锂电池行业专题报告：大圆柱路径确定_关注产业链相关机会.docx

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1、锂电池行业专题报告：大圆柱路径确定_关注产业链相关机会1、 电芯大型化趋势明确，大圆柱路线前景可期1.1、 186502170046800，圆柱电池大型化趋势明确动力电池根据封装形式的不同，主要分为圆柱电池、方形电池和软包电池。三 种形态电池中，圆柱电池以正极、隔膜、负极的一端为轴心进行卷绕，封装在圆 柱金属外壳之中；方形电池采用卷绕或叠片工艺制造，不同于圆柱电池，方形电 池卷绕工艺通常有两个轴心，将正极、隔膜、负极叠层围绕着两个轴心进行卷绕， 然后以间隙直入方式装入方形铝壳之中；软包电池是典型的“三明治”层状堆垒结 构，由正极片、隔膜、负极片依次层叠起来，外部用铝塑膜包装。圆柱电池的发展时间

2、最长，技术最为成熟，且标准化程度较高。最早的圆柱电 池是由日本 SONY 公司于 1992 年发明的 18650 锂电池，其中 18 表示直径为 18mm，65 表示长度为 65mm，0 表示为圆柱形电池。由于 18650 圆柱电池历 史悠久，所以市场普及率较高，是目前市面上最为常见的电池型号，被广泛应用 于消费电子领域。由于圆柱电池的技术最为成熟、一致性较好，特斯拉将圆柱电池引入动力电池 领域。2008 年特斯拉首次使用松下的 18650 圆柱电池电芯作为车辆的动力电池， 并在 Roadster 上试验过之后，开始在 Model S 上大规模使用。为提高电芯能量 密度和降低成本，2017 年

3、特斯拉推出了与松下共同研发的 21700 圆柱电池，并 将该电池应用在Model 3车型上。21700圆柱电池直径为21mm，长度为70mm， 电池能量较 18650 圆柱电池提升了 50%。此后特斯拉进一步将圆柱电池向大型 化升级，2019 年特斯拉申请 46800 大圆柱专利，并于 2020 年电池日对 46800 大圆柱电池进行宣传，46800 大圆柱采用无极耳、新型硅材料和无钴技术，较 21700 圆柱电池的性能有较大提升，预计 46800 大圆柱电池能量将提升 5 倍、 续航里程提升 16%、功率提升 6 倍。相较于小圆柱电池，大圆柱电池具有高能量密度和低成本优势。圆柱电池尺寸 从

4、21700 升级到 46800，电芯体积增加 448%，而表面积仅增加 180%，这表明 随着圆柱电池直径的增大，结构件质量占电池包总重量的比例下降，大圆柱电池 的电池能量密度将有所提升，从而降低电池单 Wh 生产成本。从 21700 圆柱电 池升级到 46800 大圆柱可以降低 14%的单位生产成本。电芯大型化是特斯拉降 本增效的重要手段之一，圆柱电池大型化趋势明确。1.2、 圆柱电池在一致性、安全性、材料应用等方面 优势明显圆柱电池制造工艺较为成熟，生产效率高，产品一致性高。由于圆柱电池在镍 氢电池和消费类电子产品（3C）锂离子电池上得到了长期的应用，业界积累了 大量的生产设计经验，因此有

5、较为成熟的自动生产线及设备。此外，圆柱电池是 以卷绕的方式进行制造，卷绕工艺可以通过加快转速从而提高电芯生产效率，而 叠片工艺的效率提高受限，圆柱电池生产效率较高。在卷绕过程中，为保证电芯 组装成的电池具有高一致性，需要对卷绕张力进行控制，张力波动会使得卷绕出 的电芯产生不均匀的拉伸形变，严重影响产品的一致性。目前国内领先企业圆柱 电池张力波动控制在 3%以下，大批量生产的圆柱电池产品一致性高。受益于圆柱电池热失控传播阻断特性、密封性好和产品一致性高，圆柱电池在 安全性方面优势明显。由于方形、软包电池具有平直表面，其组成模组后平面常 处于紧密接触状态，在热失控时，侧向方向上热量传递明显，而圆柱

6、电池由于其 弧形表面，在充分接触时仍存在较大间隙，一定程度上抑制了电池之间热量传递， 因此圆柱电池可以在一定程度上阻止热失控蔓延。同时，由于圆柱电池单体能量 低，可以减少热失控蔓延初期的能量释放总量，且圆柱电池的密封性较软包好， 不易发生漏液现象，因此圆柱电池在安全性方面优势明显。此外，圆柱电池一致 性高，可以一定程度上避免由于电池不一致导致的过充、过放和局部过热的危险。受益于圆柱结构体本身的材料力学性能，圆柱电池和高镍材料、硅碳负极材料 兼容性良好，对材料应用具有包容性。为提高电池能量密度，高镍正极材料和硅 碳负极材料被应用到电池材料体系，但高镍材料较差的热稳定性和硅碳材料较高 的体积膨胀率

