正极材料：锂离子电池技术的核心所在

□ 戴仲葭 杜泽学 郑金玉

➤纯电动汽车的成本构成中，正极材料要占到整车的10%左右，正极材料是续航里程的制约点

➤2022年中国锂电市场规模658GWh（吉瓦时），行业总产值突破1.2万亿元，连续两年实现翻番。电动汽车的飞速发展带动正极材料市场需求猛增

➤高能量密度和高安全性是正极材料的发展方向

➤石化企业应抓住正极材料及电池市场需求的黄金增长期，发挥自身优势，布局正极材料产业，促进能源结构转型，形成新的效益增长点

锂离子电池在充放电过程中，锂离子在正负两个电极之间往复嵌入和脱嵌，因此锂离子电池又被称为“摇椅电池”。在锂离子电池的构成材料中，正极材料作为锂离子的“供体”，直接决定了锂离子电池的能量密度、安全性等关键性能，成本占比达到整个电芯的30%～40%。负极材料则是锂离子的“受体”，要确保在电池充电过程中有足够的空间和效率容纳锂离子，对电池的快充性能影响较大，成本占比约为整个电芯的10%。电解质是锂离子在正负极之间移动的“媒介”，在传统有机电解液体系中是锂离子“远渡重洋的船”，而在固态电池体系中则是锂离子“跨越天堑的桥”，成本占比15%～30%。电池是电动汽车的心脏，纯电动汽车的成本构成中，正极材料要占到整车的10%左右，正极材料是续航里程的制约点。

四大类商业化正极材料发展现状

正极材料是锂离子电池性能“木桶效应”中的短板所在，正极材料的技术水平创新对提高电池的性能、降低电池的成本起关键作用。目前，商业化的锂离子电池正极材料主要分为四大类，分别为钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）和镍钴锰（铝）酸锂三元材料（LiNi1-x-yCoxMyO2，M=Mn或Al）。

钴酸锂具有十分稳定的层状结构和畅通的锂离子脱嵌通道，是最早实现商业化应用的正极材料，其能量密度高、技术成熟、正极极片的加工性能好，但是由于钴金属储量低、价格昂贵，其售价也最高，目前4.45V（伏）高电压钴酸锂的售价为23万～24万人民币/吨。此外，根据美国地质调查局（USGS）统计，2021年全球探明钴矿储量760万吨，钴矿资源分布极度不均，刚果（金）、澳大利亚等国最为富集，其中刚果（金）的钴矿资源储量占到全球总量的比重近一半。因此，钴酸锂的价格较高，再加上其安全性能一般，钴酸锂只能应用于小型锂离子电池领域，在大型动力电池领域没有任何优势。即便在小型电池领域，钴酸锂的市场份额也被三元材料蚕食了很多。近几年，更高能量密度的4.48V高电压钴酸锂被成功开发并实现了产业化，巩固了其在小型锂电领域的优势，但其安全性能却受到更大的挑战。当前，日本相关正极材料企业已完成4.5V高电压钴酸锂的开发，中国正极材料企业也在开发进程中。总体来看，2017年至2021年，中国钴酸锂的出货量呈现上升的态势。而2022年全球疫情、海外加息对消费造成较大抑制，导致钴酸锂产量下滑，我国钴酸锂产量为6.36万吨，同比降低30%。

尖晶石锰酸锂生产难度低、批次稳定性好、安全性能还比较好、价格低廉，目前售价5万～7万元/吨。但是在高温循环过程中锰会在电解液中溶出，易导致锰酸锂的容量严重衰减，高温循环性能和高温存储性能较差。此外，锰酸锂的能量密度偏低，阻碍了其在电动乘用车领域的进一步应用。在一些对续航里程要求不高的电动汽车细分领域如电动物流车、机场摆渡车、公司通勤车，以及充电宝、电动自行车等领域，锰酸锂才有一席之地。在磷酸铁锂产能过剩、价格大幅下滑的背景下，锰酸锂的竞争优势逐渐消失。2021年，我国锰酸锂的出货量为10.9万吨，2022年下降为6.9万吨。

磷酸铁锂在安全性能、循环寿命方面具有显著的优势，且原料成本较低，目前售价为6万～7万人民币/吨。但磷酸铁锂的放电电压低（3.4V）、极片压实密度较低（≤2.5g/cm3），导致其质量能量密度和体积能量密度均较低，因此磷酸铁锂电池主要应用在对体积能量密度要求不是很高的领域如中低端电动汽车、电动商用车、风电和光电大规模储能等。

