【德邦电新】高镍趋势下的行业集中度提升——三元正极行业系列深度之一

技术路线之争：铁锂短期回升，三元渗透率长期向好。因三元和铁锂材料本身物理及化学结构差异带来的材料性能差异，进而决定了两者不同的应用领域。三元材料因相同锂离子数量下更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高，但铁锂橄榄石结构中稳固的P-O化学键使其相对三元具备良好的安全性和循环性能。同时，相比三元的稀贵金属构成为主，铁锂材料成本更低。2020年以来，随着补贴政策放松能量密度考核及CTP、刀片技术的成熟，低成本的铁锂电池相对优势凸显，三元渗透率有所下降。然而，铁锂面临降本瓶颈和续航瓶颈两大问题，预计未来三元仍将占据国内60%以上份额。细分来看，国内400km以下中低端车型有望广泛推广铁锂，三元5+高电压平台在短期内仍可满足中高端车型的续航需求，但随着高镍技术的成熟带来的安全性能改善，预计三元高镍会逐渐占领国内中高端车型。

三元正极产品迭代：高镍开启长期窗口期。三元正极产品迭代引领电池的技术升级，已完成从早期1系到目前8系的升级，随着消费者对整车续航及成本要求的提升，电池能量密度升级和正极材料体系的迭代不会停歇。预计产业后续将进行从8系高镍向9系NCMA、NM无钴材料迭代来提升电池性能，这仍是在高镍材料体系内的迭代，属于渐进式创新而非颠覆式创新，材料改性方法相通，因此需要在前期8系高镍的基础上小幅迭代积累，后来者直接切入而颠覆行业的概率极低，高镍三元进入相对稳定的技术发展期。未来富锂锰基材料或成为高镍之后新一代材料，具有一定颠覆性，但存在首效低和能量衰减严重问题，产业化之路较远。

竞争格局：高镍趋势下的集中度提升。目前国内三元正极市场竞争格局较分散，CR3和CR5分别为35%、52%，前几名公司市占率差距不大，无论是CR3还是CR5均远低于负极、隔膜和电解液。低集中度原因包括：a、三元正极原材料成本占比高，导致各家成本差异较小。b、正极材料总产值最大，是地方政府招商引资重点。c、正极对电池性能影响大，电池厂商纵向一体化布局正极抢夺市场。我们认为，未来高镍化+一体化有望重塑三元正极格局。高镍三元工艺复杂度和技术壁垒提升，8系高镍制造费用比5系高近一倍，8系高镍龙头公司的技术know-how优势带来的良率提升可进一步降本，高镍公司之间的成本差距会拉开，龙头可以通过低成本优势提升集中度。同时，龙头公司通过自建前驱体和布局循环回收，可降低原材料成本，拉开与二线公司的盈利差距。

专利、研发角度对比三元正极公司差异。三元材料需要解决在提高能量密度同时保持循环、安全性能，包覆、掺杂、单晶化等专利积累构筑各家产品的非标解决方案，构成龙头公司的竞争壁垒。目前当升和巴莫专利数量领先，容百快速追赶，研发人数和薪酬名列前茅。从各家专利特色来看：容百技术布局全面，高镍技术行业领先，同时具备金属资源回收技术；长远锂科前驱体积累深厚，同时具备大型前驱体反应釜制造及正极窑炉改造能力；振华新材单晶三元正极产品行业领先；当升科技：传统三元龙头，高镍及其他新型材料多点开花，重视前瞻技术研发，多项专利涉及固态锂电材料、富锂锰基正极材料等。

风险提示：三元高镍正极渗透率提升不及预期，新能源车销量不及预期

1.  技术路线之争：三元、铁锂未来渗透率研判

1.1. 三元、铁锂正极结构、性能对比

在动力电池领域，三元正极和磷酸铁锂正极是当前两种主流应用材料。因两种材料本身物理及化学结构的差异带来了材料性能差异，进而决定了三元电池和磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。

三元正极性能占优，铁锂胜在安全和低成本。三元材料因相同锂离子数量下更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高。三元材料晶体呈现层状结构，在充放电过程中，Li+在MO6（Mn=Ni、Mn、Co）层间结构中脱嵌，随着镍含量提高，可脱嵌Li+增加，三元材料的理论容量和电池能量密度随之提高。磷酸铁锂晶体呈现三维空间网状橄榄石结构，形成一维Li+传输通道，限制Li+的扩散；同时，八面体FeO6共顶相连，导致电子迁移率相比三元的层状结构慢100-1000倍。三元正极的锂离子可以沿两个不同方向移动，这造就了三元电池相比铁锂具有更高的功率和充放电性能。

