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摘要 高镍三元正极生产需要精细化工艺和高品质设备 高镍三元正极的生产流程大致包括前道工序（锂化混合、装钵）、煅烧工序、后道工序（粉碎、分级、批混、包装等）三大部分。与普通的三元正极相比，高镍三元正极的区别主要在于：（1）原材料不同；（2）工艺条件要求苛刻；（3）制备难度大；（4）设备要求高，价格贵；（5）单条设备产能较5系更少。因此，目前只有少数几家企业掌握了高镍三元正极材料的核心技术。 ✔前道工序：锂源、设备区别大 1）在锂化混合工序，高镍三元正极通常使用一水合氢氧化锂作为锂源。制备过程中对湿度控制的要求也更高；2）在装钵工序，闸钵是主要的耗材，由于高镍三元对闸钵的质量要求高，单个匣钵的装料量小于普通三元正极，高镍三元正极单吨所消耗的匣钵费用是普通三元的近6倍。 ✔煅烧工序：各家制备正极材料的核心工艺所在 1）从煅烧次数来看，一次煅烧最好也最难，出于对质量的考虑，各家正极厂商的烧结次数各不相同，一般介于1~4次；2）在煅烧时间方面，对于主流正极企业，动力和消费型电池正极的烧结时间差异较大，一般来说动力正极的烧结时间长于消费型正极，高镍正极的煅烧时间长于普通正极；3）煅烧温度，随镍含量升高而降低，而高镍三元正极由于煅烧温度较低，因而煅烧时间较普通材料长；4）煅烧气氛，高镍正极需要增加氧分压，需采用纯氧烧结，同时高镍正极单吨耗氧量在4吨以上；5）高镍三元正极较普通三元正极耗电量更大，NCM523单吨耗电量在7500度/吨左右，而高镍耗电量则在10000度/吨以上，故高镍电耗和气耗合计在1.3万元/吨以上，成本比普通NCM523材料增加8000元/吨左右。 ✔后道工序：密封性、湿度是考虑重点 高镍材料破碎采用三级破碎，分级使得三元正极的颗粒分布更加均匀，除铁将产品中的金属杂质除去，筛分能够去除大颗粒异物，包装环节高镍三元必须真空包装或者充入惰性气体。 高镍成本分析 根据测算，得到3、5、6、8系三元材料不含税的单吨售价（含加工利润）分别为19.26万元、16.25万元、17.64万元、19.77万元，对电池企业来说每KWh成本合计分别为356.69元、287.69元、297.00元、273.80元。原材料成本在3、5、6、8系三元材料售价中占比分别为74.05%、73.21%、70.50%、64.61%。与523相比，811正极，每KWh的原材料成本降幅达33.03%，制造总成本降幅达4.8%，而加工利润增加101.6%，且随高镍正极能量密度提升，这种优势或将不断扩大。 推荐锂电池正极材料技术先驱 当升科技，杉杉股份。 风险提示：高镍三元正极行业同质化，高镍三元需求不及预期，新型电池技术突破超预期。      正文 高镍三元正极生产：精细化工艺，高品质设备   高镍三元正极的生产流程大致包括前道工序（锂化混合、装钵）、煅烧工序、后道工序（粉碎、分级、批混、包装等）等三大部分。首先，将前驱体和锂源按一定比例在混料机中混合均匀，然后放入匣钵中进入窑炉，在一定的温度、时间、气氛下进行煅烧，冷却后的物料进行破碎、粉碎、分级，得到一定粒度的物料，将其批混干燥，即得到高镍三元正极成品。由于原料、性能要求与普通三元正极不同，在生产过程中也有较多差异，总体来说大致如下。  在工艺层面： （1）锂化混合时，高镍三元正极使用一水合氢氧化锂（LiOH·H2O）作为锂源，而普通三元材料使用碳酸锂作为锂源。高镍三元材料的前驱体较难合成，目前国内只有少数几家企业和国外龙头企业掌握了量产的技术，而普通三元材料前驱体的合成工艺已经较为成熟。 （2）装钵工艺方面，高镍三元材料的装钵量较少，而普通三元材料的装钵量较大。 （3）煅烧工艺方面，高镍三元材料的煅烧时间较长，煅烧温度较低，需要纯氧作为煅烧气氛，而普通三元材料煅烧时间较短，煅烧温度较高，不需要纯氧作为煅烧气氛。 （4）粉碎工艺方面，高镍三元材料的硬度较小，腐蚀性较大，需要抗腐蚀性较强的粉碎设备，而普通三元材料硬度较大，腐蚀性较小，需要破碎能力较强的粉碎设备。 （5）包装工艺方面，高镍三元材料需抽真空或者通氮气封装，而普通三元材料无特殊要求。 在设备层面： （1）高镍三元正极混合设备需用高速混合机，且需要密封性好，耐腐蚀，自动化程度高，而普通三元材料所用混合设备密封性、耐腐蚀性，自动化程度要求均较低。 （2）高镍三元正极专用匣钵刚玉含量较高，更耐腐蚀，缺口需特殊设计，价格也较贵，而普通三元材料所用匣钵刚玉含量较低、缺口无特殊设计，耐腐蚀性相对较弱，价格相对较便宜。 （3）高镍三元正极所用窑炉需同时耐氧气和耐碱腐蚀，有良好的密封性、温控精度高；而普通三元材料只需要耐碱腐蚀，密封性、温控精度要求相对较低。 （4）高镍三元正极生产整个流程都需要有良好的密封性以保证湿度在10%以下，而普通三元材料这方面无特殊要求 总的来说，高镍三元材料的生产工艺比普通三元材料更复杂，生产设备要求也更苛刻。