锂电池专题报告：三元材料关键技术细节及测算.pdf

请务必阅读正文后的 重要 声明部分 Table_IndustryInfo 2018 年 10 月 08 日 跟随大市 (维持 )证券研究报告 行业研究 电气设备 锂电池专题报告 三元 材料 关键技术 细节及测算 投资要点 西南证券研究发展中心 Table_Author 分析师：谭菁 执业证号： S1250517090002 电话： 010-57631196 邮箱： tanjswsc 联系人：陈瑶 电话： 0755-23914886 邮箱： cyaoswsc Table_QuotePic 行业相对指数表现 数据来源：聚源数据 基础数据 Table_BaseData 股票家数 191 行业总市值（亿元） 14,384.77 流通市值（亿元） 14,124.99 行业市盈率 TTM 23.36 沪深 300 市盈率 TTM 11.1 相关 研究 Table_Report 1. 从全球电气巨头转型看电气设备机会 (2018-09-12) 2. 电力设备新能源行业周报：新能源车产销创新高，隆基扩产巩固龙头地位 (2018-01-22) 3. 电力设备新能源行业周报（ 12.11-12.17）：风电底部确认，配网迎来机遇 (2017-12-18) 4. 电力设备新能源行业 2018 年投资策略：风光无限好、三元一时新 (2017-12-04) 5. 大国崛起专题之光伏篇：从周期到消费属性转换之路 (2017-11-15) Table_Summary 市场关于锂离子电池三元材料技术方面普遍关心以下问题：一、三元材料生产流程究竟是怎样的？最新的高镍三元产线及其中采用的设备是怎样的？二、从生产企业角度 看， 三元材料 加工费（不含利润）如何核算 ？三、原材料价格波动究竟对三元材料有怎样的影响？本篇报告我们将对以上问题 做 出探讨和说明。 三元材料核心优势：性能可调控。 生产流程：煅烧是核心步骤。 高镍三元材料因其容量高而备受重视，但其容量高是以牺牲安全性和稳定性，提高加工难度和成本为代价的。 三元材料生产流程中核心步骤是烧结工序，烧结温度、时间等对三元材料性能有至关重要的影响 。我们将三元材料生产流程分为烧结前工序，烧结工序和烧结后工序，并对每个流程中所涉及关键设备和最新技术进行了详细说明。 三元材料成本：原材料占比 90%以上。 三元材料的生产成本中原材料成本占比超过 90%， 市场成本构成也很透明 ，降本空间有限 。厂商需要 提高产品性能以提高售价，才能获取超额利润。 单吨总成本方面， NCM523 占有较大优势，比811 便宜 2 万元。原因在于其钴含量比 111 低，加工工序又比 622 和 811 更为简便。因此 523 材料是目前三元材料出货量最高的产品。 单吨高镍产品 622和 811 加工成本较高，占比也更大。 高镍产品由于加工难度更高，单次烧结量少，所需工序更为繁琐，加工费用和占比也在增加。 811 加工成本占比达到8.22%，而 523 仅为 5%左右。 单位容量角度看， 811 材料成本最低。 811 材料成本较高，但由于 811 材料比容量也较高，折算成单位容量来看，其成本反而更低。在各原材料价格基本稳定、新能源汽车动力电池成本急需降低的情况下，发展单位容量成本更低的 811 材料是未来大趋势。 三元材料成本变动影响：关注钴 /镍价格比和锂盐价格比。 锂、镍、钴的金属盐 价格变动对三元材料成本影响很大 ，而三元材料构成本质上是钴 /镍和氢氧化锂 /碳酸锂的相互替代， 通过模型测算，我们认为动态跟踪各类材料之间的价格比是重点。 钴镍价格比高于 2.9 时， 811 单位容量成本最低。 在 2012 年至今的钴镍价格比变动区间内， 111 单位容量价格基本都是最高的，失去了与其他材料的竞争优势。 氢氧化锂比碳酸锂价格低于 0.95 时 ， 811 单吨价格有望低于 523。 当锂盐价格比低于 1.25 时，单吨价格 811 有望低于 622；当锂盐价格比低于 0.95 时，单吨 811 价格甚至有望低于 523 价格。 风险提示 ： 新能源补贴大幅度下降的风险 ； 出货量不达预期的风险。 