2022年正极材料行业发展现状及未来发展分析.docx
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1、2022年正极材料行业发展现状及未来发展分析1.正极材料:动力电池中最关键的原材料从电池技术来看,正极材料决定电池性能正极材料为动力电池电化学体系提供锂离子。动力电池作为锂离子电池的一种产品形式,广泛应用 于新能源汽车和电化学储能领域。锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间的移动来实现充放电, 因此也被称为“摇椅电池”。在充电过程中锂离子从正极中脱出,嵌入到负极中;在放电过程锂离子从 负极中脱出,回到正极中,完成一次充放电过程。在组成锂离子电池的原材料中,正极材料是锂的 化合物,为电池体系提供锂离子。因此,从锂离子电池的工作原理来看,正极材料是最关键的原材 料。正极材料按照晶体结构大致可以分为三
2、类。正极材料根据材料晶体结构可以分为橄榄石结构、层状 结构和尖晶石结构。LiFePO4是一种典型的橄榄石结构,其晶体没有连续的 FeO6共边八面体网络,故 不能形成电子导电,其导电性比较差。一般通过掺杂或包覆等手段来提升材料的电子导电性能。钴 酸锂和三元材料是典型的层状结构的电极材料,LiCoO2 在高电压下有很好的循环性能,但是钴具有 毒性、成本比较高。因此在其基础上采用镍和锰替代钴的方式发展出了三元材料,既能够提升材料 克容量,又能够降低材料成本。LiMn2O4是典型的尖晶石结构电极材料,具有成本低、环境友好等优 点,但是该材料在高温下的循环性能较差。正极材料性能对于电池性能影响较大。正极
3、材料的克容量对于动力电池的能量密度影响较大。根据 目前广泛使用的几种动力电池材料体系来看,在负极材料不变的情况下,磷酸铁锂做正极的电池能 量密度较低;当正极材料换做克容量较高的 5 系、6 系三元材料后,电池的能量密度也随之提升,达 到 200Wh/kg 以上;当正极材料采用克容量更高的 NCM811 材料后,电池能量密度能够达到 260Wh/kg。 此外,正极材料还包括容量更高的高镍材料,富锂锰基等,搭配硅基负极后,其能量密度能够进一 步提升到 300Wh/kg 以上。因此不同的正极材料选择对于组成动力电池的性能影响较大。从电池成本来看,正极材料占比较高正极材料在动力电池原材料成本中占比最高
4、。动力电池的组成主要有四大关键材料:正极、负极、 隔膜、电解液。根据我们测算,在磷酸铁锂电池的成本组成中,正极、负极、隔膜、电解液的占比 分别为 40%、10%、8%、20%,在 811 三元电池中,占比分别为 57%、7%、4%、13%。可以看出,无 论在磷酸铁锂电池还是三元电池,正极材料成本占比均最高。因此,正极材料的选择对于动力电池 价格的影响较大。从制备技术来看,正极材料制备存在较高技术壁垒磷酸铁锂制备主要采用固相法和液相法两种。固相合成法是目前应用最多、研究最为成熟的合成磷 酸铁锂的方法,其中,碳热还原法又是应用较为广泛的。固相合成法使用的铁源一般为草酸亚铁、 氧化铁、磷酸铁等,锂源
5、一般为碳酸锂、氢氧化锂、乙酸锂等,磷源一般为磷酸-二氢铵、磷酸氢二 铵等。将上述原材料按化学计量比混合均匀后,在保护气(N2、Ar 等)下,首先在较低温度下处理 1-5h, 使原材料预分解,然后再在高温下(550-750)处理 5-20h,由于原材料种类较多,因此该反应方法的 关键是原材料混合时必须均匀。液相法主要有水热/溶剂热法、溶胶凝胶法、共沉淀法等,在使初始 原料在分子水平上的混合和获得的前驱体更均匀,比起固相合成法有无可争议的优势,但由于对生 产条件控制的要求较高,其产业化相比固相合成法难度要大。其中,水热/溶剂热法是较为普及的液 相合成法,其相对较为快捷且易操作,以化学计量比 1:1
