锂电正极材料的发展必将带来锂、钴等战略金属的快速发展

在燃油供求矛盾和环境污染问题双重危机的严峻挑战下，人们对“开发新能源、节能降耗、减少污染”的呼声日愈高涨。采用新能源，发展新能源汽车和大型储能设备将是解决这一问题的有效手段。节能与新能源汽车已成为国际汽车产业的发展方向，未来10年将迎来全球汽车产业转型升级的重要战略机遇期。而目前新能源汽车主要采用的动力源就是锂电池。锂电池一般分为锂一次电池和锂二次电池，本文中提到的锂电池一般指锂二次电池。锂电池主要由五部分构成，即正极材料、负极材料、电解液、隔膜和包装材料。锂电池的核心材料是正极材料、电解液和隔膜，其中，正极材料作为锂电池的关键材料，直接影响着其安全性、循环寿命、成本等，正极材料产业关键技术的突破将成为国内新能源和新能源汽车等战略新兴产业迅速崛起的有力推手。锂电正极材料的发展必将带来锂、钴等战略金属的快速发展。

1锂电及正极材料市场现状

锂电池由于能量密度较高，轻便，循环寿命较长等显著优势，广泛应用于手机、笔记本电脑、平板电脑、智能穿戴，无人机、电动工具等3C市场领域，近几年锂电池在电动汽车和储能领域的应用推广也取得骄人的成绩。

1.1锂电终端产品发展状况

智能手机：IDC统计显示，2016年全球智能手机出货量14.7亿部，增幅仅仅为2%，创下有记录以来的最小同比增幅。可以发现，智能手机在连续数年的持续发展过程中增长动力下降，市场需求趋于饱和。笔记本电脑：由于受到平板电脑和智能手机的应用范围的扩展，笔记本电脑市场不断萎缩，根据日本B3公司预测，2016年，全球笔记本电脑出货量约为1.4亿台，笔记本电脑出货量从2013年起已经连续四年下滑。电动工具：由于园林和家用小型手持电动工具的不断普及，如下页图3所示，电动工具出货量2016年约为1719万台，增幅为2%左右。电动汽车：2016年全球新能源汽车（含PHEV+BEV）出货量超过81万辆，中国新能源汽车市场近三年得到政府大力扶持，迅速增长，2016年中国新能源汽车出货量约为50万辆，连续两年超过全球市场份额的50%，预计全球和中国新能源汽车未来仍将保持快速增长。从以上几个主要锂电应用领域的发展状况来看，3C类小型锂电市场的发展逐步稳定，而新能源汽车的市场迅速上升，其将成为锂电市场的主流发展方向。

1.2锂电池出货量状况

如图5所示，过去5年，锂电行业保持了24%的复合增长率，2016年锂电出货量达到118.7GWh，其中xEV用锂电达46.8Gwh，同比增长超过30%。2016年IT用锂电占比约为57%，xEV用锂电占比约为39%，ESS用锂电占比约为4%。从市场趋势来看，未来主要的出货量增长点在xEV和ESS。

1.3锂电正极材料出货状况

受锂离子电池及其下游行业发展的带动，正极材料市场不断扩大，正极材料使用量稳步提升，2012-2015年，锂电正极材料行业保持了32%的复合增长率，2016年正极材料出货量达到21.3万吨。多元材料（NMC+NCA）已经成为市场占比最大的锂电正极材料。近两年LFP得益于车用市场（中国商用车）的快速发展，增长速度也较快。随着技术不断成熟，乘用车比例不断上升，后续多元材料将获得较大的增长幅度。锂电正极材料的生产地高度集中于中、日、韩三国，其中中国正极材料供应商所占的比例高达55%，韩国占24%，日本占20%，其他国家约占1%。中国正极材料供应商的产品不仅供应本地锂电厂商，还大量出口至日韩锂电厂商。据中国海关进出口数据，中国出口的正极材料主要是钴酸锂和三元材料，主要出口至韩国（占69%）和日本（27%）。2015年钴酸锂出口占65%，但近年来三元出口量迅速攀升，钴酸锂出口量逐渐下降。

2锂电正极材料技术发展趋势

2.1锂电正极材料主要种类及特征

首先得以应用的锂电正极材料是钴酸锂，它结构稳定、比容量高、综合性能突出，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中。钴酸锂安全性较差、成本高，主要用于中小型号电芯，不适合应用于车用动力大型锂电中。前期在车用动力电池应用体系上主要分为锰系和铁系。锰酸锂结构稳定，安全性较好，但是能量密度低、高温循环稳定性和存储性能较差，因此在动力电池应用上受到一定程度的限制。磷酸铁锂安全性和循环性能相对优异，受到中国动力锂电行业的偏好，但磷酸铁锂也存在诸多固有的性能问题，能量密度低、高低温性能、充放电特性均存在较大差距。三元材料能量密度高，循环性能优异。多元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂（NCA）随着Ni、Co、Mn（Al）三种元素比例的变化显示出不同的性能，很大程度上综合了各种正极材料的优点，具有能量密度高、循环寿命长、倍率特性好和安全性能高等特点，是下一代车用动力锂离子电池正极材料的有力竞争者。

