“十三五” 时期我国锂电正极材料发展成就

朱素冰 李扬超

“十三五”期间，我国动力锂电池领域从基础研究到具体应用都取得了一系列显著的创新成果，有力地支撑了新能源汽车产业的快速发展。那么，作为影响动力电池性能和成本的关键材料——锂电正极材料，也获得了长足的进步。

1  锂电正极材料终端应用市场发展情况

“十三五”以来，动力锂电正极材料市场应用增量发展已经进入快车道。高工产研锂电研究所（GGII）数据显示，2020年我国正极材料产销量约为51万t，2020年正极材料产销量比2015年产销量约增加40万t，约占全球锂电正极材料产销量的80%以上，稳坐全球锂电正极材料产销国第一把 “交椅”。2021年上半年，我国正极材料产量约为41.2万t，同比大幅增长，达成了2020年全年80%的产量。其中三元材料16.7万t、钴酸锂4.6万t、磷酸铁锂15.4万t、锰酸锂4.5万t。

根据市场应用领域划分，锂电池主要分为互联网（IT）消费电子、动力锂电和储能锂电等。市场上主要量产的锂电正极材料为钴酸锂（LCO）、多元材料﹝镍钴锰酸锂（NCM）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和锰酸锂（LMO）﹞及磷酸铁锂（LFP）等。

“十三五”期间，锂电池的应用领域从IT消费电子市场逐渐向新能源汽车市场转移。2016年左右，锂电池最主要的应用方向是IT消费电子市场，随着近几年新能源汽车在我国政府的政策推动下获得了蓬勃的发展，2020年动力锂电池市场占所有应用领域市场份额的比例已经超过60%;全球锂电企业主要分布在中日韩，2020年预计中国锂电占据了全球锂电市场份额的62%以上，排名第1（见图1）。

IT消费电子市场是最早的锂电应用市场，近几年除了手机、平板电脑、笔记本电脑、电子烟、电动工具等常规的应用之外，更衍生出智能穿戴、机器人、无人机等市场应用领域。

全球智能手机消费量从2016—2020年出现逐年下降趋势。受新冠疫情影响，2020年全年智能手机出货量约为12.92亿台，同比下降5.9%。随着5G手机的普及，2021年预计全球智能手机出货量为13.5亿台，同比增长5%，5G智能手机占比将超过40%。2023年，预计全球智能手机出货量达14.13亿台，5G智能手机占比将超过70%（见图2）。

2019年，全球包括个人计算机（PC）、平板电脑在内的个人计算设备的出货量约为4.17亿台，结束了连续8年的缩减，同比上升2.7%。2020年，受到新冠疫情的影响，全球居家学习和办公的需求增加，互联网数据中心（IDC）预计全年出货量达到4.35亿台，同比上升4.3%（见图3）。

2016—2020年，储能锂电市场需求复合增长率激增，2020年全球储能锂电市场需求接近20GWh，预计后续将会持续放大市场需求增幅。

2016—2020年，电动汽车市场需求持续上升，2020年全球电动汽车销量达到312.5万辆，同比上升41%;中国新能源汽车销量136.7万辆，同比上升10.9%。具体数据见图4。

我国新能源汽车产业政策对国内动力锂电及正极材料的发展起到了巨大的支撑作用。“十三五”期间，我国政府不断建立和完善新能源汽车相关法律法规，落实产业支持政策。中国新能源汽车产业政策随着时间的推移和产业发展的不同阶段在逐渐变化，大致来说，可以分为行业孕育期、行业爆发期和行业成熟期3个阶段，政府在不同的发展阶段采取不同的政策引导。在孕育期，主要是通过各种规划确定发展目标，采用高额国家和地方补贴的财政手段来刺激消费;在行业爆发期，补贴政策持续推动产业持续发展;在行业调整和成熟期，政府出台了很多规范性政策，同时降低补贴力度，政府逐渐退出，通过市场手段和规律使电动汽车产业实现长期良性发展。

2014—2015年，中國新能源汽车产量增速超过350%，呈现产销爆发式增长的趋势。但是这种野蛮增长致使“泥沙俱下”，伴生着大量的骗补投机行为，资本一拥而上，争相投向新能源产业，所有投资的利润目标都源自于对财政补贴的追求。

2  国家积极培育动力锂电和材料明星企业

“十三五”时期，我国新能源汽车产业已经步入发展的快车道，政府希望通过调整产业政策，提高产业进入门槛，促进强强合作，培育汽车、锂电池和材料的明星企业，对抗海外汽车和锂电巨头。