6、:3 的 FeSO4、H3PO4和 LiOH 为原料,首先将 FeSO4溶液和 H3PO4溶液混合,然后将 LiOH 溶液加入混合物中,在 120条件下进行水热反应 5h。此 种方法在制备过程中,由于锂/铁的原子排布混乱,会使大概 7%的铁原子占据锂的位臵,使得制备出 的产品中磷酸铁锂容量不够高。两种方法各有优劣。固相合成法最大的优点是设备和工艺简单,制备条件容易控制,较为适合工业 化生产。其缺点是原材料固相不均匀,化学反应产物颗粒较大,粒度分布范围宽,产品批次一致性 较差,对产品导电性、安全性等产生不利影响。液相合成法的优点是容易控制晶型和粒径,物相均 一,粉体粒径小,过程简单。但其缺点也很
7、明显:需要高温高压设备,设备造价高,工艺复杂。 液相法存在较高技术壁垒。制备高性能的磷酸铁锂还是需采用液相合成法,只是在实际生产过程中 要想办法优化工艺,降低成本。磷酸铁锂龙头企业德方纳米就是采用的液相合成法“自热蒸发液 相合成纳米磷酸铁锂技术”。该技术综合了自热蒸发液相合成法、非连续石墨烯包覆等技术,在常温 常压下,通过将原料锂源、铁源、磷源和辅料混合后即可自发反应,反应放热后快速蒸发水分而自 动停止反应,得到纳米磷酸铁锂的前驱体,而后在烧结过程中加入碳源,进行两次的高温分解,得 到非连续的石墨烯包覆磷酸铁锂颗粒。两种方法各有优劣。固相合成法最大的优点是设备和工艺简单,制备条件容易控制,较为
8、适合工业 化生产。其缺点是原材料固相不均匀,化学反应产物颗粒较大,粒度分布范围宽,产品批次一致性 较差,对产品导电性、安全性等产生不利影响。液相合成法的优点是容易控制晶型和粒径,物相均 一,粉体粒径小,过程简单。但其缺点也很明显:需要高温高压设备,设备造价高,工艺复杂。 液相法存在较高技术壁垒。制备高性能的磷酸铁锂还是需采用液相合成法,只是在实际生产过程中 要想办法优化工艺,降低成本。磷酸铁锂龙头企业德方纳米就是采用的液相合成法“自热蒸发液 相合成纳米磷酸铁锂技术”。该技术综合了自热蒸发液相合成法、非连续石墨烯包覆等技术,在常温 常压下,通过将原料锂源、铁源、磷源和辅料混合后即可自发反应,反应
9、放热后快速蒸发水分而自 动停止反应,得到纳米磷酸铁锂的前驱体,而后在烧结过程中加入碳源,进行两次的高温分解,得 到非连续的石墨烯包覆磷酸铁锂颗粒。2.市场格局或仍有变数,技术壁垒将成未来竞争关键出货量保持增长,结构出现变化正极材料整体出货量增速较快。正极材料近几年的出货量增长较快,2016 年出货量为 16.1 万吨,到 2021 年增长至 109.4 万吨,年均复合增速为 46.70%。2021 年正极材料出货量同比大幅增长 98.5%,增 速创历史新高。其中磷酸铁锂出货量从 2016 年的 5.56 万吨增长到 2021 年的 45.5 万吨,年均复合增速 为 52.26%;三元材料出货量
10、则从 5.4 万吨增长到 42.2 万吨,年均复合增速为 50.86%。可以看出,近 6 年磷酸铁锂的增长速度较快。三元材料出货量增速稳定,高镍趋势明确。2016-2020 年,国内三元材料出货量由 5.4 万吨增长至 23.5 万吨,年均复合增速为 44.43%。其中,高镍三元正极材料出货量占三元材料的比重从 1%提高到 24%, 三元材料高镍趋势显著。2021 年,受益于国内外新能源汽车市场蓬勃发展,根据 EV Tank 统计的数据, 全球三元材料出货量达到 71.8 万吨,同比增长 70.9%;国内三元材料出货量达到 42.2 万吨,同比增长 79.6%。根据 EV Tank 数据,20
11、21 年高镍三元占三元材料出货比重超过 36%,高镍趋势进一步明确。材料价格呈现大幅增长。正极材料价格受上游原材料影响较大,近几年上行趋势较为显著。2021 年, 电池级碳酸锂价格由 5.15 万元/吨上升至 27.75 万元/吨,涨幅超过 400%。2022 年 3 月以来,碳酸锂价 格已突破 50 万元/吨。作为正极材料成本的重要组成部分,碳酸锂价格高涨给下游企业造成较大压力, 磷酸铁锂材料价格在一年内由 4.85 万元/吨上涨至 16.8 万元/吨,涨幅达到 246%。对于三元材料,其 成本还受到镍、钴、锰材料的影响,价格呈现大幅增长趋势。 铁锂材料市场份额逐步走高。2017-2021
