06 锂电行业：磷酸锰铁锂，正极发展新方向，产业化加速推进.pdf-solarbe文库

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请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容证券研究报告 | 2022年 5月 4日锂电行业深度系列八磷酸锰铁锂正极发展新方向，产业化加速推进行业研究 · 深度报告电力设备新能源 · 锂电池投资评级超配（维持评级）证券分析师王蔚祺010-88005313wangweiqi2guosen.com.cnS0980520080003 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容投资建议n 电压高平台的磷酸锰铁锂成本低，是正极发展新方向之一新型正极材料主要围绕高电压平台和锰基材料开展，在其分支体系中最早商业化的就是磷酸锰铁锂。相较磷酸铁锂，其具有高电压、高能量密度和更优异的低温性能；相较三元材料具备成本低、安全性高、循环寿命长等优势。磷酸锰铁锂的自身也存在性能缺陷，包括导电性差、首圈效率低等，可通过包覆、掺杂、改性等方式来提升性能。针对锰磷酸锰铁锂导电性差的问题，可掺杂碳纳米管以提升导电性能，并实现对能量密度、循环寿命和倍率性能的优化；添加补锂剂使得首圈效率和循环寿命得到优化。从工艺上可在现有磷酸铁锂的产线做改造升级。n 百亿市场方兴未艾，应用场景丰富多样磷酸锰铁锂应用可分为纯用和混用两种方式。纯用情况下能量密度优于磷酸铁锂 10-20；混用方案下与三元正极混合能够提升安全性、降低成本。磷酸锰铁锂未来应用场景主要集中于电动汽车和电动二轮车市场。在电动汽车市场，其一方面能够部分取代磷酸铁锂，另一方面可与三元材料混用降本和提高安全性。我们预计 2025年磷酸锰铁锂全球市场需求为 15.4万吨，市场空间达到 92亿元， 2021-2025年均复合增速将达到 129。n 上下游快速布局，产业化进程显著加快近年来伴随磷酸铁锂的兴起，磷酸锰铁锂作为其升级版本愈发得到重视，特别是 2019年以来相关专利申请数量快速增长。在技术方面，比亚迪、国轩高科、德方纳米、力泰锂能在专利布局方面具有明显优势。在量产进度方面，天津斯特兰、力泰锂能宣布实现量产，德方纳米规划产能达 44万吨，预计其中 11万吨将在 2023年初投产。此外，当升科技、厦钨新能已经进入小试阶段。下游电池企业中，天能股份、星恒电源均有相关电池产品应用于电动二轮车电池领域。n 投资建议关注技术先发优势及相关受益环节2022年是磷酸锰铁锂产业化应用的元年，未来具有广阔的市场空间。我们看好具有先发技术优势的正极材料和下游具备优势的电池企业，推荐磷酸锰铁锂领域具有技术深入布局的德方纳米、当升科技、厦钨新能；同时碳纳米管导电剂龙头企业天奈科技。 n 风险提示电动车销量不及预期；新技术产业化进展不及预期；部分企业产能建设和爬坡不及预期。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容磷酸铁锂和三元材料是动力电池主要正极体系01 磷酸锰铁锂低成本高电压，正极发展新方向02 百亿市场方兴未艾，应用场景丰富多样03 上下游企业快速布局，产业化进程显著加快04目录投资建议关注技术先发优势企业及相关受益环节05 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容一、锂离子电池正极材料体系发展趋势分析请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容图 1 锂电池正极材料体系研究应用标志性事件资料来源锂电池基础科学，国信证券经济研究所整理正极材料体系介绍理想的锂离子电池应具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性能及可靠的安全性。正极重量达到电池整体重量的 38以上，因此提升正极材料的比容量是提升电池整体容量的关键。实际上能够全面满足要求的正极材料体系并不多，目前也没有明确的理论可以指导正极材料的选择。主流的正极材料体系都是历史上由个别科学家提出，然后经过长期的研究开发使材料逐渐获得应用。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容能量密度由比容量和电压共同决定电池的能量密度是比容量与电压的乘积。