这也导致目前只有少数几家企业掌握了量产高镍三元正极材料的核心技术。下文将按照前道工序、煅烧工序、后道工序三大部分对高镍三元材料的生产工艺与普通三元材料进行对比，并对成本进行测算。 前道工序之锂化混合：锂源性质不同，温度、湿度要求高 锂化混合工艺：锂源是主要区别点 锂化混合工艺简介 三元正极的主要原料为前驱体（NixCoyMn2-x-y（OH）2）和锂源。锂化混合是在煅烧之前，将锂源、前驱体和添加剂按一定的锂化配比在混合设备中混合均匀的步骤，通常分为湿法混合和干法混合。工业上通常使用的是干法混合，因为干法混合性价比更高。混合均匀后的材料加入匣钵中。  锂源：高镍三元正极通常选择一水合氢氧化锂 在三元正极的生产中，工业上常见的锂源有两种，碳酸锂（Li2CO3）与一水合氢氧化锂（LiOH·H2O）。碳酸锂（Li2CO3）是一种白色疏松的粉末，熔点在618℃，属于盐类物质，易溶于水，呈弱碱性，弱腐蚀性；而一水合氢氧化锂（LiOH·H2O）是一种白色单斜小结晶，具有强碱性、较强腐蚀性，能溶于水，熔点462℃，易吸收空气中二氧化碳而变质。 制备三元正极的锂源的关键品质点为锂含量、杂质含量和粒度分布。制备高镍三元正极用的电池级一水合氢氧化锂以品质从高到低分为LiOH·H2O-D1, LiOH·H2O-D2, LiOH·H2O-D3。  对于普通三元正极（6系及以下），虽然氢氧化锂的反应活性强，反应温度低，但由于其锂含量波动较大，且腐蚀性强，所以普通三元正极通常使用碳酸锂作为锂源，而对于高镍三元正极而言（尤其是8系以上），煅烧温度通常较低（原因后述），如用碳酸锂作为锂源，则由于煅烧温度不够会导致其分解不完全，正极材料表面游离锂过多，碱性太强，影响产品性能。因而高镍三元正极通常使用一水合氢氧化锂作为锂源。  前驱体：高镍三元正极的pH控制更为严格 三元前驱体工艺流程简介 前驱体的制备过程以共沉淀法为主，将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰按照化学计量比溶于纯水中生成混合盐溶液，氢氧化钠配制成一定浓度的碱溶液，用一定浓度的氨水作为络合剂。将过滤后的三种溶液按一定流量加入反应釜中，控制金属盐与碱发生反应生成前驱体晶核并不断增大，一段时间后将反应浆料过滤、洗涤、干燥，得到三元前驱体。整个过程的反应机理是：
对于三元正极，在制备前驱体的过程中，镍含量越高的前驱体，需要的pH值越高，因而需要的氨水浓度也越高。 前驱体的性能参数根据不同的应用领域会有较大区别。主要的评价指标如下：总金属含量、杂质含量、水分含量、pH值、粒径分布、振实密度、比表面积、形貌等。其中杂质的检测主要为铁、钙、钠、镁、锌、铜、硫酸根离子、氯离子等，还需分别检测镍、钴、锰三种元素含量。 锂化配比：不同性能对应的最优数值不同 锂化配比对三元正极性能影响很大，其值一般在1.02-1.15之间 在实际生产中，锂化配比并不能这样简单计算。锂化配比即锂与镍钴锰的摩尔比，按照化学计量数，锰钴镍盐的物质的量总和M应该等于锂源的物质的量Li，即Li/M=1，然而在实际生产中，锂化配比并不能这样简单计算。首先前驱体的氧化、水分、杂质都会导致实际金属的物质的量偏少，而锂源除了存在水分、杂质影响外，还可能在煅烧过程中发生挥发现象。一般情况下，三元正极的锂化配比在1.02-1.15之间，锂化比例对于正极材料的性能影响较大，过高或者过低都会使材料的比容量下降。如不同锰钴镍比例的前驱体，最佳的锂化比例都不相同，不同厂家、不同工艺的锂化配比也不相同，需要通过实际测试得到。 对于NCM523材料，锂化配比为1.06时比容量最高，而锂化配比为1.12时循环性能最好。而对于NCM622材料，锂化配比为1.05时比容量最高，锂化配比为1.10时循环性能最好。由此可见不同的性能参数对应不同的锂化配比，需要根据材料实际应用的领域确定。 此外，保证不同批次材料锂化配比的均一性也十分重要。需严格控制三元正极前驱体和锂源供应商的产品品质和批次稳定性，要能准确检测出前驱体的总金属含量和锂源的锂含量，采用混合效果好的混合设备。 添加剂：量小影响大，高镍三元正极使用更频繁 锂化混合时加入的添加剂相对于锂源和前驱体来说质量很小（几乎可以忽略不计），但对性能的边际影响较大。常见的添加剂材料有铝、钛、镁等。在煅烧时，添加剂在高温下会与三元正极达到原子级别混合，嵌入到三元正极晶格内，对材料的性能起到改善作用。根据材料的应用领域和客户需求不同，添加剂的种类和数量也各不相同。例如在三元正极中掺入镁离子(Mg2+)，虽然首次循环比容量降低，但是材料的循环性能得到大幅度改善，掺入铝离子（Al3+）可以提升材料的倍率性能，掺入锆离子（Zr4+）同样可以改善循环性能，掺入钛离子（Ti4+）可以增加材料的电子导电性。 由于高镍三元材料（6系、8系、NCA）中钴含量较低，循环性能、倍率性能较普通三元正极较差，钴添加剂的使用更加频繁。