一方面，政府明确了继续支持新能源汽车产业发展的态度，通过制定一系列的战略和目标规划阐明了我国新能源汽车产业发展的方向和目标：

①2016年3月，十二届全国人大四次会议通过《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，提出重点支持战略性新兴产业发展，要求使战略性新兴产业增加值占国内生产总值比例达到15%，支持新能源汽车、高端装备与材料等领域的产业发展壮大。

②2016年11月，国务院发布《 “十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，明确提出要推动新能源汽车、新能源和节能环保产业快速壮大，构建可持续发展新模式。在新能源汽车产业规模方面提出明确要求，要求构建有全球竞争力的动力电池产业链。战略规划要求重点建设动力电池研发的创新中心，尽快解决动力锂离子电池的安全性、循环和高能量密度方面的问题，尤其是亟待突破的动力电池的关键零部件和材料方面的技术瓶颈。

③2017年4月，工业和信息化部（以下简称“工信部”）、国家发展和改革委员会（以下简称“国家发改委”）和科技部3个部门印发了《汽车产业中长期发展规划》，明确提出了2020年中国新能源汽车的年产销数量目标为200万辆，2025年新能源汽车的市场渗透率要求为20%以上，2020年中国动力电池的单体比能量目标要达到300Wh/kg以上。

④2018年6月，国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，重申了2020年新能源汽车产销量目标要达到200万辆;要求在公交汽车、出租车、邮政快递等公用事业领域加快推广新能源汽车，机场、铁路和港口等重点区域的新增或更换作业车辆优先采用新能源或新能源汽车;并要求在2020年之前将所有重点区域的直辖市、省会省市和计划单列市建成区的公交车辆更换为新能源汽车。

另一方面，国家出手整顿“骗补”潜规则，并陆续出台了一系列政策措施，政策调整的方向朝着提升补贴门槛，资源向技术难度高的产品倾斜。屏蔽低端产能和低劣产品。同时调低公共领域如客车、物流车的补贴，强调使用端补贴。

①2016年1月，财政部、科技部、工信部和国家发改委4部门联合发布《关于开展新能源汽车推广应用核查工作的通知》，开始调查汽车骗补问题。

②2016年10月，中国汽车工程学会发布《节能与新能源汽车技术路线图（2016版）》，提出至2020年，新能源汽车市场渗透率达到7%以上，乘用车新车平均每百公里油耗为5L，商用车新车油耗接近国际先进水平，新能源汽车的主要技术路线是纯电动与插电式混合动力汽车，采用新型锂离子动力电池为主要的电池技术路线。

③2016年11月，工信部发布《汽车动力电池行业规范条件》（征求意见稿），要求锂离子动力电池单体企业年产能力不低于80亿Wh，金属氢化物镍动力电池单体企业年产能力不低于1亿Wh，超级电容器单体企业年产能力不低于1千万Wh。系统企业年产能力不低于80 000套或40亿Wh，大大提高了动力锂电企业的进入门槛。

④2017年3月，工信部、国家发改委、科技部和财政部4个部门发布关于印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》的通知，指明了动力电池产业的发展方向，要求持续提升产品质量和安全性并降低成本，到2020年，新型锂离子电池单体比能量超过300Wh/kg。

⑤2018年2月，工信部、科技部、环保部、交通部、商务部、质检总局和国家能源局7部门联合发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，加强新能源汽车动力蓄电池回收利用管理，规范行业发展。

⑥2018年11月，工信部、国家发改委、科技部、公安部、交通运输部、市场监管总局联合发布《关于加强低速电动车管理的通知》，要求对现有低速车生产企业摸底、整改、淘汰转型;严禁新增低速车产能，要求地方停止发布鼓励低速车、低速车准入等相关政策;建立长效监管机制，设置一定过渡期，通过置换、回购、鼓励报废等方式淘汰违规的存量产品。

⑦2018年12月，国家发改委发布《汽车产业投资管理规定》，在新建车用动力电池单体/系统企业投资项目中，对循环寿命提出了技术要求：循环2 000次后剩余容量不低于初始容量的95%;循环1 500次后剩余容量不低于初始容量的95%。企业上2个年度车用动力电池产能利用率均不低于80%。

