锂电池最新技术路线研究 对CIBF2021的思考——NCM811正极篇

作者 @知常容小吴  

前言

在全球碳中和大背景下,新能源汽车以及动力电池已成为历史性趋势,我们作为研究型投资机构,也开始加大对这一领域的研究力度。众所周知,消费者对续航的高要求让以NCM811为代表的高镍三元电池异军突起,也带动了市场对当升科技容百科技格林美、中伟股份等一众具有技术实力的头部厂商的追捧,不过高压单晶5系电池这匹黑马的杀出,开始凭借其大幅提升的能量密度和优异性能,逐渐抢过8系的势头。

虽然刚刚说的那几家头部厂商也是高压单晶5系的核心玩家,但预期中因8系高镍技术壁垒带来的市场集中度快速提升将很难出现,技术已很成熟的中镍5系或高镍6系的红海将大概率回扑并更长时间地维持主导地位,相关头部企业的受益程度将大打折扣。考虑到目前头部前驱体和正极材料企业的高股价、高估值,我们同样认为他们已暂不具备性价比,需要谨慎对待。

 

结论

如今,在各界力量的推动下,搭载锂电池的新能源汽车已成为未来确定性极高的高增长行业。正如发动机之于燃油汽车,锂电池在新能源汽车产业链的地位也是各方争雄的战略高地。再叠加消费者对续航里程的焦虑和高要求,高能量密度的锂电池更是产业链的重中之重。在此背景下,自2017年起,NCM811电池凭借其远超普通三元电池的能量密度,在国内开始异军突起,在锂电池新增装机中的渗透率开始迅速提升(根据GGII、鑫椤锂电,2016年渗透率为1.8%,2017年为4.5%,截止2021年2月已达20%)。

不过,NCM811电池因镍含量迅速提升,电池组分活性也大幅提升,且极易发生相变,导致性能衰减甚至起火。出于对安全性的考虑,电池厂商和汽车厂商对NCM811的态度也越发谨慎,但碍于高端高续航能力电池和车型的布局,再加上其他材料的能量密度也无法满足需求,故仍在持续将搭载NCM811的产品推向市场。

但自2020年开始,开始有了转机。随着单晶化和高电压化对材料的增益,以及CTP工艺对电池包的改进,高压单晶5系电池的能量密度得到大幅提升,已基本达到8系电池的水平。凭借相当的能量密度和更好的循环稳定性、热稳定性(安全性),越来越多的下游电池厂、汽车厂开始转而关注高压单晶5系电池。8系电池因此渗透率的提升速度开始逐渐乏力。尤其是近几个月来,NCM811的新增装机占比提升已经极为缓慢甚至开始收缩。

基于此,我们认为,如果电池厂商和汽车厂商因为高压单晶中镍电池的能量密度已比肩高镍甚至8系,但是循环稳定性、热稳定性(安全性)更好,成本也更低,而纷纷重新将电池和车型重点转回中镍5系或高镍6系,那么8系材料的渗透率将在未来相当一段时间内遇到瓶颈,预期中的快速提升的市场集中度也将很难出现。

所以,NCM811正极的蓝海市场的到来也许将延后,技术已很成熟的中镍5系或高镍6系的红海将大概率回扑并更长时间地维持主导地位。不过因为高压和单晶的技术还是有一定难度,预计三元正极市场集中度还是会有所提升,但当升科技、容百科技等头部企业的受益程度将大打折扣(此外8系推广的放缓和5、6系的回升也许将给其他厂商喘息之机,给他们留下更多时间进研发8系材料,潜在加剧8系竞争)。

虽然我们也认为相关公司为很有前景的好公司,但考虑到目前头部前驱体和正极材料企业的高股价、高估值,我们同样认为他们已暂不具备性价比,需要谨慎对待

如果说中短期内8系的日子也许将不会太好过,那么什么时候属于他们的时代会真正地到来呢?以现在的技术路线来看,要么是8系正极材料通过不断通过掺杂包覆进行改性,自身热稳定性显著提升(例如NCMA四元),或者配合电解液的改进大幅提升安全性;要么就是硅碳负极大规模应用后,搭配8系正极将系统能量密度推上一个更高的台阶;要么是固态电解质技术更为成熟之后,搭配8系正极,降低其安全隐患等等。无论是哪条路,于8系高镍而言,都需要技术的进一步突破,难度也都不小,也都需要花时间。可就算到时候真正相关技术取得突破了,谁又能保证不会有其他的材料(富锂锰基正极材料等)出来争夺市场呢?