而正极材料能量密度提升可以依托以下几种路径 1）提升比容量，如层状三元高镍材料、层状富锂锰材料； 3）提升材料电压，如磷酸锰铁锂、高压钴酸锂、高压三元材料等； 3）从材料形貌、材料粒度和极片工艺入手提高材料的压实密度。三元材料中镍元素能够提高正极比容量、锰元素能够提升正极的工作电压，因而其展现出显著优于磷酸铁锂材料的能量密度。图 2 锂电池的计算质量能量密度和体积能量密度资料来源锂电池基础科学，国信证券经济研究所整理图 3 理论比容量为 170mAh/g的不同材料能量密度情况（ Wh/kg 资料来源磷酸锰铁锂正极材料电化学性能研究，国信证券经济研究所整理 578 646 697020040060080010001200 3.4V 3.8V 4.1VE为能量密度V为工作电压q为电池容量请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容正极材料体系介绍商业化使用的锂离子电池正极材料按结构主要分为以下三类 ① 层状晶体结构（钴酸锂、三元材料）； ② 立方尖晶石晶体结构（锰酸锂）； ③ 正交橄榄石晶体结构的（磷酸铁锂等）。目前动力电池领域在主流应用材料为橄榄石结构的磷酸铁理和层状三元材料，主要考量是性能与成本的最优组合尖晶石材料相对容量较低，同时高温下由于锰的溶解造成性能下降；层状材料中钴酸锂成本过高， LiNiO2存在安全问题，将 Ni、 Mn、 Co三种材料组合起来，即为三元材料是当前高性能动力电池的主要选择，成本更具优势但能量密度较低的磷酸铁锂也是动力电池的另一大主流方向。表 1 常见锂离子电池正极材料性能材料类型磷酸铁锂 ✔ 锰酸锂钴酸锂三元镍钴锰 ✔晶体结构橄榄石尖晶石层状层状理论容量（ mA.h/g 170 148 274 273-285电芯质量比能量（ W.h/kg 130-160 130-180 180-240 180-240平均电压 /V 3.4 3.8 3.8 3.6电压范围 /V 3.4 3.8 3.8 2.5-4.6循环性 /次 2000-6000 500-2000 500-1000 800-2000安全性能好良好差中价格（万元 /吨）（ 2022Q1均价） 14.5 10.9 53.9 33.3（三元 6系）主要应用领域电动车大规模储能电动工具、电动自行车 3C电子产品电动工具、电动自行车、电动汽车、储能资料来源锂电池基础科学，国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容三元和磷酸铁锂是主流动力电池正极材料图 4 国内正极材料产量（万吨）资料来源鑫椤锂电、国信证券经济研究所整理图 5 国内动力电池装机量及磷酸铁锂电池占比（ GWh、）资料来源动力电池联盟、国信证券经济研究所整理动力电池市场中磷酸铁锂和三元材料是最主要的正极体系。 2021年中国正极产量预计为 104.9万吨，同比增长超 102；其中三元材料产量 39.8万吨，占比约38，磷酸铁锂产量为 45.3万吨，占比约 43，同比提升 16pct。 2021年国内动力电池装车量为 154.5GWh，同比增长 143；其中三元电池装机量为 74.3GWh，同比增长 91；磷酸铁锂电池装机量为 79.8GWh，同比增长 227。 2021年国内动力电池中磷酸铁锂装机量占总装机量比重为 51.7，较 2020年提升 13.3pct。与三元材料相比，磷酸铁锂的优势在于 1）循环寿命长； 2）安全性能高； 3）成本低。不足在于能量密度低。 19.6 21.0 39.8 9.7 14.2 45.3 5.9 7.4 9.2 7.6 9.3 10.7 42.9 51.9 104.9 020406080100 120 2019 2020 2021 三元材料磷酸锂铁钴酸锂锰酸锂 41 39 74 20 24 80 33 38 52 01020304050607080 90 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2019 2020 2021 三元材料磷酸铁锂锰酸锂钛酸锂磷酸铁锂占比请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容高压化是正极材料的发展趋势目前开发的锂离子电池均以正极材料作为锂源，整个电池的比容量受限于正极材料的容量，而且正极材料的成本占电池总材料成本的 50以上。