然而，三元材料由于Ni2+(0.069nm)和Li+(0.076nm)半径接近，随着镍含量增加，三元材料在高温烧结制备时产生Li、Ni混排的概率迅速上升，使得Li+脱嵌困难，导致Li+材料比容量和循环性能降低且难以逆转；此外，随着镍含量的增加，材料中不稳定的Ni3+比例随之提高，容易与空气中水分和二氧化碳发生反应，加剧比容量和循环性能的损失。与之相反，磷酸铁锂的P-O化学键较稳固，温度达到700-800摄氏度才会发生分解，即使电池出现变形损坏也不会释放氧分子发生剧烈燃烧，因此铁锂电池具有更优异的稳定性和安全性能。

对比三元和铁锂的性能差异发现，三元正极除了活泼的层状晶格结构相对铁锂的橄榄石结构带来的正极比容量和电池能量密度优势外，其低温性能也优于铁锂，零下20℃下电池释放容量相比铁锂高15pct，这一性能差异将使搭载三元电池的汽车在冬季相比铁锂电池具备更好的续航里程。而铁锂材料因更为稳定的晶格结构，在高温条件下安全稳定性明显占优。同时，铁锂稳定的结构也带来的相比三元更高的首效和和循环寿命。同时，铁锂材料因构成元素主要为廉价的铁、磷，相比三元材料中更为稀缺的镍钴锰而言具备明显价格和成本优势。

此外，三元和铁锂材料在电化学性能差异还在于SOC曲线的不同。三元电池的SOC曲线随其电压水平呈相对线性关系，而铁锂电池的SOC曲线由于其较长的充放电平台和平台期后的电压突变而无法轻易地通过其电压变换来判断电池剩余电量。三元电池的SOC估计值偏离其实际值在1-2％以内，而铁锂电池的SOC估计值则可能偏离其实际值10％左右。因SOC曲线的差异，三元电池车型更能紧缺计算显示剩余续航里程，而铁锂车型易出现续航里程显示系数突降的情况，进而带来车主使用体验的差异。

1.2. 未来渗透率：铁锂短期回升，三元长期向好

回顾国内三元和铁锂的历史渗透率曲线，其变换可分为三个阶段：1）14-15年，国内新能源车市场火爆，此 时补贴政策对于电池能量密度等指标考核较低，低成本且技术成熟的铁锂电池受到青睐，14-15年的铁锂渗透率提升；2）16-19年，补贴政策调整，高能量密度高续航的三元电池获得超额补贴，三元渗透率从16年的50%提升到19年的69%；3）2020年，随着补贴退坡放缓且补贴金额已降至较低水平，低成本的铁锂电池相对优势凸显，三元渗透率环比19年有所下降。

车企与补贴政策博弈，三元铁锂反复拉锯。2019年以前，300km以上乘用车单车补贴金额达4万以上，同时对电池能量密度在140wh/kg的车型给与超额补贴系数，这使得更多车企愿意选择能量密度更高的三元电池来达到高续航进而获得更多补贴。而19年之后补贴断崖式退坡，400km以上车型补贴金额仅在2万左右，占整车购置成本已较低。同时，国家为了防止车企冒进追求高能量密度造成安全风险，不再进一步提升电池能量密度考核门槛，三元相对铁锂在获取补贴能力上的相对优势削弱。

随着20年以来CTP和比亚迪刀片技术的推出，铁锂的潜力被进一步挖掘，电池包成组效率提升带来能量密度改善，铁锂迎来回潮。虽然预计铁锂电池渗透率仍有改善空间，但相对于三元电池，磷酸铁锂发展面临两大瓶颈：续航瓶颈和降本瓶颈。

续航瓶颈：铁锂在刀片电池加持下体积利用率和能量密度改善，但仍无法解决A级以下车型续航里程低的问题。2020年宁德时代和比亚迪分别开始推广CTP技术和刀片电池方案，在降低电池生产成本的同时，成组效率和体积利用率提升带来电池能量密度改善。

