極限，并且由于磷酸‍≤≤鐵(tiě)锂材料自(zì)身(shēn)的(de)電(diàn)導率較₽✘™¶差，需做(zuò)成納米材料并且進行(xíng)碳包覆，也(yě)↕≈&↔限制(zhì)了(le)其壓實密度的(dβ e)提升。而三元材料更高(gāo)的(de)克容量和(hé)電(d∏★€iàn)壓平台對(duì)應了(le)更低(dī)的(de)正極材料單位÷≈用(yòng)量，加上(shàng)三元材料的(de)壓實密度更高(gāo)，也≤∞β(yě)對(duì)應了(le)更小(xiǎo)的(de)體(tǐ)積。在三元材料中，高(gāα o)鎳三元由于更高(gāo)的(de)能(γβ☆✘néng)量密度，優勢更加明(míng)顯。

電(diàn)池層面，高(gāo)鎳三元高(gāo)能(n¥≥™éng)量密度的(de)優勢也(yě)十分(fēn)顯著，長(cháng₩≠)期也(yě)将領先于磷酸鐵(tiě)锂。從(cóng)電(↕→diàn)芯層面看(kàn)，三元由于其更高(gā↔♠o)能(néng)量密度，對(duì)于電(diàn)解液、隔ε☆¥膜、負極等其他(tā)材料的(de)用(yòng)量也(yě)會(huì)稍有(yǒu)減少(sh✔♥λǎo)，能(néng)量密度優勢将會(huì)放(f×γ₽αàng)大(dà)。從(cóng)電(diàn)池包以及結構層♠↕面看(kàn)，磷酸鐵(tiě)锂由于其成熟穩定性，在“刀(dāo)片”“CTP”等結構創新和(¶¶™hé)成組效率上(shàng)占據優勢，但(☆שdàn)是(shì)随著(zhe)三元尤其¶λ是(shì)高(gāo)鎳三元的(de)技(jì)術(sh®∏♥ù)發展成熟穩定，也(yě)有(yǒu)提升空(kōng)間(jiān)，差距↓¶δ<會(huì)縮小(xiǎo)。甯德時(shí)代的(de)“CTP”→∏技(jì)術(shù)可(kě)以将磷酸鐵(tiě)锂電(diàn)池能(néng)量密度提升至1¶'60Wh/kg以上(shàng)，用(yòng)在三元上(shàng)則可(kě)以提升至200W<‍h/kg。

磷酸鐵(tiě)锂将憑借其性價比和(hé)安全優勢在儲能(néng)和(hé)低(dī)∏↓續航乘用(yòng)車(chē)中煥發活力，而高(gāo)鎳三元β¶γ↔将憑借其高(gāo)能(néng)量密度優勢在高(gāo)續航乘←λ"‌用(yòng)車(chē)中擴大(dà)份額。在儲能(néng)領域，對(duì)成本和(hé ₩)安全性的(de)追求優先于能(néng)量密度"δ€，目前以及将來(lái)都(dōu)會(huì)是(shì)磷酸鐵(★♥¶λtiě)锂的(de)主場(chǎng)。在新能(néng≤λ)源車(chē)方面，高(gāo)中低(dī)端乘用(yòng)車(chē)對(d® uì)于各項指标的(de)敏感度不(bù)一(yī)，高Ωδ(gāo)鎳三元和(hé)磷酸鐵(tiě)锂将實現(xiàn↔₹)分(fēn)級消費(fèi)。我們對(duì)比了(le)不(bε'ù)同帶電(diàn)量下(xià)的(de)磷酸鐵(tiě)锂和(hé)高(gā✔÷• o)鎳三元正極材料層面的(de)體(tǐ)積、重量和(hé)成本。當帶電(diàn)量為♣&(wèi)50kWh/輛(liàng)時(shí)，使用(yòng)磷酸鐵(tiě)锂替∑✔代高(gāo)鎳能(néng)夠降低(dī)0©♦¥ .68萬/輛(liàng)的(de)成本，但(dàn)同時(shí)正極材料的(de)空☆£(kōng)間(jiān)要(yào)大(dà)21.7α∞↓©8L，重量要(yào)重78.93kg。在較低(dī)帶電(di ©'÷àn)量下(xià)，對(duì)空(kōng)間(jiān→≤)和(hé)重量的(de)容忍度相(xiàng)對(‍​ ↔duì)較高(gāo)，成本下(xià)降的(de©♥‌)優勢十分(fēn)明(míng)顯。當帶電(diàn)量為(wè≤​↓★i)80kWh/輛(liàng)時(shí)，使用(yòng)磷酸鐵(‌≠tiě)锂替代高(gāo)鎳能(néng)夠降低(dī)Ω←<1.09萬/輛(liàng)的(de)成本，但(dàn)正極材料空(kōng)間(jiān)會(hπ↓£uì)大(dà)34.84L，重量會(huσ<&ì)增加126.28kg；顯著增加的(de)空(kōng)間(jiān)和(hé)重量§→↕将使得(de)車(chē)在其他(tā)的(de)部分↕λ♥(fēn)付出更多(duō)的(de)成φ₽∞σ本以換取輕量化(huà)和(hé)更大(dà)的(de)電(diàn)池空(kōng)間(j<♠iān)。綜合看(kàn)來(lái)，高(gā↔•↕o)帶電(diàn)量情況下(xià)的(de)成本降低(dī)效應會(huì)相×→​(xiàng)對(duì)減弱。此外(wà≠ ✔​i)，裡(lǐ)程焦慮是(shì)困擾新能(néng)源汽車(→​σchē)發展最主要(yào)的(de)問(wèn)題，使用(yòng)高(gāo)能(néng)量↑&密度的(de)高(gāo)鎳三元電(diàn)池能(nén₩©∞g)夠很(hěn)好(hǎo)的(de)解決這(zπ©hè)一(yī)問(wèn)題。