2.2小型锂电正极材料发展趋势

由于智能手机和平板电脑的功能和性能要求不断发展，对于锂电材料的能量密度的追求不断上升，而钴酸锂在常规的正极材料中几乎拥有最高的能量密度，因此智能手机锂电池主要使用钴酸锂材料。随着轻薄化、智能化的要求，对能量密度的要求越来越高，使用传统的钴酸锂也已经不能满足性能要求。从技术趋势上来说，只有通过提升钴酸锂电池的工作电压来实现容量提升，钴酸锂的充电电压从4.2V--4.35V--4.4V--4.45V,一路攀升。此外，作为续航能力不足的有效补充方案，快速充电也成为技术发展的主要的诉求之一。可快速充电的高能量密度的1.5C/700Wh/L电池在2015年已经量产，国内品牌手机已经可以实现可在30分钟充电至75%；预计到2017年充电更快，能量密度更高的2C/720Wh/L电池可量产，届时手机电池在30分钟可充电至80%。三元材料应用于圆柱18650电池，大量装载在笔记本电脑、电动工具和电动自行车上。由于随着能量密度要求的不断提升，结合三元材料的性能特点，技术发展主要趋势与钴酸锂提升工作电压的做法不同，采用调整三元材料镍含量来提升电池容量，随着技术的不断发展，逐渐实现高镍三元材料或NCA（镍摩尔比大于80%）的成熟应用。同时，也有部分电池客户采用提升工作电压的方式提升三元材料的容量，目前较为成熟的高电压三元材料为4.35V的NCM523。综上所述，小型锂电对正极材料提出的三大诉求为能量密度、快速充电和外形可塑，正极材料主要的技术对应方案为提升充电电压，提高三元材料镍含量。

2.3动力锂电正极材料发展趋势

分析中、日、美各国2015-2020年动力电池技术规划，可以发现，能量密度、成本、循环寿命是动力电池主要评价指标。对比各国数据：2015年，各国的能量密度要求基本一致，美国对成本要求最高；2020年，中国对能量密度和寿命要求最高，美国对成本要求最高。这与各国的能源价格、低碳环保诉求和锂电池技术发展水平密切相关。从德系车企BMW发布的用户调查及动力电池指标达成情况来看，目前车用动力锂电池最大的短板在于能量密度和充电电流。也就是说如何解决终端用户的续航里程焦虑及快速充电问题仍是动力锂电池的主要思考方向。德国大众汽车的技术专家认为，未来动力锂电池提升能量密度的主要方案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，而负极材料选择上逐渐引入硅碳负极。国际动力锂电行业和欧美车企对于正极材料体系的选择是基本一致的，主要选择方向是多元材料。日本和韩国的动力锂电池技术主要采用镍钴锰酸锂或镍钴铝多元材料体系，如Panasonic、AESC（Nissan和NEC合资）、PEVE（丰田和松下合资）、日立VE、NEC、三星以及LG等均采用上述正极材料体系。德国等欧洲国家主要采取和其它国家电池公司合作的方式发展电动汽车。中国和美国以前主要采用磷酸铁锂体系，如Valence公司、A123系统公司、比亚迪、国轩高科等。然而随着中国与各国新能源发展趋势的认知逐渐趋同，中国国务院2012年7月发布的节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）中指出，到2015年，动力电池模块比能量达到150Wh/kg以上，成本降至2元/Wh以下，循环使用寿命稳定达到2000次或10年以上；到2020年，动力电池模块比能量达到300Wh/kg以上，成本降至1.5元/Wh以下。2016年10月，我国发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，提出我国动力电池发展大致分为三个阶段，第一阶段至2020年，是动力电池技术提升阶段，新型锂离子电池实现产业化，能量型锂离子电池单体比能量达到350Wh/kg，能量功率兼顾型动力电池单体比能量达到200Wh/kg。第二阶段至2025年，是动力电池产业发展阶段。固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新体系电池技术不断取得突破，比能量达到400Wh/kg以上。第三阶段至2030年，是动力电池产业成熟阶段。新体系电池实现实用化，电池单体比能量达到500Wh/kg以上，成本进一步下降。纯电动汽车由于更长续航里程的要求，中国也逐渐转向采用更高能量密度的多元材料体系锂电池。国内两大主要磷酸铁锂电池厂商：比亚迪和国轩高科都已明确在乘用车上开始使用NCM，以响应能量密度提升的要求。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LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(简称“NCM111”)，材料的比容量达到158mAh/g。但由于该材料的Co含量占过渡金属（Ni-Co-Mn）总量的33%，Ni+Co总量占比达到67%，材料的成本相对较高，而且由于3M的专利垄断进一步增加了专利使用成本，因此动力锂电企业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LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(简称“NCM523”)，甚至是LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(简称“NCM622”)和LiNi0.80Co0.15Al0.05O2(简称“NCA”)。目前，国内外一些汽车企业及主流的动力电池厂商如日本的松下、AESC、Nissan及韩国LGC、SKI、Samsung、都把材料选择重点放在了高镍含量的多元材料NCM和NCA上面。与NCM111、NCM523相比，Ni、Co、Mn含量分别为60%、20%、20%的高镍多元材料NCM622能量密度优势明显，电池能量密度可以达到200Wh/kg以上，更高镍含量的多元材料如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(简称NCM811)、NCA能量密度更高。随着能量密度要求的不断提升，动力型高镍多元材料NCM622和NCA将成为电动汽车用锂电池的首选正极材料。