2020年比亚迪推出搭载刀片电池的汉，电池体积能量密度达229Wh/L，续航里程为605km。比亚迪汉的轴距为2.92米，电池包的预留安装空间较大，而普通A、B级车轴距分别为2.3-2.5、2.6-2.7米，电池包能量密度提升空间有限。根据现有车型电池包电量和续航参数，模拟其从传统电池包切换为刀片铁锂电池包后的带电量和续航里程。以荣威ER6为例，传统三元电池包模拟切换为铁锂刀片后，虽然空间利用率提升，但因为铁锂相对较低的能量密度，导致续航降从600km下降到435km。因此，比亚迪汉刀片电池的成功更多是基于其C级车的设计基础，而在体积相对有限的A级车中，刀片铁锂仍难以让其续航突破500km，这会限制一部分对续航里程偏好较高的A级车主的消费选择，进而影响车企对铁锂电池选择的远期渗透率。

降本瓶颈：电池能量密度提升带来的单位wh原材料消耗下降是电池持续降本的根本。根据能量密度计算公式，分子端为电池正负极的电压差，分母端Cca和Can分别表示正极和负极的比容量（mah/g），其与电池能量密度呈正比。

回顾铁锂和三元电池的价格变化，在能量密度提升、规模效应的共同作用下，其单价均持续下降。然后，铁锂电池受限于铁锂正极本身的比容量短板，预计电芯在200wh/kg会达到瓶颈，目前主流铁锂电芯能量密度已接近极限，未来降本空间主要取决于规模效应及原材料单价下降。而三元电池因三元正极仍处于技术迭代上升期，未来高镍8系9系等材料改进将持续推动电池能量密度提升，预计三元电芯能量密度天花板在300wh/kg左右，相比现在240wh/kg的水平仍有30%提升空间。

虽然目前铁锂电芯价格相比三元低约20%+，但远期来看，三元电池能量密度持续提升有望缩小三元和铁锂电池之间的成本差距，假设未来三元电芯价格年化降幅8%，铁锂年化降幅5%，二者电芯价格有望2025年平价，而电池包的售价因高能量密度带来的更低成本公摊，有望相比电芯层级提前实现平价。动力电池占新能源车的成本较高，三元和铁锂电池间的相对成本差异变化最终决定了消费者的购买意愿和车企对电池类型装配的选择。

从全球主要动力电池企业的电池类型布局来看，各家呈现较大差异。LG和松下聚焦高镍三元产品，并正在向NCMA等更高镍产品迭代；SKI、三星SDI和CATL产品布局相对均衡，其中CATL兼具三元5系8系和铁锂，但各家也均在高镍产品上布局发力；BYD相对特殊，随着2020年刀片技术的推出，公司正在从原来的三元铁锂均衡发展转向为聚焦铁锂产品。

从国内自主、合资和海外车企20年以来的新车型规划来看，各势力在三元和铁锂的选择上差异较大。国内自主车企比亚迪全系车型All in铁锂，其他自主车企目前仍以三元为主，但部分车型如荣威、小鹏P7也配备了同款铁锂版作为低配版供消费者选择。对于定位中高端市场车型，无论国内还是海外车企多采用三元高镍方案，潜在爆款新车包括大众ID4、宝马IX3、福特Mach-E、极氪001、智己L7、北汽阿尔法S等。

预计未来几年，国内400km以下中低端车型有望广泛推广铁锂，三元5系+高电压平台在短期内仍可满足中高端车型的续航需求，但随着高镍技术的成熟带来的安全性能改善，预计三元高镍会逐渐占领国内自主和合资车企中高端车型。海外车企对技术路线的选择较为坚定，全面坚持三元路线，多数中高端车型坚持三元高镍，但随着CTP和刀片技术带来铁锂潜力的进一步挖掘，部分看中成本和安全性的海外车企如雷诺和PSA也开始采用铁锂电池，预计铁锂在海外的渗透率有望提升。

2. 三元正极产品迭代：高镍开启长期窗口期

2.1. 高镍之后仍是高镍：从811、NCA到NCMA、NM

三元正极的产品迭代引领电池的技术升级，三元正极已完成从早期的1系到目前的8系升级，随着消费者对整车续航及成本要求的提升，电池能量密度的升级和正极材料体系的迭代不会停歇。在现有三元8系基础上，正极和电池厂商正在研发推广9系NCMA、无钴NM等产品。

一直以来正极行业呈现多样化的技术路线和分散的竞争格局，对新进入者存在着机遇，也存在着如容百科技重点发力突破技术难度更高的8系高镍而获得超额收益和逆袭的故事。然而站在当前时点，新进入者完成逆袭的概率正在快速降低。因为未来的技术迭代路线无论从正极材料体系还是电池体系上来看，高镍的潜能还有很大挖掘空间，预计产业后续将进行从8系高镍向9系NCMA、NM无钴高镍材料的迭代来提升电池性能，这仍旧属于在高镍材料体系内的迭代，因此属于渐进式创新而非颠覆式创新，需要在前期8系高镍的基础上小幅迭代积累，后来者直接切入而颠覆行业的概率极低。

