高鎳三元的高能量密度路線和鐵鋰高性價比路線將共同發展
從材料層面看，無論是按體積還是按重量，高鎳三元高能量密度的優勢均十分顯著。磷酸鐵鋰材料的克容量已經接近極限，并且由于磷酸鐵鋰材料自身的電導率較差，需做成納米材料并且進行碳包覆，也限制了其壓實密度的提升。而三元材料更高的克容量和電壓平臺對應了更低的正極材料單位用量，加上三元材料的壓實密度更高，也對應了更小的體積。在三元材料中，高鎳三元由于更高的能量密度，優勢更加明顯。
電池層面，高鎳三元高能量密度的優勢也十分顯著，長期也將領先于磷酸鐵鋰。從電芯層面看，三元由于其更高能量密度，對于電解液、隔膜、負極等其他材料的用量也會稍有減少，能量密度優勢將會放大。從電池包以及結構層面看，磷酸鐵鋰由于其成熟穩定性，在“刀片”“CTP”等結構創新和成組效率上占據優勢，但是隨著三元尤其是高鎳三元的技術發展成熟穩定，也有提升空間，差距會縮小。寧德時代的“CTP”技術可以將磷酸鐵鋰電池能量密度提升至160Wh/kg以上，用在三元上則可以提升至200Wh/kg。
磷酸鐵鋰將憑借其性價比和安全優勢在儲能和低續航乘用車中煥發活力，而高鎳三元將憑借其高能量密度優勢在高續航乘用車中擴大份額。在儲能領域，對成本和安全性的追求優先于能量密度，目前以及將來都會是磷酸鐵鋰的主場。在新能源車方面，高中低端乘用車對于各項指標的敏感度不一，高鎳三元和磷酸鐵鋰將實現分級消費。我們對比了不同帶電量下的磷酸鐵鋰和高鎳三元正極材料層面的體積、重量和成本。當帶電量為50kWh/輛時，使用磷酸鐵鋰替代高鎳能夠降低0.68萬/輛的成本，但同時正極材料的空間要大21.78L，重量要重78.93kg。在較低帶電量下，對空間和重量的容忍度相對較高，成本下降的優勢十分明顯。當帶電量為80kWh/輛時，使用磷酸鐵鋰替代高鎳能夠降低1.09萬/輛的成本，但正極材料空間會大34.84L，重量會增加126.28kg；顯著增加的空間和重量將使得車在其他的部分付出更多的成本以換取輕量化和更大的電池空間。綜合看來，高帶電量情況下的成本降低效應會相對減弱。此外，里程焦慮是困擾新能源汽車發展最主要的問題，使用高能量密度的高鎳三元電池能夠很好的解決這一問題。
目前多種三元材料共存，高鎳占比逐步提升
高鎳三元材料在前驅體制備、正極材料燒結、生產環境和生產工藝方面要求相比常規正極材料要更為苛刻。高鎳三元正極材料由于氧化性較強，需要摻雜包覆做產品改性才能使用，摻雜包覆元素的選擇以及分布的均勻性，依賴生產廠商的技術工藝及生產設備。在原材料方面，對于常規三元正極材料，由于碳酸鋰成本普遍低于氫氧化鋰，大部分廠商均采用碳酸鋰作為鋰源材料。高鎳三元材料需要更高的能量密度、更好的充放電性能，普遍采用氫氧化鋰作為鋰源材料。在生產設備方面，高鎳三元材料尤其容易產生金屬離子混排問題，因而需要在純氧環境中生產，所以高鎳產品的燒結需要氧氣爐，而常規三元只需使用空氣爐。在生產環境方面，高鎳三元材料對于濕度要求更高，一般需要專用除濕、通風設備。在磁性物控制方面，高鎳三元材料也有更高要求，往往需要對廠房進行特定改造。由于生產工藝及生產環境的要求顯著提升，窯爐的多溫區溫度控制精度、氧分燒結對設備的密閉性要求均顯著高于NCM523等常規產品，高品質、高一致性的高鎳正極材料量產難度較大，產品整體合格率較低。
在未來動力電池的發展進程中，在保證安全性的基礎上不斷提升能量密度是必然的發展趨勢，三元高鎳化就是其中最主要的技術路線。三元材料中三種元素的不同配置將帶來不同的性能，常見配比有鎳鈷錳NCM111、523、622、811等。鎳含量上升能夠提高材料容量但會降低循環性能和穩定性，鈷含量上升可以抑制相變并提高倍率性能，錳含量上升有利于提高結構穩定性，但會降低容量。另有鎳鈷鋁NCA，常見配比為8:1.5:0.5,以鋁代替錳，是將鎳鈷錳酸鋰通過離子摻雜和表面包覆進行改性，離子摻雜可以增強材料的穩定性，提高材料的循環性能。鎳含量越高，材料的克容量越高，對應的電池模組能量密度也越高，但相應的工藝難度也越大，安全性挑戰也越高。因此找到三種材料的比例關系以達到綜合性能最優化，是三元材料研發的重點。