当前主流的高镍三元材料生产商家几乎全部在生产过程中使用添加剂。 锂化工艺总结：锂源、湿度控制是主要区别点 总体而言，在锂化混合阶段，高镍三元正极（6系、8系、NCA）与普通材料（3系、5系）相比，最主要的区别是使用的锂源不同，高镍三元正极使用氢氧化锂而普通三元正极使用碳酸锂作为锂源，此外高镍三元正极在锂化混合阶段需要全程控制湿度（10%以下），由于氢氧化锂腐蚀性大且易挥发，作业环境较恶劣，高镍三元正极通常使用自动化程度较高的产线。例如，对于国内某正极企业A，厂房面积在13万平米以上，设计年产能2万吨高镍正极产能，仅需500名以内的生产工人三班倒即可满足生产要求。 锂化混合设备：高镍三元正极对密封性、抗腐蚀性、湿度控制要求高 锂化混合设备简介 三元正极的混合设备按混合容器的运动方式不同，可分为容器旋转型和容器固定型，合格的混合设备需要满足以下几点：（1）混合均匀度高、混合速度快。（2）物料在容器内残留量少。（3）混合器内表面耐磨损、耐碱腐蚀。（4）避免对材料的粉碎。（5）混合过程中的温度控制。 常见的混合设备有倾斜式圆筒混合机、高速混合机。倾斜式圆筒混合机属于容器旋转型混合设备，混合料被带到一定高度后向下抛落翻转，经过多次循环完成混合。圆筒混合机的主要优点是结构简单、维护方便，缺点是混合时间长。用于三元正极混合时由于锂源流动性差、聚集性强，通常需使用研磨球。 高镍三元正极对混合机的要求更高 目前，NCM333、NCM523等普通三元正极材料由于产线较老，尚有不少产线使用球磨机（即圆筒混合机），而NCM622，NCM811,NCA等高镍系列三元正极，则使用高速混合机，而且由于高镍三元正极较强的碱性，混合设备需要较强的抗碱腐蚀性。此外，由于高镍三元正极全程需控制湿度，高速混合机的密封性要好，整个工作环境必须湿度控制在10%以下。高速旋转混料会带来物料温度过高的问题，需要通过冷却循环水的方法控温。 成本测算：高速混合机更加适合高镍三元正极的制备 高速混合机属于容器固定型混合设备，通过桨叶的高速旋转，使混合料不断上下运动，物料相互碰撞，交叉混合。高速混合机的优点为混合快、混合均匀，机器操作方便。 目前市场上使用最广泛的是高速混合机，因为高速混合机的产能、混合残留、占地空间、混合效果均优于球磨混料。由上表可知，一台500L的高速混合机的处理效率为一台1500L球磨机的三倍。此外，高速混合机的物料残留率在1%左右，而球磨机则高达2%以上。 经测算，高速混合机单次混料量为250kg，每吨物料需要分成4批混合，单批次总混料时间为60分钟，其中装卸料时间为40分钟，这段时间无耗能。单批次混合时间为20分钟，功率为90kW，则每吨物料耗能为120kWh，球磨机单次混料量为500kg，每吨物料需要分成2批混合，单批次总混料时间为340分钟，其中装卸料时间为100分钟，单批次混合时间为240分钟，功率为15kW，则每吨物料耗能同样为120kWh。高速混合机的使用过程没有易耗件，而球磨机需要定期更换研磨球。一般情况下，球磨机每研磨1吨物料，需要消耗的研磨介质费用约为80元。因而，总体来说，每研磨1吨物料，球磨机的费用约为高速混合机的两倍。 前道工序之装钵：高镍正极耗材更多，匣钵性能对高镍影响更大 匣钵：装钵主要耗材，材料、性能对高镍三元正极影响较大 装钵工序是将锂化混合后的材料倒入特制匣钵中，匣钵是在煅烧时盛装高镍三元正极的容器。匣钵外形有平底带缺口、平口带脚、平口不带脚三种。平口带脚匣钵堆叠时，匣钵之间缝隙最大，最适合于堆叠煅烧，而平口平底匣钵不能用于堆叠煅烧。高镍三元正极煅烧匣钵一般需满足以下条件：（1）耐碱腐蚀，不与原材料反应。（2）热稳定性好。（3）高温荷重软化点高于煅烧温度。（4）导热性好，冷热急变性好。（5）透气性好。 在高镍三元材料的生产环节，其中第一点和第五点常被忽略，匣钵本身与正极材料之间的反应（主要是钴）也会导致实际金属量与设计值的偏离，最终影响性能。一般含钴越少的材料，例如，NCA, NCM811，受影响比较大。此外，高镍匣钵的缺口需要特殊设计，使更多的氧气充分进入。同时，在煅烧过程中，不同元素含量的三元正极单钵煅烧量也不尽相同。 高镍三元正极专用匣钵多采用刚玉含量高的材料，例如，莫来石材料，另外，近期部分正极材料厂拟使用如碳化硅（SiC），锆等复合材料的匣钵，但价格较贵（300元以上），尚未得到广泛应用。 成本测算：正极生产的主要耗材 三元正极混合好后，需要人工将混合物放入匣钵，并将混合物料整平和切小块，然后将由人工将装好物料的匣钵和相应垫板放入窑炉入口，平均每煅烧3kg混合物料，需要人工搬运总重为10kg的物品，消耗大量人力，于是一些先进厂家已经开发了三元正极匣钵自动化装卸料系统。 高镍匣钵价格更贵，消耗更快 实际生产中，高镍三元正极单个匣钵的装料量小于普通三元正极，且匣钵在高镍三元正极生产中属于易耗品。因为高镍三元正极碱性强，对匣钵有腐蚀作用。单个匣钵的使用次数也只有10次。