2017至2022年，我国磷酸铁锂出货量从5.8万吨快速提升至111万吨，并于2021年7月反超三元材料。2022年，磷酸铁锂出货量同比增长132%，电池累计装车量183.8GWh，占总装车量的62.4%，累计同比增长130.2%。磷酸铁锂在电动汽车领域的渗透率逐步提升，究其原因，主要有以下三点：一是新能源汽车行业逐步进入市场化发展阶段，随着补贴政策的退坡和电动汽车市场降本增效进程的推进，下游客户更注重成本和性价比，磷酸铁锂电池低成本、高安全性、长循环寿命等优势日益凸显。二是随着行业技术的进步，锂离子动力电池制造技术的突破，以及磷酸盐系正极材料的技术创新，磷酸铁锂等磷酸盐系电池系统的体积能量密度显著提升，使得其成本优势更加凸显，市场空间迅速拓宽。三是国内储能电池出货量快速增长，2018年至2022年，国内储能锂电池出货量从7.6GWh增长至130GWh，2022年出货量同比增长超170%。加之国家能源局在《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2023年版）》中提出，中大型储能电站应选用技术成熟、安全性能高的电池，进一步带动安全性能更高的磷酸铁锂正极材料出货增加。

工信部：上半年锂电池产量同比增长43%，全行业营收6000亿元。视觉中国 供图

三元材料是在镍酸锂（LiNiO2）基础上发展而来的，具有成本较低、放电比容量高、常温高温循环性能好、结构比较稳定等优点。三元材料通过Ni（镍）/Co（钴）/Mn（锰）（或Al铝）三种元素的协同作用，结合了Co的良好循环性能、Ni的高比容量和Mn（或Al）的高安全性及低成本等，是目前最具有发展前景的锂离子电池正极材料之一，主要应用于高端电动车及移动电子产品等领域。镍钴锰三元材料根据Ni/Co/Mn三种元素的比例不同，分为高镍8系LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、常规6系LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、5系LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等产品，根据材料颗粒的晶型不同分为多晶和单晶两类产品，各类产品之间的售价差别较大。目前，6系单晶动力型产品售价为16万～19万人民币/吨，8系多晶动力型产品售价为19万～23万人民币/吨。

在镍钴锰三元材料中，材料的放电比容量随着Ni含量的增高而增大，但是其结构稳定性、循环性能和热稳定性却随之下降。此外，材料的表面残余碱含量也随着Ni含量的提高而增加，给后期电池的制作和安全性能带来很多负面影响。Co含量显著影响材料的离子导电性，Co含量越高，材料离子导电性越好，倍率性能越好，但成本也越高。Mn含量对材料的循环性能和安全性能有显著影响，Mn含量越高，材料的循环性能和安全性能越好，但放电比容量会下降。

2022年中国三元材料出货量64万吨，比上年增长47%。从产品结构来看，8系及以上材料占比上升至第一，占比超40%，5系及以下材料市场占比下降至不足4成。从晶型来看，单晶系材料占比上升，主要原因为数码产品市场增长不及预期，导致数码用二次球系列产品出货下降，同时国内6系高电压系列材料应用增加，且多为单晶系列产品，带动市场占比提升。

高能量密度和高安全性是正极材料的发展方向

根据2022年一项针对我国消费者关于电动汽车不满意因素的调查显示，“续航能力差”和“安全系数低”占据电池性能因素的前列，分别达到41.7%和27.2%，可见性能因素是消费者对电动汽车的疑虑集中点。作为电池核心材料的正极材料，其发展方向锚定高能量密度和高安全性，旨在解决“充一次电能用多久”及“安不安全”两个主要矛盾。

钴酸锂将集中于消费电子产品领域。钴酸锂目前主要应用于中高端智能手机、笔记本电脑、平板电脑，以及无人机、电子烟及以无线耳机为代表的可穿戴设备等各类新型消费电子产品领域。由于高电压钴酸锂是体积能量密度最大的正极材料，能够满足相关电子产品对电池高容量和外观轻薄等要求，而且正极材料成本占中高端电子产品售价的比例较低，尤其是中高端3C（计算机类、通信类和消费类）电子产品对材料成本的敏感性较低，其他正极材料一般很难替代钴酸锂。随着5G终端产品普及率的提升、技术创新的进一步应用，可穿戴设备、AR/VR、消费级无人机等新兴消费电子发展迅速，应用于健康医疗、游戏娱乐、个人安全等领域，新型产品的不断涌现为钴酸锂正极材料提供了新的需求增长空间。未来钴酸锂主要将朝着高电压方向发展。预计到2025年，全球钴酸锂产能进一步向中国集中，未来中国钴酸锂产能占全球的比重有望超过90%。

磷酸铁锂将在电动汽车与大规模储能领域中广泛应用。安全性、寿命、成本是磷酸铁锂的主要优势。2019年后，各电池企业陆续推出电池结构优化方案，如宁德时代推出CTP（Cell to Pack，电池到电池包）电池、比亚迪推出刀片电池、国轩高科推出JTM（Jelly Roll to Module，卷芯到模组）电池，通过优化模组结构从而达到提升体积能量密度的效果。在此背景下，更具性价比的磷酸铁锂电池重回大众视野，2020年下半年起，比亚迪汉、宏光MiniEV、铁锂版特斯拉Model3等爆款车型陆续上市，带动磷酸铁锂电池在新能源乘用车中的渗透率不断提升。终端需求不断增长，大量资本涌入磷酸铁锂行业，产能急剧扩张，磷酸铁锂行业已出现低端产能过剩现象、高端产能紧张的结构性产能过剩。被视为磷酸铁锂升级产品的磷酸锰铁锂兼具较高的能量密度、较低的材料成本、较好的低温性能和较高的安全性，已成为磷酸盐正极材料产业未来重要的技术发展方向之一。

