三元正极行业系列之一：技术迭代探讨-三元正极的高镍化、高电压化和单晶化

投资建议：我们认为，降本增效持续驱动下三元正极材料行业正迎来在能量密度、安全性能、成本方面不断优化，在目前三元正极材料市场格局尚不稳定的情况下，相关头部企业通过对相应三元正极材料技术的不断探索有望使行业集中度进一步提升，看好具备相应技术储备的头部三元正极企业的发展潜力。推荐：振华新材、厦钨新能、容百科技、当升科技等，受益标的：长远锂科。 汽车电动化进程加快，三元正极材料长期向好。目前以欧洲为代表的海外市场三元装机量约在9成，国内市场上22年1-5月三元电池装机量达到34.0GWh占比约4成，同比增长186.1%依旧保持高速增长。考虑当前全球电动车较低的渗透率水平，未来5-10年行业整体仍将保持快速发展趋势，相应带动三元材料需求进一步上升。 国内市场格局相对分散，三元正极头部企业间市占率差距不明显。 2022年一季度我国三元正极材料市场CR5/CR10分别达到57.7%/85.1%，整体行业集中度虽然较2021年有所提升，但以前三企业为例，容百科技/当升科技/巴莫科技三元正极产量占比分别为15.7%/13.9%/10.6%，头部企业之间份额仍较为接近，行业整体处于相对分散的阶段。我们认为，当下动力电池行业尚处需求爆发阶段，各头部三元正极企业扩产意愿较强，市场格局尚不稳定，后续各企业如何紧跟行业发展趋势，通过技术提升和成本控制，快速匹配下游客户的需求将对获取市场份额起到关键性作用。 三元正极技术不断迭代，高镍化/高电压化/单晶化有望推动行业走向集中。降本增效持续驱动三元正极材料在能量密度、安全性能、性价比方面不断优化。能量密度方面，高镍化和高电压化技术路线引领三元正极材料能量密度提升；安全性能方面，单晶三元正极材料凭借物化性能更为稳定的特点，能够作为中镍高电压的材料体系之一，且在安全性能及循环性能上较多晶产品更具优势；成本方面，超高镍化和高电压体系在带来能量密度提升的同时也带来了三元锂电池瓦时成本的有效降低。往后看，相应技术迭代增加了材料工艺难度，对企业在前驱体、掺杂、包覆以及材料体系的理解提出了更高的要求，也使得在高镍、高电压、单晶的细分领域行业集中度更高。 风险提示：新能源汽车销量不及预期，产品导入进度不及预期 1.汽车电动化进程加快，三元正极材料长期向好 1.1.新能源汽车销量快速增长，动力电池装机量不断增加 海内外共振，全球汽车电动化趋势明显。根据EV Sales数据统计，2012-2021年全球新能源汽车销量从12.5万辆增长至675万辆，CAGR 55.7%。 全球新能源汽车渗透率稳步提升，2021年全球渗透率达到8.3%，较2020年提升4.1个p Ct 。2022年第一季度，全球新能源汽车销量达到206.1万辆，同比增长77%，渗透率达到11.2%。其中，中国整体新能源汽车销量达到125.7万辆，同比增长142.7%，渗透率达到19.2%；欧洲整体新能源汽车销量达到56.2万辆，同比增长23.7%，渗透率达到20.4%；美国新能源乘用车销量达到21.6万辆，同比增长71.8%，渗透率达到6.5%。 图1：2022年一季度全球新能源车销量达到206.1万辆图2：2022年一季度全球新能源车渗透率11.2% 图3：中国和欧洲占据全球新能源汽车消费主要市场 图4：中国和欧洲领衔全球新能源汽车市占率 汽车电动化趋势下全球动力电池装机量快速上升。受益于中国和欧洲市场汽车电动化的快速推进，2016年以来全球新能源汽车销量快速上升，动力电池装机量同步提升。2021年全球动力电池装机量达到296.8GWh，同比增长102%；中国动力电池装机量达到154.5GWh，同比增长144%，快于全球平均增速，占全球电池装机量超一半。2022年第一季度全球动力电池装机量95GWh，同比增长93.3%；其中，中国动力电池装机量51GWh，同比增长120.7%。 图5：全球动力电池企业装机量持续上升 图6：中国动力电池企业装机量持续上升 1.2.