2.1.1. NCMA：神秘性不大，实用性很强

NCMA四元材料由韩国汉阳大学Un-Hyuck Kim在2016年提出，其本质上并不是一项全新的材料体系，而是基于目前两大主流三元高镍材料NCM与NCA混合而成。通过在NCM三元材料中掺杂Al粒子得到的，本质是用Al替代Co。NCMA的镍含量已达到90%，钴含量降低至5%以下，在提升镍含量提高比容量的同时兼顾了降本和材料稳定性。

NCMA过渡金属铝元素的加入所形成的Al-O化学键强度远大于Ni(Co，Mn)-O化学键，从化学性质上增强了正极的稳定性。NCMA四元正极材料在多轮充放电循环后，不可逆相变电压保持稳定，材料内部微裂纹较少，正极材料中过渡金属的溶解情况不明显。

除了Al-O强化学键带来的NCMA较好的形貌稳定性外，NCMA的循环性能也明显优于比容量相似的NCM和NCA。Un-Hyuck Kim团队对2032组电池对比发现，无论是30℃下的100周循环，还是25℃下的1000周循环，NCMA的容量保持率高于NCM和NCA约10pct。

NCMA的应用开发方面，2020年3月通用汽车宣布与LG化学一同推出一款新的电池产品Ultium，采用NCMA材料，预计2022年量产。同时，LG化学2021年将会在特斯拉上应用NCMA。2020年浦项化学宣布其NCMA正极材料将镍含量增加到80%以上，采用独立研发的铝掺杂工艺，很快将进入商业化。Cosmo AM&T与LG化学合作较多，NCMA镍含量达到92%，正极比容量为228mAh/g。国内方面，蜂巢能源在行业内率先成功研发NCMA四元正极材料，预计2021年正式量产。国内龙头材料厂商格林美、中伟股份等也在NCMA方面深入布局。

2.1.2. NM无钴：材料改性手段与传统高镍类似

钴在NCM三元体系存在的重要在于，钴的增加能有效减少阳离子混排，降低阻抗值，提高电导率和改善充放电循环性能。然而，全球钴储量相对较小，且易受地缘政治影响导致价格波动，随着电动车销量逐年提升，研发无钴或低钴正极保证钴原料供应安全和降本具有战略意义。Jeff Dahn团队是无钴材料的研发先驱，其通过将三元体系中的钴替换成Al、Mg等元素证明了去钴化的可行性。其开发的Al、Mg替代的无钴材料表现出相比NCA类似稳定的电化学性能。

在产业界，特斯拉是无钴电池的践行者。从2016年开始，其与Jeff Dahn 团队签订了为期 5 年的独家合同，Jeff 主要为特斯拉提供提高锂电池的能量密度和使用寿命，降低成本相关研究。在2020年特斯拉电池日上，官方公告的未来产品矩阵中无钴电池将在特斯拉中高端车型上应用。

国内厂商中，蜂巢能源是第一个将无钴电池装车路试的动力电池企业。其无钴材料获40+项专利，主要是通过阳离子掺杂技术、单晶技术和纳米网络化包覆三项技术解决无钴的三元层状结构稳定问题，两款无钴产品预计2021年正式量产。蜂巢能源针对无钴材料的改性方案与8系高镍材料常用的掺杂、包覆、单晶化改性方案本质相同，由此可见，无钴材料的突破仍是在传统8系高镍基础上的小步迭代，具备8系高镍基础的材料厂向无钴更具优势。

2.2. 富锂锰基具备一定颠覆性，但产业化较远

富锂锰基层状氧化物（LMLOs）可认为由Li2MnO3与LiMO2 (M=Ni，Co，Mn)两种组分构成，其中氧元素是立方紧密堆积，锂离子和过渡金属离子占据氧八面体的间隙。相对于高镍材料，富锂锰基材料具有显著的能量密度和比容量优势：（1）富锂锰基材料具有超过250mAh/g的高比容量，在电压范围为2-4.8V、电流密度为10mA/g的情况下，首次放电比容量可达到400mAh/g，远高于NCM9系材料的227mAh/g；（2）富锂锰基能量密度为300 Wh/kg，高于NCM9系的280 Wh/kg。