因此制备成本低同时具有高能量密度的正极材料是行业追求的重要目标。为了使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性能及可靠的安全性能，正极材料的选择应满足以下条件 1. 要提供在可逆的充放电过程中往返于正负极之间的锂离子，而且还要提供首次充放电过程中在负极表面形成 SEI膜时所消耗的锂离子 2. 提供较高的电极电位且在充放电过程中，电压平台稳定；3. 正极活性物质电化当量小，可逆嵌脱锂量大，锂离子扩散系数高，具有较高的离子和电子电导率； 4. 充放电过程中结构稳定型性好 5. 资源丰富，无毒，化学稳定性好，制备成本低。基于以上的性能要求，目前正极材料行业的主流发展趋势是高电压化，而当前最具商业化前景的高电压正极材料分以下几种 1）橄榄石结构的磷酸锰铁锂；2）尖晶石结构的镍锰酸锂；3）层状结构的三元材料（镍钴锰酸锂）、富锂锰基材料。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容正极发展新方向一磷酸锰铁锂（橄榄石结构）图 11 磷酸锰铁锂结构示意图资料来源磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电化学性能研究、国信证券经济研究所整理图 12 锂电池代表正极材料放电曲线资料来源橄榄石型锂离子电池正极材料的制备技术及电池特性研究、国信证券经济研究所整理橄榄石结构磷酸盐 LiMPO4主要有四种（ M代表金属，主要为铁 Fe、镍 Ni、锰 Mn、钴 Co）；电压分别是 3.4～ 3.5V（铁）、 5.0～ 5.4V（镍）、 4.0～ 4.2V（锰）和 4.7～ 4.8V（钴）；同时四种磷酸盐可以相互掺杂，就构成多元橄榄石系列材料。多元体系的充放电曲线、循环伏安曲线都可以简单地看成四种单独橄榄石的充放电曲线和循环伏安曲线的线性叠加。由于磷酸镍锂的电压超出目前电解液稳定上限，钴也不是主要的构成元素。反之锰对环境友好，磷酸锰锂的工作电压又比较理想（在 4.1V），可以与现有的商业化电解液相匹配。磷酸锰铁锂 LMFP是在磷酸铁锂的基础上添加锰元素而获得新型正极材料，一方面可以提高材料体系的电压、弥补磷酸铁锂电压低导致能量密度低的不足；另一方面可以通过表面包覆碳材料导电剂来提升导电性能。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容正极发展新方向二镍锰酸锂（尖晶石结构 5V正极材料）图 13 蜂巢能源电池技术创新路线资料来源蜂巢能源官网，国信证券经济研究所整理在尖晶石结构的高电压 5V正极材料当中，镍锰酸锂（ LiNi1-xMnxO4）具有较好的稳定性， LiNi0.5Mn1.5O4的实际首次放电容量在 140mA· h/g左右，接近理论容量，充放电平台在 4.7V左右，同时 LiNi0.5Mn1.5O4合成简单，是正极发展的主流方向之一。镍锰酸锂的优点在于 1）电压平台高，约为 4.7V，能量密度高（约 690Wh/kg）； 2）无需添加钴等贵金属元素，成本低。不足之处在于 1）反应过程中会有锰元素歧化反应后溶解在电解液中并沉积在负极表面，进而使得 SEI膜持续消耗再生，耗费活性锂，降低循环寿命； 2）高电压会造成常规电解液体系分解，进而产生氢氟酸腐蚀正极材料。目前镍锰酸锂主要通过离子掺杂、表面包覆以及材料复合方式提升综合性能。产业化进程蜂巢能源所推出的 NMx无钴电池搭载的就是镍锰酸锂材料，其电池包能量密度能够超过 240Wh/kg，与中低镍三元电池相差不大；其安全性、循环寿命均优于三元电池体系。目前，宁德时代、国轩高科、 ATL、长远锂科、容百科技、巴莫科技（容百科技）等均有相关专利布局。表 5 三元正极与镍锰酸锂对比类型热失控（ ℃ ） 1000周循环后容量保持率成本NCM811 155 87 NMx（镍锰酸锂） 170 95 较 NCM811下降 15资料来源蜂巢能源官网，国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容正极发展新方向三富锂锰基层状结构）图 14 富锂锰基 0.1C倍率下首周充放电曲线资料来源尖晶石 /层状异质界面的构筑提升富锂锰基正极材料电化学性能，国信证券经济研究所整理；注图中各曲线差异在于材料晶格参数略有不同富锂锰基固溶体材料是一种相对较新的锂离子电池正极材料，是在开发锰基氧化物作为锂离子电池正极材料的研究过程中发现的。 