目前多(duō)種三元材料共存，高(gāo)鎳占比逐步提升

高(gāo)鎳三元材料在前驅體(tǐ)制(zhì)備、正極材料燒結、生(shēng)産環境和(hé☆♦∑&)生(shēng)産工(gōng)藝方面要(★' yào)求相(xiàng)比常規正極材料要(yào)更為(wèi)苛刻。高‌×‌(gāo)鎳三元正極材料由于氧化(huà)性較強，需要(yào)摻雜(zá)包覆™•¥<做(zuò)産品改性才能(néng)使用(yòng"‍£)，摻雜(zá)包覆元素的(de)選擇以及分♦§(fēn)布的(de)均勻性，依賴生(shēng)産廠(chǎ≤‍₽ng)商的(de)技(jì)術(shù)工(gōng)藝及生(shēng)産設↕σ✘備。在原材料方面，對(duì)于常規三元正極材料，由于碳酸锂成本普遍低(☆®"Ωdī)于氫氧化(huà)锂，大(dà)部分(fēn)廠(chǎng)商均采用(yòng✔₹)碳酸锂作(zuò)為(wèi)锂源材料。α&♠λ高(gāo)鎳三元材料需要(yào)更高(gāo)的(de)能(néng‌↑&×)量密度、更好(hǎo)的(de)充放(fàng)電(diàn)性能(néng)，普遍采用(yλ <&òng)氫氧化(huà)锂作(zuò)為"'$(wèi)锂源材料。在生(shēng)産設備方面，高(g‌ ‍♦āo)鎳三元材料尤其容易産生(shēng)金(jīn)屬離(lí♣ →)子(zǐ)混排問(wèn)題，因而需要(y↔≈€ào)在純氧環境中生(shēng)産，所以高(gāo)鎳産品的(de)燒結需要α₹(yào)氧氣爐，而常規三元隻需使用(yòng)空©σ♥€(kōng)氣爐。在生(shēng)産環境方面，高(gāo)鎳三元材料對(duì)于濕度要ε' $(yào)求更高(gāo)，一(yī)般需要(yào)專用(yòng)除濕、通(tōng)風(f± ↓ēng)設備。在磁性物(wù)控制(zhì)方面，高(gāo)鎳三元材☆✔料也(yě)有(yǒu)更高(gāo)要( ‌yào)求，往往需要(yào)對(duì)廠(chǎng)房(fáng)進行(xíng)特≥≤↕定改造。由于生(shēng)産工(gōng)藝及生(shēng£α™)産環境的(de)要(yào)求顯著提升，窯爐的(de)多(d≠​♠§uō)溫區(qū)溫度控制(zhì)精度、氧分(fēn)燒結對(duì)設備✘&$§的(de)密閉性要(yào)求均顯著高(gāo)于NCM523等常規産品，高(gāo$↕)品質、高(gāo)一(yī)緻性的(de)高ε≈®Ω(gāo)鎳正極材料量産難度較大(dà)，産品整體(tǐ)合格率較低(dī)。

