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中国锂电池正极材料市场现状

更新时间:2013-11-13 16:56:18 点击: 编辑:锂辉电池

    正极材料决定了锂电池的能量密度、寿命和安全性等指标,占锂电池成本的30%左右。正极材料产业主要分布在中、日、韩。动力电池领域,中国以磷酸铁锂(LFP)为主,国外为锰酸锂(LMO)和镍钴锰酸锂(NCM);3C领域百花齐放,包括钴酸锂(LCO),NCM,镍钴铝(NCA),LFP和LMO。

图表1:全球正极材料主要供应商(左图)和市场份额(右图)

全球正极材料主要供应商(左图)和市场份额
 

    国际市场上,锂电池正极材料依然形成寡头垄断的局面,日韩企业在技术水平和工艺控制上实力较强。而中国虽然有200多家正极材料生产企业,但厂家产品同质化严重,毛利率低于10%,其中LFP产能过剩最为严重,整体产能利用率低于10%,大部分企业亏损。目前中国出口日韩的正极材料中,只有钴酸锂材料享受13%的出口退税,这13%的出口退税基本是钴酸锂的利润来源。国内出口的钴酸锂基本上以成本线甚至低于成本的价格来获得相对竞争优势,再靠出口退税获得微薄利润。其它正极材料包括三元、锰酸锂和磷酸铁锂均不享受出口退税,经营艰难。

国    内正极企业更多是在为未来全球动力电池产能转移到中国做市场布局。中国具有良好的硬件基础如廉价的原材料成本以及一定的技术底蕴,同时中国巨大的需求空间使得产业升级的动力十足。动力电池产能向中国转移趋势明确。三星SDI目前正在合肥、天津和西安等地选址建设动力电池后端工艺和PACK生产线。预计随着正极材料技术集成度的不断提高以及动力电池在大陆的快速发展,大部分不具备核心竞争力的正极材料企业将逐步退出,国内非常有希望涌现出3-5家龙头企业。

图表2:各种正极材料价格走势(右图)

各种正极材料价格走势
 

    3C领域锂电池正极材料发展方向侧重锂电能量密度和安全性;动力电池正极材料发展方向为高电压、高能量、高功率和宽温度范围。高电压钴酸锂和高电压三元材料是目前3C锂电池正极材料发展的主流。

正极材料性能指标和正极材料销售结构变化

    3C市场是侧重锂电池能量密度和安全性。在Iphone、Ipad等小型智能终端产品的迅速发展情况下,国内锂电正极材料企业由于地缘和成本优势将获得更多的发展机会。随着动力电池对于功率和能量密度要求不断提高,国内动力电池正极材料向三元材料方向发展,总发展方向为高电压、高能量、高功率和宽温度范围;在保证安全性和适当的循环性前提下,提高锂电的能量两个主要途径,提高电极材料容量或者提高电池工作电压。高电压钴酸锂和高电压三元材料是目前3C锂电池正极材料发展的主流。

    LCO的产量仍然逐年稳步增加,高电压(4.5V)高压实(4.1V)LCO的产业化,更是将LCO的推升到一个全新的发展平台。从常规LCO4.2V145mAh/g的容量,发展到第一阶段4.35V超过155mAh/g的容量,再到第二阶段4.5V超过185mAh/g的容量(甚至到4.6V容量可以接近215mAh/g),LCO发展接近极限。第一阶段4.35V的改性相对比较容易,三四年前国外公司已经产业化,原理主要是掺杂改性;第二阶段4.5V技术难度更高,需要体相掺杂+表面包覆,目前国际上已经有数家公司可以提供小批量产品了。

    高端LCO技术的关键在于掺杂和表面包覆,比如LCO表面包覆氧化物是4.5V高电压必须的改性手段,包覆可以包在前驱体上,也可以包在烧结以后的产物上。即可以选择湿法包覆,又可以选择干法包覆。湿法包覆可以是氢氧化物,也可以是醇盐,选择性较多。Iphone5用的是高端LCO,上限电压是4.3V。