7、对动力电池的安全性带来了考验。相较于方形电池和软包电池，圆 柱电池结构体本身强度更高，对硅碳负极膨胀的容忍度较高，且圆柱电池的热失 控传播阻断特性可以在一定程度上弥补高镍材料热稳定性差的缺点，因此在应用 高镍材料和硅碳负极材料方面，圆柱电池优势明显。1.3、 受益于大圆柱电池的高成组效率、低 BMS 难 度和高电压平台适配性，大圆柱电池路线前景可期圆柱大型化可以提高成组效率，弥补小圆柱电池成组效率低的不足。根据钜大 锂电数据，目前行业内圆柱形电池的模组成组效率约为 87%，系统成组约为 65%， 而方形电池则分别为 89%和 70%，圆柱电池成组效率较低。圆柱电池直径变大 后，动力电池支架板和

8、集流片的孔径变大，相应重量减轻，此外，动力电池包中 电芯数量的减少可以减少结构件用量，在提高电池能量密度的同时提高成组效率。圆柱路线对车企的 BMS 技术要求较高，大圆柱路线可降低 BMS 控制难度。单 体圆柱电芯容量小，要达到一定的动力性能，需要的电芯数量众多。一款 75KWh 的电动车动力电池组大约需要 7000 个 18650 电池，即使是 21700 电池也需要 4400 个，对 BMS 提出极高要求，对于在 BMS 领域积累薄弱的车企来说难度较 大，而换成 46800 电池仅需要 950 个电池，所需电池数量显著减少，从而降低 BMS 控制难度。因此，大圆柱路线可降低车企对中游电池企

9、业的技术依赖程度。46800 电池无极耳设计缩短电子传输路径，从而降低电池内阻。极耳是从电芯 中将正负极引出来的金属导电体，是电池在进行充放电时的接触点。传统圆柱电 池通过单极耳来实现电流收集，由于电阻的存在，电池在充放电的过程中，特别是大电流充放电的过程中会产生显著的欧姆热，引起电池温度的升高，随着电芯 尺寸的变大，卷绕长度更长，会加剧内部电流和温度分布的不均匀性，在极耳处 产生局部高温。为降低电池内阻，减少充放电过程中欧姆热，特斯拉对 46800 大圆柱电池采用无极耳技术，即整个集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳， 因此无极耳技术也称全极耳技术。无极耳技术将电子的传输路径从沿极耳到集流

10、 盘的横向传输变为集流体纵向传输，将电子传输路径平均长度从铜箔长度 （21700 电池铜箔长度约 1000mm）降低到电池高度（80mm），从而将电池内 阻降低一个数量级。大圆柱无极耳电池设计保证了电池充电效率。英国帝国理工大学的 Shen Li 等人 通过模拟仿真对单极耳电池和无极耳电池进行充放电过程发热对比，计算得到无 极耳设计能够有效的降低局部的电流密度，且产热速率要比单极耳电池低两个数 量级。研究表明无极耳设计可以减少大圆柱电池在充电过程中的产生的热效应， 从而保证大圆柱电池的一致性、安全性和充电效率。受益于大圆柱电池内阻小、一致性高，大圆柱电池和高能量密度材料及高电压 快充系统适配度

11、高。为解决消费者“里程焦虑”问题，大部分厂商通过增加电池 容量提升续航里程、增加充电速度减少充电时间这两种方式解决该问题。为增加 电池容量，需使用能量密度更高的高镍正极材料和硅碳负极材料；为减少充电时 间，需要提高电动车充电功率，即通过提高充电电流或提高充电电压来增加充电 速度，而在功率相同的情况下，提高电压可以减少线路电流，从而减少能量损失。 由于高能量密度材料和快充都容易在充电时产生析锂、膨胀等副反应，因此一般 情况下高能量密度材料和快充系统不能兼容。目前电动汽车普遍使用的是 400V 电压系统，由于单个锂离子电池电压只有 34V，因此需要 100 个左右电池串联 才能达到 400V 电压

12、要求，而 800V 高电压快充系统则需要 200 个左右电池串联， 800V 高电压快充系统对电池一致性提出了更高的要求。由于大圆柱电池具有内 阻小的特点，同时兼具圆柱电池自身一致性高、对高能量密度材料兼容的优点， 因此大圆柱电池可以兼容高能量密度材料和高电压快充系统。2、 电池环节：电池厂商布局大圆柱电池，大圆柱多重优势助力圆柱份额提升2.1、 动力电池行业集中度高，国内外技术路线布局有所差异动力电池行业集中度有所提升，2021 年中日韩企业市占率超过 90%。根据 SNE Research 和起点研究统计，动力电池行业 CR3 由 2017 年的 45.9%提升至 2021 年的 65.1

