动力电池新技术展望系列报告三：高电压技术布局加速，三元正极迎降本良机

高电压正极为三元正极材料升级的主要路径之一，精确瞄准能量密度需求。高镍化与高电压化为锂电三元材料升级的两种主要路径，服务于动力电池的续航里程。高电压正极以中镍三元材料为基础，通过提高其电压平台实现更多锂脱出，从而实现更高比容量和平均放电电压，提供了高能量密度、低成本的综合解决方案。能量密度方面，高电压技术提高了三元正极的比容量和电压平台；成本方面，高电压正极以中镍三元材料为基本路线，在原材料、生产工艺、加工成本方面相较高镍化均具有优势。三元正极材料有望迎来“提效+降本”良机。 高电压正极面临系列挑战，技术迭代打开新发展空间。高电压下，由于锂离子大量脱出，三元正极材料面临着晶体结构稳定性差、离子混排、不可逆相变等一系列问题，造成电池循环寿命短、热稳定性低、电解液消耗等宏观电池失效行为。技术突破带来发展新契机，通过金属离子掺杂、构建人工包覆层、匹配高电压电解液及添加剂等手段，有望抑制高电压正极的系列问题，对此国内多家厂商已进行相关布局。 产业化进展方面，主要正极厂商、部分电池厂商均已在高电压正极方向进行布局，代表企业为厦钨新能、长远锂科、振华新材、中创新航等。正极厂商方面，厦钨新能以高研发投入带动产品升级，开发出新款4.4 V高电压6系三元材料，并成功应用到续航里程超过1,000公里的电动车上；长远锂科高镍布局较早，高电压迅速跟进，其高电压4.3V和4.35V三元正极材料已批量用于动力电池领域，4.4V三元正极材料逐步应用于数码电池领域；振华新材于2018年推出第一代中高镍低钴一次颗粒大单晶产品，其4.35V能量密度优于同电压下的NCM523，并于2019年底完成该系列产品的产业化。电池厂商方面，中创新航主打高电压三元产品，2020年在全球率先采用高电压三元电池材料技术量产590模组电池，并在主要客户广汽埃安设计的Aion-LX车型上实现装车。 投资建议：随着储能需求增长及三元电池行业景气度开始修复，三元电池产量及装车量或将迎来持续放量的黄金期，高镍化、高电压化为主流升级路径。高电压化带来正极降本空间与能量密度升级机遇，其发展机遇与挑战并存。高电压电解液及添加剂的开发颇为重要，“单晶+表面改性”或协同布局。产业化方面，研发引领产品升级，建议关注技术变革带来的投资机会与细分格局优化。 （1）高电压技术有助于三元电池降本与提升能量密度，三元电池路线有望实现成本修复与估值修复，建议关注具有技术竞争优势的领跑企业，关注：厦钨新能、长远锂科、振华新材； （2）新能源车下游景气度从疫情扰动中恢复，中游整体排产向好，三元电池企业有望受益于高电压技术回暖，关注：宁德时代、中创新航（拟上市）。 风险提示：产业政策发生重大不利变化、新能源车产销不及预期、竞争加剧、产能过剩导致盈利能力下滑、技术路线变革的风险。 1.高电压三元正极 根据2022年5月动力电池产量和装机量数据，三元电池行业景气度明显修复。 国内三元、铁锂电池产量分别为16.3、19.2 GWh，分别环比增长58.2%、3.3%； 装车量分别为8.3、10.2 GWh，分别环比增长90.3%、15.1%。5月，三元电池产量、装机量占比45.8%、44.7%，环比均提升超过10个百分点。 三元电池行业景气度逐渐修复，正极材料升级需求随之增加。高镍化与高电压化为锂电三元材料升级的两种主要路径，服务于动力电池的续航里程。其中，高电压正极以中镍三元材料为基础，通过提高其电压平台实现更多锂脱出，从而实现更高比容量和平均放电电压，提供了高能量密度、低成本的综合解决方案。 图1：三元电池与磷酸铁锂电池产量及环比变动 1.1技术特点 高电压三元正极与高镍三元正极、传统三元正极相比，分别具有两大优点： 1、高能量密度：相较传统三元正极，高电压技术通过提高三元正极电压平台实现更多锂脱出，从而实现更高比容量和平均放电电压，最终提高电池能量密度。 2、成本优势：高电压正极以中镍三元材料为出发，原材料使用部分碳酸锂，生产条件温和，无需氧含量、湿度精确控制，成本方面相较高镍正极具有优势。 图2：NCM正极不同充电电压下的首次充放电曲线 1.2挑战与机遇 高电压下，由于锂离子大量脱出，三元正极材料面临着晶体结构稳定性差、离子混排、不可逆相变等一系列问题，造成电池循环寿命短、热稳定性低、电解液消耗等宏观电池失效行为。 主要存在的问题有Li/Ni原子混排、不可逆相变、电解液在高电压下分解等。 图3：NCM正极在不同充电截止电压下的循环性能 图4：传统电解液高电压下分解形成副产物 面对高电压正极的结构问题挑战，有效的解决手段主要如下： 1.金属离子掺杂是抑制Li/Ni混排的一种手段，同时也可缓解晶体相变。如掺杂 Al3+ 、 Zr4+ 、 Ti4+ 等高价金属离子，有望提升电池的循环寿命和比容量。 2.