2018年锂电池行业专题报告：三元材料关键技术细节及测算

1、2018年锂电池行业专题报告：三元材料关键技术细节及测算投资要点l 市场关于锂离子电池三元材料技术方面普遍关心以下问题：一、三元材料生产 流程究竟是怎样的？最新的高镍三元产线及其中采用的设备是怎样的？二、从 生产企业角度看，三元材料加工费（不含利润）如何核算？三、原材料价格波 动究竟对三元材料有怎样的影响？本篇报告我们将对以上问题做出探讨和说 明。l 三元材料核心优势：性能可调控。生产流程：煅烧是核心步骤。高镍三元材料 因其容量高而备受重视，但其容量高是以牺牲安全性和稳定性，提高加工难度 和成本为代价的。三元材料生产流程中核心步骤是烧结工序，烧结温度、时间 等对三元材料性能有至关重要的影响。我们将三元材料生产流程分为烧结前工 序，烧结工序和烧结后工序，并对每个流程中所涉及关键设备和最新技术进行 了详细说明。l 三元材料成本：原材料占比 90%以上。三元材料的生产成本中原材料成本占比 超过 90%，市场成本构成也很透明，降本空间有限。厂商需要提高产品性能以 提高售价，才能获取超额利润。单吨总成本方面，NCM523 占有较大优势，比 811 便宜 2 万元。原因在于其钴含量比 111 低，

2、加工工序又比 622 和 811 更为简便。因此 523 材料是目前三元材料出货量最高的产品。单吨高镍产品 622和 811 加工成本较高，占比也更大。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。811 加工成本占比达到 8.22%，而 523 仅为 5%左右。单位容量角度看，811 材料成本最低。811 材 料成本较高，但由于 811 材料比容量也较高，折算成单位容量来看，其成本反 而更低。在各原材料价格基本稳定、新能源汽车动力电池成本急需降低的情况 下，发展单位容量成本更低的 811 材料是未来大趋势。l 三元材料成本变动影响：关注钴/镍价格比和锂盐价格比。锂、镍、钴的金属 盐价格变动对三元材料成本影响很大，而三元材料构成本质上是钴/镍和氢氧化 锂/碳酸锂的相互替代，通过模型测算，我们认为动态跟踪各类材料之间的价格 比是重点。钴镍价格比高于 2.9 时，811 单位容量成本最低。在 2012 年至今 的钴镍价格比变动区间内，111 单位容量价格基本都是最高的，失去了与其他 材料的竞争优势。氢氧化锂比碳酸锂价格低于 0.95 时，811 单吨价格

3、有望低 于 523。当锂盐价格比低于 1.25 时，单吨价格 811 有望低于 622；当锂盐价 格比低于 0.95 时，单吨 811 价格甚至有望低于 523 价格。l 风险提示：新能源补贴大幅度下降的风险；出货量不达预期的风险。目 录1 锂离子电池为何异军突起？12 正极材料：电池中的关键材料32.1 钴酸锂（LCO）：适合小型电池，实际容量不高32.2 磷酸铁锂（LFP）：能量密度低，安全性突出42.3 三元材料（NCM、NCA）：性能可调控，道路如何抉择？43 三元材料生产流程及关键设备63.1 煅烧前工序73.2 煅烧工序113.3 煅烧后工序123.4 工序总结144 三元材料成本拆分164.1 三元材料成本构成164.2 三元材料成本测算（以优美科长信为例）164.3 三元材料成本对比分析214.4 三元材料成本主要影响因素：过渡金属盐与锂盐价格225 标的推荐26当升科技（300073）：专注正极材料，引领发展趋势26图 目 录图 1：锂离子电池基本原理1图 2：各类电池能量密度对比图2图 3：锂离子电池应用领域2图 4：六方层状钴酸锂结构示意图3图 5：橄榄石状磷酸铁

4、锂结构示意图3图 6：NCM 材料放电容量、热稳定性和容量保持率关系4图 7：高镍三元材料在更低温度下发生分解4图 8：三元材料生产关键流程及设备6图 9：斜式混料机实物图9图 10：高速混料机实物图9图 11：方形匣钵实物图10图 12：圆形匣钵实物图10图 13：推板窑推进物料靠在平板上直接推动11图 14：辊道窑传输物料靠滚筒滚动11图 15：颚式破碎机及辊式破碎机结构及存在问题12图 16：旋轮磨典型结构及剖面图13图 17：优美科长信前驱体生产流程及设备图17图 18：优美科长信三元材料生产流程及设备图18图 19：三元材料中各主要元素占比21图 20：成本和加工费用实际数（万元）22图 21：成本和加工费用占比22图 22：硫酸钴与硫酸镍价格走势（元/吨）23图 23：氢氧化锂与碳酸锂价格走势（元/吨）23图 24：硫酸钴、硫酸镍价格之比对三元材料成本（万元/吨）的影响24图 25：硫酸钴、硫酸镍价格之比对单位容量三元材料成本（元/Ah）的影响24图 26：氢氧化锂、碳酸锂价格之比对三元材料成本（万元/吨）的影响25图 27：氢氧化锂、碳酸锂价格之比对单位容量三元材料成本（