 

正文

2021年3月19-21日,深圳会展中心举办了第十四届中国国际电池技术交流会(以下简称CIBF2021),遍布于全国各地的电池产业链厂商共聚一堂。

展馆1号厅


来源:知常容

总体来讲,本次展会小有遗憾,因头部电池厂商宁德时代比亚迪均未到场,部分头部中游材料商亦未出席(尤其是隔膜和负极领域)。

上游原材料主要厂商参展不多,镍除了华友钴业外,其他头部厂商几乎未到场;钴也是一样,除了华友钴业盛屯矿业洛阳钼业寒锐钴业等均未到场;锂盐情况稍好,赣锋锂业雅化集团均有到场,而天齐锂业未在现场。

中游主要厂商参展情况分化,正极前驱体、正极材料、电解液来得比较齐,负极和隔膜缺席严重。前驱体领域除格林美和邦普未参展外,中伟股份、优美科等头部厂商均到场;正极材料领域阵容较齐,除杉杉股份厦门钨业未到场外,容百科技、天津巴莫、当升科技、长远锂科、德方纳米等头部厂商均参展。

电解液领域新宙邦天赐材料、国泰华荣等头部厂商均到场。负极和隔膜领域,主要厂商缺席较多。负极只有贝特瑞一家头部厂商到场,江西紫宸、杉杉股份、东莞凯金、杉杉股份等均未露面;隔膜领域只有武汉惠强、中兴新材2家主要厂商参展(均为干法隔膜),而恩捷股份星源材质中材科技等未到场。

锂电设备也有所缺席,先导智能杭可科技虽到场,但赢合科技璞泰来科恒股份等缺席。

下游锂电池领域也缺席严重,尤其遗憾的是宁德时代比亚迪均未到场。中小电池厂则来得比较多,比如中航锂电、亿纬锂能国轩高科等。

近1、2年,锂电池技术发展迅速,为满足汽车用动力电池的长续航、安全性要求,以及储能电池的长循环寿命、安全性要求,正极材料、隔膜、电解液、负极材料等各个细分产业链都在寻求技术进步以抢占商业先机,各个厂商也在各自领域取得一定成效。不过各个细分产业链为迎合下游需求的技术和商业进展我们后续报告会逐步展开讨论,本次只聚焦于NCM811正极领域。

 

一、三元正极8系高镍化遇瓶颈,高压单晶中镍追赶迅速

在进一步分析之前,先做一个大概的科普。

三元正极材料的分子式一般为Li(NixCoyMn1-x-y)O2,所谓NCM811(8系)、NCM622(6系)、NCM523(5系)其实就是根据镍钴锰分子摩尔量的一个命名,其分子式分别为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2、Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2、Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2。当然,也不是只有这些分法,也可以有7系、9系、3系等。各个系也能进一步根据镍的摩尔量进一步细分,例如8系也能细分为Ni0.82、Ni0.83、Ni0.85等。

三元正极近些年在向高镍化逐渐演进,已由几年前的NCM333(亦称NCM111)(低镍3系),逐步演进为NCM523(中镍5系)、NCM622(高镍6系),直到目前的NCM811(高镍8系)甚至9系。出现这样的演进,一方面是为了降低钴的使用量,降低成本,另一方面是为了通过提高镍含量,提升能量密度,进而提升续航,缓解消费者续航焦虑。这都属于老生常谈,这里不再赘述。

在这里,我们想要说的是,预计未来中短期,国内8系高镍三元的应用,也许势头将蒙上阴影

之所以我们有这样的一个担忧,一方面是安全性带来的硬伤。在本次交流会上,我们和数家电池厂商进行了沟通,得知目前无论是电池厂商还是汽车厂商,对8系高镍三元的态度都偏悲观和警惕,不仅部分电池厂商表示暂不会推出8系电池,部分汽车厂也暂缓8系电池的装车。之前有传言称宁德时代研发8系电池失败,随即宁德时代进行了辟谣,说不会放弃8系电池,并与1月底的新能源汽车会议上分享了自己三元电池的2条技术路线,即针对中端车市场,以正极中镍单晶高压三元、负极石墨体系技术为主,并且引入了快充;针对高端车型市场,将重点推广高镍正极体系。

不过最新的数据显示,8系高镍三元的占比还是确确实实地出现了下滑。根据鑫椤锂电,2021年2月NCM811型三元材料的市占率小降0.9%,主要是受到部分企业减产影响(最近几个月NCM811材料的占比也提升不大)。这也验证了本次交流会上电池厂商和汽车厂商的警惕和观望的说法。