某些产线较新的厂家如A厂会购买高镍专用的匣钵，氧化铝含量较高，但价格为150元-180元。而某些产线较老的厂家如B厂则未使用高镍专用匣钵。高镍单个匣钵的价格是普通三元正极匣钵的2.5-3倍，因而每生产一吨高镍三元正极所消耗的匣钵费用是普通三元正极的接近6倍。目前，匣钵以国内生产为主，主要生产厂商所占市场份额都较小。 煅烧工序：核心工序，各家差异较大 煅烧是高镍三元正极制备的核心工艺，也是各家制备正极材料的差异所在。从流程来看，煅烧次数、煅烧时间、煅烧气氛、煅烧步骤各家不尽相同，而从设备的选取、采购也不尽相同。 煅烧工艺原理 煅烧是整个三元测试过程中最关键一步，混合材料通过多种物理化学变化形成新物质。 如果锂源是碳酸锂，则整个反应过程为
如果锂源是氢氧化锂，则整个反应过程为
煅烧次数：一次煅烧最好也最难 从产能、成本上考虑，一次煅烧都是最理想的方案。但有时一次煅烧达不到客户要求，可能需要多次煅烧。多次煅烧带来的弊端还有由于多次煅烧导致需要多次粉碎、筛分过程，接触设备和管道时间长，会导致杂质增多。一般二次煅烧的单次窑炉煅烧产能比一次煅烧的产能要高。目前大多数企业对于经典的NCM523材料都能实现一次煅烧，技术先进的企业甚至可以实现NCM622高镍三元正极的一次煅烧。 煅烧温度：随镍含量升高而降低 镍含量越高，煅烧温度越低。NCM111材料煅烧温度接近1000℃，而NCM811的煅烧温度仅为700℃左右。主要是因为高镍三元正极中镍含量较高，而较高的煅烧温度会加剧Li/Ni混排（影响高镍三元正极性能的重要原因之一，即Li和Ni原子相互迁移到对方的位置上去，导致晶体结构破坏），影响性能。即使对于同种锰钴镍比例的材料，不同厂家或不同工艺路线生产出的三元前驱体材料最佳煅烧温度也各不相同。 煅烧温度对材料的性能影响很大，合适的煅烧温度可以使晶体致密，提高振实密度，而温度过高，容易使材料二次结晶，比表面积过小，不利于锂离子的脱嵌。只有煅烧温度适中，才能使材料的性能达到最佳状态。 煅烧时间：高镍三元正极需要时间更长 煅烧温度和煅烧时间之间有相互关系，一般来说煅烧温度越高，煅烧时间越短。 煅烧时间的影响主要体现在颗粒的大小和残余锂量上，一般来说煅烧时间越长，残余锂越少，单晶颗粒越大。具体的煅烧时间跟具体材料有关，例如，A厂家NCM523消费型正极的煅烧时间为20-25小时，动力型正极的煅烧时间略长。而A厂家NCM622的煅烧时间是35-40小时。对于B厂家，则动力电池正极的煅烧时间均在20-30个小时之间，消费型电池正极的煅烧时间相对较短。 煅烧气氛：空气VS.纯氧 三元正极的煅烧过程是氧化反应，需要消耗氧气。燃烧气氛中氧分压升高，有利于促进阳离子加速扩散和促进燃烧。通常使用的方法有：1）增加进气量与排气量；2）稀释反应产生的气体浓度；3）减少煅烧量；4)纯氧燃烧。对于普通的三元正极，企业综合成本考虑通常使用增加进气量与排气量的方法，而对于高镍三元正极来说，必须采用纯氧作为燃烧气氛。 煅烧费用测算：高镍三元正极远高于普通三元 烧结步骤最大的成本支出是电费，业内A公司NCM523材料的耗电量约为7500度每吨，B公司约为6000度电，若需二次煅烧则电费还会增加，如果是高镍三元正极，耗电量则高达10000度以上，虽然高镍三元正极的煅烧温度低，然而因为高镍三元正极的煅烧时间长，装钵量小，所以单位质量的耗电量反而比普通三元正极大。此外，还需计算氧气的费用。经初步核算，高镍三元正极的煅烧步骤费用高达1.3万元/吨以上，而普通三元正极仅为5500元/吨，这是造成高镍三元正极加工费较高的重要原因之一。 煅烧设备：高镍三元对设备要求更高 窑炉分类：辊道窑已为主流三元正极厂商标配 煅烧过程最重要的设备是窑炉，窑炉按操作形式可以分为间歇操作式和连续操作式。工业化生产一般采用连续操作式窑炉。推板窑和辊道窑是三元正极厂家采用较多的窑炉，其中后者的使用最为广泛。 推板窑：耐火板直接承载在耐高温的导轨上，由于受耐火板承载推力限制，窑炉一般不长，因而产能较低，而且由于采用推进器直接推动耐火板前进，容易产生“拱窑”现象而导致窑炉故障。 辊道窑：用耐高温的陶瓷辊棒直接驱动耐火板前进，装载产品的耐火板直接承载在辊棒上，因而不容易产生“拱窑”现象。 炉膛：辊道窑的炉膛必须有较强的耐腐蚀性。辊道窑根据截面宽度可以分为单列辊道窑、双列辊道窑，四列辊道窑等。列数越多，可放置的匣钵就越多，产能就越大。例如，国内目前A厂使用四列或六列辊道窑，B厂使用的是四列双层辊道窑。国外有厂家使用八列辊道窑。很多厂家为了增加产量，将匣钵垒成多层，由于辊道窑的加热方式为上下加热，这样必然会导致物料均一性差。 传动系统：主要由传动电机、辊棒和轴承等构成。其中，辊棒的选择较为关键。作为炉内设施，辊棒同样需要很强的耐高温，抗腐蚀的性能，目前常用的是刚玉-莫来石辊棒，且氧化铝含量在75%以上，以提高抗腐蚀能力。