13、%，CR5 由 2017 年的 58.3%提升至 2021 年的 79.5%，行业集中度大 幅提升。2021 年全球动力电池企业装机量前 10 名均为中日韩企业，占整体装 机量的 91.2%，中国、日本、韩国企业数量分别为 6 家、1 家和 3 家。国内外电池厂商对圆柱、方形、软包三种技术路线布局有所差异。日本企业以 圆柱路线为主，1998 年松下生产的 18650 圆柱电池已经批量装配在世界多个品 牌的笔记本电脑里，由于松下对圆柱电池的技术积累较多，松下与特斯拉合作， 共同开创了圆柱形锂电池应用在纯电动汽车上的时代。韩国企业 LG 化学和 SKI 以软包路线为主，LG 化学依靠在消费类电子的

14、软包电池领域的积累，将软包电 池应用到电动汽车上，软包电池由于其体积和形状的灵活多变性，尤其受到插电 式混合动力车的偏爱。国内企业在刚起步时，考虑到日本和韩国分别在圆柱和软 包电池的技术积累，且圆柱电池非常考验车企电池管理水平，软包电池的铝塑膜 国产化率低，因此以宁德时代和比亚迪为首的国内企业以方形路线为主。2017 年至 2020 年，国内圆柱电池市场份额大幅下降，海外市场份额略有下降。 从国内市场看，2017 年后受补贴退坡影响，初期配套圆柱电池的短续航低端车 型无法得到补贴，圆柱电池市场份额从 2017年的27.2%下降至 2020年的 9.7%， 其市场份额主要被方形电池所取代，在此期

15、间，以圆柱路线为主的比克、沃特玛 等企业破产倒闭。从全球市场看，受欧洲新能源车渗透率快速提升的影响，海外 软包电池出货量增加，挤占一定圆柱电池市场份额，圆柱电池市场份额从 2018 年的 29%下降至 2020 年的 23 %。电池企业加速布局 46800，大圆柱电池产能即将放量。为满足大圆柱电池需求 量，除特斯拉自己的电池工厂布局 46800 外，国内外电池厂商也加速扩产布局 46800：海外企业松下和 LG 化学正在进行产品设计与研发以期达到特斯拉的要 求；国内电池企业亿纬锂能、宁德时代、比克等也在积极布局相关技术。目前来 看，仅有特斯拉电池工厂和松下可以在 2022 年逐步量产大圆柱电池

16、，亿纬锂能 和 LG 化学计划于 2023 年实现量产。46800 大圆柱电池的放量有望成为圆柱份额提升的重要支撑。根据特斯拉电池 日官方材料，如果未来 46800 电池成功量产，从 21700 电池升级到 46800 电池 可以降低 14%的单位生产成本，缩小三元电池和磷酸铁锂电池之间的成本差距， 大圆柱电池将凭借高性价比，对现有电池结构体系产生影响。未来在大圆柱电池 持续技术优化的背景下，我们预计 2025 年圆柱动力电池全球占比有望达到 27%， 圆柱动力电池需求量将达 318.2 GWh。3、 材料环节：大圆柱电池需求增加，有望提升高能 量密度材料应用潜力3.1、 高镍正极：圆柱大型化

17、趋势下迎高镍扩产高峰， 一体化布局铸就高镍正极材料龙头3.1.1、 高镍材料能量密度优势明显，里程需求驱动 NCM811 占比提升正极材料是锂离子电池的重要组成部分，决定整个电池的性能，其成本约占电池 的 30%-40%。目前常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料。 三元材料一般为镍钴锰酸锂（NCM），由于镍、钴、锰元素均在元素周期表第四 周期的相邻位置，离子态的化学性质及半径相似，能够按照任意比例形成固溶体， 因此可以通过调整材料中镍钴锰元素的比例来选择性的放大材料某方面的优点， 来满足不同电池性能要求：（1）镍元素：充放电过程中的氧化还原反应主要依靠镍元素的变价，因此正极 材料

18、中镍元素的含量决定了电池的能量密度，但是过高的镍元素比例又会导致严 重的阳离子混排现象（指在放电时锂离子大量脱出的时候，受到外界因素作用， 二阶 Ni 离子占据 Li 离子晶格中位置的现象），影响材料性能；（2）钴元素：钴元素能够抑制阳离子混排，稳定层状结构，起到提升电导率降 低阻抗的作用，但是钴元素存在价格昂贵等问题；（3）锰元素：锰有良好的电化学惰性，使材料始终保持稳定的结构，并且廉价 的锰也能够起到降低电池成本的作用，但锰含量过高会对层状结构产生一定破坏。在三元正极材料中，行业主流的 NCM 型号包括 523、622 和 811 三种型号，高 镍正极通常指镍相对含量在 0.6 以上的材料

19、型号。随着镍含量的升高、钴含量的 降低，三元材料的能量密度逐渐提高，但材料的容量保持率和热稳定性都会降 低，氧气析出现象会更加明显。目前，正极材料厂家主要通过离子掺杂和表面包 覆来对高镍三元材料进行改性，从而改善高镍 NCM 和 NCA 的性能：（1）离子掺杂：高镍三元材料的离子掺杂一般选择离子半径相近的离子进行掺 杂，分布在晶格内的掺杂元素起到支撑柱的作用，从而降低了循环过程中晶格体 积缩小的风险，因此通过引入离子可以稳定层状结构，改善材料的电化学性能， 尤其是热稳定性；（2）表面包覆：表面包覆可以抑制材料在充放电过程中晶型的转变和过渡金属 的溶解，改变材料表面化学特性从而提高其电化学性能，