重点公司盈利预测与评级 Table_Finance 代码 名称 当前 价格 投资 评级 EPS（元） PE 2017A 2018E 2019E 2017A 2018E 2019E 300073 当升科技 23.95 买入 0.57 0.69 0.96 41.81 34.89 24.85 数据来源： 聚源数据 ，西南证券 -50%3110%30%50%1-37%-27%-17%-6%4%14%17/9 17/12 18/3 18/6 18/9电气设备 沪深 300 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 目 录 1 锂离子电池为何异军突起？ . 1 2 正极材料：电池中的关键材料 . 3 2.1 钴酸锂（ LCO）：适 合小型电池，实际容量不高 . 3 2.2 磷酸铁锂（ LFP）：能量密度低，安全性突出 . 4 2.3 三元材料（ NCM、 NCA）：性能可调控，道路如何抉择？ . 4 3 三元材料生产流程及关键设备 . 6 3.1 煅烧前工序 . 7 3.2 煅烧工序 . 11 3.3 煅烧后工序 . 12 3.4 工序总结 . 14 4 三元材料成本拆分 . 16 4.1 三元材料成本构成 . 16 4.2 三元材料成本测算（以优美 科长信为例） . 16 4.3 三元材料成本对比分析 . 21 4.4 三元材料成本主要影响因素：过渡金属盐与锂盐价格 . 22 5 标的推荐 . 26 当升科技（ 300073）：专注正极材料，引领发展趋势 . 26 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 图 目 录 图 1：锂离子电池基本原理 . 1 图 2：各类电池能量密度对比图 . 2 图 3：锂离子电池应用领域 . 2 图 4：六方层状钴酸锂结构示意图 . 3 图 5：橄榄石状磷酸铁锂结构示 意图 . 3 图 6： NCM 材料放电容量、热稳定性和容量保持率关系 . 4 图 7：高镍三元材料在更低温度下发生分解 . 4 图 8：三元材料生产关键流程及设备 . 6 图 9：斜式混料机实物图 . 9 图 10：高速混料机实物图 . 9 图 11：方形匣钵实物图 . 10 图 12：圆形匣钵实物图 . 10 图 13：推板窑推进物料靠在平板上 直接推动 . 11 图 14：辊道窑传输物料靠滚筒滚动 . 11 图 15：颚式破碎机及辊式破碎机结构及存在问题 . 12 图 16：旋轮磨典型结构及剖面图 . 13 图 17：优美科长信前驱体生产流程及设备图 . 17 图 18：优美科长信三元材料生产流程及设备图 . 18 图 19：三元材料中各主要元素占比 . 21 图 20：成本和加工费用实际数（万元） . 22 图 21：成本和加工费 用占比 . 22 图 22：硫酸钴与硫酸镍价格走势（元 /吨） . 23 图 23：氢氧化锂与碳酸锂价格走势（元 /吨） . 23 图 24：硫酸钴、硫酸镍价格之比对三元材料成本（万元 /吨）的影响 . 24 图 25：硫酸钴、硫酸镍价格之比对单位容量三元材料成本（元 /Ah）的影响 . 24 图 26：氢氧化锂、碳酸锂价格之比对三元材料成本（万元 /吨）的影响 . 25 图 27：氢氧化锂、碳酸锂价格之比对单位容量三元材料成本（元 /Ah）的影响 . 25 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 表 目 录 表 1：锂离子电池性能优势明显 . 1 表 2：几种商业化正极材料性能比较 . 3 表 3：当升科技江苏海门三期 18000 吨高镍产线主要设备详情 . 6 表 4：氢氧化锂和碳酸锂作为锂源使用对比表 . 8 表 5：两种三元材料混料设备指标对比表 . 8 表 6：两种三元材料混料设备的主要优势和劣势对比表 . 9 表 7：长 沙中瓷生产正极匣钵技术指标 . 10 表 8：推板窑与辊道窑对比 . 11 表 9：传统粗破碎与旋轮磨粗破碎对比 . 13 表 10：气流粉碎机与机械粉碎机对比 . 13 表 11：两种除铁设备优劣势对比 . 14 表 12：三元材料制备核心工序和所用设备精炼总结 . 15 表 13：三元材料产线主要原辅材料 . 16 表 14：优美科长信生产 1 万吨 NCM622 正极材料所需主要物料 . 19 表 15：优美科长信单吨 NCM622 正极材料成本测算 . 19 表 16：单吨 NCM111 正极材料成本估算 . 