新能源汽车用锂电正极材料将何去何从

一、主流电动汽车对锂电正极的选择

正极材料作为电动汽车动力锂离子电池的核心，目前商业化应用于电动汽车的重要包括磷酸铁锂、锰酸锂和包含镍钴锰酸锂（(LiNixCoyMn1－x－yO2，NCM)和镍钴铝酸锂（LiNi1－x－yCoxAlyO2，NCA）两种的三元材料。其我国内新能源汽车主流用正极材料为磷酸铁锂，比如比亚迪。以特斯拉为代表的新能源汽车公司主流用正极材料为三元材料。日产聆风电动汽车采用的是锰酸锂正极材料动力锂电池。

表1.世界主流电动汽车对动力锂离子电池正极材料的选择

表2.国内主流电动汽车型动力锂离子电池正极材料的使用情况

二、几种正极材料之优劣比较

1.磷酸铁锂

磷酸铁锂（LiFePO4）材料具有原材料丰富、循环寿命长、安全性能好等诸多优点。但是由于磷酸铁锂离子电池一致性和能量密度较低，制约了其在电动汽车领域的发展。目前，业界一般认为磷酸铁锂比较适于储能系统，重要应用于基站和数据中心储能、家庭储能、风光电储能等领域。

2.锰酸锂

LiMn2O4是Wichham在1958年首先制备的正极材料，优点是价格低、热稳定性高。日本AESC公司将其实现了产业化。重要用在日产聆风电动汽车上的动力锂电池。锰酸锂材料具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点，是理想的动力锂电池材料，在产业化的进程中要改善其较差的循环性能及电化学稳定性。

3.三元材料

三元材料LiNixCoyM1-x-yO2，M为锰（Mn）或铝（Al）称NCM或NCA是目前最有前途的动力锂电正极材料之一。

3.1镍钴锰三元材料（NCM材料）

镍钴锰三元材料（NCM）随着材料中镍（Ni）、钴（Co）、Mn组成比例的变化，材料的比容量、安全性等诸多性能能够在一定程度上实现可调控。Ni可以提高材料的放电容量；Co能减少阳离子混排情况的发生，有效稳定材料的结构；Mn既能提高材料的安全性和稳定性，又能降低材料的成本。目前在电动汽车上广泛使用的是Ni、Co、Mn比例分别为1∶1∶1或5∶2∶3的（简称NCM111及NCM523材料）体系。高镍NCM622材料（Ni、Co、Mn比例为6∶2∶2）是目前三元材料研究的热点之一。与已批量使用的NCM111材料相比，NCM622材料的比容量要高出10%以上。NCM622材料的应用有望将动力锂电池的能量密度提升至200Wh/kg。为此，少数国内外领先的正极材料公司重点投入NCM622材料的开发。国内如北京当升材料科技股份有限公司，在已有三元材料的基础上，顺利攻克了NCM622材料安全性能、循环性能、低温性能等多项关键技术。产品的放电比容量、倍率性能、高低温充放电性能和常温循环寿命优异，综合性能处于国际领先水平。北汽等国内知名车企已开始量产以NCM622为正极材料的纯电动汽车。

3.2镍钴铝酸锂三元材料（NCA材料）

镍钴铝酸锂三元材料（典型分子式为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，简称NCA）综合了LiNiO2和LiCoO2的优点，不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝（Al）后增强了材料的结构稳定性和安全性，进而提高了材料的循环稳定性。NCA材料也是目前研究最热门的三元材料之一。

NCA材料具有优异的性能，应用领域也由最早的电动工具扩展为电动汽车，如AESC为日产（Leaf）、Panasonic为美国Tesla、PEVE为丰田（Pruisα）等车型供应的动力锂电池，其正极材料全部或部分为NCA材料。

2013年，美国Tesla正是由于动力锂电池正极材料使用了NCA材料，使汽车续航里程大幅提升，一举成为世界电动汽车领域最耀眼的新星。据报道，TeslaModelS的电池模块总容量高达85kWh，使用了约7600颗3.1Ah的18650电池。其单体电池的能量密度为252Wh/kg，电池模块的能量密度超过150Wh/kg，远高于当前行业80～120Wh/kg的平均水平。NCA材料的一些性能指标虽然表现优秀，但是材料的制备难度高。这类材料的开发和使用在日韩的先进公司中已经成熟并进入大规模量产阶段。国内生产公司如当升科技、湖南杉杉新材料有限公司、深圳天骄科技开发有限公司等已完成相关技术的初步探索，进行了中试和小批量试产。但由于多种因素的影响，NCA材料未在国内形成批量生产及销售，尚有一些技术问题要解决。可以预见，随着电动汽车市场的兴起，NCA材料的需求会大幅新增。国内公司需借此机会，加大投入，提前进行NCA材料国产化开发工作。

