磷酸铁锂行业发展分析(二)(下)

 2021-06-26 06:05:45 fx123 淡然

无论是性价比较高的磷酸铁锂电池还是高能量密度的三元电池,正极的成本占比都是四大材料中最高的。在磷酸铁锂电芯中,正极成本占比约29%;而在三元电芯中,正极成本占比约55%。

(二)三元锂电池与磷酸铁锂电池对比分析
下图中,左图为三元锂电池右图为磷酸铁锂电池的原材料构成,从图中可以看出正极材料在锂离子电池中成本占比高,其选择对于锂离子电池总成本影响大。无论是性价比较高的磷酸铁锂电池还是高能量密度的三元电池,正极的成本占比都是四大材料中最高的。在磷酸铁锂电芯中,正极成本占比约29%;而在三元电芯中,正极成本占比约55%。正极材料的选择对于锂离子电池的总成本影响巨大。

和三元相比,磷酸铁锂在正极层面可以降本约2/3;在考虑无钴且三元价格下降至10万/吨的极限测算下,磷酸铁锂的使用成本仍然显著优于三元,在正极和电芯层面有50%和20%以上的降本优势,并且由于不含钴镍等贵重金属,磷酸铁锂价格波动远小于三元,利于成本管控,下表是关于高镍三元和磷酸铁锂电芯原材料成本测算。

从材料层面看,无论是按体积还是按重量,高镍三元高能量密度的优势均十分显著。磷酸铁锂材料的克容量已经接近极限,并且由于磷酸铁锂材料自身的电导率较差,需做成纳米材料并且进行碳包覆,也限制了其压实密度的提升。而三元材料更高的克容量和电压平台对应了更低的正极材料单位用量,加上三元材料的压实密度更高,也对应了更小的体积。在三元材料中,高镍三元由于更高的能量密度,优势更加明显。

电池层面,高镍三元高能量密度的优势也十分显著,长期也将领先于磷酸铁锂。从电芯层面看,三元由于其更高能量密度,对于电解液、隔膜、负极等其他材料的用量也会稍有减少,能量密度优势将会放大。从电池包以及结构层面看,磷酸铁锂由于其成熟稳定性,在“刀片”“CTP”等结构创新和成组效率上占据优势,但是随着三元尤其是高镍三元的技术发展成熟稳定,也有提升空间,差距会缩小。宁德时代的“CTP”技术可以将磷酸铁锂电池能量密度提升至160Wh/kg以上,用在三元上则可以提升至200Wh/kg。

由于三元锂电池与磷酸铁锂电池的性价比及特性,使这两种电池未来发展侧重会有所不同,三元锂电池会侧重于动力电池,在对里程需求较大的领域会发挥较大的作用,而对于能力按密度较低,安全性较高的领域如储能、公共乘用车等领域磷酸铁锂可能更具优势。在新能源车中,总体来看,高中低端乘用车对于各项指标的敏感度不一,高镍三元和磷酸铁锂将实现分级消费。

(三)技术对比
1、三元锂电池

镍三元材料在前驱体制备、正极材料烧结、生产环境和生产工艺方面要求相比常规正极材料要更为苛刻。高镍三元正极材料由于氧化性较强,需要掺杂包覆做产品改性才能使用,掺杂包覆元素的选择以及分布的均匀性,依赖生产厂商的技术工艺及生产设备。在原材料方面,对于常规三元正极材料,由于碳酸锂成本普遍低于氢氧化锂,大部分厂商均采用碳酸锂作为锂源材料。高镍三元材料需要更高的能量密度、更好的充放电性能,普遍采用氢氧化锂作为锂源材料。在生产设备方面,高镍三元材料尤其容易产生金属离子混排问题,因而需要在纯氧环境中生产,所以高镍产品的烧结需要氧气炉,而常规三元只需使用空气炉。在生产环境方面,高镍三元材料对于湿度要求更高,一般需要专用除湿、通风设备。在磁性物控制方面,高镍三元材料也有更高要求,往往需要对厂房进行特定改造。由于生产工艺及生产环境的要求显著提升,窑炉的多温区温度控制精度、氧氛烧结对设备的密闭性要求均显著高于NCM523 等常规产品,高品质、高一致性的高镍正极材料量产难度较大,产品整体合格率较低,下图为常规和高镍正极材料生产流程及区别。

