锂行业动态跟踪报告：预锂化有望提振金属锂需求

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2020年4月14日 有色金属 预锂化有望提振金属锂需求 ——锂行业动态跟踪报告 行业动态 ◆正极材料高镍化趋势迫切要求新一代负极材料： 随着NCM、NCA等正极材料普及应用，以及特斯拉对于无钴的不倦追求，促进了超高镍化的三元材料进展，正极材料的能量密度有了长足的提升。但现有的石墨负极的比容量已经接近极限，为了提高锂电池的整体能量密度，开发新型的锂电负极材料迫在眉睫。 ◆硅碳材料是理想的下一代负极： 硅材料质量比容量最高可达4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于负极的材料中理论比容最高的材料。同时因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，硅材料是碳材料的理想替代产品。但硅材料在嵌锂和脱锂过程中体积变化高达320%，造成材料结构的破坏和机械粉碎，引起容量快速衰减及较差的循环性能。 通过Si/C复合的材料改性方式，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，Si/C复合材料综合两者的优点成为代替石墨作为新一代锂离子电池理想的负极材料。 同时为了解决硅碳负极SEI膜造成的容量损失，通过预锂化进行负极补锂，可以抵消形成 SEI 膜所造成的不可逆锂损耗，提高电池的总容量和能量密度。 ◆Maxwell干电极工艺有望加速硅碳负极预锂的产业化： Maxwell干电极生产过程始终保持无溶剂干燥状态。从理论上来讲，干电极生产方式非常适合SLMP预锂化，从而有望促进硅碳负极材料产业化进程。 ◆预锂化有望提振金属锂需求： 我们认为超高镍化三元材料+硅碳负极将成为锂电池未来发展主流方向。从定性分析看，高镍化三元材料降低钴的使用量，长期看单体电池对钴的需求呈下降趋势。而硅碳负极材料的商业化，则提升金属锂的需求预期。 基于以上分析，我们建议关注锂行业龙头企业赣锋锂业、天齐锂业。 ◆风险分析： 1、新能源汽车产销持续低于预期。 2、硅碳负极产业化进度低于预期。 2、预锂化方式产生重大变化。 3、锂价下跌。 买入（维持） 分析师 李伟峰 (执业证书编号：S0930514050002) 021-52523820 liweifeng@ebscn.com 刘慨昂 (执业证书编号： S0930518050001) 021-52523821 liuka@ebscn.com 行业与上证指数对比图 -20%-10%0%10%20%03-1904-1906-1907-1909-1911-1912-1902-20有色金属沪深300 资料来源：Wind 相关研报 《双重底部，预期改善——锂行业动态跟踪报告》 ···················································2 0 19-11-22 《锂无近忧，但有远虑——新能源汽车产业链系列报告之有色篇》 ···················································2 0 18-04-20 《钴：供给有序+需求看涨，钴价仍可期》——新能源汽车产业链系列报告之有色篇》 ···················································2 0 17-09-26 2020-04-14 有色金属 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 目 录 1、 正极材料高镍化进程与硅碳负极材料商业化必要性 ................................................................... 3 2、 硅材料负极产业化应用痛点及解决方法 .................................................................................... 4 3、 Tesla收购Maxwell的干电极技术有望促进预锂化商业化进程 .................................................. 6 4、 正极材料高镍化以及负极材料预锂化对有色行业影响 ............................................................... 7 5、 投资建议 ................................................................................................................................... 7 6、 风险分析 ................................................................................................................................... 8 dUbWuZoYnWiZkWcVwVmMnPbR9RbRsQrRtRmMfQoOsOfQrQtP7NmNoPuOnPpMNZnMzQ2020-04-14 有色金属 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 1、正极材料高镍化进程与硅碳负极材料商业化必要性 锂离子电池在使用的过程中，能够进行二次充电，属于一种二次可充电电池，主要工作原理为锂离子在正负极之间的反复移动，无论电池的形状如何，其主要组成部分都为电解液、正极片、负极片以及隔膜。 图1：典型锂电池工作方式 资料来源：高工锂电，光大证券研究所整理； 锂离子电池容量取决于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力，正负极在各种环境下的稳定性决定电池的性能发挥，甚至严重影响电池的安全性，因此，电极的性能在一定程度上决定了锂离子电池的综合性能。 