12、年,磷酸铁锂出货占比从 21.72%提升至 41.59%,市场份额多 年来首次超过三元材料,主要得益于原材料价格高涨背景下,磷酸铁锂成本优势进一步显现。同时 伴随补贴政策退坡,市场对高能量密度的三元材料需求增速放缓。刀片电池、CTP 等技术的逐步成 熟也将带动磷酸铁锂电池成组效率提高,能量密度有所改善。未来随着磷酸铁锂产能持续扩张,其 市场份额有望进一步提升。正极材料市场受新能源汽车补贴影响较大。2013 年以来,我国逐步调整补贴标准,对续航里程、能 量密度等指标提出更高要求,带动能量密度更高的三元材料相关产业链快速发展。随着补贴政策逐 步退坡,成本更低、安全性更高的磷酸铁锂技术路线回归市场,
13、带动市场格局进一步转变。为促进 新能源汽车市场发展,我国补贴政策实行平缓退坡,2020-2022 年补贴标准分别在上一年基础上退坡 10%、20%、30%。2021 年 12 月 31 日,四部委印发关于 2022 年新能源汽车推广应用财政补贴政策 的通知,明确 2022 年底终止补贴政策。由于正极材料在动力电池成本中占比最高,受到影响较大, 下游补贴红利的逐步消退将对正极材料价格带来下行压力。市场格局尚未稳定,新进入者增加正极材料市场集中度处于较低水平。正极材料为动力电池产业链的关键环节,新进入者众多。一方 面下游动力电池厂商出于产品质量、供应链保障等考虑,会自产部分正极材料;另一方面,上游
14、原 材料厂商和回收企业具有资源优势,也会向下布局,一定程度上挤占正极材料厂商的市场空间。目 前磷酸铁锂成本优势显现、三元材料向高镍低钴趋势发展、新型材料逐渐受到市场关注,不同技术 路线均有其应用领域,正极材料市场格局有待重塑。2016 年以来,中国正极材料市场竞争较为激烈, 行业集中度处于较低水平,CR3 基本维持在 22%左右,CR5 未超过 35%。根据 EV Tank 数据,2021 年 正极材料整体市场集中度仍然较低,前十名企业市场份额低于 50%,市场格局尚未形成。三元材料市场格局相对分散。三元材料近年来市场格局变化不大,CR3 基本保持在 30%-35%,CR5 基 本保持在 50
15、%左右。随着三元材料高镍化趋势进一步明确,以 8 系、9 系产品为主的三元材料厂商市 场份额逐步提高。其中容百科技为高镍龙头,出货量连续 3 年位于行业首位。此外,行业前十名厂 商排序存在较明显波动,且每年都有新企业进入市场,竞争较为激烈。陆续有企业进入磷酸铁锂行业。2020 年下半年以来,新能源汽车行业持续升温,磷酸铁锂市场需求 回暖,叠加磷酸铁锂行业壁垒不高等因素,各行业厂商加入扩产热潮。传统厂商德方纳米、湖南裕 能加速扩产进程,设计产能合计近百万吨;湖北万润、富临精工等企业规模逐渐扩大,规划产能均 超 20 万吨。当升科技携手中伟股份,与厦钨新能、振华新材等三元材料重要厂商迈入磷酸铁锂市
16、场, 前驱体龙头格林美也公告开始规划年产 5 万吨磷酸铁锂项目。同时,部分磷化工、钛白粉企业凭借 原材料优势,进一步向下延伸产业链。新洋丰、云天化等磷化工厂商具有较丰富的磷矿资源,龙佰 集团、中核钛白等钛白粉厂商可利用副产品硫酸亚铁作为铁源,拥有更加突出的成本优势,有助于 企业实现产能落地后的效益最大化。此外,海螺创业、云翔聚能等其他行业厂商也纷纷入局,最高 规划年产 50 万吨磷酸铁锂项目。现有正极材料产能预计能够满足 2025 年锂电池需求。据不完全统计,目前磷酸铁锂扩产规模已达到 800 万吨,三元材料扩产规模接近 180 万吨,正极材料合计扩产规模达到 980 万吨。结合各公司公告 及
17、项目环评等信息,不考虑前驱体及磷酸锰铁锂等新型磷酸盐系材料产能,预计磷酸铁锂 2022 年设 计产能达到 187 万吨,2023 年设计产能达到 283 万吨;三元材料 2022 年设计产能达到 100 万吨,2023 年设计产能达到 131 万吨。随着新增产能有序释放,未来市场供需紧张的局面有望缓解。根据我们 测算,2025 年正极材料(主要为磷酸铁锂、三元材料)需求量 225 万吨。其中,磷酸铁锂材料需求 量 139 万吨,三元材料需求量 86 万吨。2021-2025 年锂电池正极材料需求量年复合增长率 41.58%,其 中磷酸铁锂、三元材料年均复合增速分别为 55.13%、28.04%
