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“上压下榨”格局低钴高镍涅槃突围

北极星储能网  来源:真锂研究    2017/10/11 9:30:53  我要投稿  

北极星储能网讯:高镍三元路线成未来发展趋势

电池企业作为新能源动力发展的中间关键环节,在产业发展过程中起到承上启下的作用。电池企业目前的情况是“上压下榨”,原材料端价格持续上涨,车企条件苛刻且不断压价,此外,还需承担售后、回收、梯次利用等问题。如果夹缝中生存的电池产业想要突出重围,持续健康长久发展,目前最关键的突破口就是迫切需要改进锂电池技术,在降低成本的基础上同时提升能量密度,这一迫切需求助推了三元材料低钴高镍化路线方向发展。

目前,国内主要用的三元电池为NCM,根据镍钴锰三种材料的化学组成配比,NCM材料可分为NCM111、NCM333、NCM523、NCM622和NCM811等,此外,根据组成配比数值大小,又可以将NCM进一步分为低镍的NCM111、NCM333、NCM523以及高镍的NCM622、NCM811等材料。NCA中主要为镍、钴两种元素,铝元素含量较少,实际上是一种二元材料,但也可以将NCA视为高镍三元材料的一种。

表1:三元材料中引入钴、镍、锰、锂元素的作用

镍有提高材料能量密度的作用,镍含量越高,能量密度比也就越大,而且钴具有一定的毒性,价格相对较高,镍含量的上升会相应减少钴的使用量,因此增加镍的比例是件两全其美的事情,但最高比例也是有限度的。当前国内动力电池市场上主要以三元NCM523体系为主,随着能量密度比要求的提升以及消费者对续航里程的延长,三元电池技术会向高镍的622、811甚至是NCA方向发展。究其原因主要是因为在三元材料中,镍和钴是主要的电活性原子,而锰和铝只是起维持材料在充放电过程中结构稳定的作用,锂离子在低镍三元材料中迁移活性较低,此外,与钴相比镍的电压更高,容量更大,因此为了不断提高正极材料的比容量,必然是向着镍含量越来越高的高镍化方向发展,同时对钴和锰的需求相应的会有所降低。

截止到目前为止,特斯拉选择应用的三元NCA电池中镍含量达到了80%,虽然三元NCM622已突破技术难关,但可与NCA相比的NCM811产业化应用还仍需时日,目前比克公司研发的18650型圆柱电池已经用上了宁波金和生产的NCM811材料,但是用量还不大,可见近期,高端容量型锂电池市场还将主打NCA路线。但是NCM811技术突破将会是中国新能源产业和电动汽车产业的又一次重大发展机遇,为了实现中国新能源汽车“弯道超车”的梦想,实现相关产业上下游的共同转型升级,高镍NCM811研发技术的开发具有重大的战略意义。

真锂研究张盼盼认为,未来一两年内钴资源供应紧张的局面有望延续,钴价或将继续上扬,这导致正极材料厂商和电池厂商纷纷开始布局低钴高镍路线,在降低电池材料成本的基础上同时还可以大幅提升能量密度,这是电池厂家夹缝生存的突破口。近期三元电池队伍在快速膨胀,厂商数量众多,但是目前集中度还不高,三元电池前3强(CATL、孚能科技、比亚迪)市场份额合计56%。预计未来两年高镍NCM811和NCA会呈现爆发式增长。

大型号21700电池成重点关注对象

七月底,特斯拉发布旗下第四款车型Model3,新车根据续航里程有354公里和499公里两款,以后可能会有高性能版本。其中售价最低3.5万美元,使Model3成为特斯拉至今为止价格最亲民的车型。值得注意的是,能让特斯拉推出如此平民级电动车的关键,在于其使用了加粗加长的升级版电池—21700电池。与18650型电池相比,21700型电池能量密度更高,但成组后成本更低。

表2:21700型电池和18650型电池参数对比

国内部分18650电池企业表示了对特斯拉21700路线的认可,并且也在进行相关布局。比克、福斯特、猛狮、天鹏等圆柱电池企业都宣称将在未来产能扩充中投产21700电池。事实上,选择21700,不是因为它的绝对性能优于其它型号,而是其物理性与经济性综合均衡的结果。马斯克曾在社交媒体表示:18650电池的出现完全是一场历史事故,它是早期产品的标准,现在只有21700电池才能满足电动汽车对电池性能的要求。因此,特斯拉推出21700电池并非是想引领技术方向,实际是迫于成本压力。