国内三元材料各类型出货占比


来源:鑫椤锂电

另一方面是8系高镍的能量密度已逐渐被高压单晶中镍追赶上。自从去年开始,业界就已经出现单晶中镍三元高压化后能量密度能大幅提升,甚至接近高镍三元的说法。首先是2020年2月,工信部发布了《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2020年第2批),其中吉利全资子公司山西新能源汽车工业有限公司推出了一款几何牌纯电动轿车几何C,其系统能量密度达183.28Wh/kg,续航里程达520km。

紧接着,2020年8月,《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2020年第8批)中,上汽集团推出了一款荣威ER6,其系统能量密度达180.1Wh/kg,续航里程达620km。令人惊讶的是,这2款高能量密度的汽车配套电池均为宁德时代提供的高压单晶5系电池,能看到其能量密度已基本追上8系。根据电池中国,宁德时代单晶5系三元电芯可能已经规模起量。

如果说宁德时代作为电池龙头,掌握相关核心技术无可厚非,但是随后整个电池业界开始逐步攻破相关技术关卡,投向高压单晶中镍怀抱的电池企业和汽车企业也越来越多。例如2020年11月欣旺达发布了高压单晶5系电池,能量密度接近高镍电池。瑞浦能源推出的5系能量密度接近8系。

2021年3月,工信部发布了《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2021年第2批),其中广汽埃安的一款车型,能量密度已达184Wh/kg,续航里程达600km。尽管目前其电池相关核心参数尚未公布,不过业界普遍预计其为最新发布的高压单晶镍55系弹匣电池。同一批车次中,搭载国轩高科8系电池的北汽EX3车型,系统能量密度为200.22Wh/kg。这也是国内首次系统能量密度突破200Wh/kg的车型和电池,能够看到超出高压单晶5系已不多。

事实上,在CIBF2021交流会上,我们和中航锂电进行了进一步的沟通,得知其5系目前系统能量密度已能做到190Wh/kg,下一代6系系统能量密度更是能达到220-230Wh/kg。根据广汽研究院梅骜,高镍三元材料只有跟硅碳负极结合,才能取得高能量密度优势,如果只和石墨搭配,跟中镍三元提高电压后密度相当。如此看来,在现有体系下,8系电池的能量密度优势大概率将很快不复存在,甚至已经消失。

中航锂电高压单晶5系电池



二、三元弹匣电池安全性虽有炒作嫌疑,但整体安全性明显提升值得肯定

前面我们说到高镍三元电池的安全性堪忧,事实上三元电池安全性本身相较磷酸铁锂电池就弱上一大截。因为截止目前为止,还没有一款三元电池真正意义上通过了针刺测试。

首先大概科普一下针刺测试。实际上,目前国内大家所说的针刺测试有2个版本。第1个是2015年国标针刺测试,这个才是真正意义上的难度极高的针刺测试。第2个是2020年国标版本。两个版本差别较大,首先前一个版本为强制标准(2015年版本的单体电芯安全标准明确规定针刺测试为1小时内不起火不爆炸),新版本只是一个推荐测试方法,不具有强制性(2020年版本单体电芯安全标准则直接删除了针刺测试);

其次,2015年国标针对电芯单体使用的钢针直径为5-8毫米,2020年国标钢针直径为3-8毫米。此外,还有其他方面的差异,这里不一一细说。总之来讲就是,2020年国标相较2015年国标难度大大降低。

关于三元电池的针刺测试,也许有人会说宁德时代的三元电池去年能通过针刺测试。然而,目前业界对宁德时代发布的三元电池针刺测试均有所质疑。质疑的最主要原因就是宁德时代的三元电池通过针刺测试有些赌的成分。

虽然德国TÜV报告结果显示,在针刺实验中,宁德时代三元电池实现了不起火、不爆炸,电池温度只有35.1℃;但宁德时代5系电池针刺测试时起火的视频后续又陆续传出。更是有人质疑宁德时代通过了针刺的电池和市面上自己销售的电池完全不同,质疑其测试电池由于成本或者能量密度的原因,根本装不了车。

也许还有人说配套广汽埃安的中航锂电高压单晶5系电池(即弹匣电池)通过了针刺测试,其实这个说法比宁德时代三元电池通过针刺测试还不靠谱。理由如下:

1.广汽埃安配套的电池所谓针刺测试的标准实际上是我们前述的2020年新国标,而不是强制版的2015年国标;

2.广汽埃安测试的是电池包,而不是单体电芯,钢针通过电池包壳体究竟多大程度上刺穿电芯,损害电芯,根据提供的视频来看,根本无法判断;