三元材料仍是高端电动车的首选正极材料，且与未来的固态电池技术匹配性最高。目前主流的磷酸铁锂电池单体能量密度处于160Wh/kg附近，在单体能量密度上可以再次突破的空间不大，而三元锂电池的潜力还未充分挖掘出来。随着新能源汽车补贴政策的落幕，三元材料高能量密度带来的补贴优势越来越弱。

产业新周期下，电池能量密度、安全性能等方面要求愈发严苛，倒逼三元材料体系革新。在此情况下，高镍化、高电压化、单晶化成为三元材料未来的发展趋势。

高镍化。三元材料中镍含量越高、钴含量越低，能量密度相应越高、价格越低。正极材料企业不断加快高镍三元材料的研发进度，并不断取得突破。以容百科技为例，容百科技在2016年完成了第一代NCM811的开发和中试，2017年实现大规模量产。该公司还在研发下一代超高镍正极产品Ni90体系（镍含量90%以上），进一步降低高镍材料的瓦时成本和提升能量密度，预计今年能实现小规模量产。高镍三元电池已经逐渐成为国内外主机厂高端车型的主流选择，例如宝马i3、奔驰EQS、奥迪Q4e-tron、凯迪拉克LYRIQ、雪佛兰BoltEUV、广汽丰田2022款iA5、大众2022ID.4CROZZ、Lucid Air等国内外中高端车型在2022年集中上市。随着高镍化技术的不断突破，高镍无钴化正极材料将深入三元材料产业布局。

高电压化。除了通过提高镍含量提升能量密度之外，三元材料还可以通过高电压化实现能量密度的增加。高电压化是以中镍三元材料为基础，通过提高其电压平台使得正极材料在更高电压下脱出更多的锂离子，从而实现更高比容量和平均放电电压，进而达到提升能量密度的目的。由于高电压材料的镍含量相对较低，生产工艺不如高镍三元复杂，因此高电压化三元材料在提升能量密度的同时还兼具了一定的安全性改善。

单晶化。相较于常规二次颗粒的团聚型多晶三元材料，单晶三元材料具有负载电压更高、循环寿命更长、安全性更高等性能。其主要有两条发展路线，一是中低镍单晶路线。大单晶产品负载电压更高，国内部分中低镍单晶材料通过高电压可与多晶高镍能量密度相当，在满足能量密度同时具有更高性价比。二是高镍单晶路线。高镍环境下单晶三元材料稳定性能好，具有更好的循环性能，并可以通过掺杂提升高镍三元材料的安全性能。

三元材料因其能量密度高，是与固态电池技术匹配性最高的正极材料，而且能够包容其安全性不足的缺陷。首先，固态电池的首要目的是解决有机电解液体系在电池热失控下带来的燃烧、爆炸等安全问题。固态电池体系规避了三元材料与有机电解液发生副反应的可能性，可以极大地提升三元锂电池的安全性能，为三元锂电池在储能领域的大规模应用指明了出路。其次，固态电池瞄准的是单体电池能量密度400Wh/kg以上的下一代电池体系，三元材料可以充分发挥其高能量密度的特性，进一步拉开与其他正极材料之间的差距。

石化企业面临的机遇与挑战

根据国际能源署《Global EV Outlook 2023》报告显示，2022年，中国的锂离子电池电动汽车（包括纯电动及插电混动）销量达600万辆，同比增长80%，渗透率达30%。电动汽车的高速发展，给石油石化行业带来了很大压力，电动汽车行业处于完全市场化的竞争环境，技术革新和产品迭代速度快，上下游依存度高，产业链条多元化，涉及的专业领域多，难以单独形成横跨上下游的独角兽企业。

中国石化积极拥抱电动革命，已在锂离子电池正负极、隔膜、电解液等关键材料领域开展布局研究，并取得了重要进展。以正极材料为例，中石化石油化工科学研究院有限公司开发的三元前驱体合成工艺新技术，可实现全系列优质多晶/单晶三元前驱体的制备，今年将完成千吨级三元前驱体工业示范装置的建设与投用；开发了高性能正极材料锂化焙烧及多重改性技术，三元正极材料产品性能整体处于国内先进水平。

预计2025年全球三元正极材料及前驱体出货量均将超过220万吨，磷酸铁锂超过300万吨。石化企业应抓住正极材料及电池市场需求的黄金增长期，发挥自身优势，布局动力电池业务，促进能源结构转型。材料方面，依托在材料制备方面的优势，结合电池材料的核心地位，形成技术优势，加速推进一批具备产业化能力的关键材料的工业化，切入产业链。器件与系统方面，与电池厂商合作，关注新型电芯制作工艺，推动电芯朝高能量密度、大尺寸、长寿命的方向发展，与电池关键材料形成产业链联通。发挥能源供应站点的优势，拓展服务多元性，打造能源供应关键点。资源方面，从始端原料资源及终端电池回收两方面着手，形成一定的原料储备技术与能力，提升抗风险能力。