20、避免或者减少电解液与 正极材料的直接接触，防止电极过渡金属的溶解；同时，包覆层作为导电介质可 以促进颗粒表面的 Li 离子扩散，从而改善容量保持性能、倍率性能和热稳定性； 此外，高镍 NCM 正极材料存储条件要求较高，当高镍三元材料暴露于潮湿环境 中时，材料表面容易吸收空气中的水和二氧化碳，生成 LiOH 和 Li2CO3等杂质， 严重影响其电化学性能，包覆改性可以在大规模生产时减少正极材料与空气的接 触，延长存储寿命；常用的表面包覆剂有氧化物、磷酸盐、锂盐和导电材料等。里程需求驱动高镍材料占比持续提升。为解决消费者“里程焦虑”问题，厂商通 过增加电池容量提升续航里程，高镍三元材料具有能量密度

21、高的特点，具备续航 里程优势，高镍正极在三元材料中的占比快速提升。根据 GGII 数据，国内 NCM811 在三元材料中的占比从 2018 年的 11.5%提升至 2020 年的 24%。根据 鑫椤资讯数据，2021 年 8 月国内 NCM811 渗透率达到 41%，随着 2021Q4 头 部企业高镍产能的释放，鑫椤资讯预计 2021 年我国高镍材料（NCM811 和 NCA） 的渗透率有望达到 40%。2021 年 11 月 18 日国家工信部发布锂离子电池行业规范条件（2021年本）（征求意见稿），规范要求三元材料比容量175Ah/kg， 5 系和 6 系 NCM 三元材料比容量不满足规范

22、要求，而 8 系 NCM 和 NCA 高镍 三元材料满足此要求，国家政策规范有利于高镍材料占比的进一步提升。3.1.2、 高镍三元与圆柱电池优缺点互补，高镍大圆柱电池优势明显锂电池的热失控主要是由电池内部温度上升导致。电池产热是电池工作过程中的 必然产物，若电池的产热速度比热释放即热扩散速度要快，则会引起电池内部温 度上升。电池过充、隔膜缺陷导致的短路和外部冲击导致的短路等均会产生大量 的热，使电池温度上升。当这些热量不能及时疏散，便会加剧反应的进行，并引 发一连串的自加热副反应，正极材料副反应会加剧热量释放并产生氧气，电池温 度急剧升高，发生热失控，最终导致电池的燃烧，严重时甚至发生爆炸。随

23、着三元材料中镍含量的增加，电池热失控风险增加。研究结果显示，NCM811 的热失控起始温度为 163.0C，比 NCM622 的热失控起始温度低 22.5C，且 在 150-200C 的温度范围内，NCM811 的升温速率远高于 NCM622。此外， 在 100% SOC 情况下 NCM811 在放热峰处的放热量是 NCM622 的三倍。研究 表明，高镍材料的热稳定性更差，高镍材料可以在相对更低的温度下引起热失控， 且热失控时放热量更高，这将导致电池热失控风险增加。充电过程中，电池一致性低将导致过充电，从而引起热失控。在电池充电至特 定 SOC 过程中，电池的不一致性会导致充电前 SOC 不同

24、，具有高初始 SOC 的 电池在充电过程中会被过度充电。过度充电首先会导致正极界面处的电解质分解， 导致电池温度缓慢增加，随后过量的 Li 离子从正极脱嵌，导致正极材料不稳定 并产生氧气，过量的 Li 离子沉积在负极上形成锂枝晶，锂枝晶逐渐生长并刺破 隔膜导致电源短路发热，引发热失控和安全事故。受益于圆柱电池热失控传播阻断特性和产品一致性高，大圆柱电池与高镍三元 正极材料适配性高。圆柱型电池采用相当成熟的卷绕工艺，自动化程度高，且产 品一致性高。圆柱形特有的弧形表面使其在充分接触时仍存在较大间隙，可以在 一定程度上抑制了电池之间热量传递。因此，圆柱电池在一致性和散热性能方面均优于方形电池和软包

25、电池，圆柱电池在应对热失控方面具有优势，将高镍三元 材料应用在圆柱电池可以弥补高镍三元材料热稳定差的缺陷。此外，大圆柱电池 特有的无极耳设计可以减少大圆柱电池在充电过程中的产生的热效应，进一步避 免高镍三元锂电池热失控的发生。高镍三元材料应用在大圆柱电池中可以充分 发挥两者的优势，高镍三元材料的高能量密度可以弥补圆柱电池成组效率低导 致的比容量低的缺点，大圆柱电池的高一致性和热失控传播阻断特性可以弥补 高镍三元材料热稳定性差的缺点。3.1.3、 大圆柱放量提升高镍材料需求，三元前驱体和正极材料龙头企业受益大圆柱电池放量将提升对高镍材料的需求，2025 年大圆柱电池对高镍正极的需 求量将达到 2