正极材料需求持续井喷，三元与磷酸铁锂长期共存 国内市场三元电池装机量维持高增，磷酸铁锂装机量回暖。此前三元正极材料凭借高能量密度的优势在新能源乘用车市场快速放量，其占动力电池装机量比重在2019、2020年均超过60%。但随着宁德时代CTP技术和比亚迪刀片电池的推出，叠加国内财政补贴退坡，降本成为车企动力电池选择的主要因素，比亚迪汉、特斯拉Model3、宏光MINI等爆款车型的推出拉动了磷酸铁锂装机量的回暖。2021年7月，磷酸铁锂单月装机量超过三元，2021年全年装机量为79.8GWh，占比达到51.7%，这是从2018年以来其装机量首次超过三元。2022年1-5月份，我国动力电池累计装机量83.1GWh，同比增长100.8%；磷酸铁锂电池累计装机量49.0GWh，占比58.9%，较2021年大幅提升17. 6个pc t；三元电池累计装机量34.0GWh，同比增长186.1%，占比40.9%。 图7：2021年磷酸铁锂装机量超过三元（GWh） 图8：2022年一季度磷酸铁锂电池占比提升至53% 图9：2022年5月三元装机量占比有所提升 欧洲市场动力电池装机量以三元材料为主。2017-2020年，欧洲动力电池装机量由16.5GWh上升至98.1GWh，CAGR达到81.4%。其中三元动力电池装机量始终占据主导地位，2020年占比超过90%。在各种类型的三元材料之中，NCM622占据主导地位，2017-2020年，装机量由4.1 GWh上升至50.8GWh，CAGR达到131.4%。2021年1-11月欧洲动力电池装机量达到144.9GWh，同比增长92.1%。三元动力电池仍占据主导地位，占比提升至95.4%；其中8系三元装机量达到30.2GWh，同比增长495.2%，比重从6.7%大幅提升至20.9%。 表1：2017-2020年欧洲各类型动力电池装机量中以三元电池为主（MWh） 表2：2021年1-11月欧洲8系三元电池装机量增长最为显著（MWh） 受益于电动车的需求提升，三元材料的出货量持续攀升。2021年全球三元正极材料出货量达71.8万吨，同比增长70.95%，2017年-2021年复合增长率达48.66%；2021年我国三元正极材料出货量达42.2万吨，同比增长79.57%，2017年-2021年复合增长率达41.25%。2021年国内市场占比全球达到58.8%，成为带动全球三元材料市场增长的主力军。我们认为，新能源汽车整体渗透率仍处于较低水平，随着渗透率的后续提升，三元材料的产量也将进一步提高。 图10：2021年全球和我国三元正极材料出货量进一步增长 2.三元正极技术不断迭代，推动行业走向集中 2.1.三元正极材料格局仍相对分散 国内市场格局相对分散，头部企业之间差距不明显。根据鑫椤资讯统计，2021年我国三元正极材料市场CR5/CR10分别为52.6%、78.6%；从企业角度看，容百科技、巴莫科技和当升科技的三元正极材料产量位居前三名 ；2022年一季度我国三元正极材料市场CR5/CR10分别达到57.7%/85.1%，整体行业集中度有所提升，前三企业容百科技/当升科技/巴莫科技三元正极产量占比分别为15.7%/13.9%/10.6%，头部企业之间份额仍较为接近，行业整体处于相对分散的阶段。我们认为，当下动力电池行业尚处需求爆发阶段，各龙头三元正极企业扩产意愿较强，市场格局尚不稳定，因此，各企业如何紧跟行业发展趋势，通过技术提升和成本控制，快速匹配下游客户的定制化需求将对获取市场份额起到关键性作用。 图11：2021年我国三元正极产量行业格局较为分散 图12：2022年一季度我国三元正极集中度有所提升 2.2.三元正极技术不断迭代，推动要素矩阵持续优化 多种正极材料路线并存，材料体系之间性能要素有所差异。目前正极材料主要可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料四大类，其中三元又可以细分为镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）。