今天我们来看锂电正极材料行业,正极材料是电芯以及电池包中价值占比最高的部分;磷酸铁锂、三元等正极材料也是我们平常看锂电池行业看到最多的字眼,其技术变革也很大程度上决定了目前锂电能量密度提升的趋势。
但我却认为从投资的角度看,锂电正极材料行业在产业链中不是一个好行业,究竟是什么原因呢?
本文将从锂离子电池背景简介;正极发展的技术沿革;行业与产业链的分析逐步向大家介绍,最后进行了简单的分析总结,觉得太长的朋友也可以直接去最后一部分看结论。

一、背景简介

先对锂电池概念做一点基本的介绍,我们现在新能源汽车和消费电子产品中提到的锂电池通常指的都是锂离子电池。锂离子电池的核心部件为电芯,而电芯的原材料主要包括正极、负极、隔膜、电解液等。这个组成关系我们再上一篇也
锂离子使用正极(阴极),负极(阳极)和电解质作为导体。正极是金属氧化物,负极由多孔石墨构成。在放电过程中,锂离子通过电解质和隔膜从负极移动到正极;充电时,锂离子沿着相反的方向从正极流向负极,如下图所示。
Li+在锂离子电池的脱嵌/嵌入
当电池充放电时,Li+在正极和负极之间穿梭。放电时,阳极发生氧化,失去电子,同时阴极还原,得到电子;充电时,电荷运动方向相反。