3  国家加强推广新能源汽车应用

此外，国家在推广应用方面不遗余力，通过设置财政补贴持续退坡，推动碳积分交易，定向支持公用领域使用新能源汽车：

①2016年12月，财政部、科技部、工信部和国家发改委4部门联合发布《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，首次引入电池系统能量密度作为技术指标，成为补贴的调整系数;提高推荐车型目录的技术门槛，并采用动态调整的方式进行管理;明确规定地方政府的补贴不超过中央财政单车补贴额的50%;补贴方式由预拨制转为年度清算制;非个人用户购买新能源汽车在申请补贴前有累计行驶里程须达到3万km的要求等。2018年2月、2019年3月和2020年12月，财政部不断调低2021年新能源汽车补贴标准，提高技术难度。

②2017年9月和11月，工信部、财政部、商务部、海关总署和质检总局等部门相继发布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》和《关于2016年度、2017年度乘用车企业平均燃料消耗量管理有关工作的通知》，对规模以上传统能源乘用车企2016年度、2017年度平均燃料消耗量和新能源汽车积分实施核算。对于2016和2017年2年度企业平均燃料消耗量负积分不能够抵偿为零的企业，其超标产品不予列入《道路机动车辆生产企业及产品公告》。2020年4月，工信部、财政部、商务部、海关总署、国家市场监督管理总局联合发布《关于修改<乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法>的决定》，主要内容：一是修改积分计算方法，降低单车积分;二是引入电耗调整系数（EC），强调对百公里电耗的考核。

③2019年5月，财政部发布《关于支持新能源公交车推广应用的通知》，新能源公交车的补贴延迟退坡，同时采取“以奖代补”方式重点支持新能源公交车运营;后续还有可能在商用车领域实施双积分政策。

④2019年6月，国家发改委发布《推动重点消费品更新升级畅通资源循环利用实施方案》，要求各地不得对新能源汽车实施限行限购，已实施地区应当取消;推进城市建成区新增和更新的公交、环卫、邮政、出租、通勤、轻型物流配送车辆使用新能源或清洁能源汽车，并对重点大气污染防治重点区域给予2020年底使用比例达到80%的目标等。

⑤2017年12月，财政部、国家税务总局、工信部、科技部4部门发布《关于免征新能源汽车车辆购置税的公告》， 2018年7月，财政部发布《关于节能新能源车船享受车船税优惠政策的通知》，对于符合条件的新能源汽车免征车辆购置税和车船税。

⑥2018年3月，國家能源局发布《2018年能源工作指导意见》，提出统一电动汽车充电设施标准，积极推进充电桩建设，2018年计划完成充电桩60万个建设。2018年11月，国家发改门、国家能源局、工信部和财政部4部委发布关于《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》的通知，提出力争用3年时间大幅提升充电技术水平，进一步优化充电基础设施发展环境和产业格局作为行动计划目标。

4  中国锂电正极材料企业发展情况

全球和中国新能源汽车的兴起，为中国锂电池产业带来了机遇与挑战，中国正极材料企业具有原料和市场渠道的双重地缘优势， 2016—2020年间，中国的正极材料产业进入快速增长期，产能和产量均得到稳步提升：锂电正极材料总体产能从2015年底的22万t/a迅速攀升到2020年底的140万t/a，5年时间约增加7倍;锂电正极材料总体产量从2015年11万t/a攀升到2020年的51万t/a，5年时间增加约5倍。正极材料中增长速度最快的是多元材料和磷酸铁锂材料。2020年中国多元材料出货量约为23.6万t，约占正极材料市场的46%，已经成为主流的动力锂电正极材料。但是，也应该看到，由于镍钴价格的持续高企，成本更有优势的磷酸铁锂材料获得了更多车企的青睐，市占率不断提升。2021年上半年，多元材料出货量约为16.7万t，约占正极材料市场的41%，磷酸铁锂出货量约为15.4万t，约占正极材料市场的37%。

日韩锂电正极材料厂商与中国锂电正极材料厂商在集中度上有显著的不同。日本的锂电正极材料厂商分布非常集中，日亚化学工业株式会社（Nichia）、住友金属矿山株式会社和巴斯夫户田美国有限责任公司这3家主流的厂家出货量占全日本正极材料出货量的85%以上。韩国的锂电正极材料厂商分布比日本的情况更为分散一些，同时由于三星SDI公司、LG公司和SKI公司都有自己的正极材料工厂，其他市场由光未来（Light&Future）、ECOPRO BM公司、Cosmo AM&T和浦项化学株式会社瓜分。与日韩不同，中国的正极材料厂商分散度较高，各厂商产销量与技术实力各有擅长领域，形成错落有致的多层次市场发展态势。中国的正极材料厂商近些年在与国内外一流的锂电企业合作的过程中不断发展，不管是从产能准备、产销量还是技术实力上，都已经完全具备了与日韩企业同场竞技的实力。