此外，选择何种材质的辊棒还要依据窑炉内的最高烧成温度、辊棒负载、辊棒的转速以及窑炉内宽等决定。 控温系统：高镍三元正极煅烧对温度的稳定性和精度有较高要求，例如，国内A厂商的控温精度在5℃左右，B厂商控温精度在3℃左右，国外C厂商控温精度在1℃左右。 冷却系统：窑炉的冷却分为水冷、风冷、自然冷却等，由于水冷系统较为复杂，三元正极窑炉一般采用风冷冷却。 高镍正极的辊道窑要求更苛刻 高镍三元正极需用纯氧作为燃烧气氛，用腐蚀性较强的氢氧化锂作为锂源，窑炉材质主要采用密封辊道窑，且炉膛必须能耐碱、耐氧气腐蚀。此外，高镍三元正极专用辊道窑辊棒的耐腐蚀性要比普通三元正极更强，控温精度和温度分布的均匀性要求也更高。国内目前能生产的企业较少，大部分采购国外品牌或国外与国内合资生产的窑炉。例如国外品牌有德国萨克米、日本NGK、则武。国内合资品牌有广东中鹏、广东高砂、苏州汇科等。目前也有国内公司如湖南金炉也在开发高镍三元正极专用窑炉，也有企业开发回转窑来生产高镍三元材料，但存在炉胆材质耐腐蚀等问题，目前尚未工业化应用。 总结：煅烧工艺&设备 煅烧步骤是整个正极材料制备流程中最核心的一步，对高镍三元正极而言，从煅烧设备到煅烧工艺，都与普通三元正极有很大不同。 后道工序之破碎：密封性、湿度是考虑重点 破碎工艺介绍 煅烧之后得到的三元正极颗粒较大，需要经过破碎操作才能使材料颗粒大小减小为微米级。一般三元正极生产过程中采用的是将材料逐级破碎的方法，具体的破碎工艺流程为颚式破碎→辊式破碎→气流粉碎（机械粉碎）。当粉碎较高硬度的材料时，需要用破碎能力比较强的设备。一般钴含量越高，硬度越大。 由上表可知，粉碎步骤中耗能最大的是气流粉碎机，原因是气流粉碎机由于需要压缩空气，所以耗能较大，经核算，每吨物料粉碎阶段耗电量为208度，费用约为149.76元。 破碎设备：一般采用三级破碎 三元材料在煅烧之后物料板结，需要进行三级破碎，以便进行后处理。一般来说，按照颗粒度的大小分为颚式破碎机、辊式破碎机、气流粉碎机。 颚式破碎机：破碎方式为曲动挤压型，通过偏心轴使动颚上下运动，动颚上升时肘板推动动颚板向定颚板接近，使物料被挤压破碎，而当动颚下行时，动颚板离开夹板，已破碎物料排出。优点是破碎比大、结构简单、工作可靠，运营费用低，缺点是存在空转行程，不能粉碎黏湿物料。 辊式破碎机：通过电机带动辊轮，按照相对方向旋转，在破碎物料时，物料从进料口通过辊轮，经碾压而破碎，破碎后的成品从底架下面排出。优点是结构简单、紧凑轻便，能破碎黏湿物料，缺点是不能破碎大块物料。 气流粉碎机：以高速气流为动力和载体，通过粉碎室内喷嘴把压缩空气形成的气流束变成速度能量，使物料通过本身颗粒之间的撞击，气流对物料冲击剪切作用以及物料与其他部分部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎。优点是产品平均粒度小、粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整。缺点是样品要求高、成本高、能耗大，产能低。适用于微粉和超微粉碎。 后道工序之分级、除铁、筛分、包装 分级：使得三元正极的颗粒分布更加均匀 三元正极的粒度分布对材料的比表面积、压实密度乃至最终电池性能均有较大影响，而粉碎设备只能控制粒径，却不能控制材料的粒度分布，因而在对颗粒粉碎之后需要控制材料的粒度在所需的范围。分级设备一般在气流粉碎机之后加上气流分级装置，直接对粉碎后的产品进行分级。通过分级将一些过大或过小的颗粒去除。 常用的气流分级机如下图所示，物料在风机抽力作用下由分级机下端入料口随上升气流高速运动至分级区，在高速旋转的分级涡轮产生的强大离心力作用下，使粗细物料分离。 除铁：除去三元正极中的金属杂质 除铁过程用于除去三元正极中的金属杂质，金属单质杂质的来源主要是设备磨损杂质，会导致电池的短路甚至失效。一般通过磁选除铁的方式除铁，常用的除铁设备有管道除铁器和电磁型磁选机。 筛分：去除大颗粒异物，非金属筛网需耐腐蚀 筛分是指将材料中的异物和大颗粒用筛网去除。一般来说三元正极需要选择300目到400目的筛网，使用振动筛作为筛分机。三元正极常用的筛分机是振动筛，振动筛也是工业上使用最广泛的筛子，它利用筛网的振动来进行筛分。因为三元材料在制程中应避免携带金属杂质，故筛网材质应使用非金属，且要耐碱腐蚀。 包装：高镍三元必须真空包装或者充入惰性气体 高镍三元正极的包装一般采用真空包装或真空包装后充入惰性气体。对于普通三元正极有些公司采用的是非真空直接包装。高镍三元正极的包装需要真空包装机。通常分为机械挤压式、插管式、室式输送带式、旋转台式和热成型式等。 后道工序之改性工艺：水洗、包覆最为常用 高镍三元正极以其高比容量成为了目前锂电正极材料未来最有应用前景的选择，然而，经过以上步骤制备出的高镍三元正极还有残余锂较多、压实密度低、循环性能差等亟待解决的问题，因而需要通过水洗、表面包覆，改进形貌等方式对高镍三元正极进行改性，进一步提升高镍三元正极的性能。 