二、技术沿革

介绍正极材料的技术沿革之前,我们先说一下锂电池的发展。
锂电池的研究始于1912年的G.N.刘易斯,但是,直到70年代初,锂一次电池才首次得以商业化。到了20世纪80年代,科学家们开始尝试开发可以充电的锂二次电池。锂是所有金属中最轻的,因此单位重量下具有最高的电化学电位和最大的比能量,以金属锂为阳极(负极)的二次电池能量密度是非常高的,但用作负极材料的金属锂具有很大的不稳定性,一系列的起火事件导致很多公司暂停了研发。
后来日本的索尼公司在金属锂具有固有的不稳定性导致的研发停滞时期创新性的用一种被称为“摇椅式电池”的设计从锂金属电池到更为稳定的锂离子电池。简单来说就是用嵌入化合物来代替锂金属两极,在充放电的过程中锂离子在正负极间像摇椅一样来回摇摆。从1991年索尼公司商业化生产第一批锂离子电池至今,锂离子电池已然成为最有前途和发展最快的市场。
木桶原理,正极决定电池能量密度
按电极材料来分,锂离子电池有许多种类型。但选择不同的材料,其电池性能也会有很大差异。正极材料是目前锂电池中最关键的原材料,约占锂电池电芯成本的40%,整个动力电池成本的13%-15%;是锂电池最大的成本来源,主要影响着锂电池的能量密度、安全性、循环寿命等性能。
电芯成本构成
动力锂离子电池组成本分解示意
最重要的原因是根据“木桶原理”,动力电池的正极材料是其能量密度的短板。目前正极比容量在150-160mAh/g,高镍的NCM811/NCA在185 mAh/g左右;而石墨负极已经到了330-340mAh/g 的水平,如果按照“木桶原理”来看,动力电池材料的最短板在于正极材料,提升正极的比容量对于改善整个电芯的能量密度至关重要,可显著降低动力电池各材料用量,降低单位kwh 的电芯成本。
动力电池四大锂电材料正负极、电解液、隔膜中正极的技术路线变化是最大的,也是最清晰的;正极对动力电池的能量密度起到决定作用。
正极材料的主要原料为前驱体和碳酸锂,正极材料的性能主要由前面提到的各类前驱体决定。根据正极材料的不同,锂离子电池可分为不同的技术路线,主要包括钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。
钴酸锂(LCO)材料是目前压实密度最高的正极材料,因此所制备的锂离子电池体积比能量最高,成为平板电脑和移动智能终端用锂离子电池的主要正极材料。其缺点主要是钴资源有限、成本高,限制了其在电动车领域的广泛应用。
锰酸锂(LMO)材料的主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性好,早期的日系电动车有部分应用;但其主要缺点是电池比能量低,同时循环稳定性欠佳,现在已经很少用于车用动力电池。
主要正极材料物理性质
磷酸铁锂(LFP)材料是我国发展新能源汽车最早采用的动力电池的技术路线,其主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性和循环性能好,其主要缺点是电池比能量低。
新能源车发展初期主要是以2G和2B市场的公交大巴客车为主,其原因主要是 :
1、客车的体积大对与能量密度的要求相对较低;
2、客车尤其是公交车路线相对固定,对续航里程要求低;
3、早期电池技术不成熟,安全性更为重要,尤其是乘客较多的客车。
所以2016年之前的补贴政策并不以能量密度作为补贴的标准,电池比能量低但安全性能好的磷酸铁锂正极得到快速发展。但随着锂离子电池技术发展,受益乘用车接替客车成为新能源车重要增量。补贴与双积分政策也开始更关注能量密度,现在锂离子电池的技术指标中最重要的是比能量和循环性能,其次是比功率、安全性、可靠性、成本和一致性等性能指标。比能量越高,单位能量(Wh)的材料成本就下降;循环寿命越长,电池的实际使用成本就低。三元材料因此快速发展,而磷酸铁锂正极出现了产能过剩,新三板的磷酸铁锂正极企业安达科技在2018年就出现利润大幅下滑,下游以此为主要技术路线的电池厂沃特玛出现了停工,甚至有倒闭的风险。
三元正极材料与高镍化
三元材料,目前主要是镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)两种。其的发展历程是从本世纪初开始的。上世纪90年代后期,随着LCO的大规模应用,受钴资源的限制,人们希望用资源更为丰富的镍来取代钴。与LCO相比,LiNiO2材料(LNO)因资源丰富价格便宜,且具有更高的容量,曾被认为最有希望的锂离子电池材料。但LNO作为正极材料,也存在制备困难、材料结构不稳定、电池循环性能差等较难解决的问题。为了解决LNO的结构稳定性和热稳定性的问题,人们将钴和锰掺杂进LNO的体相,最早的镍钴锰三元材料NCM应运而生。
三元正极材料对比
在三元化合物中,镍呈正二价;是主要的电化学活性元素;钴呈正三价,部分参与电化学反应,主要提供材料结构的规整度;锰呈正四价,不参与电化学反应,主要提供结构稳定性和热稳定性。
所以最开始的NCM111和金龙鱼食用调和油一样是三种材料镍钴锰1:1:1但其主要缺点是钴含量高,存在资源和成本的问题。为了降低成本、提高容量,在NCM111的基础上,人们不断把镍含量提高,研发出了一系列不同镍含量的层状三元材料,将三元比例改变为523、622、811等不同比例,其能量密度也相应不断提升。但同时对于正极材料企业来说,得不断的投入研发和固定资产才能赶得上行业不断发展的需求。
三元正极渗透率
而NCM811则被公认为是比能量达到300Wh/kg锂离子电池的主要选择之一,而比能量超过300Wh/kg迈向400-500 Wh/kg将要依靠固态电池技术,而不是仅仅靠改变正极材料就可以,这个我们以后再说。