表3.不同典型动力锂离子电池正极材料的性能

三、正极材料未来发展方向及展望

电池市场的产量和产量的新增，带动了锂离子正极材料产业的发展，《我国节能与新能源汽车国家规划（2012～2020）》中提出，到2020年动力锂电池能力密度提高到300瓦时/千克以上。目前传统的磷酸铁锂离子电池和锰酸锂离子电池将无法满足这一目标，公司必须研发生产比容量高的新型正极材料。

德国大众汽车的技术专家认为，未来动力锂离子电池提升能量密度的重要方法在于正负极材料的选择，随着能量密度的不断提升，正极材料从三元材料（NCM111）逐步向高镍三元材料（NCM811）过渡，最后发展为富锂材料。多元材料体系中，随着镍含量提高，能量密度不断提升。目前技术相对成熟的是常规的NCM111，材料的比容量达到158mAh/g。但是该材料的成本相对较高，而且由于3M的专利垄断进一步新增了专利使用成本，因此动力锂电公司为了降低成本和规避专利问题、同时为了寻求更高能量密度的材料，逐渐转向了高镍三元材料NCM523，甚至是NCM622和NCA。动力型高镍多元材料NCM622和NCA将成为电动汽车用锂离子电池的首选正极材料。

为了满足2020年动力锂电池能力密度提高到300瓦时/千克以上的目标，高镍三元材料之后，正极材料最后将朝着富锂材料方向进行发展。富锂材料具有大的比容量(250mAh/g)和高的放电电压(3.8V)，理论能量密度高达900Wh/kg，循环寿命长、成本低、污染小等优点是未来动力锂电池的理想正极材料。美、日等国提出要在2020年下一代锂离子电池的能量密度达到300Wh/kg，2030年能量密度则达到500Wh/kg。工信部在《我国制造2025》明确提出要建立和健全富锂层氧化物正极材料/硅基合金体系锂离子电池下一代锂离子动力锂电池和新体系动力锂电池的产业链。

四、全球正极材料产销分析

车用锂离子电池目前重要使用的正极材料为磷酸铁锂（我国新能源汽车主流用正极材料）和三元材料（以特斯拉为代表的新能源汽车公司主流用正极材料）。因此，从2014年开始三元材料和磷酸铁锂正极材料的产量开始暴增，其中磷酸铁锂从2013年的0.8万吨，上升到2016年的7.48万吨，年复合上升率为110.67%。三元材料的产量从2013年的3.9万吨，上升到2016年的12.90万吨，年复合上升率49%。

图1.全球重要正极材料历年产量情况

图2.全球正极材料历年产量及需求量数据来源：EVTank、我国电池网、真锂研究、澄泓研究

随着新能源汽车行业以及储能行业的发展，预计未来正极材料行业在细分的磷酸铁锂以及三元材料方面将成为正极材料产业上升的重要驱动力。

五、国内正极材料产销分析

我国在正极材料发展前进的道路上，技术路线之争一直不断。目前，主流的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元材料。在2014年之前，我国锂离子电池发展的重心重要为消费类锂离子电池产品，因此随着2014年新能源汽车行业的爆发式上升，锂离子电池的发展重心已由3C类变成车用动力锂电池，因此正极材料的行业发展，也更加偏向于磷酸铁锂和三元材料。

图3.国内重要正极材料历年产量情况

从我国历年来各类正极材料的产量情况来看，磷酸铁锂产量从2011年的0.23万吨，上升到2016年的7.4万吨，5年间整整新增了30多倍，可谓是发展迅速，当然这也和国内新能源汽车动力锂电池近几年重要使用磷酸铁锂正极材料有关。三元材料方面，其产量从2011年的0.63万吨，上升到2016年的6.5万吨，年复合上升率59.48%。