2017-2018年锂电池正极材料研究报告.pdf

简版2017年Copyright xincailiao一张图看懂锂电池正极材料锂离子电池正极材料简介锂离子电池主要由 正极材料 、 负极材料 、 电解液 和 隔膜 等组成。正极材料是一种具有可逆地插入及脱出锂离子能力的嵌锂化合物，在锂电池中占有较大比例，性能直接影响着锂离子电池的性能，成本也直接决定了电池成本高低。正极材料 负极材料隔膜材料电解液Copyright xincailiao锂离子电池对正极材料的要求苛刻较 高 的氧化还原电位较 高 的离子和电子电导率理想的正极材料较 高 的安全性放电电压平 稳充放电时体积变化率 小资源 丰 富制备工艺 简 单 正极材料是动力锂电的核心关键 材料。 正极 材料的能量密度高低与电动汽车的续航里程息息相关 ，其 成本约占锂电池电芯成本的 1/3。 开发 出 高能量密度 、 长寿命 、 高安全 、 低成本 的正极材料对动力锂电、电动汽车的规模化商用至关重要。Copyright xincailiao锂离子电池正极材料优缺点对比充放电稳定，工艺简单价格高，寿命短钴酸锂循环性能好钴元素价格高镍钴锰酸锂安全性高，便宜能量密度低，电解质相容性差锰酸锂安全性高，寿命长低温性能差磷酸铁锂能量密度高，低温性能好高温性能差，安全性差，工艺复杂镍钴铝酸锂五大主流锂电池正极材料Model S日产 Leaf丰田 Prius比亚迪 E6、 日产 Leaf、雪 佛兰Volt和 FiskerKarma特斯拉Roadster和 Model S主流车型正极材料选择Copyright xincailiao钴酸锂（ LCO）现状： 钴 酸锂电池的应用还是比较少的，小电池用钴锂的技术很成熟，但现在钴锂的成本太高，很多公司用锰锂来代替，有的全是锰理的。钴酸锂性能稳定，目前应用于手机等的技术最为成熟，但应用的最大缺点就是成本高，钴是比较稀缺的战略性金属；另外应用于动力电池方面也有一定的难度。锂离子电池正极材料结构表 -层状锂钴氧化物钴酸锂用途： 钴 酸锂主要应用于笔记本电脑、手机、 MP3/4等 小型 电子设备 中 ， 但也有特例， 在特斯拉研发第一代产品时 ，它是 唯一一家采用 18650型钴酸锂离子电池的电动车制造商。Tesla Roadster电动跑车动力系统钴酸锂，化学式为 LiCoO2，是一种无机化合物，一般使用作锂离子电池的正电极材料。钴酸锂电池结构稳定、比容量高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高。特斯拉使用的 18650电池Copyright xincailiao镍钴锰酸 锂 （ NCM）特点 ： 镍钴锰三元材料是一种高容量的正极材料，比容量可以达到180mAh/g以上，安全性相对较好，价格相对 较低， 与电解液的相容性好，循环性能优异，是最有可能在小型通讯和小型动力领域同时应用的电池正极材料，甚至有在大型动力领域应用的 可能。现状 ： 目前 我国高镍三元材料电池产业化程度还不高，大部分企业仍处于开发或预产阶段，高端高镍三元材料还主要依赖进口 。锂镍氧锂钴氧锂锰氧二元素系三元素系磷酸铁锂系正极材料三元正极材料体系钴酸锂上游： 三 元正极材料前驱体和相应的矿产资源（锂矿、钴矿、锰矿和镍矿）中游： 三 元锂电正极材料、隔膜、电解液、负极材料下游： 三 元电芯、 BMS 和PACK三元锂电池产业 链镍钴锰酸锂是典型的三元正极材料，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备而成，产品为黑色粉末，通式可用 Li（NixCoyMnz） O2表示，镍钴锰的比例可以根据实际需要调节。镍钴锰酸锂主要应用于小型电池和动力电池。Copyright xincailiao锰酸 锂 （ LMO）超级钴 酸 锂（星恒电源）不同体系的锂离子电池特性材料参数 锰酸锂 三元材料 磷酸亚铁锂克容量 mAh/g 90100 135160 12014018650 单体典型容量1300 mAh 2000 mAh 1400 mAh电池放电平均电压3.70 V 3.60 V 3.20 V电池组循环寿命 300 600 1500储存性能 月衰减 5%以上，容量不可恢复月衰减 1%2%，容量可恢复月衰减 3%，容量可恢复现状： AESC、东芝、 LEJ、日立与 LG等日韩电池企业将锰酸锂电池广泛应用 于新能源 汽车 上，其中日产 LEAF截止 2016年底累计销售 35万辆 。 而得益于成本优势和性能的提升， 锰 酸锂 已逐渐成为国内主流 纯电动车型的另一大应用 体系。锰酸锂主要为尖晶石型锰酸锂 LiMn2O4，是 Hunter在 1981年首先制得的具有三维锂离子通道的正极材料。相比其他正极材料，锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点，如果能解决其能量密度低和循环性能差的问题将是理想的动力电池正极材料。