目前國內三元正極材料已經形成多種材料共存的局面，中鎳市占率保持平穩，高鎳材料占比逐年增加。當前行業主流的三元正極材料可以分為中鎳（以NCM523等5系為主）、中高鎳（以NCM613、NCM622等6系為主）和高鎳（以NCM811等8系為主），能量密度隨著鎳含量的提高而提升。2020年三元材料市場仍以5系及以下三元材料產品為主，占比53.1%，同比減少8.4pcts；高鎳8系和NCA產品市場占比由2019年12.7%上升到23.1%，提升10.4pcts；6系產品占比19.7%，同比上升1.2pcts。
雖然中國占據著全球半數以上的三元材料產能，但在高鎳市場方面國內三元材料企業還有提升空間。2019年國內共生產高鎳三元材料2.5萬噸左右，僅占全球高鎳三元材料總產量的四分之一左右，以住友、ECOPRO等企業為首的日韓企業依舊占據著全球高鎳三元材料市場的絕大部分市場份額。受疫情影響，歐美多家車廠選擇關停工廠，松下、LG、三星等企業也相繼關停了其位于歐美地區的電池廠。豐田、松下等企業也開始考慮或者關停日本本土的工廠，在一定程度上抑制海外市場對于日韓企業高鎳三元材料的需求。
高鎳正極材料的優勢在于克容量較高，從各國動力電池技術路徑規劃來看，動力電池電芯能量密度普遍將達到300Wh/kg以上，在現有技術體系中，高鎳三元是最可行的商業化方案，三元正極高鎳化趨勢明朗。目前，NCM811動力電池產品相較NCM523產品能量密度可提升25%，后續高鎳正極產品性能的進一步優化可使得能量密度優勢提升30%以上。能量密度提升意味著同等重量的電池可以提供更多的帶電量，實現輕量化的同時顯著提升續航里程。高鎳三元正極材料的新一代產品預計將具有更加廣闊的應用與更加快速的增長。
目前在全球市場銷量最高的特斯拉采用的就是松下NCA和LG化學NCM811高鎳電池，大部分歐洲一線車企也更青睞811電池，各大主流電池廠都有各自高鎳或無鈷電池的開發計劃。寧德811電池早已量產裝車蔚來ES6、廣汽AionS、吉利幾何A，2020年重點發展三元811與高電壓523+CTP，2023年發展無鈷電池，將克容量上限提高到300mAh/g，電壓達到4.7V。蜂巢能源是國內最先公開宣布研發出無鈷材料及電池產品的企業，2019年7月首次發布四元及無鈷材料電池，2020年5月公司發布了兩款無鈷電芯115Ah和L6無鈷長電芯，可支持電動汽車行駛800公里以上，使用壽命超過15年120萬公里。目前蜂巢能源無鈷電池已經裝車路試，搭載的量產車型有望在2021年推向市場。
在新能源車的大趨勢下，動力電池三元正極材料產量快速提升，其中高鎳三元材料2022年全球產量超過60萬噸，實現翻倍增長。測算主要基于對2020年下半年和2021、2022年國內新能源汽車逐步恢復增長，海外新能源汽車銷量在歐洲市場帶動下滲透率加速提升，新能源汽車單車帶電量穩中有升以及高鎳三元材料在車用電池市場應用占比逐年提高。
兩種生產方法：固相法液相法各有優劣
磷酸鐵鋰的規?；纳a工藝可以分為固相法與液相法兩類。固相法與液相法各有優劣。固相法的主要優勢在于工藝步驟簡單，且產品壓實密度較高；但燒結溫度較高，能耗較高，且由于原材料是固態研磨混合，產品的均勻性和一致性相對較差。而液相法在溶液中進行原材料分子級別的混合，產品均勻一致性好，批次穩定性好；但工藝過程較復雜，較難控制。
固相法可以分為碳熱還原法與高溫固相法兩類。其基本步驟為：首先將鋰源、磷源、鐵源以一定比例球磨混合，在較低溫度下預燒結，而后粉碎、添加碳源后，再次在較高溫度下燒結，最后粉碎、過篩，即得到納米磷酸鐵鋰產品。兩種方法最大的區別是碳熱還原法使用的鐵源是三價鐵，借助碳的還原作用，高溫條件下三價鐵還原為二價鐵，并與鋰源、磷源發生反應。而高溫固相法使用的鐵源本身即為二價鐵，高溫條件下可以直接反應生成磷酸鐵鋰。
液相法規?；a存在一定技術壁壘。傳統液相法為共沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法等，其本身存在危險系數大、生產效率低等問題，因此逐漸被棄用。而德方納米改進了傳統的液相制備方法，形成了擁有自主知識產權的自熱蒸發液相合成法。其主要步驟為：將鋰源、鐵源、磷源與絡合劑按照一定比例溶解在溶劑中，利用其反應熱使反應自發進行，將溶劑蒸干反應即停止，形成前驅體。添加碳源、球磨、干燥后，高溫燒結、粉碎、篩分，即得到納米磷酸鐵鋰終產物。