3锂电正极材料市场展望

世界大部分国家对新能源汽车设定了规划目标，预计到2020年全球新能源车销量累计将超过1400万辆，其中中国的目标数量最大。近三年以来，中国的新能源汽车产量出现了成倍的爆发式增长，目前中国已经成为新能源汽车最大生产国。由于中国新能源汽车的快速发展，动力电池的需求也出现暴涨，导致在2015年中国出现动力锂电产能不足的状况，各家动力电池企业迅速扩充产能。2015年中国国内动力电池的产能约为20GWh，预计2016年接近60GWh。新能源汽车的爆发性增长带来了整体锂电行业的持续高速发展，预计2018年锂电总需求量将达到130GWh。2018年全球锂电正极材料预计将超过30万吨。其中三元材料将快速发展，年均复合增长率达到30%以上。未来NCM和NCA将成为车用正极材料主流，预计2018年三元材料使用量占车用材料的80%左右。

3.1锂电正极材料的发展对锂的影响

锂电正极材料不管是哪一款都需要使用碳酸锂或者氢氧化锂，全球已开采的锂资源主要集中在南美的盐湖、澳大利亚锂辉石矿和中国青海、西藏的盐湖，盐湖的开采周期2~3年，并且锂资源作为战略资源备受智利、阿根廷等南美国家政府的出口和开采政策管控。澳大利亚锂辉石矿产资源供应主要依托Talison公司，开采和供应能力有限。中国的碳酸锂盐湖储量资源丰富，但盐湖锂含量较低，锂镁比过高，锂资源提取难度远高于南美，从成本和技术方面都存在较大的挑战。2015年，由于新能源汽车需求的突然爆发，加上全球碳酸锂供应相对集中，中国的锂资源大部分依赖澳大利亚和南美进口，中国市场出现短期紧缺，再加上碳酸锂厂家行情看涨惜售，碳酸锂价格出现了飞涨，从2015年初的4万元/吨一路上涨到2016年4月的18万元/吨！并且随着新能源汽车补贴政策的重审等等因素影响，炒作因素逐渐褪去，碳酸锂价格逐渐开始下滑。碳酸锂价格2017年回落并稳定在12万元/吨左右。新能源汽车行业健康发展关系我国产业结构转型和能源发展战略，未来3~5年锂资源的需求量仍将维持快速增长，从锂资源安全角度看，必须攻克我国青海西藏的盐湖开采的技术瓶颈，降低我国锂辉石、锂云母供应的开采和制造成本，增大我国锂资源在全球碳酸锂市场占比，为中国不断扩大的锂电正极材料市场保障锂原料的供应稳定。

3.2锂电正极材料的发展对钴的影响

新能源汽车未来使用材料主要是三元材料，台湾工研院IEK的报告显示，2015年全球正极材料大概是17.4万吨左右，钴酸锂和三元材料约占70%。钴酸锂和三元材料都含有战略小金属钴。未来全球新能源汽车的发展加速三元材料的需求增长，根据日本B3公司预计，到2020年，预计全球的BEV年产量120万辆，锂电版HEV和PHEV合计是310万辆。此外预计电动大巴产量约10万辆。根据国际镍钴年会报告，估计到2020年，车用三元材料需求将新增20万吨/年，如果按20万吨需求，每年新增加的钴需求量大概要2.5万吨左右，且预计后续将逐年递增。战略小金属钴由于资源和产地高度集中于非洲发展中国家——刚果(金)，多年来由于刚果(金)政治经济不稳定，信息透明度不高，钴金属的价格几经暴涨暴跌的过山车行情。随着经济回暖和锂电池的发展，刚果(金)的局面也逐步稳定透明，近几年钴价格基本在每磅10~20美金之间波动。然而随着新能源汽车的不断发展，钴价格从2016年开始稳步上涨，7月份开始跳涨，目前伦敦金属导报993低幅钴价已经到达20美元/磅，且涨势仍未停止，未来钴金属价格的风险管控成为新能源汽车发展的重要议题。

由于我国钴资源缺乏，严重依赖进口（90%以上依赖进口），而我国又是全球最大的钴加工国，钴消耗量占全球50%以上。钴不仅仅应用于新能源汽车，并且是特种航天事业重要的战略小金属。所以我们国家在发展新能源汽车的时候应该高度重视钴资源的开发。加大在全球钴矿产资源的开发投入，加强钴的回收利用，加大国家收储力度。