26、6.1 万吨。特斯拉自 2012 年起采用松下的 NCA 电池，此后电池正 极镍含量不断提升，目前松下 21700 电池正极镍含量达到 80%。2021 年 7 月， 特斯拉首次使用 LG 化学生产的新型 NCMA 电池，该电池正极镍含量已提升至 90%。对大圆柱电池对高镍三元正极需求影响进行测算，参照 21700 对 18650 的替代速度，假设 2022 年圆柱电池以 21700 为主，2023 年以后 46800 逐步替 代 21700，预计 2025 年大圆柱电池渗透率达到 54.7%。假设大圆柱电池均采用 NCM8 系、NCM9 系或 NCA、NCMA 等高镍正极，则 2025 年大

27、圆柱电池对高 镍正极的需求量将达到 26.1 万吨，是 2020 年全球高镍正极需求量的近 3 倍。 在 2025 年高镍电池三元正极需求量中，有近 45%的高镍正极将用于大圆柱电池， 大圆柱电池放量将大幅提升高镍材料需求。三元前驱体：高镍化利好一体化布局前驱体企业三元正极材料产业链涉及环节较多，产业链结构较为复杂。NCM 三元产业链上 游主要为镍、钴、锰、锂与其他辅料供应商，中游为前驱体与三元正极材料制造 商，下游为锂电池生产厂商以及应用层面的电动汽车、3C、储能等领域。其中， 前驱体环节是正极材料产业链的关键环节，以 NCM811 三元正极材料为例，前 驱体占据正极总成本的 60%左右。三

28、元前驱体是镍钴锰/铝氢氧化物，通过与锂 源（高镍正极材料一般采用氢氧化锂；低镍、中镍正极材料一般采用碳酸锂）混 合后烧结制成三元正极。三元前驱体的上游产业链条较长，以镍资源为例，从最 前端的原生矿（硫化矿、红土镍矿）经冶炼加工成为镍中间品（高冰镍、MHP、 MSP）再到硫酸镍，最后加工为前驱体。国内三元前驱体行业集中度较高，2020 年 CR5 达到 65%。在全球动力电池市 场需求持续旺盛的背景下，三元正极需求增加，带动三元前驱体行业不断扩张， 据鑫椤资讯统计，2021年国内三元前驱体总产量为62.06万吨，同比增长82.3%。 目前国内三元前驱体行业集中度较高，据 GGII 统计，2020

29、 年国内三元前驱体 市场份额前五分别是中伟股份、邦普、格林美、华友钴业和佳纳能源，市占率分 别为 21.8%、15.5%、12.1%、11.2%和 4.5%。随着正极高镍化，镍在三元前驱体成本中占比提升，将利好一体化布局的三元 前驱体企业。从前驱体成本结构看，硫酸钴、硫酸镍等硫酸盐原材料成本占比较 高，以华友钴业生产的三元前驱体为例，硫酸盐原材料成本占比达 87%。随着 正极镍含量的增加，单吨前驱体硫酸镍使用量增多，硫酸镍的成本占比将提高。 在高镍化趋势下对上游镍资源的需求将增大，导致镍供应紧张，价格大幅度上涨。 根据鑫椤资讯，截至 2022 年 3 月 23 日国产电池级硫酸镍价格为 4.8

30、5 万元/ 吨，较 2021 年年初的 2.95 万元/吨上涨 64.4%，硫酸镍的成本占比提升和镍源 价格的提升使得前驱体企业对于一体化的意愿得以强化。通过一体化布局产业链 上游冶炼业务，将上游硫酸镍等原材料供应纳入生产环节，能够充分发挥产业链 协同效应，保证材料稳定供应和品质保障，以更低成本获取原材料并提升三元前驱体材料性能，进而增强企业的成本优势和盈利能力。目前，前驱体龙头企业中 伟股份、邦普、格林美和华友钴业均布局了镍冶炼产能，一体化布局将强化龙头 企业成本优势，行业集中度有望提升。三元正极材料：高镍化提高技术壁垒，具有技术储备的正极企业具备发展潜力我国三元正极材料市场格局相对分散，高

31、镍化有望促使行业集中度提升。由于 我国动力电池领域处于需求快速增长阶段，三元正极材料企业扩产较强，竞争较 为激烈，导致行业相对分散。根据鑫椤资讯统计，2021 年我国三元正极市场 CR5 为 53%，5 家头部企业的市占率均在 10%左右，没有出现绝对领先的龙头企业。 随着三元正极向高镍化发展，由于高镍材料的技术壁垒较高，三元正极行业出现 明显的集中趋势，2020 年 1-10 月国内高镍正极材料市场的 CR2 和 CR5 分别为 56%和 84%，高镍三元正极材料市场龙头优势明显。高镍三元正极加工难度大，技术壁垒高。三元正极以三次烧结工艺为主，由三元 前驱体和氢氧化锂混合后烧结制成。相对于