水洗：去除残碱有效手段 高镍三元正极相对于普通三元正极，表面的残余锂较多，对材料性能有明显影响。从目前的研究结果看，水洗成品是去除高镍三元正极表面残余锂最好的方法。随着洗涤次数的增加，PH值不断降低，证明洗涤可以降低材料表面的碱性，二次洗涤基本可以达到最佳效果。同时，水洗前和水洗后的高镍三元正极（如NCM811）形貌也会发生改变，发现水洗后的材料形貌变的光滑。 包覆：无机VS.有机 三元正极的包覆主要有无机包覆和有机包覆两种方法。无机包覆即在无机体系下将改性材料包覆在三元正极表面，通过无机包膜罐，将三元正极和纯水以一定比例放入包膜罐，通过搅拌让三元正极颗粒在水中均匀分散后，在合适的温度和PH下，缓慢加入包覆物质，使其均匀的包覆在三元正极表面。而有机包膜是在有机体系下对三元正极包覆，均匀度要好于无机包膜，但是涉及有机物的使用和回收，工艺较为复杂。 三元正极包覆的目的是进一步提升材料的性能。表面包覆可以抑制材料在充放电过程中材料的不可逆相变和过渡金属离子的溶解。此外，还能减少材料与电解液的直接接触，减少副反应的发生。 比如，采用水热法将纳米TiO2包覆在NCM622正极材料表面，下图为包覆TiO2前后NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)的TEM照片。如下图所示，NCM622材料表面存在的TiO2包覆层，没有破坏NCM622的结构。TiO2包覆可改善材料的放电容量、循环性能、倍率性能和4.5V的高压性能。其中，包覆1.0%TiO2的样品在容量保持率和循环能量密度方面均明显好于未包覆材料。 机械融合、喷雾造粒 机械融合：是另外一种复合材料的加工方法，基本原理是颗粒表面机械力的作用产生的机械化学效应，将不同材料制备成复合材料，可以使表面改性剂或添加剂包覆在改性颗粒表面 喷雾造粒：为了提高三元正极的倍率性能，可将材料一次单晶研磨成纳米级材料，再用喷雾造粒的方法将纳米颗粒加工成二次球团聚体。该工艺过程需要的设备有搅拌磨、砂磨机、喷雾干燥机等。搅拌磨主要用于三元正极的初步混合和研磨。卧式砂磨机具有高效分散和超细研磨的作用，喷雾干燥是在干燥塔的顶部导入热风，同时将液料送至塔顶，经过雾化器喷成雾化颗粒。 高镍三元正极的难点与瓶颈：成本高，技术难 产线：原材料&设备有差异，5系产线不能兼容8系正极 原材料方面。由于高镍材料吸水性强，很容易与水发生反应，生成氢氧化锂，造成表面残余锂增加，进而导致材料变质。因而，传统三元正极只是在电池注液部分需要严格控制湿度，而高镍三元正极从原材料到电池生产全程必须严格控制湿度（10%以下）。此外由于高镍材料的加工耗电量和匣钵等耗材的消耗量均比普通三元材料更多，且燃烧需要大量氧气，因而加工费用比普通三元材料更高。 设备方面。生产窑炉必须同时耐氧气、强碱腐蚀。由于高镍三元正极最后的高温煅烧过程必须在纯氧状态下生成，所以生产窑炉需要耐氧气腐蚀。而高镍三元正极的锂源只能是氢氧化锂，氢氧化锂为强碱且易挥发，因而窑炉材质必须同时也耐强碱腐蚀。目前满足以上条件的窑炉国内生产很少，依赖从国外购置设备。 以上对产线的影响，导致高镍三元材料很难与普通三元正极共线生产，必须重新开发新线。为满足高镍三元材料生产所需，新线的设备耐腐蚀性、密封性要求均较高，因而造价较高。 电解液、隔膜需匹配 高镍三元应有专用电解液。高镍三元正极在循环过程中产生大量4价镍离子Ni4+，氧化性很强，易与普通锂电电解液发生化学反应，导致电池胀气，活性锂损失，容量迅速降低。需加入成膜添加剂形成人工SEI膜进行保护，除此之外，良好的高镍三元正极电解液还应具备抑制过渡金属溶解、高电压窗口、阻燃等作用。因此，普通的锂离子电池电解液无法满足需要，需设计生产高镍三元专用电解液。 湿法隔膜是标配。随着三元正极镍含量的增加，材料的热稳定性迅速下降。为提升正极材料的能量密度，通常只能使用湿法隔膜，高镍三元正极还需另加陶瓷涂层防止热失控，且目前湿法隔膜的价格高于干法隔膜。 高镍发展：成本、安全性、路线 成本问题：整个产线对温度、湿度、耐腐蚀性、自动化、废水处理等方面要求苛刻。设备价格贵，折旧快。必须使用专用电解液、隔膜，增加成本。钴的量虽然降低，但镍含量增加，可能出现镍价暴涨情况。同时，高镍正极的良品率较普通正极低，将会增加单吨正极材料的成本。 安全性问题：高镍三元正极热稳定性差，热失控温度低。在充电态由于结构不稳定易发生分解产生氧气，一旦起火反应将十分剧烈。 其他高容量路线竞争：高镍三元正极并不是提升能量密度的唯一路线。高电压电解液研究如果取得进展，则现有的NCM333, NCM523材料会获得令人满意的能量密度。而其他正极材料类型例如，富锂锰基材料如果实现商业化，也将获得远超高镍三元正极的能量密度。 高镍正极成本分析 拆分假设 1）我们将三元材料定价（不含税）拆分为原材料成本、前驱体加工费（包含加工利润）、正极加工成本、正极加工利润四部分。 