3.用钢针穿刺时,广汽埃安采用水平方向,而不是2015年国标中的垂直方向穿刺;

4.视频显示广汽埃安的电池虽然没有起火,但根据广汽新能源发布试验结果,电池包的“弹”在针刺后,温度超过600度,显示电池内部仍然出现了比较严重的热失控。


不过,尽管广汽埃安电池的针刺测试有营销炒作之嫌,且有数据显示被刺电芯热失控时最高温度达686.7℃,但能做到不蔓延、不起火、不爆炸,且能通过2020年版新国标,这确实也算得上是一个了不起的成绩。

综合来讲,高压单晶中镍电池的安全性已经出现了明显的提高。除了安全性以外,因单晶材料相较多晶材料不仅更适合做高电压,同时,单晶材料内部没有晶界,可提升三元材料的循环稳定性,对延长电池的循环寿命也算额外的惊喜。

除了性能以外,高压单晶中镍还具有成本优势。机构给出的数据显示,目前镍55三元单晶高电压材料成本要比NCM811低15%左右。在蔚来汽车100kWh发布会上,蔚来汽车联合创始人、总裁秦力洪也向媒体证实了这一点,目前采用NCM811电芯的蔚来84kWh电池包单位成本要比采用镍55电芯的100kWh电池包和采用传统NCM523电芯的70kWh电池包都要高。凭借更好的循环稳定性、热稳定性、安全性,以及大幅提升比拟8系的能量密度,高压单晶中镍电池在未来,预计将越发得势,成为诸多汽车厂商和电池厂商中端甚至高端产品的选择。

 

三、8系高镍前驱体和正极材料护城河不及预期,高压单晶中镍冲击下,8系壁垒价值打折扣

从护城河角度看,前驱体的护城河优于正极材料的护城河,8系高镍前驱体/正极材料的护城河优于中低镍的护城河,不过挖掘单家公司的护城河意义不大。原因我们后续分析。

根据我们去年12月的报告《对价值投资与护城河的思考—个人年终总结》中对护城河的定义,我们来逐个分析8系高镍前驱体/正极材料的护城河。

 

1.行业进入壁垒

8系前驱体的技术壁垒。1.前驱体主要采用共沉淀湿法工艺,其难度本身就高于正极材料的火法烧结工艺,因为想要控制并确定最优的pH值、反应时间、温度、搅拌速度、盐碱浓度等一系列的反应参数,没有技术和经验积累很难做到,在确定最优参数后,制备的前驱体的粒径才更均匀、磁性异物等杂质水平才更低,比表面积、振实密度、球形度等指标才更优秀(正极材料的性能指标直接却决于前驱体的这些性能指标),前驱体更为集中的竞争格局也反映了前驱体的技术壁垒高于正极材料的技术壁垒这一点(根据GGII,2020年全球三元前驱体CR4为59%;

2020年国内正极材料CR4则仅为44%),不过集中度更高环保也是一个因素;2.8系前驱体对工艺精度和设备精度要求更高,不具备技术实力的厂家即使能做出8系前驱体,性能指标也不一定能达标,即使性能指标能达标,工艺成本也很难下降;3.前驱体制备过程中的核心设备反应釜需要专门定制,因为在制备前驱体过程中易形成胶体沉淀,形貌不易控制,且氢氧化锰溶度积较另外两种氢氧化物大两个数量级,需要专门定制釜体的大小、搅拌器形式、进料位置等结构特征再配合控制反应参数进行调整,格林美、中伟股份、优美科等头部厂商的反应釜都有自己的发明专利,中小厂商则技术不足,相应反应釜基本为外购。

三元前驱体制备流程


来源:GGII,东吴证券

8系正极材料的技术壁垒。1.烧结炉(窑炉)是8系正极材料的核心技术壁垒之一,因为制备8系正极材料需要用氢氧化锂作为锂源,这也就要求烧结炉需要耐强碱、耐纯氧腐蚀,温度控制精度以及氧氛烧结密闭性要求高,目前主要用密封辊道窑烧结高镍三元材料,而国内能制备该窑的企业较少,当升科技容百科技、天津巴莫等头部企业也是外购(故设备的技术壁垒与正极材料企业无关);

2.除了对设备耐强碱、耐纯氧腐蚀、温控精度、密封性要求高外,离子掺杂、包覆、水洗环节也是核心技术壁垒,因为这些是非标准化改性工序,决定了各厂商材料性能的差异,也需要长期的技术和经验积累(这个技术壁垒就与正极材料企业有关了);