5、元/Ah）的影响25表 目 录表 1：锂离子电池性能优势明显1表 2：几种商业化正极材料性能比较3表 3：当升科技江苏海门三期 18000 吨高镍产线主要设备详情6表 4：氢氧化锂和碳酸锂作为锂源使用对比表8表 5：两种三元材料混料设备指标对比表8表 6：两种三元材料混料设备的主要优势和劣势对比表9表 7：长沙中瓷生产正极匣钵技术指标10表 8：推板窑与辊道窑对比11表 9：传统粗破碎与旋轮磨粗破碎对比13表 10：气流粉碎机与机械粉碎机对比13表 11：两种除铁设备优劣势对比14表 12：三元材料制备核心工序和所用设备精炼总结15表 13：三元材料产线主要原辅材料16表 14：优美科长信生产 1 万吨 NCM622 正极材料所需主要物料19表 15：优美科长信单吨 NCM622 正极材料成本测算19表 16：单吨 NCM111 正极材料成本估算20表 17：单吨 NCM523 正极材料成本估算20表 18：单吨 NCM811 正极材料成本估算21表 19：NCM 三元材料折合单位容量成本估算221 锂离子电池为何异军突起？锂离子电池作为取代镍氢电池和铅酸电池的一种新型绿色电池，由日本

6、索尼公司率先研 制成功并于 1991 年实现商业化。锂离子电池主要由负极、正极、电解质、隔膜以及外部包 装等组成。正极、负极和隔膜通过叠片和卷绕等工艺形成方形或圆形的形状，在空隙处注入 电解液，并用铝壳、钢壳等进行包装，组成锂离子电池。锂离子电池放电时主要工作原理是锂离子从正极脱出，经过电解质迁移并嵌入到负极， 引发电子在外电路进行迁移，从而对外提供电能。在每一次充放电循环过程中，锂离子充当 了电能的搬运载体，周而复始的在正极与负极间来回移动，与正、负极材料发生化学反应， 将化学能和电能相互转换。图 1：锂离子电池基本原理数据来源：锂电网，西南证券整理目前锂离子电池无论是在消费电子领域还是在动力电池领域均已取代铅酸电池和镍氢 电池，究其原因主要有以下两点：（1）电压高：锂离子电池单体电压可达 3.7V，远大于铅酸电池和镍氢电池。电池所能 够放出的能量（Wh）可近似理解为电压（V）与容量（Ah）的乘积，可见容量一定时电压越 高，电池可放出的能量越多。电池电压的高低主要取决于正负极材料的种类和特性，因此电 压方面锂离子电池具有天然的优势。表 1：锂离子电池性能优势明显指标锂离子电池铅酸电池

7、镍氢电池正极材料锂化合物二氧化铅NiOH负极材料碳材料海绵状铅吸氢合金电解液聚合物电解质稀硫酸溶液氢氧化钾溶液电压/V3.72.01.25比能量/(Whkg-1)16030457080体积比能量/(WhL-1)3206080160循环寿命50010003005001000每月自放电率3%4%5%30%指标锂离子电池铅酸电池镍氢电池工作温度 / -4060-2060-2070环境影响环境友好污染较重轻微毒性记忆效应无无有数据来源：锂离子电池替代铅蓄电池的环境风险对比分析与思考，西南证券整理（2）能量密度高。能量密度是指电池能量与电池体系质量（体积）的比值，即单位质 量（体积）能够存储的电量，这是人们在评价容量时常用的指标。锂是质量最轻的金属，因 此采用锂离子作为能量载体的锂离子电池具有较轻的质量，也就有了较高的能量密度。相比 而言，受制于铅及吸氢合金的高重量，铅酸电池和镍氢电池能量密度远小于锂离子电池。图 2：各类电池能量密度对比图图 3：锂离子电池应用领域 数据来源：第一电动，西南证券整理数据来源：锂电网，西南证券整理基于以上优点，锂离子电池在各领域均有了广泛的应用，目前主要应用领域分

8、为三类： 消费类锂离子电池、动力型锂离子电池级储能型锂离子电池。消费类锂离子电池主要应用于 手机、笔记本电脑、手环等便携设备中，动力类锂离子电池主要应用于汽车及电动工具，而 储能类则在智能电网和分布式储能中有所应用。2 正极材料：电池中的关键材料正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是目前商业化锂离子电池中主要的 锂离子来源，其性能和价格对锂离子电池的影响较大。目前研制成功并得到应用的正极材料 主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）等。表 2：几种商业化正极材料性能比较正极材料名称钴酸锂镍钴锰酸锂镍钴铝酸锂锰酸锂磷酸铁锂化学式LiCoO2LiNixCoyMn1-x-yO2LiNi0.8Co0.15Al0.05O2LiMn2O4LiFePO4理论容量/(mAh/g)274275275148170实际容量/(mAh/g)140160220180120150电压平台/V3.73.53.54.03.3循环能力较好一般一般较差好含金属资源储量贫乏较丰富较丰富丰富丰富振实密度/(g/cm3)2.82.62.62.21.0压实密度/(g/cm3)4.23.63.63.02.2数据来源：锂离子电池基础科学问题正极材料，西南证券整理2.1 钴酸锂（LCO）：适合小型电池，实际容量不高钴酸锂是第一代商业化正极材料，在几十年的发展中逐渐改性和提高，可以认为是最成 熟的锂离子电池正极材料。钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简 单等优点。但该材料中含有毒性较大的钴元素，且价格较高，制作大型动力电池时安全性难 以保证。钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择。目前在 3C 电子电池中，大多数仍使用钴酸锂而并 非比容量更高的三元材料，原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料，即单位体积内能容 纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中，钴酸锂占有着一席之地。钴酸锂理论容量高，但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴 酸锂材料中脱出，但脱出量小于 50%时，材料的形态和晶型可

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