中国是全球最大的正极材料生产国，中国生产的锂电正极材料不仅覆盖中国锂电市场，其钴酸锂和三元材料还大量出口到海外。由于中国的钴酸锂及多元材料出口到海外得到政府13%的退税补贴，近几年来钴酸锂及多元材料出口量迅速提升。国内主要的钴酸锂出口厂商有天津巴莫科技股份有限公司、湖南瑞翔新材料股份有限公司等，他们的客户主要是韩国的锂电厂商三星SDI和LG。中国多元材料出口厂商主要是当升科技、厦门钨业等，他们的客户主要分布在韩国和日本，如三星集团SDI、乐金集团（LG）、SK集团（SKI）、日本松下电器产业株式会社（Panasonic）;村田制作所（Murata）等。

全球的磷酸铁锂材料产地和销售地都是在中国，主要生产厂商如德方纳米、贝特瑞、湖南裕能新能源电池材料有限公司等由于看好动力锂电和储能锂电的发展，纷纷追加投入，扩产扩量。国内的磷酸铁锂用户主要是宁德时代新能源、比亚迪和国轩高科等动力锂电厂商。

全球的锰酸锂材料也主要集中在中国，但产业集中度不高，且锰酸锂材料以小型锂电和电动自行车用锂电的应用为主。主要的锰酸锂代表厂商是青岛乾运高科新材料股份有限公司、无锡晶石新型能源股份有限公司和贵州丕丕丕电子科技有限公司等。

5  锂电及正极材料技术发展情况

中国锂电正极材料产业的创新和技术开发能力与日俱增，中国正极材料企业领先于欧美并首先开发出将单晶型多元材料应用于动力锂电池中，攻克了锂电多元材料在高温高电压长循环等苛刻应用情境下循环跳水的难题。同时，中国在无钴化正极材料方面也取得新的突破。

5.1  钴酸锂材料

钴酸锂加工性能优异，充放电电压平稳，放电平台高、比容量较高且性能稳定，是首先商业化的正极材料，经过不断的改性，目前仍是小型锂电池的主流选择。钴酸锂正极材料主要应用于手机、平板电脑、无人机航拍、电子烟、智能穿戴等领域。在钴酸锂中，由于钴的含量较高，其价格高且波动幅度大，成本控制困难。所以近几年不断有厂商尝试以钴含量较低的三元材料替换钴酸锂。

智能手机、平板电脑等消费类电子产品向功能多元化，屏幕超大化、轻薄化方向发展、对锂电池的待机时间和体积大小的要求不断提升。钴酸锂材料的压实密度已经接近极限，因此目前主要考虑提升到锂电池的充电电压来实现电池体积能量密度的提高。

钴酸锂在高电压充电状态下表界面稳定性下降、容易释放氧气，出现“钴溶出”现象，暴露出不可逆的结构相变，从而造成电池电化学性能衰减或电池鼓胀等问题。现阶段，国内几家正极材料企业开始联合电芯企业，通过多种元素掺杂的手段对钴酸锂材料进行改性，以提升其在高电压充放电过程中的稳定性。目前，国内企业已将大批量钴酸锂的充电截止电压逐渐提升至4.48V，体积能量密度已超过750Wh/L。

5.2  多元材料

多元材料通常指镍钴锰三元正极材料和镍钴铝三元正极材料（NCM）。由于NCM的镍钴锰的比例可以根据实际需求调整，常见的产品种类为NCM111、NCM523、NCM622、

NCM811等。三元材料电化学性能优良，能量密度高，结构稳定，且可以根据需求调整元素比例，在动力锂电池市场种占据了非常重要的地位。

近5年来，在中国新能源汽车发展的推动下，由于新能源汽车的续航焦虑和政府持续推动的能量密度提升行动，中国多元系动力锂电及多元材料的技术获得了非常快速的发展。中国动力锂电池材料体系从磷酸铁锂和锰酸锂逐步向多元材料倾斜。由于动力锂电池对能量密度、循环和安全性的不懈追求，多元材料的技术发展则主要朝着高镍化和单晶化方向研究。

高镍化三元材料对于提高能量密度效果显著，目前国内已经有镍（Ni）含量大于90%的三元材料批量生产。国内外高端车型也大多开始搭乘高镍（Ni>60%）体系材料，如特斯拉（Tesla）、小鹏、蔚来等新势力车企早已开始采用高镍体系动力锂电池。高镍体系动力锂电池能量密度优势明显，但安全隐忧也随之而来;想要兼顧能量密度和安全性，单晶化中镍三元材料匹配高电压的方案可能是一个相对优解。一方面满足了能量密度要求，也降低了安全风险，同时成本上也有望降低，因此更加受到市场的欢迎。目前市场上已经可以见到4.35～4.4V的高电压三元材料批量应用。