3.其余工序环节的反应参数同样需要积累。

高镍三元正极与普通三元正极工艺比较


来源:鑫椤锂电,天风证券

8系前驱体/正极材料的客户认证壁垒。因为8系前驱体/正极材料的安全问题,下游电池厂、汽车厂的认证要求极为严格,颗粒的均一性、首次库伦效率、循环稳定性、热稳定性、杂质、比容量等核心性能指标,下游厂商都卡得很严,根据我们在CIBF的交流得知,国内电池厂、汽车厂的认证周期在1年内或1-2年,海外厂商的认证周期为2年以上。

8系正极材料的资金壁垒。因为国内8系正极材料制备中,以密封辊道窑为主的设备对性能要求很高,国内能生产的企业少,故主要从国外企业或合资企业处采购,产线搭建成本高,中小厂商将逐渐掉队。根据东吴证券,811正极单吨设备投资在4-4.5亿元,而5/6系正极单吨设备投资在2-2.5亿。

 

2.业内竞争优势

以上我们阐述了8系高镍前驱体/正极材料的行业进入壁垒,虽然壁垒较高,但我们也不得不正视,各大前驱体和正极材料头部厂商之间,各自所取得的优势实际上并不明显,也正是因为如此,深究单家公司护城河的意义不大

究其原因,主要还是8系高镍虽然壁垒较高,尤其是技术壁垒,但还没有高到一家独大或垄断的地步。比如8系前驱体,尽管格林美8系甚至9系前驱体已经量产,但中伟股份的8系和9系开发进度也落后不了多少,各家产品的核心性能指标,也都差异不大。要说客户方面,两家也是各有千秋。格林美8系前驱体主要供应三星SDI,给国内企业供应不多,中伟股份则给国内供应多一些,例如天津巴莫等。

产品性能方面,也很难单纯地指出究竟是格林美更好还是中伟股份更好。8系正极材料同样如此,容百科技、天津巴莫、当升科技作为3家领先者,也都各有优劣,都掌握着相关专利技术,产品性能也都差异不是太大。

 

3.高压单晶中镍冲击下,8系前景短期内不明确

目前普遍认为,高镍前驱体以及高镍材料(尤其是8系、9系)技术难度远高于中低镍,相应的分散的市场集中度也将随着8系高镍以及9系高镍的渗透提升而提升。8系高镍材料市场集中度的提升也的确验证了这一逻辑,比如根据GGII,2020年国内NCM811正极材料领域CR3已达惊人的81%。反观2020年整体三元正极材料竞争格局,CR3仅有35%。

如今这一逻辑因高压单晶中镍的冲击而面临着比较严峻的考验。如果电池厂商和汽车厂商因为高压单晶中镍电池的能量密度已比肩高镍甚至8系,但是循环稳定性、热稳定性(安全性)更好,成本也更低,而纷纷重新将电池和车型重点转回中镍5系或高镍6系,那么8系材料的渗透率将在未来相当一段时间内遇到瓶颈,预期中的快速提升的市场集中度也将很难出现。不过因为高压和单晶的技术还是有一定难度,所以市场集中度还是会有所提升,但当升科技、容百科技等头部企业的受益程度将大打折扣

2020年国内NCM811正极材料竞争格局


来源:GGII,民生证券

2020年国内三元正极材料竞争格局


来源:GGII,民生证券

正如前面广汽研究院梅骜所述,高镍三元材料只有跟硅碳负极结合,才能取得高能量密度优势,如果只和石墨搭配,跟中镍三元提高电压后密度相当。当然还有一种可能,那就是8系正极材料通过不断改性,自身热稳定性显著提升,或者配合电解液的改进大幅提升安全性。不过根据我们和容百科技的工作人员沟通得知,自去年10月份的8系电解液验证至今,还是存在衰减严重等问题。

由此可见,无论是哪条路,于8系高镍而言,都需要技术的进一步突破,难度也都不小。如今更安全的高压单晶5系的系统能量密度已经基本追上8系,未来同样也比较安全的高压单晶6系也渐行渐近,系统能量密度直指200Wh/kg以上。中短期内,8系的日子也许将不会太好过了。

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首发于公众号:知常容

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全部评论

高级有翼垂云04-30 15:15

看好作者打脸

DTSS04-29 14:22

“尤其是近几个月来,8系电池因此渗透率的提升速度开始逐渐乏力”这个证据是什么?

紫雨红雪04-27 13:14

确实说的太业余了

B哥爱塔山04-27 12:39

B哥爱塔山04-26 18:41

走势已经给了答案,为啥不进行观点修正呢?