在未來(lái)動力電(diàn)池的(de)發展進程中，在保證安全性♣$的(de)基礎上(shàng)不(bù)斷提升能(nén↕↕g)量密度是(shì)必然的(de)發展趨勢，三元高(gāo)鎳化(huà)就(jiù)是(sh≥>ì)其中最主要(yào)的(de)技(jì)術(shù)路(lù)線​$。三元材料中三種元素的(de)不(bù)同配置将帶來(lái)不(bù)同的(de)性​¶能(néng)，常見(jiàn)配比有(yǒu)鎳钴α←‌ 錳NCM111、523、622、811等。鎳含量上(shàng)升能(néng)夠提高(gāo)材↕∏料容量但(dàn)會(huì)降低(dī)循環性能≥φ(néng)和(hé)穩定性，钴含量上(shàng)升可(kě)以抑制(zhì)相(xiàng)♦φ變并提高(gāo)倍率性能(néng)，錳含量上(shàn $£✘g)升有(yǒu)利于提高(gāo)結構穩定性，但(φ≤dàn)會(huì)降低(dī)容量。另有(yǒu)鎳钴鋁NCA，常見(jiàn)配比為(♦ Ωwèi)8:1.5:0.5,以鋁代替錳，是(shì)将鎳钴錳酸锂通(tōng)過∞±¥離(lí)子(zǐ)摻雜(zá)和(hé©₩)表面包覆進行(xíng)改性，離(lí)子(zǐ)摻雜(zá)可(kě)以增強材料的(de)穩定"≤≈性，提高(gāo)材料的(de)循環性能(néng)。鎳含量越高(gāo)，™$材料的(de)克容量越高(gāo)，對(duì)應的(de)電(diàn)池模組能(néng)量∞♣★→密度也(yě)越高(gāo)，但(dàn)相(xiàng)應的(de)工(gōng)藝難©₹÷度也(yě)越大(dà)，安全性挑戰也(yě)越高(gāo)。因∏♣此找到(dào)三種材料的(de)比例關系以達到( ₩α↑dào)綜合性能(néng)最優化(huà)，是(shì)三元材料研發的(de)重點。

目前國(guó)內(nèi)三元正極材料已經形成多(π€♦duō)種材料共存的(de)局面，中鎳市(shì)占率保持平穩，高(gāo)鎳材料占比逐年α $β(nián)增加。當前行(xíng)業(yè)主流的‍$(de)三元正極材料可(kě)以分(fēn)為(wèi)中鎳（以NCM523等5系為☆→♥☆(wèi)主）、中高(gāo)鎳（以NCM613、NCM622等6系為(wèi)主♥φλ）和(hé)高(gāo)鎳（以NCM811等↔±π8系為(wèi)主），能(néng)量密度随著(zhe)鎳含量的™β☆§(de)提高(gāo)而提升。2020年(nián)三元材料市(shì)場♥↓₩(chǎng)仍以5系及以下(xià)三元材料産品α♠為(wèi)主，占比53.1%，同比減少(shǎo)8.4pcts；高(✔©×≠gāo)鎳8系和(hé)NCA産品市(shì✘≥&)場(chǎng)占比由2019年(nián)12.7%上(shàng)升到(dào)2 γ₹3.1%，提升10.4pcts；6系産品占≤$≥★比19.7%，同比上(shàng)升1.2pcts。

雖然中國(guó)占據著(zhe)全球半數(shù)以上(sh•‍↑àng)的(de)三元材料産能(néng)，但(dàn)在≥÷​高(gāo)鎳市(shì)場(chǎng)方面國(guó)內(nèi)三元材料企業(yè)還(₽÷hái)有(yǒu)提升空(kōng)間(jiān)。2019年(niဥ& n)國(guó)內(nèi)共生(shēng)産高$©± (gāo)鎳三元材料2.5萬噸左右，僅占全球高(gāo)₩↓₩鎳三元材料總産量的(de)四分(fēn)之一(yī)左右，以住™≠≈友(yǒu)、ECOPRO等企業(yè)為(wèi)首±¥的(de)日(rì)韓企業(yè)依舊(jiù)占據著(zh≥∑∑♣e)全球高(gāo)鎳三元材料市(shì)場(chǎng)÷ε•♥的(de)絕大(dà)部分(fēn)市(shì)場(chǎng)份額。¥×‍受疫情影(yǐng)響，歐美(měi)多(d₩"•™uō)家(jiā)車(chē)廠(chǎng)選擇關停工(gōng)廠(chǎng)，松≤←‍♦下(xià)、LG、三星等企業(yè)也(™★↔✘yě)相(xiàng)繼關停了(le)其位于歐美(mδ≤≠ěi)地(dì)區(qū)的(de)電(diàn)池廠(chǎng)。豐田、松下(xià)等企✘↑÷業(yè)也(yě)開(kāi)始考慮或者關停日(rì)本本土(♥ε< tǔ)的(de)工(gōng)廠(chǎng)，在>‌•一(yī)定程度上(shàng)抑制(zhì)海(hǎi)外(wài)市(shì)場(chǎ↕"£>ng)對(duì)于日(rì)韓企業(yè)高(gāo)鎳三元材料的(de)需求。

