机械行业先进制造业研究框架系列九：锂电正负极材料设备研究框架，锂电需求旺盛，聚焦正负极材料生产设备

锂电池正负极材料设备研究框架主要观点 锂离子电池应用广泛，正负极材料成本占比较高：锂电池在动力电池市场、消费电池市场和储能电池市场有着广泛应用，其原理是利用锂离子在电场的作用下的定向运动来完成电荷的传递，其正负极均为化学势随着锂离子含量变化的化合物，锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液等组成。其中，正极（成本约占总成本比例约35%）是整个电池中可嵌脱锂离子的来源，负极（约占总成本比例的12%）是锂离子的受体。正极材料包括磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂等，且以磷酸铁锂和三元材料为主；负极材料包括天然石墨、人造石墨等，且以人造石墨为主。 新能源汽车渗透率不断提升，正负极材料产能快速扩张：2021年我国正极材料产量约111.17万吨，产量同比增加约100%。2021年我国锂电负极材料产量约81.59万吨，同比增长76%。主要受益于新能源汽车渗透率不断提升，对正负极材料需求逐渐加大。根据我们测算，2025年，全球（动力+消费+储能）正极和负极材料的需求将分别由2021年的118万吨和59万吨提升至603万吨和302万吨，预计至2025年我国正极材料产能有望达到640万吨，负极材料产能有望达到250万吨，2021-2025年期间产能扩张复合增速分别约为44%和26%。 正负极材料设备投资额较高，产能扩张提振设备需求：1）正极加工生产线由配混系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉体输送系统和智能化控制系统构成。以常州当升科技二期工程年产5万吨的高镍正极项目为例，其设备购置费约10.90亿元，其中辊道窑价值量最高，占比接近36%。2）负极材料以人造石墨为例，基本步骤就包括预处理、热解、磨球、石墨化（即热处理，使原本分布杂乱无章的碳原子整齐排列，关键技术环节）、混料、包覆、混料筛分、计重、包装入库。以璞泰来年产5万吨高性能锂离子电池负极材料建设项目为例，主要设备购置费约6.17亿元。3）根据我们测算，2021-2025年国内正极材料年均设备需求约162亿元（不含前驱体生产设备市场规模），正极前驱体生产设备需求约81亿元，负极材料设备年均需求约59亿元。 受益标的：百利科技—具备正负极材料全流程服务能力稀缺标的，设备自制率有望持续提高，锂电业务在手订单饱满。 其他受益标的如天通股份等。 风险提示：锂电正负极材料产能扩张不及预期、新能源汽车行业景气度不及预期、行业竞争加剧。 1.1锂离子电池简介 锂离子电池：利用锂离子在电场的作用下的定向运动来完成电荷的传递（氧化还原反应），其正负极均为化学势随着锂离子含量变化的化合物。粒子总是从高化学势向低化学势区域、相或组元转移，直到两者相等才相互处于化学平衡。 使用领域较为广泛：锂电池在动力电池市场、消费电池市场和储能电池市场应用广泛。 锂离子电池的原材料：主要由正极、负极、隔膜、电解液、铜铝箔、结构件等构成。 正极材料：为层状过渡金属氧化物，正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源； 负极材料：一般为碳素材料（石墨等）和非碳材料，负极是锂离子的受体。 成本拆分：根据真理研究数据，正极材料成本约占总成本的35%，负极材料占总成本的比例约12%。 1.2正极材料：用途与分类 正极是电池中可嵌脱锂离子来源，基本要求包括： 放电反应应该有较负的吉布斯自由能（较高的放电电压）； 基本结构的分子量要低且能插入大量的 Li+ （高质量比热容）； 主体结构的 Li+ 扩散和电子迁移速度必须快（高功率密度）； Li+ 嵌入与脱出可逆，嵌脱过程中主体结构变化要小（长循环寿命）； 化学稳定性要好，无毒，廉价； 材料制备容易。 主流的正极材料包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂等。其中，三元锂和磷酸铁锂在性能、寿命、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大。 1.2正极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱 磷酸铁锂和三元材料各有优势。