磷酸铁锂行业发展分析（二）（上）

上一篇们主要从成本和供需方面对磷酸铁锂进行分析，本篇会针对磷酸铁锂和三元锂电池的材料进行拆解，对磷酸铁锂与三元铁锂进行综合性的对比分析。

（一）材料分析
正极材料是锂离子电池的关键材料，差异化程度高，成本占比高，对性能至关重要。下图为锂离子电池原理。

正极材料差异化程度高，种类多，目前以三元、磷酸铁锂、钴酸锂为主，往后发展或有镍酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂等。锂离子电池正极材料可以根据结构的不同分为三类，以磷酸铁锂为代表的聚阴离子型材料，以钴酸锂和三元为代表的的层状结构材料，以及以锰酸锂为代表的尖晶石结构材料。往后看，在性价比方面磷酸铁锂可通过掺锰制备磷酸锰铁锂来提高电压平台进而提高能量密度，而在高能量密度方面，除了三元高镍化外，镍锰酸锂、富锂锰基正极等高压材料也极具发展前景。 

2014-2019年间，我国正极材料出货量年均增速38%，主要增量由三元和磷酸铁锂贡献。三元主要应用在动力电池领域，2019年轻型动力带动了非动力的增量增长。磷酸铁锂初期以动力为主，但此前受到补贴制约动力发展几乎停滞，增量主要由非动力领域贡献。

新能源车在从政策驱动向市场化驱动的转型中，我国动力电池装机量稳步增长，三元和铁锂占比也持续变化。2016-2019：补贴向高能量密度倾斜，三元占比迅速提升。在此期间，三元材料在高能量密度方面显著占优，市占率从2016年22.9%的提高到2019年的61.5%。2020-至今：能量密度指标冻结，补贴退坡，磷酸铁锂凭借性价比优势开始回暖。同时随着磷酸铁锂的发展和“刀片”“CTP”等技术的出现，磷酸铁锂电池的能量密度已经有很大的提升，成本上的优势开始凸显。（关于“刀片电池”和“CTP”电池在第一篇中有提及，有兴趣的朋友可以去看看）

在对比高镍三元和磷酸铁锂电池不同里程数所对应的体积、成本、和重量来看，高镍三元锂电池在同等里程数中体积和重量是十分占优势的，其轻量化和续航能力强是其快速发展的主要原因；而磷酸铁锂电池主要优势是在成本方面，这也是为什么在新能源汽车补贴下滑之后磷酸铁锂电池被各大新能源车企采用的原因。

在未来动力电池的发展进程中，在保证安全性的基础上不断提升能量密度是必然的发展趋势，三元高镍化就是其中最主要的技术路线。目前国内三元正极材料已经形成多种材料共存的局面，中镍市占率保持平稳，高镍材料占比逐年增加。

虽然中国占据着全球半数以上的三元材料产能，但在高镍市场方面国内三元材料企业还有提升空间。国内真正能够实现高镍三元材料批量出货的企业并不多，出货量较高的企业主要为容百、巴莫、贝特瑞以及邦普。目前在全球市场销量最高的特斯拉采用的就是松下NCA和LG化学NCM811高镍电池，大部分欧洲一线车企也更青睐811电池，各大主流电池厂都有各自高镍或无钴电池的开发计划。LG化学、三星SDI、SKI和松下等日韩电池巨头都在加快高镍低钴电池开发量产进程。在新能源车的大趋势下，动力电池三元正极材料产量快速提升，其中高镍三元材料2022年全球产量超过60万吨，实现翻倍增长。

2016-2020年国内不同型号三元材料产量占比

补充资料：三元层状材料NCM可以认为是LiCoO2、LiMnO2和LiNiO2三种材料的混合，一般认为提高Ni含量有助于提高材料能量密度，Co元素有助于提高倍率性能和材料导电性，而Mn元素的引入有利于材料的结构稳定性和安全性。NCM433、NCM 532、NCM622和NCM811的热稳定性如下图所示。NCM433、NCM 532、NCM622和NCM811从层状相到尖晶石相的相转变温度分别为245℃、235℃、185℃和135℃，尖晶石相存在的温度区间逐步缩减，表明随着Ni含量提高NCM热稳定性逐渐降低。更为重要的是，从NCM523到NCM811，材料的热稳定性呈现急剧降低的趋势。伴随材料相转变，大量的氧被释放出来。从图中可以看到NCM811的氧释放量最大，是其他几款材料的数倍之多。目前的研究表明，在全电池体系中NCM相转变往往发生在颗粒表层，且释放的氧会以高活性的单线态氧1O2形式存在，后者同电解液反应既会释放大量热量，还会产生大量气体，从而进一步恶化电池安全。这也是为什么近年来三元锂电池自燃的原因，其在增加能量密度的同时降低了电池的稳定性和安全性，而磷酸铁锂电池则不同。磷酸铁锂电池在温度至少高于230℃条件下才会出现显著的失重，因此具有良好的热稳定性。橄榄石结构的磷酸铁锂电池的良好热稳定性源于其结构中磷酸基，Fe-P-O键远强于层状结构NCM中的Ni-O、Co-O和Mn-O键，因此LFP较NCM有着更好的热稳定性，所以我们可以发现在很多公用客车上均采用的是安全系数较高的磷酸铁锂电池。

参考资料：华安证券、清新电源