此外，由于钴价高企和波动幅度太大，下游车企成本压力紧张，去钴化的呼声日益高涨。近2年越来越多的提镍降钴偏比例的多元材料产品进入市场。如Ni含量为55%或者65%，钴降到7%～15%，降低了钴的使用量，成本也获得较大幅度下降。从技术的角度来看，从多元体系中不断提高镍，完全消除钴是比较困难的，因为镍含量在高于90%以上后，锂电池容量保持率迅速下滑，钴过低的情况下，倍率和低温性能也表现较差。尽管如此困难，但基于对成本的考虑，Tesla明确提出未来将采用无钴动力锂电池的口号，甚至提出由于镍价格也不断提升，其将采用更多磷酸铁锂体系动力锂电池。长城汽车旗下的动力锂电厂商——蜂巢能源则已发布了2款无钴化电池，分别是115Ah电芯和L6薄片无钴长电芯，有望在2021年在长城系新能源汽车上装载。国内比亚迪汽车则快速切换磷酸铁锂体系刀片电池装载在2020以后的比亚迪大部分车型上。车企和动力锂电池厂商对于无钴化的追求，本质上是对成本的一种妥协，但在某种意义上来看，也标志着中国的动力锂电技术的主要任务，已经从满足技术性能要求逐渐过渡到满足成本下降的要求。

5.3  磷酸铁锂

磷酸铁锂（LFP）结构稳定、原料廉价，安全性优异，循环寿命较好，最早在国内被认为是最佳的动力锂电和储能锂电材料体系。但是磷酸铁锂电池的电压为3.2V，能量密度较低，很难响应逐步提升的能量密度要求，因此一度被认为难以在乘用车上获得发展。然而近两年来由于国内新能源汽车补贴的退出，车企和动力锂电企业的成本压力剧增，磷酸铁锂的低成本优势凸显，吸引了很多动力锂电厂商加快开发磷酸铁锂体系的电芯。磷酸铁锂技术进步飞快，根据国轩高科的信息发布，他们采用磷酸铁锂材料制备的锂电池电芯能量密度已经达到了210Wh/kg，系统能量密度超过了160Wh/kg。2020年比亚迪汽车推出了磷酸铁锂的“刀片”电池，兼顾能量密度和成本，成为动力锂电市场上的热销产品。

磷酸铁锰锂作为磷酸铁锂的升级版材料，存在双电压平台，电池的放电平台可以上升到4.1V，与多元材料相当，比磷酸铁锂的能量密度约有20%的提升。同时，磷酸铁锰锂保持了低成本的原料来源，长循环的特性以及高安全性。并且小颗粒的磷酸铁锰锂可以与大颗粒的多元材料搭配使用，兼顾材料体系的体积比密度。目前海外Phostech和大阪水泥，以及国内比亚迪自产等企业已经具备磷酸铁锰锂的量產条件。未来在研究出耐高压耐低温且可以抑制锰溶出的电解液体系后，磷酸铁锰锂有望获得更进一步的应用。

5.4  锰酸锂

锰酸锂（LMO）虽然很早就应用在动力锂电领域，如日产凌风的第一款畅销车型LEAF，就是采用70%锰酸锂搭配30%多元材料的材料体系。国内早期的电动大巴车，也主要采用锰酸锂体系。但由于锰酸锂电池的能量密度较低，近几年在追求能量密度的中国市场上并不受青睐。随着多元材料技术的不断发展，在国际上也逐渐失去了原有法人位置。

但锰酸锂材料由于价格低廉，在近两年中国新能源汽车补贴退坡的情况下，获得了部分动力和小型数码低端厂商的认可，并逐渐应用到电动自行车、老年代步车等市场。

6  结语

2020年9月，国家主席习近平指出，作为世界第2大经济体与碳排放第1大国。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。2020年11月2日，国务院发布关于印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》（以下简称“《规划》”）的通知，《规划》提出到2025年我国新能源汽车市场竞争力明显增强，动力电池、驱动电机、车用操作系统等关键技术取得重大突破，安全水平全面提升。

“十三五”期间我国锂电池正极材料取得了骄人的成绩，2021年是我国新的“十四五”规划的元年，从国家战略层面看，未来新能源汽车及其零部件仍将会是国家重点支持的关键产业，中国锂电池及正极材料产业发展将迎来新的机遇与挑战。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.003