凭借磷酸铁锂低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，其装机量不断提升，磷酸铁锂电池的装机量于2021年7月实现了对三元锂电池的反超。而三元材料具有成本高、循环寿命短、安全性差的缺陷，但在能量密度、低温性能方面更具优势。 1.2正极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱 正极材料产量&装机量快速增长。2021年我国正极材料产量约111.17万吨，产量同比增加约100.78%，2021年我国动力电池装机量也出现大幅增长。我们预计，2025年，我国新能源汽车销量有望达到1000万辆以上，全球新能源汽车销量达到2000万辆以上，催生巨大正极材料需求。 各企业加码正极材料产能布局。2021年厦门新能、容百科技等及新进入者如海螺创业等也在积极加码磷酸铁锂产能布局。 1.2负极材料：用途与分类 负极材料是锂离子受体，主要分为碳类材料与非碳类材料。前者被量产的锂离子电池广泛采用，具有安全无毒、循环寿命长、成本低廉的优点，但质量比与能量比均较低导致功率较小。后者体积能量密度高，可以达到很大功率，但是目前稳定性较低、制作成本较高，仍有许多技术困难亟待克服。 1.3负极材料：用途与分类 碳类材料是传统的锂电池负极材料。根据材料性能可以再细分为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球与石墨烯等。碳类材料合成方法简单、循环寿命长等优点，是现阶段应用最广泛的负极材料。 根据转化为石墨的容易程度，可以将非石墨电极分为硬碳和软碳。软碳与电解液相性很好，但首次充放电不可逆容量高，输出电压较低，所以一般不直接做负极材料。 1.3负极材料：人造石墨负极占比不断提升 根据高工锂电数据，2016-2020年，我国负极材料出货量逐年上升，2020年我国负极材料出货量36.5万吨。其中，人造石墨出货量由2016年的8.03万吨上升至2020年的30.7万吨，年均复合增长率近40%。根据鑫椤资讯数据显示，2021年中国负极材料产量为81.59万吨，同比增长76%。 随着新能源汽车渗透率不断提升，对负极材料需求也不断增大，主要负极材料生产企业纷纷加大产能规划，并不断有新进入者如杰瑞股份等加快负极材料布局。 从负极产品结构来看，2020年人造石墨产品占比进一步提升，市场占比达到84%。以硅基负极为代表的其他负极材料，市场占比有所下滑。天然石墨占比出现下降，主要是因为2020年主流电池企业采购天然与人造石墨混合材料，降低纯天然石墨的采购。 1.4全球正负极材料需求测算 假设1：2025年新能源汽车销量由2020年312万辆提升至2500万辆，单车带电量提升至65kWh。 假设2：2021-2025年期间消费锂电池需求量复合增速为10%，2025年需求达到148GWh。 假设3：2021-2025年期间储能锂电池保持旺盛，2025年需求提升至达到421GWh。 其他假设：产销比为1.25，单GWh正负极材料用量分别约为0.22和0.11万吨（不同材料需求会有所差异）。 2.1正极材料常用工艺：高温固相反应 在锂离子电池无机电极材料的制备中，最常使用的是高温固相反应。 高温固相反应：指包括固相物质的反应物在一定的温度下经过一段时间的反应，通过各种元素之间的相互扩散，发生化学反应，生成一定温度下结构最稳定的化合物的过程，包括固—固相反应、固—气相反应和固—液相反应等。 即使是采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和溶剂热法等，通常仍需要在较高的温度下进行固相反应或固相烧结。这是因为锂离子电池的工作原理要求其电极材料能够反复地嵌入和脱出 Li+ ，因此其晶格结构必须有足够的稳定性，这就要求活性材料的结晶度要高，晶体结构要规整。这是低温条件下很难达到的，因此目前实际所用的锂离子电池的电极材料基本上都是经过高温固相反应获得的。 2.2正极材料生产线组成及设备投资市场规模 正极材料加工生产线主要包括配混系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉体输送系统和智能化控制系统等。 设备投资额较高。以常州当升科技二期工程年产5万吨的高镍正极项目为例，其设备购置费约11亿元，其中辊道窑价值量占比接近36%。 