根据产品特性和下游应用场景的需求，钴酸锂和锰酸锂主要用于消费电子领域，而磷酸铁锂与三元主要用于新能源汽车领域。 表3：正极材料存在多种路线工艺 降本增效持续驱动研发创新，三元正极材料在能量密度、安全性能、性价比方面不断优化。新能源汽车智能化发展趋势成为主流，更丰富的座舱体验和智能驾驶功能都对动力电池都提出了更长续航里程、更高能量密度的要求。与此同时，更高容量、更高负载的电池系统伴生而来的安全性和成本性价比的要求同样刚性，催生出对三元正极能量密度、安全性能、成本性价比的进一步探索。 2.2.1.能量密度再升级：三元高镍化/高电压化趋势明显 解决续航里程焦虑，高镍化和高电压化提升三元正极材料能量密度。根据能量密度公式Wh/kg=U*I*h/kg=U*Q/kg，在同样质量下为实现能量密度的提升，目前行业内主要通过提升材料的充电电压上限（高电压化）与提升镍含量（高镍化）来提高三元正极材料的能量密度。 高镍8系三元占比逐渐上升，超高镍进一步提升高镍三元竞争力。三元材料高镍化是指在三元材料中提升镍元素的含量，进而提升能量密度，并相应降低对钴元素的依赖。2021年我国高镍三元产量为15.2万吨，同比增长110.2%，占三元正极材料总产量的38.3%。2022年一季度，高镍三元产量为5.4万吨，占比提升至42.4%。目前行业头部正极材料企业已在逐步开发、验证和生产9系的超高镍正极材料，进一步提升能量密度，解决电池轻量化问题，提升高镍三元竞争力。我们认为未来高镍三元仍将会继续成为长续航车型的主流应用之一，占据重要市场份额。 表4：8系正极材料在我国三元正极材料中比重逐年提升 随着中镍电压平台的上升，高电压化路线能量密度性能表现与高镍三元趋于一致。高电压化路线通过提升电池充电截止电压使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子，从而同时提升容量与工作电压，进而达到提升能量密度的目的。从当前实际应用的主要产品来看，高电压Ni6系典型产品（Ni65）的实际能量密度735.15Wh/kg已与Ni8系典型产品的739.32Wh/kg接近。同时，由于高电压材料的镍含量相对较低，生产工艺不如高镍三元复杂，因此高电压化正极材料在提升能量密度的同时还兼具了一定的安全性改善。 表5：三元正极材料通过提升充电电压上限（高电压化）与镍含量（高镍化）来提高动力电池能量密度 2.2.2.安全性能再提升：三元单晶体系应用增加 多晶三元正极体系成熟，单晶三元正极特点突出。从晶体结构方面划分，三元正极材料可以分为单晶型和多晶型三元正极材料。单晶指由一个晶核在各个方向上均衡生长起来的晶体，其内部结构基本上是一个完整的晶格，而多晶是由很多取向不同的单晶颗粒结合而成，其整个晶体结构中不是由同一晶格所贯穿，常规的多晶三元正极材料是以二次球形颗粒团聚形式而存在。单晶技术通过使用特殊前驱体及烧结工艺，实现三元正极材料形成晶体的特殊结构，在保持现有的容量和充放电平台的基础上，设法提高正极材料的单晶粒度，从而提高其振实密度，提高锂电池的体积容量，并大幅度地提升锂电池的安全性，使锂电池的品质得到大幅度提升。 表6：多晶和单晶三元正极材料形态特征有所差异 国外以多晶三元技术为主，国内单晶三元和多晶三元技术并行。单晶三元材料的研究已久，但由于早期对材料体系的研发路线和专利储备的侧重，海外日韩系电池厂的主流三元材料基本以多晶三元材料为主，并由国内头部正极材料企业逐步导入国内市场。2009年振华新材在国内较早推出一次颗粒大单晶NCM523产品，而后厦钨新能、长远锂科等头部正极企业相继突破单晶制作工艺。2017年下半年，随着宁德时代等头部电池企业开始将其应用于在动力电池，单晶材料逐步实现在国内市场放量。 图13：大单晶技术成为国内重点发展方向之一 单晶三元正极材料物化性能更为稳定，能够作为更高电压的材料体系之一，且在安全性能及循环性能上较多晶产品具备一定的优势。三元正极材料在高电压下，随着循环次数的增加内阻变大，电池容量衰减会很快，循