高(gāo)鎳正極材料的(de)優勢在于克容量較高(gāo)，從""(cóng)各國(guó)動力電(diàn)池技(jì)術(shù)路(lù)徑規劃來(l§'≤∏ái)看(kàn)，動力電(diàn)池電(diàn)芯能(nα‌≠éng)量密度普遍将達到(dào)300Wh/kg以上(sh↑→≤àng)，在現(xiàn)有(yǒu)技(jì)術(shù)體(tǐ)系中，高(gāo)鎳三元是∞λ✔₹(shì)最可(kě)行(xíng)的(de)商業(yè)化(huà)方案，三元正↓"×極高(gāo)鎳化(huà)趨勢明(míng)±÷←₽朗。目前，NCM811動力電(diàn)池産品相(xiàng) →較NCM523産品能(néng)量密度可(kě)提升25%，後續高(gāo)鎳正極産品性能(né←♥∞∏ng)的(de)進一(yī)步優化(huà)可(kě)使得(de)能(néng)量密度優勢提₹ ₽升30%以上(shàng)。能(néng)量密度提升意味著(zhe)同等重量的(de♣∏≠)電(diàn)池可(kě)以提供更多(duō)的(de÷")帶電(diàn)量，實現(xiàn)輕量化(huà)的(de)同時(shí)顯著提升續×™ 航裡(lǐ)程。高(gāo)鎳三元正極材料的(de)新一(yī)代産品預計(σ✘jì)将具有(yǒu)更加廣闊的(de)應用(yòng)與更加快(kuài)速的(de)增長(c→±háng)。

目前在全球市(shì)場(chǎng)銷量最高(gāo)的(de)特斯拉采用(yòng)的(de)♣π就(jiù)是(shì)松下(xià)NCA和(hé)LGσ♣‍σ化(huà)學NCM811高(gāo)鎳¥÷✘電(diàn)池，大(dà)部分(fēn)歐洲•∞一(yī)線車(chē)企也(yě)更青睐811∞​÷β電(diàn)池，各大(dà)主流電(diàn)池廠(chǎng)都(dōu)有(yǒu)各自('≠zì)高(gāo)鎳或無钴電(diàn)池的(de)開(kāi)發π$計(jì)劃。甯德811電(diàn)池早已量産裝車(chē)蔚來(lái)E÷≤÷✔S6、廣汽AionS、吉利幾何A，2020年(nián)重點發展三元811與高(Ω§gāo)電(diàn)壓523+CTP，2023年(nián)發展無钴電(di✔ àn)池，将克容量上(shàng)限提高(gāo)到(dào)300mAh/g，電(dδπ★'iàn)壓達到(dào)4.7V。蜂巢能(néng)源是×Ω(shì)國(guó)內(nèi)最先公開(kāi)宣布研發出無钴材£÷料及電(diàn)池産品的(de)企業(yè)，2019年(nián)7月(yuè)φ↑ 首次發布四元及無钴材料電(diàn)池，2≈₽→↔020年(nián)5月(yuè)公司發布了(le)兩款✘♣₽↑無钴電(diàn)芯115Ah和(hé)L6無钴長(chánα≥§βg)電(diàn)芯，可(kě)支持電(diàn)動汽車(chē)行(xíngβ<)駛800公裡(lǐ)以上(shàng)，使用(yòng)壽命超過15年(→&₹nián)120萬公裡(lǐ)。目前蜂巢能(néng)源無钴電(dià≈₹n)池已經裝車(chē)路(lù)試，搭載的(de)量産車✔π≥‌(chē)型有(yǒu)望在2021年(nián)推向市(shì)場(™←chǎng)。

