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010-88005313wangweiqi2@guosen.com.cnS0980520080003 nMpMpMoQmPsMzRmRoMoPuNaQcMaQpNnNsQsQkPoOrMiNnNsO8OoPoQNZmQwPvPmRoO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5786466970200400600800100012003.4V3.8V4.1VE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)170148274273-285电芯质量比能量（W.h/kg)130-160130-180180-240180-240平均电压/V3.43.83.83.6电压范围/V3.43.83.82.5-4.6循环性/次2000-6000500-2000500-1000800-2000安全性能好良好差中价格（万元/吨）（2022Q1均价）14.510.953.933.3（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 020406080100120201920202021三元材料磷酸锂铁钴酸锂锰酸锂41 39 74 20 24 80 33%38%52%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 201920202021三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（°C）1000周循环后容量保持率成本NCM81115587%NMx（镍锰酸锂）17095%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2204008141800三元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4