2.2正极材料生产线组成及国内设备市场规模 核心假设：1）磷酸铁锂凭借低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，产量增速预计保持高速增长，三元材料其次。2）2021年由于产能供应紧张，产能利用率有所提升，假设65%。2022-2025年各品种产能利用率随着产能扩张我们预计会有所下降，假设分别为60%/55%/50%/50%；3）高镍三元锂设备投资额约2亿元/万吨，磷酸铁锂设备投资额约1.2亿元/万吨，钴酸锂设备投资额约1.7亿元/万吨，差异较大。因此，为方便计算，暂不考虑品种，假设正极材料生产设备投资额为1.5亿元/万吨。 测算结果：预计2021-2025年正极材料设备合计市场规模（不含前驱体生产设备市场规模）约811亿元。另外，前驱体生产设备投资额约1亿元/万吨，按照前驱体和正极材料约1:1对应关系，产能扩张节奏或与正极材料相似。因此，预计2021-2025年正极前驱体生产设备市场规模约406亿元。 2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：计量与配料系统 锂离子电池正极材料在原料输送、储存、配料、混料、破碎粉磨、除尘以及包装等方面采用了称重计量作为工艺过程中的检测与控制手段。称重计量的主要设备是电子衡器。 应用场景：各种储存料仓的称重计量、配料过程中的定量称重、成品物料包装计量。 目前工艺上采用的料仓称重、混合机称重系统、配料秤以及自动定量秤都是重力式装料衡器，它们的共同结构都是包含供料装置、称重计量、显示装置、控制装置以及具有产能统计和通信等功能。最后由中央控制将各部分连成一体，构成闭环自动控制系统。 料仓称重系统：能够显示出整个料仓的空仓重量，又可以显示料仓内物料的净重。 配料秤：是电池正极材料生产中关键设备，既要求每一种料有独立的定量值，又要求投入其中的料比例 注：W代表称重装置，W1为以减量秤方式工作的料斗称重系统，W2、W3、W4为有多个重量预置点设定的，对上对下有联锁控制要求的料斗称重系统，W5为称重式稀相负压输送系统，W6为配料秤。 2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：混合设备 为了提高高温固相反应的速率与材料结构的均匀性，物料的均匀混合是必要条件。物料的混合分湿法混合与干法混合，湿法混合主要有搅拌球磨机和砂磨机，干法混合主要有高速混合机、高效循环混合机和机械融合机等。 2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：混合设备2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：干燥设备 当锂离子电池正极材料生产过程中采用湿法混料工艺时，经常遇到干燥问题，湿法混料所用溶剂不同，所采用的干燥工艺和设备也就不同。湿法混料工艺所用的溶剂目前主要有两种：非水溶剂即有机溶剂如乙醇、丙酮等；水溶剂。锂离子电池正极材料湿法混料的干燥设备主要有：真空回转干燥机、真空耙式干燥机、喷雾干燥机、真空带式干燥机。 2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉 锂离子电池正极材料工业化生产通常采用高温固相烧结合成工艺，其核心关键设备是烧结窑炉。锂离子电池正极材料生产原料经均匀混合、干燥后装入窑炉进行烧结，然后从窑炉卸料后进入粉碎分级工序。 对正极材料生产而言，窑炉的控温温度、温度均匀性、气氛控制与均匀性、连续性、产能、能耗和自动化程度等技术经济指标至关重要。目前用于正极材料生产的主要烧结设备有推板窑、辊道窑、钟罩炉。 烧结窑炉价值量较高，并以国外和合资品牌为主。以应用最广的辊道窑（负极材料生产也用此设备）为例，其价值量占产线比约30%-40%。德国萨克米、日本NGK、日本则武、日本高砂、广州中鹏、广州高砂、苏州汇科、湖南金炉、博涛机电、湖南新天力（天通股份）等厂家拥有窑炉生产制造能力。 2.3正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉 辊道窑是一种连续式加热烧结的中型隧道窑。 按照炉体氛围，同推板窑一样，辊道窑也分为空气窑和气氛窑。 空气窑：主要用于锰酸锂材料、钴酸锂材料、三元材料等需要氧化性气氛的材料烧结； 气氛窑：主要用于NCA三元材料、