在新能(néng)源車(chē)的(de)大(dà)趨勢下(x> ià)，動力電(diàn)池三元正極材料産量快↔☆(kuài)速提升，其中高(gāo)鎳三元材料2022年(nián)全球産量 £≈>超過60萬噸，實現(xiàn)翻倍增長(chánλ←‍λg)。測算(suàn)主要(yào)基于對(duì)2020年(nián)下(∑®↑xià)半年(nián)和(hé)2021、2022年(nián)國¶ (guó)內(nèi)新能(néng)源汽車(chē)逐步恢複增長(cháng≈↔≤)，海(hǎi)外(wài)新能(néng)源汽車(chē)銷量在歐洲市(sh≠₩✘ì)場(chǎng)帶動下(xià)滲透率加速提‌✘↓®升，新能(néng)源汽車(chē)單車(chē)帶電(diàn)量穩中有(yε₩€ǒu)升以及高(gāo)鎳三元材料在車(chē)用(yòng)電(diàn)池市(Ωπ∑shì)場(chǎng)應用(yòng)占比逐年(nián)提高(gāo)。

兩種生(shēng)産方法：固相(xiàng)法液相(xiàng)法各有∏↑ ≈(yǒu)優劣

磷酸鐵(tiě)锂的(de)規模化(huà)的(de)生(shēng)産工(gōng)藝可(kěα↕)以分(fēn)為(wèi)固相(xiàng)法與液相(xiàng)法兩類。固相(xiàng)法與↔≠₩液相(xiàng)法各有(yǒu)優劣。固相(xiàng)法的(de)主要(yào♠¥)優勢在于工(gōng)藝步驟簡單，且産品壓實密度較高(gāo)；但(&♦®​dàn)燒結溫度較高(gāo)，能(néng)耗較高(gāo)，且由于原材料是(sh☆<↓✔ì)固态研磨混合，産品的(de)均勻性和(hé)一(yī)緻性相(xiàng)對(duì)較差。★∑π而液相(xiàng)法在溶液中進行(xíng)原材料分¥→☆≠(fēn)子(zǐ)級别的(de)混合，産品均勻一(yī)緻性好₹₹γφ(hǎo)，批次穩定性好(hǎo)；但(dàn)工(gōnβ✔ ÷g)藝過程較複雜(zá)，較難控制(zhì)。

固相(xiàng)法可(kě)以分(fēn)為(wèi)碳熱(rè)還(hái)原法與高(gā≥♠γo)溫固相(xiàng)法兩類。其基本步驟為(wèi)：首先将锂源、磷源、鐵(tiě™>)源以一(yī)定比例球磨混合，在較低(dī)溫度下(xià)預燒結，而後粉碎、添加碳源γδ後，再次在較高(gāo)溫度下(xià)燒結，最後粉碎、過篩，即得(de)到(dào)納米磷酸÷•∏鐵(tiě)锂産品。兩種方法最大(dà)的(de)區(qū)别是(shì)碳熱(r±∏<è)還(hái)原法使用(yòng)的(de)鐵(tiě)源是(shì)三價鐵(ti<'←•ě)，借助碳的(de)還(hái)原作(zuò)用(yòng)，高(gāo)溫條件(jiàn)下α•‍↑(xià)三價鐵(tiě)還(hái)原為(wèi)&→Ω✘二價鐵(tiě)，并與锂源、磷源發生(shēng)反應。而高§$↑(gāo)溫固相(xiàng)法使用(yòng)的(de)鐵(tiě)源本身(shēn)即為(wèγ£≥‍i)二價鐵(tiě)，高(gāo)溫條件(jiàn)下(xià)可(k €∑λě)以直接反應生(shēng)成磷酸鐵(t↕×♠®iě)锂。

液相(xiàng)法規模化(huà)生(shēng)産存在一≠‍₹(yī)定技(jì)術(shù)壁壘。傳統液相(xiàng)法為(wèi)共沉澱法、♥Ω水(shuǐ)熱(rè)法、溶膠凝膠法等，其本身(shēn)存在危險系數(shù) ✘大(dà)、生(shēng)産效率低(dī)等問(wèn)題，因"¶此逐漸被棄用(yòng)。而德方納米改進了(le)傳統的(de)液相(xiàng)制(zh₽β•‌ì)備方法，形成了(le)擁有(yǒu)自(↑☆zì)主知(zhī)識産權的(de)自(zì)熱(rè)蒸發液相(xiàng)合成法。其主要(y•±₩​ào)步驟為(wèi)：将锂源、鐵(tiě)源、磷源與絡合'≈↑£劑按照(zhào)一(yī)定比例溶解在溶劑中，利用(yòng)其反應熱(r‌↔ è)使反應自(zì)發進行(xíng)，将溶劑↕₹蒸幹反應即停止，形成前驅體(tǐ)。添加碳源、球磨、幹燥後，高(gāo)溫燒結、粉碎、篩≥∏™分(fēn)，即得(de)到(dào)納米磷酸鐵(tiě)锂終産物(wù)。