LiMnO2层状材料在循环过程中结构不稳定，而利用同样具有层状结构的 Li2MnO3来稳定上述材料时，彼此可形成稳定性大大提高。富锂锰基在 2～ 4.8V保持超过 200mA· h/g的比容量。这是目前所用正极材料实际容量的两倍左右。而且由于材料中使用了大量的 Mn元素，与钴酸锂和三元材料相比，不仅价格低，而且安全性好、对环境友好。材料被很多人视为下一代锂离子电池正极材料的理想之选。富锂锰基优点主要在于比容量高（一般在 250mAh/g以上，最高能达到 400mAh/g）；不足之处在于 1）首圈库伦效率低； 2）循环寿命较差； 3）电压 /容量衰减。针对富锂锰基固溶体存在的这些缺点，可以采用的改性的方法主要有表面包覆、与受锂型材料复合、表面处理以及其他手段。产业化进程中科院宁波材料所旗下的宁波富锂电池已具有百吨级的富锂锰基正极材料中试生产线；容百科技、当升科技等也在推进相关产品研发工作。图 15 富锂锰基与三元 9系材料性能对比资料来源德勤咨询，国信证券经济研究所整理220 400814 1800 三元 9系富锂锰基比容量（ mAh/g）理论能量密度（ Wh/kg）请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容二、动力电池正极材料的市场现状请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容短期磷酸铁锂装机提升，长期三元和铁锂长期并存图 6 磷酸铁锂与三元电芯价格对比（元 /Wh）资料来源百川盈孚，国信证券经济研究所整理磷酸铁锂在动力电池中占比短期提升主要得益于 1）补贴退坡后，动力电池追求降低成本拉动高性价比磷酸铁锂的需求； 2）宁德时代 CTP、比亚迪刀片电池等结构优化技术提升了铁锂电池包的能量密度，弥补材料本身的不足，车企对磷酸铁锂电池认可度逐步提升。国内市场 2022-2023年磷酸铁锂电池装机占比有望继续超过 50；海外市场方面，随着特斯拉等海外车企逐步增配磷酸铁锂电池，渗透率将快速提高。展望2025年，全球动力电池市场中磷酸铁锂占比有望接近 40，磷酸铁锂有望与三元材料长期并存。表 2 海外车企对磷酸铁锂电池的配置规划企业时间对磷酸铁锂方案的工作进展雷诺 2021年 2月雷诺 5为了能够计划在 2023年量产，正在考虑使用磷酸铁锂电池大众 2021年 3月未来其将在入门级车型上使用磷酸铁锂电池，并且会是其平台的主要电池路线之一现代 2021年上半年已着手研发搭载磷酸铁锂电池的电动汽车，并将在在中国以外地区销售特斯拉 2021年 10月对于标准续航版 Model 3和 Model Y，其将在全球范围内改用磷酸铁锂电池戴姆勒 2021年 10月其豪华汽车品牌梅赛德斯 -奔驰考虑在入门级车型中使用磷酸铁锂电池丰田 2021年 12月计划在 2022年，面向中国市场推出搭载比亚迪刀片式磷酸铁锂电池的小型电动汽车福特 2022年 2月作为 “ 一号客户 ” 到访比亚迪西安弗迪 XAB工厂，并考虑在全球范围内的入门级车型上大批量使用磷酸铁锂电池资料来源 Ofweek，特斯拉官网，丰田官网，大众官网，国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容三元材料行业集中度稳步提升，高镍化趋势显著三元材料行业集中度稳步提升 2021年三元正极 CR3达到 38，同比提升 6pct； CR5达到 55，同比提升 8pct。高镍三元加速渗透 2021年国内三元 8系材料占比提升至 36，较 2020年增长 12pct。主要系 1）长续航需求下，高镍三元能量密度高优势继续凸显； 2）磷酸铁锂回暖下，低镍三元产品性价比进一步下滑，被磷酸铁锂替代部分份额。长期来看，虽然磷酸铁锂装机依旧有望维持高位，但是长续航和高性能要求下高镍化趋势显著，三元材料出货结构将加速提升。图 7 2021年国内三元正极材料企业出货量占比资料来源鑫椤锂电、国信证券经济研究所整理容百科技14 天津巴莫12当升科技 12长远锂科9贵州振华8南通瑞翔7厦钨新能源6其他32 图 8 国内三元正极材料出货结构资料来源 SMM新能源、国信证券经济研究所整理1 256 46 17 1624 3610102030405060708090100 2020 2021NCM3系 NCM523 NCM622 NCM811 NCA 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容磷酸铁锂企业大幅扩张供需得到缓解，头部份额持续提升图 9 2021年磷酸铁锂市场竞争格局资料来源鑫椤锂电，国信证券经济研究所整理德方纳米、湖南裕能在磷酸铁锂市场占据领先份额。 