2）原材料成本计算是根据元素守恒定律、三元材料的化学式，以及原材料的损耗率，计算出单位质量或单位千瓦时的三元材料所需上游原材料的质量，乘以每种上游原材料的价格，得到原材料成本。 3）上游原材料价格来源于中国化学与物理电源行业协会。原材料的损耗率包括前驱体生产及正极生产中原材料的损耗率，本文所引用值为行业内调研了解到的平均值，介于0%-1%之间。 4）前驱体加工费来源于前驱体企业生产过程中电费、水费、设备折旧、人工、费用分摊等。正极加工成本来源于正极材料企业生产过程中的电费、气体费用、人工、设备折旧、费用分摊等。 5）正极加工利润来源于行业内调研了解到的总体平均值。 6）整个计算过程中所有价格均为不含税价格。 三元正极成本拆分表 成本分析 结论一：NCM523单吨成本最低，NCM811每KWh成本最少。 如果以电量计，NCM333、523、622、811的售价分别为356.69元/KWh、278.70元/KWh、288.27元/KWh和247.72元/KWh，而如果以质量计，售价分别为19.26万元/吨、16.05万元/吨、17.64万元/吨、19.77万元/吨。如果按电量计，则NCM811最为经济，NCM333最为昂贵。如果以质量计，则NCM523最为经济，NCM811最为昂贵。 结论二：原材料成本在正极材料价格中占比最高，因而上游金属价格对正极材料售价产生巨大影响。 将NCM523，NCM622，NCM811进行价格分拆，如图所示，对于锂电正极材料的费用来说，占比最大的都是原材料的成本，因此上游金属的价格波动往往会对正极材料的售价产生巨大影响。硫酸钴是正极中价格最贵的原材料，NCM333由于含钴量最高，原材料成本高达14.26万元每吨，由于钴含量下降，NCM523的原材料成本仅为11.9万元/吨，而NCM622材料由于镍增多而原材料最便宜的硫酸锰减少，原材料成本增加，达到12.44万元/吨。而NCM811材料虽然贵金属钴的用量减少，但由于使用了氢氧化锂作为锂源，成本仍比NCM622稍高，达到12.77万元每吨 随着镍含量增高，加工难度和费用都增大，因而随着镍含量增大，前驱体加工费、正极加工成本、正极加工利润均逐渐增加。 结论三：高镍材料虽然单位质量成本较高，但从单位电量角度看，原材料成本具有明显优势。 如果将原材料成本分拆可以发现，对于NCM333、NCM523、NCM622来说，硫酸钴和碳酸锂是原材料成本的主要来源，对于NCM811来说，由于钴含量降低，镍含量升高，硫酸镍成为原材料成本的主要来源，虽然硫酸钴的用量减少，但是锂源改用氢氧化锂之后，成本增长，使NCM811的原材料每吨成本依然高于NCM523和NCM622. 但由于NCM811材料比容量远高于NCM523,因而从单位电量正极材料原材料成本的角度看，NCM811体现出了明显的优势。 结论四：加工费便宜是NCM523材料的最大优势之一。 如果将加工费分拆，如图所示。总体来说，NCM523由于工艺简单、成熟，因而加工费最少。分项目来看，由于高镍材料NCM622和NCM811的装钵量较少，煅烧时间较长，导致电费远高于NCM523。而由于NCM811的生产工艺普遍自动化程度较高，人力用量少，因而人工费用明显更低。气体费用方面，由于NCM523空气状态下即可煅烧，气体费用可基本忽略，而纯氧在高镍材料煅烧过程中用量不少，是高镍材料加工费用的主要来源之一。 正极敏感性分析 钴、锂价格对原材料总价在不含税售价中的占比影响 钴价格变化对各类正极原材料总价在不含税售价中占比的影响 锂价格变化对各类正极原材料总价在不含税售价中占比的影响 钴、锂价格对原材料总成本的影响 钴价格变化对各类正极原材料总成本的影响 锂价格变化对各类正极原材料总成本的影响 钴、锂价格对每KWh材料总成本（元/KWh）的影响 钴价格变化对各类正极每KWh材料总成本（元/KWh）的影响 锂价格变化对各类正极每KWh材料总成本（元/KWh）的影响 高镍正极厂家梳理 各类正极总体产量&产能：季度产量波动大，整体产能快速增长 我国新能源汽车产业的飞速发展，带动了中游电池制造业以及锂电正极材料制造业的跨越式起飞。从15年1季度全国4.7万吨正极材料年年产能，1.7万吨季度产量，到18年1季度24.1万吨的正极材料年产能，6.41万吨季度产量，短短三年时间，我国的锂电正极材料年产能和季度产量分别增加了4.13倍与2.77倍。 从季度来看，我国的正极材料的产能都呈增长态势（增长率>0%），其中2016年的下半年是产能增长最为快速的阶段，产能增长率接近40%。而正极材料的产量则呈波浪状增长态势，某些季度由于国家政策、市场、原材料价格等因素，产量会出现较大波动。 正极材料产能与产量变化与上下游密切相关 中游正极材料的产量与中游的电池产量、下游的新能源车销量以及政策密切相关。 从产能利用率来看，2015年随着正极市场的发展，产能利用率不断提高，并在第四季度达到顶峰。