32、NCM523 等常规三元正极材料，高 镍三元正极材料的制备工序相对更为复杂，对设备要求更高，且技术难度更大：（1）混合工序难点：由于氢氧化锂与高镍三元前驱体的粒度和密度大小差异较 大，因此实现固相均匀混合难度较大；此外，氢氧化锂含有结晶水，在混合过程 中摩擦放热造成氢氧化锂脱水，部分氢氧化锂会生产团聚，影响混合效果；传统 高混机在使用前驱体与氢氧化锂混合时，无法将氢氧化锂分散混合均匀，提高转 速又容易破坏三元前驱体颗粒，因此，高镍三元生产过程中对混合机要求较高；（2）烧结工序难点：由于高镍三元材料中的二价镍难以氧化成三价镍，必须在 纯氧气氛中高温合成，因此窑炉材质必须耐氧气腐蚀；此外，高镍材料

33、使用氢氧 化锂做锂源进行高温合成，氢氧化锂容易挥发且碱性很强，需要窑炉材质有较强 的耐碱腐蚀性；（3）水洗工序难点：高镍三元材料的表面残碱含量过高，会给材料电化学性能 带来许多负面影响，国内厂家普遍采用水洗和在较低的温度二次烧结工艺来降低 高镍正极表面残碱含量；由于高镍三元材料表面对湿度敏感，因此水洗过程中固 液比、水洗时间、搅拌强度、过滤时间与干燥过程均很难控制，如果处理不好， 之后的三元材料容量与循环性能明显下降而达不到动力电池的使用要求。龙头企业扩产加速，高镍化有望助力具备技术储备的企业进一步提高市占率。 由于高镍三元正极材料对前驱体制备、烧结工艺和过程控制以及生产环境的要求 苛刻，因此

34、正极材料企业除了对于持续研发能力要求很高以外，对核心生产设备 的各项性能和产线设计的细节要求同样较高，因此对于新进入者而言，无论是材 料的配方设计还是关键设备的选型或工艺细节设计均构成较大的挑战。此外，由 于高镍三元正极材料对安全性能的苛刻要求，高镍三元正极材料厂商需要满足的 客户认证要求远高于普通三元正极材料，高镍三元正极产品具有较高的客户粘性。 在高镍正极需求大幅增加的背景下，具有量产能力且通过客户认证的容百科技、 天津巴莫、当升科技、振华新材加速扩产高镍正极，预期 2023 年国内高镍正极 产能突破 50 万吨，较 2020 年年末产能提升近 370%，三元正极行业集中度有 望进一步提升

35、。3.2、 硅基负极：硅基负极需求向上，商业化进程有望加速3.2.1、 石墨负极接近理论比容上限，高比容硅材料备受关注目前负极材料以石墨为主。锂离子在正极和负极之间的穿梭形成了锂离子电池作 为电源工作的基础。因此，负极的锂离子插入能力是决定锂离子电池性能的主要 因素，其脱嵌锂电压和比容量对电池能量密度影响较大。目前商业化的负极材料 主要碳基材料（天然石墨、人造石墨和无定形碳）、硅基材料和钛酸锂。其中石 墨材料由于其具有导电性能好、体积膨胀小、循环稳定性好等优点，用途最为广 泛：人造石墨主要用于大容量的车用动力电池和倍率电池以及中高端电子产品锂 离子电池；天然石墨主要用于小型锂离子电池和中低端电

36、子产品锂离子电池。目 前动力电池负极材料以石墨为主，据 GGII 统计，2021H1 人造石墨和天然石墨 负极出货量占比分别为 85%和 14%，石墨负极出货占比达到 99%。石墨材料负极接近理论比容量上限。目前高端石墨负极材料比容量已达到 360-365mAh/g，接近其理论比容量最大值 372mAh/g。随着新能源汽车对续航 能力要求的不断提高，为进一步提升电池能量密度，需要开发出具有更高比容量 的负极材料，具有高比容量的硅元素受到研究人员的关注。硅材料理论比容量是石墨材料的十余倍，受限于体积膨胀率高和 SEI层不稳定， 硅基负极商业化程度低。硅在自然界分布很广，在地壳中占比约 26.3%

37、，仅次 于氧。锂离子嵌入过程中形成硅锂合金 Li22Si5 相，对应的理论容量是天然石墨 的十多倍，同时硅的电压平台为 0.4 V 左右，在充电过程中不存在析锂隐患，大 大提高了锂离子电池的安全使用性能。虽然硅材料具有极高的理论比容量、储量 丰富等诸多优势，但是硅材料作为锂离子电池负极材料在嵌锂过程中所面临的体 积膨胀引起的材料粉化、SEI 层反复再生、导电性较差等问题严重阻碍了硅负极 材料的商业化应用：（1）材料粉化与电极破坏：硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀效应，嵌 锂生成 Li-Si 合金的体积膨胀率高达 320%，这种不断收缩膨胀会造成硅负极材 料产生裂纹直至粉化，破坏电极材料与集