然而，富锂锰基材料存在首次库伦比较低和能量衰减严重的问题，严重制约其产业化生产和应用：（1）富锂锰基首次库伦比仅75%，远低于NCM9系（87%）和NCMA（91%），主要原因富锂锰基在首次放电过程中，高于4.5V电压平台的锂离子脱出是不可逆的，导致脱离的锂元素不能全部嵌入到正极材料的晶格中，造成首次不可逆容量较高，即首次库伦效率较低。（2）富锂锰基正极材料的电压衰减是晶粒表面化学反应和内部扩散共同作用的结果；在超长周期循环后，富锂锰基材料晶体结构由层状逐渐转变为尖晶石状，且相变过程是不可逆的；同时除过渡金属粒子之外，富锂锰基正极材料中的晶格氧负离子在电化学反应过程中也和电解质发生反应释放氧气，从而导致富锂锰基材料电压严重衰减。

针对上述问题，目前的解决方案仍主要是包覆、掺杂、晶面控制等传统的材料改性工艺。包覆能够一定程度阻止电解液对材料的腐蚀，改善材料与电解液之间的界面反应；掺杂稳定了材料的晶格结构，抑制了材料的不可逆相转变和氧释放；晶面调控以及表面集成结构主要加快了Li+扩散动力学和减少过渡金属离子溶解等。然而，基于富锂锰基更为复杂和活泼的晶体结构，仅凭传统的材料改性工艺做到全面产业化仍有很长路要走，亟需更多新的工艺手段突破。目前产业界中鲜有富锂锰基的应用案例，各电池及材料厂商尚未给出明确时间表，仅2018年工信部新车公示中出现搭载由浙江遨优动力提供富锂锰基电池的新能源汽车——陆地方舟牌和新日牌纯电动运输车。

2.3. 未来固态电池推出，仍适配三元高镍正极体系

固态电池能量密度和热稳定性能显著优于液体锂离子电池，具有远期商业化前景。固态锂电池主要由正极、负极、固态电解质构成，相对于液态锂电池，固态电池的优势：（1）使用固态电解质替代液体电解质和隔膜，固态电解质燃点非常高，提高电池热稳定性能；（2）固态电池的电压平台是5V，高于液态电池的4.3V，能够匹配高压电极材料，电池能量密度和比容量优于液态电池；（3）固态电解质不具有流动性，因此不存在漏液现象，简化电池成组设计，降低电池的重量和体积，能量密度有望突破300Wh/kg。

界面问题和电导率低制约全固态电池应用。（1）固态电池导电率较低，快充性能较差。（2）物理接触差影响使用寿命，液态电解液具有流动性，有限填充隔膜及电极IDE孔隙，赋予电极材料良好的离子通路，而固态电解质和金属锂均不具有流动性，其接触面存在很多微孔，造成较高的界面抗阻，对固态电池的电化学性能产生较大的影响，降低固态电池的使用寿命。

半固态电池可缓解界面接触和电导率低问题，从现有半固态电池量产情况来看，三元高镍正极仍是主要适配的正极材料。虽然固态电池因为其较好的安全稳定性可以适配锂硫等更活泼的材料体系，但因全固态电池的产业化困难重重，半固态电池是权宜之计。目前北京卫蓝、江苏清陶等已开始半固态的小规模应用，而三元高镍正极仍是各家所选择的正极材料。

3. 竞争格局：高镍趋势下的集中度提升

3.1. 什么导致了现有三元正极格局相对分散

目前中国三元正极材料市场竞争格局较分散，CR3和CR5分别为35%、52%，容百、巴莫、长远锂科等前几名公司市占率差距不大。相对于锂电池其他材料，正极材料无论是CR3还是CR5均远低于负极、隔膜和电解液。

第一，三元正极原材料成本占比高，导致各家成本差异较小。中游材料作为典型的制造业，龙头的低成本优势是驱动行业集中度提升的重要因素。对于三元正极而言，三元正极原材料成本占比在90%左右，远高于负极（43%）和隔膜（30%）。正极原材料锂、钴、镍各家采购价格差异小，同时较低的制造和人工成本占比导致各家难以通过规模效应和工艺差异在制造及人工成本方面拉开差距。因此三元正极各家营业成本差异小，龙头公司难以通过低成本优势提升份额。

第二，正极材料总产值最大，是地方政府招商引资重点。锂电正极材料是电池最重要的组成部分，锂、钴、镍等稀贵金属导致正极材料单价高于负极、电解液等其他环节。同时正极单耗在锂电四大主材中最高，1GWh锂电池约消耗1800吨三元材料，约是负极和电解液的2倍。在高单价和高单耗的共同作用下，正极材料成为产值最大的锂电池材料，2019年正极材料产值达737亿元，分别是负极材料、隔膜、电解液的7.7、9.6、20.7倍。