    相对于昂贵的钴酸理,锰酸锂的原料锰资源丰富、价格低廉及无毒性等优点。锰酸锂容量很高,但在高温下不稳定,而且在充放电过程中易向尖晶石结构转变,导致容量衰减过快。开发出高温循环改善的锰酸锂材料是产业发展趋势。目前看,锰酸锂下游应用集中在消费类电池市场,主要与钴酸锂掺混使用于低端的钢壳电池上,或者单独用于动力电池,以电动自行车电池为主。

    磷酸铁锂正极材料的低温性能和倍率放电水平发展较快,应用在动力电池领域前景广阔。但是受制于技术瓶颈,磷酸铁锂电池一致性和单位能量密度较低,使得续航里程受限。动力电池领域的中国企业以磷酸铁锂为主,日韩企业以锰酸锂和三元材料为主。中国过去十年可以说倾注全力开发磷酸铁锂正极材料,但由于磷酸铁锂电池的理论能量密度才170Wh/kg,成组以后基本上不会超过100Wh/Kg,能量密度一直是硬伤。2012年10月16日,工信部、科技部、财政部曾经联合发文《关于组织申报2012年度新能源汽车产业技术创新工程项目的通知》。通知明确要求2015年电池单体的能量密度达到180Wh/kg以上(模块能量密度达到150Wh/kg以上),成本低于2元/Wh,循环寿命超过2000次或日历寿命达到10年。即使未来电动车商业化,磷酸铁锂最多是与锰酸锂及三元材料“三分天下”,高性能材料百花齐鸣在产业发展初期是必要的。

    NCM半电池的标准测试电压是4.35V,在此电压下普通NCM都可以表现出很好的循环性能。通过体相掺杂+表面包覆的改性手段,NCM在4.45V的全电池里,可以达到200mAh/g以上的容量,能量密度在280Wh/kg。产业化方向,国内现在比较成熟的是FS-523型镍钴锰酸锂和FS-333型镍钴锰酸锂,前者有较好的容量,以及不错的循环和安全性,后者容量比前者低,但是由于是对称型材料,其循环以及安全性方面比前者更好。这两者产业化都没问题。如果国内公司在专利和技术层面能够得到突破,这两项技术将带动正极生产突破性增长。与高电压钴酸锂类似,高电压NCM同样有专利限制,以及高压电解液的匹配问题。

    三元材料属于小颗粒团聚体,相对于钴酸锂单晶大颗粒来说,压实密度先天存在不足。同时三元材料存在高温胀气等问题,而安全性可以通过锂电池的设计及BMS(BatteryManagementSystem)来进行改善。例如TeslaModelS采用NCA材料,通过锂电池制造环节增强其一致性以及先进的BMS来实现高效性能,这也是锂电池行业的整体技术水平达到了较高程度的体现。

三元材料价格和产量NCM价格走势
 

    OLO目前国际国内热度空前。目前OLO0.1C可做到250mAh/g以上的容量。但考虑到前驱体独特的合成工艺以及材料表面包覆改性处理,那么OLO的整体成本并不比NCM有绝对优势。从性能上看,OLO仍然具有较多问题,包括:OLO没有电压平台;循环过程中存在结构衰减的问题;电压滞后问题比较严重,能量效率比较低,限制了对电动汽车和储能的应用;安全性问题很大,在4.6V以上电解液分解严重。OLO更多将应用于军用等特殊领域。其电压变化区间较大,某些军用电子设备需要承受大的电压变化范围。同时因为其容量高,如果再配套高容量的负极材料(例如Si/C复合材料),那么锂电池能量密度可以达到300wh/kg,同样可以用于军用领域。LNMS相对成熟,在常规电解液下也有不错的循环性和倍率性能。LNMS未来最大的应用将是和钛酸锂(LTO)负极搭配,应用在HEV上。这个体系的能量密度比LMO/LTO高,很可能是动力电池的下一代产品。

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