38、流体的接触性，使得活性材料从极片上 脱离，引起电池容量的快速衰减；其次，膨胀在电池内部会产生很大的应力，对 极片形成挤压，随着多次循环，极片存在断裂的风险，且这种应力还可能造成电 池内部孔隙率的降低，减少锂离子移动通道，造成锂金属的析出，影响电池安全 性；（2）不稳定的 SEI 层：嵌锂过程中，电解质会发生分解并沉积在硅表面形成 SEI 膜，由于脱嵌锂过程中硅体积的持续变化，暴露在电解液中新的硅表面 SEI 膜厚度持续增加，持续生长的 SEI 膜会不断地消耗来自正极的锂和电解液，最 终导致电池的内阻增加和容量的迅速衰减；（3）导电性较差: 硅的导电性能较差，在高倍率下不利于电池容量的有效释放。

39、厂家通过预锂化技术、纳米化技术和复合材料技术来提升硅基负极的电化学性 能，以加速硅基负极的商业化进程：（1）预锂化技术：运用预锂化技术能有效补偿硅负极在首次循环过程中由于 SEI层不稳定导致的活性锂损失，提高电池的首次库伦效率、能量密度以及循环寿命； 稳定金属锂粉（SLMP）是一种在商业生产中应用最广泛的预锂化试剂；（2）纳米化技术：纳米材料表面的原子也具有更高的平均结合能，因此，纳米 材料可以在体积膨胀过程中更好地释放应力，硅颗粒的纳米化可以有效缓解硅脱 嵌锂过程中的体积膨胀；但是其较大的比表面积会加剧硅表面 SEI 层的形成， 且细小的纳米颗粒容易发生团聚而加快容量的衰减，故通常引入碳材料

40、，设计出 低维化的纳米硅管硅碳复合材料；（3）硅碳复合技术：通过在硅颗粒表面包覆碳材料可以有效缓冲循环过程中的 体积膨胀，此外碳可以增加颗粒的导电性，碳的多孔结构有利于锂离子和电子在 硅颗粒和电解液之间的快速传输；（4）氧化亚硅复合材料：氧化亚硅在首次循环过程中与锂离子反应生成 Li4SiO4、 Li2O 以及纳米硅颗粒，Li4SiO4和 Li2O 可以有效地缓解硅颗粒的体积效应。特斯拉全新生硅材料有望促进硅基负极推广。特斯拉在电池日公布全新生硅负 极，通过增加高弹性的离子聚合物涂层以重新稳定硅材料表面结构，提升电池的 稳定性和安全性。生硅负极可以提高电池 20%的续航里程，并推动电池成本降

41、低 5%。生硅负极技术有望将制造成本降至 1.2 美元/kWh，成本大幅度降低有望 促进硅基负极的推广。3.2.2、 硅基负极适配大圆柱电池，硅基负极规模商业化进程加速目前商业化硅基负极主要应用于圆柱电池，大圆柱电池放量将提升硅基负极需 求量。纳米硅碳和氧化亚硅是目前商业化程度最高的两种硅基负极材料，硅基负 极材料是按一定比例（5%-10%）掺杂在石墨中进行应用。由于方形电池和软包 电池对膨胀非常敏感，因此硅基材料仍难以应用在这两类电池上，目前硅基负极 主要应用在结构体本身强度更高的圆柱钢壳电池上。特斯拉通过在人造石墨中加 入硅基材料，已在部分车型上采用硅碳负极作为动力电池新材料，未来随着特斯

42、 拉大圆柱电池放量，硅基负极需求量将大幅度提升。较石墨负极材料而言，硅基负极材料的制备工艺复杂，拥有较高技术门槛。硅 碳负极材料是将纳米硅与基体材料通过造粒工艺形成前驱体，然后经表面处理、 烧结、粉碎、筛分、除磁等工序制备而成的负极材料；硅氧负极材料是将纯硅和 二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧负极材料前驱体，然后经粉碎、分级、表面处 理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成的负极材料。为确保产品具备高一致性、 高安全性、高循环性和低膨胀性，大规模生产存在一定困难，且各家工艺均不同， 目前没有标准化工艺。当前采用较普遍的制备方法主要有化学气相沉积法、溶胶 凝胶法、高温热解法、机械球磨法。高难度的生产工艺

43、和产品批量制备能力是进 入硅基负极材料领域的主要门槛。国内企业加速布局硅基负极，规模商业化进程加速。硅基负极在日本起步较早， 该材料在日本已经得到批量使用，日本松下公司发布的 NCR18650C 型电池的 容量高达 4000mAh/g，并于 2013 年量产，此外日立、信越、三菱均已实现硅 碳负极的量产。目前，国内仅有少部分企业实现了量产，大部分仍然处于中试或 者实验阶段。研发或生产硅基负极的企业主要有：负极企业如杉杉股份、璞泰来、 凯金能源等；校企合作的团队如天目先导、新安股份等；跨界进入负极领域的企 业如国轩高科（电池企业）、石大胜华（电解液企业）、硅宝科技（化工材料企业） 等。3.3、

