锂电池材料演进路径一览

3．1．1正极：提升能量密度

正极一般为含锂的过渡金属氧化物（Co、Ni、Mn）或聚阴离子化合物，是电池发挥性能的基石之一。正极微观构造主要可分为层状、尖晶石和聚阴离子型三类。其开发目标主要为提升能量密度，过程中叠加其他性能的逐步改善，正极能量密度呈螺旋式上升的状态。

1）正极材料的应用现状：正极材料发展至今，主要经历了钴酸锂LCO，锰酸锂LMO／磷酸铁锂LFP及镍钴锰NCM／镍钴铝NCA三个阶段。LCO至今应用于3C领域，但因寿命短、安全差及钴价较高等原因，未在动力电池领域应用；相比之下，LMO与LFP提升了寿命与安全性，满足了动力电池的使用要求；NCM／NCA进一步提高了能量密度，但牺牲了部分安全性与寿命性能。

不同正极材料电池能量密度演进

• 关于NCM（LiNixCoyMn1－x－yO2）：镍、钴、锰有不同的性能特点，因此可通过调节配比调控NCM性能。各元素性能可简单概括为：镍与能量密度性能正相关，与循环性负相关；钴与倍率及循环性正相关，与成本负相关；锰与安全性正相关，与能量密度负相关。当以能量密度为核心应用目标时，NCM走向高镍化趋势（N配比80％或更高），降本同时牺牲了热稳定性，因此也不得不在辅件／系统层面进行热管理提效相关的改进。

• 关于安全性：LFP高安全性的本质为其晶体结构中P－O键非常的稳固，分解温度约600℃，且无氧气产生，因此不像LCO易结构崩塌或被氧化，或是NCM200～300℃即分解并释氧加速燃烧。

正极材料性能参数对比

2）正极材料发展趋势：主线趋势还是提高能量密度。主要路径有提高比容和工作电压两条线，对应到材料为NCM高镍化，富锂化，高压正极。从短、中、长期视角来看应用趋势如下：

a．短期（1－2年），高镍正极产业化进展最快，仍需关注安全性等方面的改善。“高镍”镍含量在0．6及以上，高镍化过程是不断调整Ni与Mn／Al配比的过程，最终目标是“无钴化”。

高镍化的优势和挑战主要有：

• 优势：1）提升正极比容：随Ni含量增加，材料实际放电比容量可由NCM111的～150mAh／g提高到NCM811的～200mAh／g以上；2）降本：按容百招股书披露数据显示，金属钴价20～30美元／磅（30～46万元／吨）假设下，NCM811较NCM523的单位容量成本降低8％－12％。

• 挑战：1）高镍牺牲了安全性，对电池设计、制造要求更高，导致早期产品良率较低；2）理化性质较低镍差异较大，材料选用，设备及环境方面的配置变动抬升了材料、工艺及资本层面的进入门槛，行业集中度较高。

高镍化带来结构稳定性风险，催生晶型单晶化。单晶相比多晶，颗粒直径更小（10μm→2～5μm），晶粒一次性成型且取向一致，因此结构更为致密，具有更好的结构稳定性和耐高温性能。短期内因技术水平限制，单晶高镍量产规模不大，单晶中镍高压是比较现实的商用过渡型产品，目前已有具体应用案例（蔚来100kWh Ni55电池）。

高镍单晶与多晶产品电镜形貌图

来源：贵州振华新材料股份有限公司招股说明书

高镍化商用需要技术与产业链共同支持，因此出货厂商主要为一线电池厂商。CATL、LG化学、松下（NCA）、SKI等是主要的高镍电池供应商。2021年预测CATL高镍装机占其三元／总体比例～29．6％／16．3％。

高镍迈向“无钴”的关键在于“代钴”元素的引入。特斯拉Jeff Dahn研究发现，高镍化后钴的作用较小，因此廉价元素取而代之便成为可能。当前“代钴”元素主要以铝Al为主（实验表现良好），通过离子掺杂技术等改性方式实现，产品以NCMA，NMA为主。

       原文标题 : 化学电池行业深度报告：缘起，挑战与机遇（上）