真锂研究张盼盼认为,我国补贴政策刺激了企业提升电池能量密度的动力,但是就我国正极材料研发技术现状来看,通过改进产品型号来提升能量密度远比通过改进材料性能更加快速。如果企业自身通过研发对材料性能改进的实力不强,能量密度的提升最直接的方式就是通过物理方式可以做大型号提升能量密度。通过增大体积来提高能量密度的21700电池将会成为企业重点考虑的对象。工信部制定的《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》征求意见稿中,目前推荐的圆柱电池型号只有18650和32650两种,如果国家制定的电池尺寸标准中没有明确支持,那21700电池的发展前景将没有看上去那么美好。但新能源快速发展的浪潮与续航里程的迫切要求极有可能会持续助推动力锂电池型号的变革。这可能是一场赌博,也可能是一场盛宴。

三元材料高镍化进程加快对钴、镍资源需求预算

日前,招商证券发布了《新能源汽车将迎全球放量,上游供需持续吃紧》的分析报告。报告中招商证券提出,三元电池短时间内地位不可动摇,811技术市场化仍需时日,未来将成为动力电池的主流。

随着三元电池技术和市场的不断开拓,锂、钴等资源陷入紧缺的局面。近期,碳酸锂价格连续拉涨,有钱也买不到货的情况日趋严重。此外,三元前驱体厂家因上游原料环保减产的影响,市场供应量相应减少。金属锂和钴资源持续吃紧,原材料价格上涨,双重压力作用下,倒逼锂电池将向高镍化NCM811技术迈进,以降低材料端对锂、钴、锰等资源的需求。

从材料微观结构估算三元NCM333、523、622、811以及NCA对镍、钴资源的需求:

硫酸镍材料为六水合物(NiSO4˙6H2O),相对分子质量为262.69,其中镍元素质量分数为22.34%;硫酸钴材料为七水合物(CoSO4˙7H2O),相对分子质量为280.93,其中钴元素质量分数为20.98%。

三元NCM材料和NCA材料中,镍、钴、锰、铝4种元素的主要价态分别为+2价、+3价、+4价、+3价。因此根据分子电中性原理,各三元材料化学式表示如下:

(1)NCM333的化学式为Li(Ni0.3Co0.3Mn0.3)1.11O2,相对分子质量为96.34,其中镍元素质量分数为20.29%,钴元素质量分数为20.36%。据此推断,生产1吨三元NCM333正极材料需要0.20吨镍金属、0.20吨钴金属;需要0.91吨硫酸镍、0.97吨硫酸钴。

(2)NCM523的化学式为Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1.07O2,相对分子质量为100.53,其中镍元素质量分数为31.24%,钴元素质量分数为12.54%。据此推断,生产1吨三元NCM523正极材料需要0.31吨镍金属、0.13吨钴金属;需要1.40吨硫酸镍、0.60吨硫酸钴。

(3)NCM622的化学式为Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1.15O2,相对分子质量为105.58,其中镍元素质量分数为38.36%,钴元素质量分数为12.83%。据此推断,生产1吨三元NCM622正极材料需要0.38吨镍金属、0.13吨钴金属;需要1.72吨硫酸镍、0.61吨硫酸钴。

(4)NCM811的化学式为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1.30O2,相对分子质量为114.74,其中镍元素质量分数为53.21%,钴元素质量分数为6.67%。据此推断,生产1吨三元NCM811正极材料需要0.53吨镍金属、0.07吨钴金属;需要2.38吨硫酸镍、0.32吨硫酸钴。

(5)NCA的化学式为Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)1.36O2,相对分子质量为116.62,其中镍元素质量分数为54.76%,钴元素质量分数为10.30%。据此推断,生产1吨三元NCA正极材料需要0.55吨镍金属、0.10吨钴金属;需要2.45吨硫酸镍、0.49吨硫酸钴。

根据真锂研究预测的数据,2017年我国动力锂电池领域对正极材料市场需求约为7.33万吨,其中三元NCM材料市场需求约为3.01万吨,占比41%,三元NCA材料市场需求约为1.17万吨,占比16%。目前我国正极材料仍然以NCM材料为主,其中NCM333占比约20%、NCM523占比约70%、NCM622占比约10%,按照每吨不同三元正极材料所需硫酸镍计算,2017年三元正极材料对应的电池级硫酸镍总需求为6.88万吨。

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