18、。预计现有正极材料产能可以满足未来 5 年锂电池装机需求。产能或将出现分化,技术壁垒将成未来竞争关键正极材料或出现高端产能不足,低端产能过剩的情况。目前正极材料市场供需格局相对平衡,但厂 商大规模扩产可能加深结构性产能过剩问题。磷酸铁锂方面,虽然各家企业的规划产能规模都比较 大,但是短期来看对于供需格局影响有限。一方面,新增产能需要一定的投放周期,材料企业从产 能建设、安装调试、产品开发、产品送样、产能验证等,至少需要 1 年以上的时间,对于磷酸铁锂 材料供需格局影响有限;另一方面,正极材料企业和电池企业保持较好的合作关系,新进入者产能 较难进入到高端电池企业供应链,进而流入到中低端电池供应链
19、,可能会出现一定的产能过剩。正 极三元材料方面,考虑到高镍化技术路线具有一定壁垒,高端产能短期内仍供不应求。随着磷酸锰 铁锂、钠离子电池等新产品工艺不断成熟,下游客户对材料性能要求不断提升,中低镍三元产品竞 争力下降,低端产能存在一定的过剩问题。与大客户深度合作仍能获得高增红利,但潜在盈利空间可能压缩。正极材料企业与头部电池企业较 好的合作开发关系能够使正极材料企业受益于电池企业的出货量的快速增长,从而进一步提升材料 出货量,享受到业绩快速增长红利。但是,正极企业持续面临原材料价格、能源价格等的上涨,成 本端的压力逐步增大。此外,电池企业也会面临来自下游主机厂客户的价格调整压力。因此,在电 池
20、企业话语权较大的情况下,正极材料企业的潜在盈利空间可能会出现一定程度的压缩。 从长期来看,技术壁垒将成未来竞争关键。正极材料行业虽然出现众多企业争先入局竞争的情况, 但是其本质上是技术含量较高的行业,从磷酸铁锂发展到三元材料,从 3 系三元发展到 5 系三元、8 系三元,9 系三元等,都是材料技术不断发展的结果。因此,从长期来看,正极材料企业依然需要不 断地提升自身技术创新能力。尤其是随着行业各大产能完成建设以及产品认证后,供需紧张的格局 可能会出现一定的扭转,这就需要正极材料企业加强与电池企业的产品技术合作关系,推出更多适 配高性能电池的材料,才有望在未来的竞争中继续保持竞争优势。3.高容量
21、高安全低成本仍是未来技术发展方向磷酸锰铁锂逐步具备优势磷酸锰铁锂材料能量密度高、成本低、安全性能好。磷酸锰铁锂材料的理论容量与磷酸铁锂相同, 为 170mAh/g,但它拥有更高的电压平台,充电过程中的高电压平台可以达到 4.1V 左右,远高于磷酸 铁锂的 3.2V,其理论能量密度将近 700Wh/kg,比磷酸铁锂提升 15-20%,因此具有潜在的高能量密度 优势,作为电池的续航里程上限进一步突破。同时,磷酸锰铁锂的原材料成本较低,根据我们测算, 磷酸锰铁锂的原材料成本比磷酸铁锂低约 28%。此外,磷酸锰铁锂还具有高安全性能,高热稳定性, 针刺、过充不发生自燃,寿命长、安全的优点。材料仍然存在短
22、板,改性技术逐步成熟。磷酸铁锂导电性较差,几乎属于绝缘体。较差的导电性、 高电阻使磷酸锰铁锂在充放电过程中产生较大极化,电池在循环过程中出现各种副反应,直接导致 电池的循环性能较差。此外,磷酸锰铁锂材料在充放电过程中容易发生 Mn2+转变成 Mn3+的 Jahn-Teller 效应,使得体积发生变化,以上问题使磷酸锰铁锂在使用过程中达不到理想状态。磷酸锰铁锂中掺 杂金属离子是有效提升性能的手段,这种由磷酸锰铁锂和金属元素组成的材料称为 M3P 材料。有研 究表明钒和镁的掺杂能够有效提升材料的充放电性能和循环性能,具备较好的应用前景。高镍和高电压或成三元材料两大技术发展趋势高镍材料具备高能量密度
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