三元正極材料行業深度報告：三元正極技術篇，深挖護城河

（報告出品方：方正證券）

1. 三元正極：鋰電池的核心

正極材料是鋰電池的重要組成部分

鋰電池主要由正極、負極、電解液和隔膜等四大主材組成。鋰電池按照形狀劃分，可以分為圓柱、方形、軟包等。另外也常以使用的正極材料種類進行劃分， 包括鈷酸鋰電池、三元電池、磷酸鐵鋰電池等。 2021年我國動力電池裝機量154.5GWh，主要以磷酸鐵鋰電池和三元電池為主。其中三元電池裝 機量74.35GWh，佔比48.1%。

三元正極市場高速增長

隨著新能源汽車銷量高速增長，以及電動工具等市場穩定增長，三元正極材料出貨量持續保持高 速增長。 2021年國內正極材料出貨量合計超過100萬噸，達到109.4萬噸，同比增長98.5%。 2021年國內三元正極材料出貨量42.2萬噸，同比增長79.6%。

三元正極材料占電芯成本比例過半

正極材料是鋰電池的核心組成部分，對鋰電池的很多核心性能指標都有直接影響，包括容量、壽 命、倍率、安全性等。通常鋰電池中的可脫嵌鋰離子，都源自正極活性物質。 成本方面，正極佔比過半。我們以5系三元電池為模型，並結合上海有色網的主要材料報價，對5 系三元電池進行成本拆分。目前正極材料占電芯的成本達到60%左右。

正極材料多技術路線並存

正極材料根據晶體結構，可以分為三大類：尖晶石、橄欖石和層狀結構。動力電池市場，磷酸鐵 鋰、磷酸錳鐵鋰，以及寧德的新技術路線M3P正極都屬於橄欖石結構。 動力電池市場商業化應用的NCM、NCA等都屬於層狀結構。 從克容量指標來看，三元正極相對磷酸鐵鋰、錳酸鋰都有比較大的優勢。

三元正極性能仍有較大提升空間

磷酸鐵鋰正極材料理論容量為170mAh/g，目前產業化已經能做到超過156mAh/g，實際值/理論 值達到92%。磷酸鐵鋰將繼續精益求精。 目前商業化的三元5系和6系，克容量可以達到180mAh/g左右，實際值/理論值僅有65%。目前商業化的三元8系正極克容量約為200mAh/g，實際值/理論值也僅有72%。

加速產品迭代

三元正極材料企業在現有產品基礎上，不斷推陳出新。主營三元正極材料的企業中，2021年容百科技和當升科技的研發費用均超過3億元。 主營磷酸鐵鋰的企業中，德方納米2021年研發費用為1.64億元。

2. 三元正極三大發展方向

三元正極三大趨勢

趨勢一：單晶化（優點）

正極材料可以分為多晶和單晶。一般多晶材料是以微米級別的團聚體形式存在。團聚體內部存在 大量晶界。在電池充放電過程中，由於各向異性的晶格變化，多晶材料容易出現晶界開裂，導致 二次顆粒發生破碎。從而導致副反應快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。採用單晶顆粒，可以減少晶界，減少副反應的發生，還能提高壓實密度，從而提高能量密度。與多晶相比，單晶材料的循環性能一般會好很多。

趨勢二：高電壓化（優點）

三元正極材料的第二個發展趨勢是高電壓化，相當於是提高鋰電池充電截止電壓。 一般三元電池的充電截止電壓為4.2V～4.3V。國家標準GB/T 37201-2018指出，三元電池測試時 一般是以0.2C恆電流充至4.2V，再恆壓充電。以5系三元為例，當充電截止電壓由4.2V提高到4.4V時，正極材料放電克容量可以由158.4mAh/g 提高到188.6mAh/g，提高19%。並且充電截止電壓到4.5V時，正極克容量可以超過200mAh/g。

趨勢三：高鎳化（優點）

三元正極的第三大趨勢：高鎳化。高鎳化的主要目的是為了提高能量密度。 從電子結構來看，鈷（Co）的eg軌道為空軌道，t2g軌道與氧（O）的2p軌道有較大重疊，深度脫鋰時容 易析氧，出現結構塌陷。此外鈷的t2g軌道與氧的2p軌道形成π鍵，作用力較弱，電子易轉移。鎳（Ni）的eg軌道與氧的2p軌道重疊非常小，因此理論上鎳的eg軌道上電子可以完全失去，鎳酸鋰的有 效容量更高。對於錳，當鎳含量超過錳時，錳會轉變為4價形態存在，非常穩定。一般而言，在NCM體系中，鈷含量越高，倍率性能越好；鎳含量越高，克容量越高；錳含量越高，結構 越穩定。一般8系三元的克容量可以做到超過200mAh/g。