近年来各地方政府响应新能源政策号召，通过招商引资兴建各类锂电产业基地，作为锂电材料中产值最大的正极材料自然是引入重点。目前正极产能投资在国内各省多点开花，包括具有电力价格优势的贵州、宁夏、四川等以及产业链上下游配套完备的江苏、浙江和福建等。

第三，正极对电池性能影响大，电池厂商纵向一体化布局正极抢夺市场。作为电池中锂离子的来源，正极材料对锂电池能量密度、循环寿命、安全性能和成本等影响重大。电池龙头厂商有意愿和能力投资正极产能，一方面是提升其对正极工艺研发的理解，进而有利于电池性能的优化，另一方面保证正极材料质量和供应的稳定性，降低原材料成本。比亚迪、国轩高科、宁德时代、LG化学、亿纬锂能均通过合资或自建的方式实施产业链一体化布局策略，投产三元正极材料，这也加剧了行业竞争。

根据NCM三元体系相图，Ni能够提高材料活性，提高电池密度，同时增加Li/Ni混排的概率，降低放电容量和热稳定性；Co既能稳定层状结构，又能减少Li/Ni混排，提高放电容量，但是采购成本较高；Mn和Al主要为电池的充放电过程提供稳定性，提高材料的循环性能。高镍正极因高克容量及对电池能量密度的提升作用受到产业青睐，而如何在提高镍含量降低钴含量的同时保证材料结构稳定及电池的安全性能和循环寿命是考验各正极厂商的难题。

上述技术难点导致三元高镍材料生产壁垒较高，市场竞争格局较集中，2020年容百科技和天津巴莫在高镍三元材料市占率分别为49%、36%，集中度远高于中低镍三元正极材料。相对于低镍材料，高镍材料的生产流程更为复杂，对工艺、设备和成本控制都提出了新的要求和挑战。

高镍三元正极在大致工艺流程上与中低镍三元类似，包括前道工序（锂化混合、装钵）、 烧结工序、后道工序（破碎、筛分、除铁等）三大部分，但工艺细节上存在诸多差异。因高镍正极晶格稳定性差，高烧结温度将导致锂镍混排现象，降低实际放电比容量，需要在700-800℃的较低温度烧结，因而471℃熔点氢氧化锂成为高镍正极的锂源，取代了中低镍三元正极常用的720℃熔点的碳酸锂。

对于高镍材料，在降低烧结温度同时保证烧结质量，则要增加烧结时间，一般相对中低镍三元需要多次烧结，进而增加了制造费用和降低了单线产能。烧结是正极制备的核心环节，烧结温度和烧结环境对高镍材料的结构、电化学性质、粒度等产生较大的影响，更为复杂的烧结工序增加了高镍三元的制备难度。

相对于中低镍三元的空气气氛烧结，高镍三元正极的烧结气氛需要采用氧气。在氧气条件下，阳离子混排程度较低，颗粒粒径一致性较好，紧密结合形成均一且表面光滑的二次颗粒。而在空气中制备材料，阳离子混排程度较高，一次颗粒较大，结晶程度较低，二次颗粒粒径较小，出现团聚现象，导致振实密度较小。

其他工艺差别方面，氢氧化锂碱性相对碳酸锂更强，表面残碱会吸潮进而影响正极浆料涂布环节，因此水洗需要在一次烧结后增加水洗环节。此外，高镍三元晶格结构的不稳定性需要对其进行包覆掺杂等改性工艺，这是提升技术壁垒和决定各家差异的重要因素，第四章将重点阐述。

产线设备方面，三元高镍产线的环境湿度控制也相对中低镍三元要求更为严格。此外，高镍三元的窑炉控温精度要求更高，以保证多次烧结的产品一致性，同时需要对炉膛内衬材料进行升级，使其耐碱性环境和氧气烧结腐蚀。

对比拆解中低镍和高镍三元材料成本，8系高镍制造费用比5系高近一倍，8系高镍龙头公司的技术know-how优势带来的良率提升可进一步降本，高镍公司之间的成本差距会拉开，因此未来可以通过低成本优势提升集中度，这是在之前中低镍三元时代所看不到的。随着NCM9系、NCMA、无钴NM等高镍产品实现产业化，高镍产品技术壁垒和成本优势将更加凸显，有利于行业构筑宽深护城河，市场集中度有望得到改善。