随着各大正极厂商新产线的不断投产，正极厂商行业竞争加剧，下游客户从“数量”需求向“数量+质量”需求切换，正极厂商的产能利用率呈逐渐下降的趋势，目前在30%左右。 需求切换，从LFP到NCM 三元正极产能、产量快速增长。在四种常见的锂电正极材料中，锰酸锂和钴酸锂的产量和产能一直处于低速增长状态。而磷酸铁锂和三元材料产能从15年下半年开始高速增长，主要原因是新能源汽车行业的发展引领动力电池需求量的快速上涨。16年2季度之前，磷酸铁锂产能高于三元材料，16年2季度之后由于补贴政策的调整三元材料实现反超。从产量方面看，趋势是类似的，从17年下半年开始三元材料的产量迅速提升而磷酸铁锂产量快速萎缩。 从价格变化来看，磷酸铁锂和锰酸锂的价格从13年开始价格比较稳定，而钴酸锂和三元材料的价格从17年初开始增加，主要原因是上游钴材料价格上涨。其中钴酸锂由于钴的用量大因而上升幅度更大。 正极出货哪家强？正极出货分析 正极材料TOP8企业：第一梯队逐渐形成，行业集中度逐步提高 从正极材料整体出货量来看（包含3C和动力），湖南杉杉、厦门钨业始终处于行业龙头地位。容百锂电近期发展势头强劲，18年Q2季度产量达到5000吨，跃居行业第二。当升科技、长远锂科和天津巴莫紧随其后，18年Q2季度产量在4000吨左右。我们认为，当前TOP8正极企业已经形成第一梯队，相关企业在技术、客户、供应商、资源方面已经建立了相对优势，行业地位稳固。 从行业集中度来看，锂电正极材料行业，CR5企业生产量占总生产量的比例始终未超过50%，但行业集中度从2016年的34%提升至2018H1的43%，行业稳固程度逐步提升。 三元材料TOP8企业：CR5地位稳固，市占率超50% 在NCM正极领域，从产量上来看，容百锂电从17年下半年开始位居领先地位，18年二季度数据表明，其产量已经明显领先于其他几家公司，当升科技、长远锂科、湖南杉杉则紧随其后。此外厦门钨业、天津巴莫、振华新材料、格林美等公司也有每季度超过1000吨的产量。 从行业集中度来看，长远锂科、容百锂电、湖南杉杉、当升科技、厦门钨业等CR5企业产量占比稳步提升，在2016年首次占比过半，2017年提升至58%，2018H1至52%。考虑到下半年是新能源汽车和动力电池的销售旺季，预计2018年CR5全年市占率有望提升至60%，行业稳固性逐步加强。 正极标的推荐 当升科技：锂电池正极材料技术先驱 公司技术积淀深厚 公司源于1992年的北京矿冶研究总院电子粉体材料课题组，1999年开始研发钴酸锂材料，并在2002年实现批量生产，正式进入正极材料市场，先后切入三星SDI、SK、LG化学供应链。公司上市之初，以钴酸锂产品为主。2010年开始，受钴酸锂材料市场竞争激烈影响，原先IPO计划的投产钴酸锂产能建设延期，正极材料业务重心开始转向动力三元材料，同时开展对外投资，目前形成正极材料及智能装备两大业务板块。 产能释放在即，增厚公司利润 公司目前合计1.6万吨产能，其中江苏海门1万吨，燕郊6000吨，后者主要供应消费及储能锂电。其中NCM811产能4000吨于2017年四季度投产。规划海门三期1.8万吨产能以及常州金坛10万吨产业基地，2019、2020年将分别新增1.8万吨和2万吨高镍产能。产能快速扩张，为业绩高增长夯实基础。 预计公司18-20年净利润分别为2.66、4.10、5.51亿元，对应EPS分别为0.61、0.94、1.26元，对应PE分别为40、26、19倍，维持“买入”评级，目标价格30.00元。 杉杉股份：锂电材料综合龙头 聚焦锂电材料综合供应，十八年深耕铸就行业领军 公司自1999年设立上海杉杉科技有限公司进入锂电材料负极领域以来，在锂电材料领域不断进行深入探索。现是国内唯一具备锂电池正极材料、负极材料、电解液的综合供应商。由于新能源领域发展前景广阔，公司将锂电材料业务确立为公司核心发展业务，立志成为国内乃至国际锂电材料综合供应龙头企业。 正极材料业务：立足高压钴酸锂，加快发展三元正极材料 公司正极材料业务分为钴酸锂和三元正极两个板块。公司钴酸锂材料高压产品（4.45V,4.5V）具有较高技术门槛，占据绝对市场优势，现已通过ATL进入三星、苹果等顶级消费电子制造商供应链，预计公司该部分业务将保持稳定增长。锂电三元正极材料在新能源汽车高速发展的带动下未来需求强劲，公司目前已与比亚迪、光宇、力神等企业建立稳定合作关系。此外，公司已参股行业上游企业洛阳钼业，抢占原材料资源提高三元产品竞争力。 预计公司18-20年净利润分别为10.12、11.00、14.72亿元，对应EPS分别为0.90、0.98、1.31元，对应PE分别为20、18、13倍，维持“买入”评级，目标价格35.55元。 风险提示 1、高镍三元正极行业同质化； 2、高镍三元需求不及预期； 3、新型电池技术突破超预期。 |
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