20 表 17：单吨 NCM523 正极材料成本估算 . 20 表 18：单吨 NCM811 正极材料成本估算 . 21 表 19： NCM 三元材料折合单位容量成本估算 . 22 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 1 1 锂离子电池 为何异军突起 ？ 锂离子电池 作为取代镍氢电池和铅酸电池的一种新型绿色电池，由日本索尼公司率先研制成功并于 1991 年实现商业化。锂离子电池主要由负极、正极、电解质 、隔膜以及外部包装等组成 。正极、负极和隔膜通过叠片和卷绕等工艺形成方形或圆形的形状，在空隙处注入电解液，并用铝壳、钢壳等进行包装，组成锂离子电池。 锂离子电池 放电时 主要工作原理是 锂离子从正极脱出，经过电解质迁移并嵌入到负极，引发电子在外电路进行迁移，从而对外提供电能。 在每一次充放电循环过程中，锂离子充当了电能的搬运载体，周而复始的 在 正极 与 负极 间 来回移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换 。 图 1：锂离子电池基本原理 数据 来源： 锂电网， 西南证券 整理 目前锂 离子电池无论是在消费电子领域还是在动力电池领域均已取代铅酸电池和镍氢电池，究其原因主要有以下 两 点： （ 1）电压高：锂离子电池 单体 电压可达 3.7V， 远大于铅酸电池和镍氢电池。电池所能够放出的能量（ Wh）可近似理解为电压（ V）与容量（ Ah）的乘积，可见容量一定时电压越高，电池可放出的能量越多。电池电压的高低主要取决于 正负极材料的种类和特性 ，因此电压方面锂离子电池具有天然的优势。 表 1：锂离子电池性能优势明显 指标 锂离子电池 铅酸电池 镍氢电池 正极材料 锂化合物 二氧化铅 NiOH 负极材料 碳材料 海绵状铅 吸氢合金 电解液 聚合物电解质 稀硫酸溶液 氢氧化钾溶液 电压 /V 3.7 2.0 1.25 比能量 /(Wh kg-1) 160 3045 7080 体积比能量 /(Wh L-1) 320 6080 160 循环寿命 5001000 300500 1000 每月自放电率 3% 4%5% 30% 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 2 指标 锂离子电池 铅酸电池 镍氢电池 工作温度 / -4060 -2060 -2070 环境影响 环境友好 污染较重 轻微毒性 记忆效应 无 无 有 数据来源： 锂离子电池替代铅蓄电池的环境风险对比分析与思考 ，西南证券整理 （ 2）能量密度高。能量密度 是指 电池能量与电池体系质量（体积）的比值，即单位质量（体积） 能够存储的电量，这是人们在评价容量时常用的指标。锂是质量最轻的金属，因此采用锂离子作为能量载体的锂离子电池具有较轻的质量，也就有了较高的能量密度。相比而言，受制于铅及吸氢合金的高重量，铅酸电池和镍氢电池能量密度远小于锂离子电池。 图 2：各类电池能量密度对比图 图 3： 锂离子电池应用领域 数据来源： 第一电动 ，西南证券 整理 数据来源： 锂电网 ，西南证券 整理 基于以上优点，锂离子电池在各领域均有了广泛的应用，目前主要应用领域分为三类：消费类锂离子电池、动力型锂离子电池级储能型锂离子电池。消费类锂离子电池主要应用于手机、笔记本电脑、手环等便携设备中，动力类锂离子电池主要应用于汽车及电动工具，而储能类则在智能电网和分布式储能中有所应用。 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 3 2 正极材料： 电池中的关键材料 正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一 ，也是目前商业化锂 离子电池中主要的锂离子来源，其性能和价格对锂离子电池的影响较大。 目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、 三元材料 镍钴锰酸锂（ NCM）和镍钴铝酸锂（ NCA）等。 