在未来动力电池的发展进程中,在保证安全性的基础上不断提升能量密度是必然的发展趋势,三元高镍化就是其中最主要的技术路线。三元材料中三种元素的不同配置将带来不同的性能,常见配比有镍钴锰NCM111、523、622、811等。镍含量上升能够提高材料容量但会降低循环性能和稳定性,钴含量上升可以抑制相变并提高倍率性能,锰含量上升有利于提高结构稳定性,但会降低容量。另有镍钴铝NCA,常见配比为8:1.5:0.5, 以铝代替锰,是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性,离子掺杂可以增强材料的稳定性,提高材料的循环性能。镍含量越高,材料的克容量越高,对应的电池模组能量密度也越高,但相应的工艺难度也越大,安全性挑战也越高。因此找到三种材料的比例关系以达到综合性能最优化,是三元材料研发的重点。

国内真正能够实现高镍三元材料批量出货的企业并不多,出货量较高的企业主要为容百、巴莫、贝特瑞以及邦普。其中容百高镍产量占比70%左右,处于高镍三元行业龙头地位,巴莫、贝特瑞与邦普则处于行业第二梯队,当升科技、长远锂科、杉杉股份、振华新材等企业距离TOP4都有一定的差距,处于行业第三梯队。就当前国内高镍三元材料的供货格局来看,2020年国内第一、二梯队的高镍三元材料有望继续扩大其出货规模,从而跻身全球一流高镍三元材料生产商地位,而对于第三梯队的企业而言,如何正确的把握客户需求,生产出差异化的产品,将成为未来公司发展的重要目标。

2、磷酸铁锂
磷酸铁锂的规模化的生产工艺可以分为固相法与液相法两类。固相法与液相法各有优劣。固相法的主要优势在于工艺步骤简单,且产品压实密度较高;但烧结温度较高,能耗较高,且由于原材料是固态研磨混合,产品的均匀性和一致性相对较差。而液相法在溶液中进行原材料分子级别的混合,产品均匀一致性好,批次稳定性好;但工艺过程较复杂,较难控制。国内磷酸铁锂生产厂商中,固相法的代表为贝特瑞、湖南裕能;液相法的代表为德方纳米。

  • 固相法可以分为碳热还原法与高温固相法两类。其基本步骤为:首先将锂源、磷源、铁源以一定比例球磨混合,在较低温度下预烧结,而后粉碎、添加碳源后,再次在较高温度下烧结,最后粉碎、过筛,即得到纳米磷酸铁锂产品。两种方法最大的区别是碳热还原法使用的铁源是三价铁,借助碳的还原作用,高温条件下三价铁还原为二价铁,并与锂源、磷源发生反应。而高温固相法使用的铁源本身即为二价铁,高温条件下可以直接反应生成磷酸铁锂。

  • 液相法规模化生产存在一定技术壁垒。传统液相法为共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等,其本身存在危险系数大、生产效率低等问题,因此逐渐被弃用。而德方纳米改进了传统的液相制备方法,形成了拥有自主知识产权的自热蒸发液相合成法。其主要步骤为:将锂源、铁源、磷源与络合剂按照一定比例溶解在溶剂中,利用其反应热使反应自发进行,将溶剂蒸干反应即停止,形成前驱体。添加碳源、球磨、干燥后,高温烧结、粉碎、筛分,即得到纳米磷酸铁锂终产物。德方纳米利用液相法具有的原料来源广泛优势,利用外购铁块与硝酸自制硝酸铁,有效降低了合成成本。

总体来看磷酸铁锂电池具有安全性高、性价比高但是能量密度相对较低的特点,是储能电池、铅酸电池替代以及部分新能源车的首选,未来发展潜力较大。随着磷酸铁锂电池技术不断上升,其劣势也会逐渐减弱,适用范围也会逐渐扩大,从长期来看,发展前景较好。

参考资料:华安证券

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