44、LiFSI：大圆柱带动 LiFSI 需求提升，国内企业 大规模布局加速3.3.1、 LiFSI 性能优势明显，高镍化助力提升 LiFSI 需求电解液是锂电池四大关键材料之一， 其主要成分为有机溶剂、电解质锂盐和添 加剂。锂盐是电解液的关键部分，锂盐的选择对电池的容量、能量密度、功率密 度、工作温度、循环性能及安全性能均有较大影响，因此优质锂盐需要具备高离 子导电性、高溶解度、低结晶点、高稳定性、SEI 成膜能力、强抗水解能力和对 铝箔钝化等特质：（1）高离子导电性：高电导率的电解液可迅速传导锂离子，提高充放电效率； 由于锂盐在溶液中溶解伴随着锂盐中阴阳离子的解离, 形成溶剂化的溶液结构， 因此

45、低解离能保证锂盐溶解后形成的电解液具有较高的电导率, 进而实现电池 的高倍率；（2）高溶解度：高溶解度保证电解液中具备足够的锂离子进行传输；（3）低结晶点：低结晶点可以避免锂盐在电池工作的温度范围内发生结晶析出， 可以避免电解液电导率骤降的风险，从而保证电池在低温环境下可以正常工作；（4）高稳定性：锂盐应具有较好的热稳定性、化学稳定性和电化学稳定性，当 电池在高压、高温下工作时, 锂盐不会与其他组分发生反应（形成 SEI 层过程除 外）；（5）具有SEI成膜能力：电极表面在首圈循环后会形成一层固态电解质膜（SEI）， 这层钝化膜能够允许锂离子而阻挡电子通过, 并阻止电解液的连续消耗, 对电池

46、循环稳定性具有重要意义，因此良好的 SEI 成膜性能可保证后续循环过程中电 解液不会被持续消耗；电解液中锂盐和添加剂成分均会影响 SEI 层的性能和稳 定性；（6）强抗水解能力：有些锂盐的阴离子与水接触会后会发生水解（尤其是在高 温和高电压情况下），形成 HF，这会严重影响电池的寿命，同时增加锂盐制备、 储存和处理的额外成本；（7）对铝箔钝化：锂盐需对铝箔集流体具有良好的钝化作用，防止高电压下电 解液腐蚀铝箔。性能稳定的六氟磷酸锂 LiPF6是目前主流的溶质锂盐，但是存在遇热易分解、抗 水解性查、低温易结晶等缺点，其在高温、低温、潮湿等环境中表现不佳。LiPF6 的化学性质不稳定，对温度和水分

47、敏感，在高温和潮湿环境下易发生分解，产生 有危险性的 HF，严重影响电池寿命。在低温环境下，LiPF6 易产生结晶，导致电 解液电导率下降。随着电池正极镍含量的增加，材料热稳定性和安全性降低，高镍电池对电解液 匹配性提出更高要求。由于镍离子具有较高的催化活性，随着正极镍含量的增加， 正极材料中镍将催化电解液氧化分解；此外电解液中的痕量水会与 LiPF6 反应， 生成具有酸性物质的 HF，侵蚀电池正极，导致过渡金属的溶解，使过渡金属离 子溶出，溶出的过渡金属离子会聚集在隔膜空隙和负极表面，阻碍锂离子的传输 和劣化负极侧的界面 SEI 层结构，甚至导致电解液在负极表面持续分解，影响 电池的正常工作

48、；由于高镍材料热稳定较差，高温会加剧过渡金属的溶解，进一 步恶化电池状态。为保证高镍正极电池的正常工作和安全性，采用高安全性、高 能量密度的电解液替代普通电解液是未来的重要趋势。相比于 LiPF6，双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）具有电导率高、抗水解能力强和热稳 定性好等优点，更适用于高镍电池：（1）电导率高：LiFSI 分子中的氟原子具有强吸电子性, 能使 N 上的负电荷离 域，离子缔合配对作用较弱，使 Li 离子更容易解离, 因而 LiFSI 具有较高的电导 率；（2）抗水解能力强：通过对 LiPF6 和 LiFSI 进行水解测试，结果显示测试期间 LiFSI 溶液中的水含量和 HF 浓度几乎

49、保持不变，而 LiPF6溶液中的水在第 9 天 就被全部耗尽，HF 浓度大幅增加，这表明 FSI-阴离子具有更好的抗水解性能；（3）热稳定性好：研究显示 25环境中使用 LiPF6 作为锂盐的电解液和使用 LiFSI 作为锂盐的电解液具有一致的电池循环性能，但在 60高温环境中，LiPF6 电池的容量只有 LiFSI 电池的一半，表明 LiFSI 具有更好的热稳定性，添加 LiFSI 的电池在高温下性能更好。虽然 LiFSI 对铝箔具有一定的腐蚀作用，但目前可以通过加入少量添加剂但如含 氟钝化铝箔添加剂等来解决。此外，LiFSI 拥有更低的结晶点，使其在低温下不 易发生结晶析出，从而避免电解液电导率骤降的风险，保证电池在低温环境下可 以正常工作。因此，LiFSI 与 LiPF6 相比能够显著改善新能源电池的使用寿命， 提升新能源汽车在夏季和冬季的续航里程与充