3.2.2. 产业链一体化将促进行业集中度的提升

正极毛利率远低于负极、电解质和隔膜的毛利率，目前正极毛利率维持在15%左右，且各公司间毛利率差距小于负极、隔膜和电解液。在锂电池产业链降本趋势下，正极龙头生产商主要通过产业链一体化布局纵向拓展前驱体和电池材料回收降低原材料生产成本，有利于拉开一二线的盈利差距。

三元前驱体是定制化程度较高的产品，三元前驱体性能直接影响三元正极和锂电池的电化学性能，是三元正极最重要的原材料。目前正极企业获得三元前驱体有两种途径：外购和自制。根据测算，三元前驱体的外购成本约占正极材料生产成本的70%，前驱体毛利率约9%-14%，假设前驱体毛利率为12%，企业自制前驱体可在保证高质量和供应稳定的情况下，同时具有显著的成本优势。

除正极企业的一体化布局向上游拓展外，上游钴镍资源公司向下游拓展企业，比如华友钴业通过打造“钴镍矿开采—三元前驱体—三元正极”产业链也是一体化的另一重要方向。龙头公司的资金优势有助于其快速完成一体化，这也是未来正极环节比拼的重要方向。

动力锂电池循环再利用有助于企业控制原材料成本，同时保证原材料供应体系的稳定性。目前华友钴业、广东邦普、优美科、容百科技均有电池循环回收布局：（1）2018年华友钴业再生利用专用生产线投产，构建产业链闭环，年处理废旧动力蓄电池64680吨，每年可综合回收钴5783吨（金属量）、镍9432吨（金属量）、锂2050吨（金属量）。（2）自2007年邦普始终致力于电池循环产能扩展建设，目前年产量达2万吨。（3）2011年优美科建立第一条电池回收生产线，目前回收电池能力为7000吨。（4）容百掌握镍钴锂回收关键技术，公司TMR株式会社已实现了锂电池废料回收的成熟应用。锂电池湿法回收工艺繁杂，且对工艺设备要求较高，存在较高的技术壁垒，龙头和二线厂商有望形成成本差异，市场竞争格局将持续改善。

目前各正极厂商毛利率较为接近，多在10-20%之间，未来随着高镍化高端产品溢价及一体化降本趋势，龙头公司有望相对二线厂商拉开盈利差距，重塑竞争格局。

4. 专利、研发角度对比三元正极公司差异

4.1. 正极改性工艺非标属性强，专利积累构筑产品品质差

由于三元正极材料结构特点，随着镍含量的提高，能量密度提升，但循环稳定性和热稳定性变差，如何做到能量密度和循环性能、热稳定性的兼顾是产业界一直以来探索的主题。表面包覆、掺杂、单晶化和结构调控（核壳结构、梯度浓度）等手段一定程度弥补了三元材料短板。各改性工艺间的组合运用体现了行业产品的非标属性，各家正极厂商在此也均有自己特色的解决方案，改性工艺的专利积累也会最终体现在产品品质的差异上，构成龙头公司的竞争壁垒。

其中，三元正极改性工艺中最常用的为包覆、掺杂工艺，现对其原理及作用做简要介绍：

表面包覆可以有效稳定高镍材料的结构。表面包覆技术通过减小电极材料与电解液的接触面积，从而降低材料表面杂质与电解液的副反应，提高三元正极材料表面的电子导电率，改善材料的循环稳定性。常见的表面包覆材料包含金属氧化物、磷酸盐及其他稳定电极材料等。 

根据实验分析，表面包覆显著提升高镍材料的循环稳定性和热稳定性。对未包覆NCM811和被Li2MnO3纳米层包覆NCM811的化学性能进行对比分析：（1）包覆改进NCM811的锂离子扩散速率更高，因此表现更高的倍率性；（2）包覆改进NCM811热分解温度为256.2度，高于纯NCM811的242.6度，说明包覆改进有利于增强材料的热稳定性；（3）由于包覆工艺有效降低NCM811表面杂质与电解液的反应，包覆后NCM811循环稳定性显著增强。

掺杂改进工艺能显著提升高镍材料的循环稳定性。在三元正极材料晶格中掺杂一些金属离子或非金属离子可以提高材料的电子导电率，提升三元材料的循环稳定性，常见的掺杂元素为Al、Mg、Ti、Zr等。三元材料掺杂铜离子后，颗粒粒径显著减小。通过实验证明，掺杂适量的铜离子后NCM811的循环性和倍率性显著提高：1C倍率下100次循环后的放电比容量由129.1mAh/g上升至157.29mAh/g，容量保持率由64.6%上升至84.9%。