2021年湖南裕能市占率达到 22，位居行业第一；德方纳米因产能瓶颈市占率达到 20，排名降至第二位。2021年磷酸铁锂市场 CR2达到 42，同比提升 4pct。其他企业在 2021年市场份额均下降至 10以下。头部企业产能高速扩张，短期供需紧张，长期看磷酸铁锂环节产能持续充裕。目前德方纳米、湖南裕能等龙头企业加速扩产，二者在 2025年规划磷酸盐系产能均已突破 70万吨。短期需求爆发式增长吸引了部分化工企业切入到磷酸铁锂领域，川发龙蟒、龙佰集团、山东丰元等相继投资建设 10万吨级以上产能。我们预计磷酸铁锂供应紧张状态将在 1-2年后缓解， 2023年后行业进入持续供给宽松状态。图 10 全球磷酸铁锂正极供需测算（万吨）资料来源德方纳米公告，湖南裕能招股说明书，湖北万润招股说明书，龙蟠科技公告，富临精工公告，安达科技公告，当升科技公告，高工锂电，国信证券经济研究所整理与测算21 40 103 197 307 421 15 39 68 101 133 177 050100150200250300350400450 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E有效产能（万吨）需求（万吨）请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容磷酸铁锂企业大幅扩张供需得到缓解，头部份额持续提升表 3 磷酸铁锂行业供需测算情况（万吨） 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E德方纳米 3.9 15.5 45.0 56.0 78.0 78.0湖南裕能 2.9 19.3 26.9 41.7 59.1 75.1龙蟠科技（常州锂源） 3.9 9.0 27.0 44.0 52.0 57.0富临精工（江西升华） 1.2 6.2 12.2 31.2 31.2 31.2湖北万润 2.3 4.3 17.5 26.3 26.3 26.3 安达科技 4.0 6.0 10.0 14.0 24.0 30.0当升科技 30.0 30.0重庆特瑞 2.5 6.5 6.5 10.5 10.5 10.5斯特兰 4.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0比亚迪 1.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0川发龙蟒 10.0 10.0山东丰元化学 10.0 20.0龙佰集团 5.0 10.0 25.0 35.0湖南邦盛 10.0 23.0 40.0 50.0 名义产能 25.7 74.8 168.1 264.7 404.1 461.1有效产能 20.6 40.5 102.8 197.1 306.5 421.2需求 14.8 38.8 68.0 100.9 133.5 176.7富余产能 5.7 1.7 34.8 96.2 173.0 244.5 资料来源德方纳米公告，湖南裕能招股说明书，湖北万润招股说明书，龙蟠科技公告，富临精工公告，安达科技公告，当升科技公告，高工锂电，国信证券经济研究所整理与测算注德方纳米产能包含新型磷酸盐系材料；不完全统计，各公司情况以其最新披露口径为准请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容磷酸铁锂成本、新材料、客户将成为核心竞争要素随着 1-2年后行业产能的过度供给，具有成本和客户优势的企业有望获得稳固的市场份额。正极作为动力电池最重要的主材，电池厂与上游合作密切。如德方纳米与宁德时代、亿纬锂能具有合资工厂，宁德时代、比亚迪入股湖南裕能等。与头部电池厂深入绑定的正极厂，能够享受更高的订单确定性，进而实现快速增长。通过产品升级构建技术护城河，是正极材料企业在磷酸盐产品市场的主要竞争战略。新型磷酸盐磷酸锰铁锂具备能量密度高、低温性能好的优势，未来其纯用及混用方案有望在电动汽车领域快速渗透。而具备相关专利布局和产能布局的企业，或将充分享受技术红利，实现市占率的稳固和提升。表 4 电池厂与磷酸铁锂正极企业合作情况比亚迪宁德时代亿纬锂