表1：主要的锂离子电池正极材料性能 钴酸锂 三元材料NCM111 三元材料NCM523 三元材料NCA 磷酸铁锂 锰酸锂 材料主成分 LiCoO2 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 LiFePO4 LiMn2O4 理论容量（mAh/g） 274 278 278 180以上 170 148 实际容量（mAh/g） 135~150 155~165 150~160 180 130~140 110~130 钴金属单耗（kg/kwh） 1.51 0.41 0.38 0.14 0 0 资料来源：《锂离子电池正极材料研究与应用进展》郭红霞等 基于水桶的短板效应，过去提升锂电池体系整体能量密度的研发方向集中在正极材料的攻关，随着NCM、NCA等正极材料普及应用，以及特斯拉对于无钴的不倦追求，促进了超高镍化的三元材料进展，正极材料的能量密度有了长足的提升。 表2：超高镍正极材料性能比较 NCM(8:1:1) NCM(83:8:9) NCM(92:3:5) NCA(87:9.5:3.5) NCA(91:4:5) 材料摩尔比 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 LiNi0.83Co0.08Mn0.09O2 LiNi0.92Co0.03Mn0.05O2 LiNi0.87Co0.095Al0.035O2 LiNi0.91Co0.04Al0.05O2 理论克容量（mAh/g） 276 275 275 278 279 实际克容量（mAh/g） 200 210 220 210 220 钴金属单耗（kg/kwh） 0.09 0.07 0.02 0.08 0.03 资料来源：锂离子电池正极材料研究与应用进展》郭红霞等，光大证券研究所整理 从现有的锂电池正负极体系以及未来发展趋势来看，石墨负极的比容量已经接近极限，为了满足新能源汽车高续航里程要求，提高电池的整体能量密度，开发新型的锂电负极技术迫在眉睫。 2020-04-14 有色金属 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 目前，负极材料主要被划分为两个类别，一种为已经商业化应用的碳材料，例如天然石墨、软碳等，另一类为正处于研发状态，但是市场前景一片大好的非碳负极材料，例如硅基材料、合金材料、锡基材料等等。 表3：负极材料性能比较 石墨 钛酸锂 硅 锡 理论克容量（mAh/g) 372 175 4200 990 循环寿命（次） 1000 30000 200 200 体积变化（%） 12 1 320 260 安全性 一般 高 差 差 资料来源：高工锂电，光大证券研究所整理 从上表可以看出硅材料的质量比容量最高可达4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于负极的材料中理论比容最高的材料。同时因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，并且硅材料环境友好、储量丰富、成本较低。为了适应锂电池体系整体发展趋势，硅材料被认为是碳负极材料的理想替代产品。 2、硅材料负极产业化应用痛点及解决方法 目前硅材料作为锂电池负极应用也有其先天缺陷及实际应用瓶颈，第一个问题是硅材料在反应中出现的体积膨胀。在嵌锂和脱锂的过程中硅材料会引起体积变化，且其体积变化高达320%，远大于现有的碳材料12%的体积变化。负极材料充放电过程中严重的体积膨胀和收缩，会造成材料结构的破坏和机械粉碎，导致在循环过程中电极材料粉化、活性物质与集流体之间失去电接触，引起容量快速衰减，电极表现出较差的循环性能。 为了解决硅材料体积膨胀问题，目前研究主要通过两个方面：第一、硅材料改性；第二，硅材料结构设计。 在硅材料改性方面，主要在硅材料的合金化、多孔化以及纳米化三个方面着手。由于碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，另外，硅与碳化学性质相近，两者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在 Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合两者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，成为代替石墨作为新一代锂离子电池理想的负极材料。 另外在锂离子电池首次充电过程中，有机电解液会在负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂离子，造成首次循环的库仑效率(ICE)偏低，降低了锂离子电池的容量和能量密度。与现有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆锂损耗，硅负极的首次不可逆容量损失达15%～35%，较大的首次不可逆容量损失消耗大量的电解液和正极材料中脱出的锂离子，导致较低的充放电效率、放电比容量及较差的稳定性，降低了电池的能量密度。 2020-04-14 有色金属 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 图2：SEI膜成分组成 资料来源：高工锂电，光大证券研究所整理 为了解决碳负极材料SEI膜造成的容量损失，目前通行的方法是通过负极材料的预锂化，通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消形成 SEI 膜所造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。目前常见的预锂化方式有锂箔补锂、锂粉补锂、电化学补锂、化学补锂等。 表4：预锂化工艺比较 预锂化种类 锂化程度 循环性 安全性 设备要求 环境要求 速度 锂粉预锂 高，锂粉密度相关 优 低，易粉尘爆炸 一般，分干法、湿法 对水分、氧气要求苛刻 最快，注液形成SEI膜 锂带预锂 较高，锂箔厚薄 优 一般，易燃烧 复杂，需调整卷绕工艺 对水分、氧气要求严格 较快，注液形成SEI膜 电化学预锂 中等，电位有关 一般 一般，易燃烧 一般 对水分、氧气要求严格 较快 化学预锂 低，补锂量有限 一般 较高 简单 对水分、氧气要求较严格 慢，效率低 资料来源： 《预锂化技术在能源存储中的应用》明海等，光大证券研究所整理 1. 锂箔补锂 锂箔补锂是利用自放电机理进行补锂的技术。金属锂