實現路徑：摻雜和表面改性對正極材料性能影響重大

無論是普通的正極材料，還是在向單晶、高電壓、高鎳方向發展時，摻雜和表面改性，都是提高 正極材料綜合性能的有效方法。並且摻雜、改性的方法也是正極材料企業的核心競爭力之一。摻雜元素包括Al、Mg、Cr等，提高機理包括穩定主結構、增加鋰離子層間距、在晶界處偏析等。

常用的包覆劑包括Al2O3、V2O5、ZnO、ZrO2、TiO2、MgO等。僅以氧化鋁包覆方法為例，第一 代技術用有機體系的異丙醇鋁，第二代用水系的硝酸鋁或羧酸鋁，第三代用納米級的氧化鋁或氫 氧化鋁。

國內兩大方向對比：中鎳高電壓、高鎳

國內三元正極的兩個發展方向存在一定的競爭：中鎳高電壓和高鎳（常規電壓）。從能量密度指標上來看，對於中鎳高電壓6系產品，充電截止電壓4.4V，6系正極材料的能量密度 可以做到接近鎳83的水平。 從熱穩定性指標上來看，中鎳高電壓產品一般好於高鎳。622充電電壓到4.5V，熱分解溫度比811 高，放熱量比811小。

海外：核殼結構+NCMA

三元正極除了國內常規的單晶、中鎳高電壓、高鎳等，海外也在推核殼結構和四元NCMA。 正極材料表面改性一般是包覆，但是普通的包覆容易損失克容量，可以升級為核殼結構，也可進 一步升級為梯度材料。新的結構體系，對於生產工藝和生產成本提出了更高的要求。 LG推出NCMA。根據韓國漢陽大學發布的結果來看，（1）從NCA89到NCM90，鈷含量由10% 下降到5%，循環性能更好。（2）NCMA89可以理解為對NCM90進行改性，鋁摻雜比例為1%。（報告來源：未來智庫）

3. 三元正極下一代技術：無鈷、富鋰錳基等

三元正極下一代技術

三元正極方向技術不斷迭代。隨著三元正極材料在高電壓、高鎳方向技術成熟，三元正極下一代 產品可能是無鈷，或者富鋰錳基等。

無鈷：鎳錳酸鋰（NM，尖晶石型 + 層狀結構）

鎳錳酸鋰從晶體結構上來分，可以分為兩類：尖晶石型和層狀結構。 第一種：對尖晶石型的錳酸鋰（LiMn2O4）進行鎳摻雜，可以形成尖晶石型的鎳錳酸鋰，其常見的 化學式結構為LiNi0.5Mn1.5O4。與錳酸鋰相比，理論克容量不變，並且需要高電壓發揮性能。 另外一種鎳錳酸鋰是層狀結構，相當於在現有三元NCM正極製備過程中不加入鈷源，包括中鎳無 鈷、高鎳無鈷、超高鎳無鈷等。

富鋰錳基：更高的克容量（層狀結構）

富鋰錳基克容量更高，可以超過250mAh/g。晶體結構主要為層狀相，鋰離子進一步取代過渡金 屬層中的元素。其成分可以理解為Li2MnO3與三元正極NCM的混合（固溶體/納米尺度混合）。製備工藝：富鋰錳基與現有三元正極類似，前驅體+高溫燒結。挑戰：（1）首效低， Li2MnO3組分激活需要首充電壓超過4.4V，Li和O以Li2O和O2的形式脫出， 放電時只有一個Li+嵌回，並且晶格氧的氧化還原反應難控制。（2）倍率性能低。（3）放電電壓 平台衰減更快。（4）高電壓，充電電壓高於4.6V，當前商用電解液的分解電壓通常在4.4V以下。

4. 三元正極產業鏈重點公司分析

三元正極行業高速發展，技術迭代，龍頭佔優

由於三元正極能量密度高，在新能源車市場穩穩佔據中高端市場。2021年國內三元正極材料產量 為39.81萬噸，同比增長89.5%；全球產量為72.97萬噸，同比增長79.3%。隨著三元正極材料進一步向單晶、高電壓、高鎳方向發展，行業技術門檻不斷提高。行業龍頭公 司憑藉技術實力，不斷推出新品，保持領先優勢。而新進入者很難撼動行業龍頭公司地位。