表 2： 几种商业化正极材料性能比较 正极材料名称 钴酸锂 镍钴锰酸锂 镍钴铝酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 化学式 LiCoO2 LiNixCoyMn1-x-yO2 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 LiMn2O4 LiFePO4 理论容量 /(mAh/g) 274 275 275 148 170 实际容量 /(mAh/g) 140 160220 180 120 150 电压平台 /V 3.7 3.5 3.5 4.0 3.3 循环能力 较好 一般 一般 较差 好 含金属资源储量 贫乏 较丰富 较丰富 丰富 丰富 振实密度 /(g/cm3) 2.8 2.6 2.6 2.2 1.0 压实 密度 /(g/cm3) 4.2 3.6 3.6 3.0 2.2 数据来源：锂离子电池基础科学问题 正极材料， 西南证券 整理 2.1 钴酸锂（ LCO） ：适合小型电池，实际容量不高 钴酸锂是 第一代商业化正极材料，在几十年的发展中逐渐改性和提高，可以认为是最成熟的锂离子电池正极材料。钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简单等优点。但该材料中含有毒性较大的钴元素，且价格较高，制作大型动力电池时安全性难以保证。 钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择 。 目前在 3C 电子电池中，大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料，原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料，即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中，钴酸锂占有着一席之地。 钴酸锂 理论容量高 ， 但实际容量 却 只有理论的一半 。 原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出 ， 但脱出量小于 50%时，材料的形态和晶型可以保持稳定。随着锂离子脱出量增大至 50%时，钴酸锂材料将发生相变，如果此时继续充电，钴将溶解在电解液中并产生氧气，严重影响电池循环稳定性和安全性能，因此一般的钴酸锂充电截止电压为 4.2V。 图 4：六方层状钴酸锂结构示意图 图 5： 橄榄石状磷酸铁锂结构示意图 数据来源： 储能科学与技术 ，西南证券 整理 数据来源： 储能科学与技术 ，西南证券 整理 锂电池专题报告 请务必阅读正文后的 重要 声明部分 4 2.2 磷酸铁锂（ LFP） ：能量密度低 ，安全性突出 磷酸铁锂是目前广受关注的正极材料之一，理论比容量为 170mAh/g，实际比容量可达150mAh/g 以上，其主要特点是不含有害元素，成本低廉，安全性非常好，循环寿命可达 10000次，这些特点使得磷酸铁锂 材料迅速成为研究热点，磷酸铁锂 电池 也 在电动汽车领域有 了 广泛的应用。 磷酸铁锂的缺点也较为明显，即能量密度低。 原因有两点，一是磷酸铁锂材料的电压仅有 3.3V 左右，低于其他正极材料，这使得磷酸铁锂电池 储存能量较低；二是磷酸铁锂导电性较差，需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能，这使得材料变得蓬松，压实密度较低。两者综合作用，使得磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此磷酸铁锂电池主要应用于电动大巴车及少量乘用车中。 磷酸铁锂是否近期将被淘汰 ？ 近期新能源汽车安全事故频发 ， 被认为将很快被三元材料取代的磷酸铁锂再次进入人们的视野 ，人们希望通过对磷酸铁锂进行改性提高其容量。目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入 Mn 元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度，也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与 NCM 三元材料进行混合，在保持三元素电池较高能量密度的同时可以有效提升其安全性能。 2.3 三元材料 （ NCM、 NCA） ：性能可调控，道路如何抉择？ 三元材料是与钴酸锂结构极为相似