Copyright xincailiao磷酸铁 锂（ LFP）磷酸铁锂 锰酸锂优势 劣势 优势 劣势常温和高温下循环性能极佳低温下循环性能极差 常温和低温下循环性能极佳高温下循环性能差原材料丰富 制备技术不够成熟且有专利保护原材料丰富，制备技术成熟高性能材料的制备技术尚不普及材料环保，制备电池安全性能好导电率和振实密度低 材料环保、制备电池安全性能好未经改性的材料容量较低其它小型电器储能设备电动工具类轻型电动车辆小型设备移动电源应用领域磷酸铁锂电池 化学反应示意图 磷酸铁 锂电池内部结构磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。其特点是放电容量大，价格低廉，无毒性，不造成环境污染。世界各国正竞相实现产业化生产。Copyright xincailiao镍钴铝酸锂 (NCA)镍钴铝酸 锂材料的典型组成为 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，综合了 LiNiO2和 LiCoO2的优点，不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝后增强了材料的循环稳定性和安全性，进而提高了材料的结构稳定性和 循环稳定性。镍钴铝酸锂 材料是目前商业化正极材料中研究最热门的三元材料之一。磷酸铁锂（ LFP） 镍钴铝酸锂（ NCA）分子式 LiFePO4 LiNixCoyAl1-x-yO2电压平台 3.3 3.7比容量 150 170振实密度 1.0-1.4 2.0-2.4优点 高安全性、环保长寿 高能量密度、低温特性好缺点 低温性能较差、放电电压低 高温性能差、安全性差、生产技术门槛高NCA前驱体 Ni0.8Co0.15Al0.05（ OH） 2制备工艺技术难度 高， NCA火法烧结制备技术难度大；NCA对温湿度敏感性较强，需要生产环境湿度控制在 10%以下，加大了生产和管理的 成本。NCA需要纯氧气气氛，对生产设备的密封性要求较高 ，窑 炉设备内部元件的抗氧化性要求很高；技术 难点特斯拉新型 “ 2170” 锂电池NCA锂电池特斯拉第二款量产车型 Model-S使用的是松下定制 的镍 钴铝三元正极材料电池。Copyright xincailiao锂离子电池正极材料主流制备方法大比拼高温固相法将几种固体盐通过混合、研磨后，高温煅烧得到材料的方法优点： 工艺简单、易于实现工业化缺点： 难以混合均匀、材料颗粒形貌不规则、粒径偏大溶胶凝胶法将可溶性前驱体混合均匀，制成溶胶，随后凝胶化，然后干燥烧结成型优点： 原料混合均匀、热处理温度低、工艺简单缺点： 合成周期长、工业化难度大共沉淀法向可溶性原料中加入沉淀剂得到前驱体，通过干燥、煅烧得到材料优点： 原料混合均匀、粒径可控、易于实现工业化缺点： 制备过程容易产生废水、前驱体设备利用率低水热法利用高温高压水溶液，使那些在常规条件下不溶或难溶于水的物质反应生成材料的方法优点： 制备步骤少、合成时间短缺点： 产品纯度低、设备要求高Copyright xincailiao锂离子电池正极材料主流生产工艺简图原料 1原料 2原料 n 混合 /搅拌 研磨 煅烧 粉碎筛分分级混合检测 温控包装粒度检测原料混合与研磨决定了材料 均匀性煅烧工艺决定了材料 性能粉碎筛分决定了材料 振实密度Copyright xincailiao0500001000001500002000002005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 20152005-2015年全球正极材料出货量LFP LMO LNO NMC LCO2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年LFP 9 228 470 1225 1230 2370 3575 7062 4820 10665 23155LMO 379 1026 2060 2153 2702 4026 5943 7905 8632 9920 11710LNO 144 810 1345 1645 1873 2757 3379 3896 4540 8293 14920NMC 455 1772 2795 5808 10212 17170 23292 32245 43620 48176 62430LCO 15351 20587 24860 27585 19302 22732 20656 22228 34620 50221 62500过去 10年，锂电正极材料行业保持了 27%的复合增长率， 2015年正极材料出货量达到 17.4万吨 。目前仍然以 钴酸锂 和 三元 材料为主，约占市场比例 70%。近两年 磷酸铁锂 增长速度较快，主要得益于 中国车用市场 的快速发展。