4.2. 三元正极代表公司研发、专利对比

从各正极公司的专利累计申请数量来看，当升科技和巴莫科技无论是总专利申请数还是发明专利申请数均积累深厚，而14年成立的容百因历史较短，专利数量相对落后，但已经超过了成立时间更早的长远锂科和振华新材，正在快速追赶当升和巴莫。厦钨新能源同样设立时间较短，现有专利大部分受让自厦门钨业，但20年以来也表现出较好的专利增长势头。 

从各正极公司的研发投入来看，容百科技、当升科技、长远锂科总投入水平相当，厦钨新能源高于对手，主要系公司同时在钴酸锂及三元材料两大领域布局， 其中以单位成本钴酸锂为主，产生较高的研发材料消耗费用。研发人员数量容百科技超过300人，领先其他对手。研发人员平均薪酬容百、当升、长远锂科均在20万元/年水平左右，领先振华新材和厦钨新能源。

4.2.1. 容百科技：技术布局全面，高镍行业领先

容百虽为行业后来者，但在三元正极领域专利技术布局全面，具备掺杂、包覆、单晶化等全面的改性工艺，并已将上述改性工艺应用于高镍三元的量产。同时具备不错设备设计研发能力，在配料混料、干燥、前驱体反应釜等设备均由自主专利，良好的装备设计能力保证公司产能投放及产线工艺的领先。此外，容百还通过韩国子公司TMR布局锂电材料回收，保障原材料的远期供应安全。

容百擅长采用多种手段复合改性正极材料，以专利“一种单晶形貌高镍三元正极材料及其制备方法”（CN108023078A）为例，通过包覆+掺杂+单晶化手段，添加多种元素成分综合制备的高镍材料性能得到显著提升。

4.2.2. 长远锂科：前驱体积累深

长远锂科的核心技术与专利布局涵盖三元前驱体、装备制造、材料表面包覆、高镍正极等。受益子公司金驰能源的前驱体技术积淀，三元前驱体专利占比高。同时，公司装备制造能力较好，具备大型前驱体反应釜制造及正极窑炉改造能力。

在前驱体制备方面，公司擅长用结晶均匀共沉淀、晶面控制技术和梯度控制技术等综合调控制备前驱体，以“一种窄分布小粒度球形镍钴锰氢氧化物前 驱体及其制备方法”（CN 111600015 A）为例，通过精确控制PH降幅和反应溶液流量，制备的三元驱体颗粒均一度高，分散性好，压实密度高，具备大规模工业条件，可广泛用于单晶三元正极材料。

4.2.3. 振华新材：单晶三元正极产品行业领先

振华新材在三元单晶产品研发生产方面行业领先，同时也具备一定的掺杂包覆材料改性技术。截至2020年底，公司已获得自主知识产权发明专利授权28项，其中12项发明专利对大单晶中镍三元系列产品形成保护，11项发明专利对大单晶中高镍三元系列产品形成保护，13项发明专利对表面改性技术形成保护。

公司于2009年全行业首次推出第一代一次颗粒大单晶NCM523产品，先后于2016年、2017年推出第二代及第三代一次颗粒大单晶NCM523产品，因其较高的比容量及倍率性能，同时可有效抑制循环后直流内阻增长，公司一次颗粒大单晶三元正极材料产量市场排名第一。自2018年开始，公司陆续开发出一次颗粒大单晶中高镍低钴6系产品及高镍8系产品，并已实现批量生产和销售，满足下游客户及市场需求。

4.2.4. 当升科技：传统三元龙头，高镍及其他新型材料多点开花

当升科技自1998年成立以来一直深耕正极领域，产品涉及动力、储能、消费等多个应用领域。团聚型多元材料持续保持技术领先优势，单晶型三元近年来也取得核心技术突破。高镍三元产品已批量供货国际高端动力电池客户，公司对高镍产品的改性工艺具有核心专利，包括处理高镍表面残锂和高镍无水洗干法包覆技术等；高容量高密度、低产气型高镍NCMA产品国际客户反馈性能全面优于同行竞争产品水平。作为老牌正极公司，公司重视前瞻技术研发，多项专利涉及固态锂电材料、富锂锰基正极材料等。此外，公司不断拓展产品矩阵，对磷酸铁锂和锰酸锂等传统正极材料也有完善的专利布局。

5. 风险提示

三元高镍正极渗透率提升不及预期，新能源车销量不及预期。

证券研究报告：《高镍趋势下的行业集中度提升——三元正极行业系列深度之一》

对外发布时间：2021年5月24日

报告发布机构：德邦证券股份有限公司

（已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格）