三、行业分析

正极产业链
正极的产业链比较简单,上游主要是一些矿产资源作为原材料加上一些导电剂、粘结剂等作为辅材;下游就是电芯电池,除了用在新能源汽车上的动力电池还有用在消费电子和储能上的。
正极材料产业链
其中三元材料已成为正极材料增速最高的细分领域。据高工锂电统计,2017年全国正极材料产量为21万吨,同比增长3成,其中三元材料8.6万吨、磷酸铁锂5.8万吨、钴酸锂4.5万吨、锰酸锂2.1万吨;三元材料接替2016年磷酸铁锂成为2017年增速最高的正极材料,同比增长59%。以今天我们主要讨论的目前主流的三元正极材料为例。
上游,成本
三元材料成本由投入原材料成本(各金属盐、碱、锂源、水、氧气等)+加工费(设备折旧,能源消耗,职工薪酬等)的模式构成,而原材料占三元材料成本的90%以上,因此三元材料价格对原材料价格变动非常敏感。
原材料成本中绝大部分成本来源于金属盐,且尤其以锂和三元材料中的钴的价值较高,正极材料的价格也受其影响较大。单吨金属盐成本最高的是NCM111,最低的为NCM811,原因是钴价格昂贵,而111 钴占比最高,811 钴占比最低。单吨锂源成本上看,811 价格最高,原因是其必须使用价格较贵的氢氧化锂。至于上游的钴和锂的价格走势又是一个大的话题了,我们今天先不展开。
加工成本,由于三元过渡金属中镍比例低于等于50%时,材料的烧结气氛是空气,生产成本相对较低;而镍比例高于等于60%时,烧结气氛需要氧气或者氧气/空气混合气体,生产成本相对较高。因此在空气气氛烧结的三元系列正极材料中,NCM532是镍含量最高的,容量也最高,性价比好,目前有一定的市场份额。NCM622是一款综合性能很好的正极材料,缺点是制备较难。随着其制备工艺的日趋成熟,NCM622在乘用车动力电池中的应用比例稳步上升,也是当前应用较为广泛的三元材料之一。NCM811和NCA,这两种材料的主要优点是比容量高,同时镍资源比钴丰富、成本比钴低,原料资源受限的问题相对较小。缺点是材料制备难度大,对水份非常敏感,电池制备的条件和技术门槛高。
高镍产品由于加工难度更高,单次烧结量少,所需工序更为繁琐,加工费用和占比也在增加。523加工成本仅为5%左右。811占比达到8.22%。
成本和加工费用实际数(万元)
下游,需求与价格
正极的直接面对的下游是电池行业市场,后者的集中度明显高于三元正极行业,且目前动力电池厂洗牌加速,龙头有望进一步提升市场份额。CATL和比亚迪在2017年已经占据全行业半壁江山,随着电池行业加速分化,低端落后企业退出市场之后,龙头电池企业的市占率有望进一步提升。
而行业需求的真正决定因素,与产业链的其他环节一样主要是下游终端的新能源汽车的销售情况,中长期下游销售高速增长;但短期受到补贴等政策的影响,今年上半年就出现了乘用车补贴退坡的窗口期带来的需求波动。
三元正极材料价格
中游,行业格局
三元材料企业,2017年销售量排名前十的合计达6.43万吨,占整体的74.68%。
行业的集中度较低,且集中度与2015和2016年相比没有明显提升。
2017三元材料产量与产能
行业的资本投入相对较轻,技术与投资的壁垒都相对较低;目前电池单位GWh投资约为5亿元,正极材料单位GWh投资额约为1亿元,仅为动力电池产线五分之一。
产能的增加速度较快;扩产周期普遍在6-9个月左右,产能释放速度较快。
上下游都有整合行业的能力,与形成技术协同性的动机。正极材料与电池研发共同升级。正极材料的性能对于电池品质有重要影响,电芯参数如电压、型号等一旦改变,正极材料需要重新寻找并选择。电池技术和电池材料选择有互通之处,理解电池能更好研发正极材料,理解正极材料也能有助于研发电池。
上下游企业均可能进入正极行业

四、分析总结

最后从以下三点总结一下,为什么我认为从投资的角度看,锂电正极材料行业在产业链中不算是一个好行业。
正极材料行业需要持续投入研发
前面提到了根据“木桶原理”,动力电池动力电池四大锂电材料中的正极材料是其能量密度的短板。正极对动力电池的能量密度起到决定作用,而其技术路线变化是最大的,也是最清晰的。从磷酸铁锂到三元,再到现在的高镍三元,正极材料行业既需要将产能合理的与市场需求对接,又需要持续投入研发。
上下游在产业链中更有定价权
上游材料资源行业和下游电池行业,集中度均明显高于正极行业;在产业链中更有定价权;且上下游资金或技术等门槛更高,有整合行业的能力与动机。
行业格局分散,产能增加周期短
三元材料企业行业的集中度较低,2015-2017年的行业前十名的集中度均在70%左右,并无向寡头的趋势变化;行业的资本投入相对较轻,技术与投资的壁垒都相对较低;扩产周期普遍在6-9个月左右,产能释放速度较快。
正极行业整体的附加值较低,产品并无太大差异化,导致价格竞争激烈,毛利降低。