容百科技：三元高鎳龍頭

容百科技是國內高鎳三元正極材料的龍頭企業。2021年公司出貨量中高鎳佔比達到90%。公司高 鎳產品市佔率已連續多年位居全國第一。目前公司高鎳9系前驅體和9系單晶正極均已實現量產。產能方面，公司預計到今年年底擴產到25萬噸，相對於年初的12萬噸，增長一倍多。隨著公司進 一步高速擴張，公司在三元正極材料市場有望穩居全球第一。

當升科技：海外市場佔優

當升科技主要產品是三元正極，以出口海外為主。公司國際客戶主要包括SK on、LG化學、AESC、 Northvolt 等動力電池企業和車企，公司產品出口到日本、韓國、歐洲和美國。公司國內客戶包括 億緯、中航、蜂巢等。與國內市場相比，海外認證周期更長，對產品的質量、穩定性等要求更高。並且海外認證通過後， 在出貨量和盈利方面也更有保障。公司高鎳產品在行業中處於領先位置，團聚型高鎳快速放量，單晶型高鎳進入多個車型評測，團 聚單晶複合型高鎳持續迭代，超高鎳Ni95完成國際客戶認證。

長遠鋰科：一體化打造核心優勢

長遠鋰科主要產品是三元正極材料，並且前驅體自供比例較高。21年公司三元前驅體產量2.89萬 噸，全部自用，三元正極材料產量4.47萬噸，相當於前驅體自供比例～65%。公司中鎳高電壓產品在行業處於領先位置。公司新一代中鎳高電壓65 系單晶產品採用低成本粗顆 粒鋰源，可以降低成本，並提高生產效率。高鎳方面，公司新一代鎳83單晶產品已經通過寧德時 代噸級樣品測試。公司超高鎳 9 系單晶產品，下遊客戶已經進入噸級試產階段。

振華新材：三燒工藝行業領先

振華新材主營三元正極材料。公司在單晶正極方面有著非常深入的研究。公司早在2009年就推出第一代 5系單晶產品。從2018年開始，公司逐步推出6系和8系單晶產品。公司單晶產品以三次燒結工藝為主。三燒工藝在前驅體選擇、高鎳材料製備等方面均具備一定優勢。2021年公司高鎳8系產品實現批量供貨，8系產品營收佔比達到38.08%。並且公司超高鎳9系三元正極材 料已於2021年開始向部分客戶進行噸級送樣。

廈鎢新能：全球鈷酸鋰龍頭，中鎳高電壓快速推進

廈鎢新能是全球鈷酸鋰正極材料龍頭企業。21年公司鈷酸鋰銷量4.5萬噸，同增35%。公司高電壓 4.48V鈷酸鋰產品從2020年開始大批量出貨。 根據鑫欏資訊統計，21年公司鈷酸鋰產品全球市佔率達到42%，同比提升8.5pct。 三元正極方面，公司開發的新一代中鎳高電壓6系產品，已經成功應用到續航里程超過1千公里的 電動車上。高鎳方面，公司8系多晶與單晶產品均已經量產，9系處於量試階段。

貝特瑞：全球負極龍頭，三元正極開始放量

貝特瑞是全球負極材料的龍頭企業。21年公司負極材料銷量16.6萬噸，同比增長121%。根據鑫欏 資訊統計， 21年公司負極材料全球市佔率19%，穩居全球第一。 公司研發投入高。21年公司研發費用5.9億元，占營收比例5.6%。 正極方面，21年公司三元正極銷量1.83萬噸，同比增長452%，實現突破性進展。並且公司超高鎳 正極材料開發項目，已經完成小試，進入中試階段。

三元前驅體：三元正極材料性能實現的關鍵原材料

三元正極向單晶、高電壓、高鎳方向發展，上游原材料三元前驅體對三元正極材料的最終性能也 有重要影響。目前我國在三元前驅體研發與生產方面，已經處於全球領先地位。2021年全球三元前驅體產量中， 中偉股份、格林美和華友鈷業位居全球前三。另外芳源股份前驅體產品主要供應松下、貝特瑞、 當升科技等，技術實力在行業中也是處於領先位置。

報告節選：

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站