全球锂离子电池正极材料市场快速增长数据来源： ITIR/IEK AnalysisCopyright xincailiao国内锂离子电池正极材料市场产销两旺2010年 2016年我国锂离子电池正极材料产量及增速20132011 20122010 2014 2015 2016产量（万吨） 同比增长数据来源：前瞻产业研究院2010年至 2016年，我国锂电池正极材料产量从 2.5万吨增长到 16.16万吨 ，年复合增长率高达 36.48%。而行业产值则从 2010年的 57亿元 增长到 2016年的 208亿元 ，年复合增长率高达24.08%。Copyright xincailiao国内十大锂离子电池正极材料厂商湖南杉杉北大先行湖南瑞翔宁波金和北京当升厦门钨业天津巴莫河南科隆湖南长远深圳振华Copyright xincailiao国内锂离子电池正极材料厂商产能巨大数据来源：中国电池网据行业 统计， 2015 年全球正极 材料 产量 为 22.34 万吨，其中中国正极材料产量为 10.65万 吨，占比高达 48%。厂商 材料类型 产能 客户杉杉 钴酸锂、三元、锰酸锂、镍钴二元、磷酸铁锂15000万吨 /年 ATL、比亚迪、力神、 LG化学北大先行 钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂 15000万吨 /年 ATL、 CATL、力神、光宇、维科湖南瑞翔 钴酸锂、三元材料、锰酸锂、氧化钴、三元前驱体15000万吨 /年 三星 SDI、 LGC、 SKI、东芝、力神、比亚迪宁波金和 三元前驱体、三元、镍钴铝 9000吨 /年 三星 SDI、 LG化学、 ATL、CATL、力神北京当升 钴酸锂、三元 9000吨 /年 比亚迪、比克、力神电池、ATL、三星、 SK、 LG、三洋、索尼、东芝Copyright xincailiao国内锂离子电池正极材料厂商技术含量低数据来源：中国电池网厂商 材料类型 产能 客户厦门钨业 钴酸锂、三元材料、三元前驱体 5000吨 /年 松下天津巴莫 钴酸锂 5000吨 /年 力神、比亚迪河南科隆 三元、三元前驱体、磷酸铁锂 9000吨 /年 三星、松下、 LG、ATL、比亚迪、比克湖南长远 钴酸锂、三元材料、锰酸锂 5000吨 /年 ATL、力神、比亚迪深圳振华 三元、 锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂7500吨 /年 ATL、比亚迪、优特利中国虽然有 200多 家正极材料生产企业，但技术含量低，产品同质化严重，国内正极材料厂商毛利率极低，普遍低于 10%。Copyright xincailiao国内锂离子电池正极材料厂商市场份额有待提高数据来源：工研院 IEKITIS30225340市场份额优美科日亚化学户田工业清美化学其它全球市场锂电池正极材料市场份额主要被比利时优美科、日本日亚化学和日本户田工业瓜分，国内企业急需通过技术 创新 与 品质 提升抢占 市场。Copyright xincailiao国内锂电池正极 材料市场展望现状出路展望市场规模增长迅速：年复合增长率高达 24.08%；产能提升迅速：年复合增长率高达 36.48%；产能与规模增速的背后：靠低价换市场，低水平同质化竞争 严重提升品质才是占领市场的 良药；技术研发才是屹立行业潮头的 基石；基础研发才是市场搏杀的 杀手锏；原料：降低原料成本，如卤水提锂新 工艺；材料：新型锂电池正极材料研发，如不同正极材料纳米核壳结构，计算机辅助结构设计，新材料 设计等Copyright xincailiao微信公众号： xincailiaozaixian新浪微博：新材料在线官微Email: servicexincailiao官方微博新材料在线 免责声明新材料在线 版权声明1. 本文仅代表作者本人观点，新材料在线 对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或 完整性提供任何明示或暗示的保证。本报告内容及观点也不构成任何投资建议，报告中所引用信息均来自公开资料，请读者仅作参考，并请自行承担全部责任。2. 本文部分数据、图表或其他内容来源于网络或其他公开资料，版权归属原作者、原出处所有。任何涉及商业盈利目的均不得使用，否则产生的一切后果将由您自己承担。3. 新材料在线 尊重知识产权，本文作者引用部分数据仅为交流学习之用，所引用数据都标注了原文出处，个人或单位如认为本文存在侵权之内容，应及时与我们取得联系，收到信息后即及时给予处理。4. 新材料在线 力求数据严谨准确，但因时间和人力有限，文中数据难免有所纰漏，我们对文中数据、观点不做任何保证。如有重大失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们热忱欢迎新材料各界人士免费加入 新材料在线 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