构建人工包覆层以减小电解液与正极表面的接触，进而抑制电解液高电压下的分解，减少电解液的过度消耗，同时增强正极稳定性，提升电池的循环寿命。 3.匹配高电压电解液及添加剂，如砜类、腈类、氟代碳酸酯等，有望在本质上解决电解液分解问题。高电压电解液及添加剂是面向未来高电压正极的破局点。 表1：用于高电压NCM正极的添加剂 “单晶中镍正极+表面改性”或成未来选择。单晶三元材料由直径2-5微米的一次颗粒构成，更高的机械强度使其内部结构牢固，能够承受更高的电压，有效平衡能量密度与安全性；电极材料的表面改性同样可以有效提高电极材料界面的稳定性，能够有效提高材料界面结构的强度，避免晶体结构快速坍塌。 目前单晶中镍高电压体系已逐渐开始放量，厂商如振华新材等；表面改性也已有国内主流三元厂商布局，如厦钨新能、长远锂科等。 图5：行业大单晶材料发展时间对比图 2.高电压技术布局加速，研发引领产品升级 2.1厦钨新能：技术迭代以打造核心竞争力 厦钨新能作为高电压三元正极领跑者，以高研发投入带动产品升级，2021年公司研发投入4.52亿元。产品出货方面，目前公司NCM三元材料的主力出货产品仍然为高电压Ni5系（4.35 V+）、Ni6系NCM三元材料，符合目前我国新能源汽车三元锂离子电池市场主流的发展情况。产品研发方面，2021年公司开发的新款高电压三元材料，在提升性能、保证安全性的情况下，降低了镍钴等相对稀有金属的使用，已成功应用到续航里程超过1000公里的电动车上。同时，公司4.4 V高电压三元材料的开发处于中试阶段，全电池容量＞195 mAh/g，满足新一代高电压材料的应用需求。 表2：厦钨新能部分在研项目及技术指标 2.2长远锂科：高镍先行，高电压技术布局加速 长远锂科技术储备夯实，高镍布局较早，高电压正极材料也已开始陆续布局。高电压技术方面，其高电压4.3 V和4.35 V三元正极材料已批量用于动力电池领域，4.4 V三元正极材料逐步应用于数码电池领域；新一代65系高电压单晶降钴产品打破传统工艺，采用低成本粗颗粒锂源，在成本降低的同时产能大幅提升。高镍技术方面，公司新一代高镍低钴Ni83单晶产品，较第一代产品成本显著降低，吨级样品已通过宁德时代测试。 表3：长远锂科部分核心技术及具体表征 2.3振华新材：单晶三元龙头，横向布局高电压技术 振华新材研发并形成系列具备自主知识产权的核心技术，尤其在高电压正极、一次颗粒大单晶三元正极等方面具有核心竞争优势。 振华新材2009年在全行业较早推出第一代一次颗粒大单晶NCM523产品，由于其具备优异的高温高电压循环稳定性及安全性能，使得一次颗粒大单晶三元正极材料在行业中引起广泛关注，于2014年较早在新能源汽车上批量应用。经多年的研发及市场培育，公司于2016年推出第二代一次颗粒大单晶NCM523产品，材料比容量得到提高；于2017年推出第三代一次颗粒大单晶NCM523产品，实现动力学性能的突破，使得比容量进一步提高，同时循环后直流内阻增长得到有效抑制。 在单晶三元正极材料的基础上，振华新材横向布局高电压三元正极。公司于2018年推出第一代中高镍低钴一次颗粒大单晶产品ZH6000A，将钴用量由NCM523的20mol.%降低到10mol.%，同时其4.35V能量密度优于同电压下的NCM523，比容量提高5-8mAh/g，调浆加工过程中无须高镍材料所需的严格湿度控制。 在中高镍低钴一次颗粒大单晶产品ZH6000A的基础上，公司于2019年底完成ZH6000全系列产品的开发及产业化，持续进行三元正极材料去钴化的探索，实现更高的能量密度及性价比。 2.4中创新航：二线龙头强势崛起，主打高电压电池产品 中创新航的前身为中航锂电，公司主打高电压三元电池产品，在国内动力电池装机量市场份额从2021年的5.9%迅速提升至2022年1-5月的8.1%，在二线动力电池企业中具有较强竞争力。2020年，公司在全球率先采用高电压三元电池材料技术量产590模组电池，并安装在主要客户广汽埃安设计的Aion-LX车型上，该车型是国内首款续航里程超过600公里的SUV电动车型。 此外，公司开发了100kWh的电池系统产品，能量密度达到225Wh/kg。 图6：中创新航主要产品介绍 3.投资建议 随着储能需求增长及三元电池行业景气度开始修复，三元电池产量及装车量或将迎来持续放量的黄金期，高镍化、高电压化为主流升级路径。高电压化带来正极降本空间与能量密度升级机遇，其发展机遇与挑战并存。高电压电解液及添加剂的开发颇为重要，“单晶+表面改性”或协同布局。产业化方面，研发引领产品升级，建议关注技术变革带来的投资机会与细分格局优化。 （1）高电压技术有助于三元电池降本与提升能量密度，三元电池路线有望实现成本修复与估值修复，建议关注具有技术竞争优势的领跑企业，关注：厦钨新能、长远锂科、振华新材； （2）新能源车下游景气度从疫情扰动中恢复，中游整体排产向好，三元电池企业有望受益于高电压技术回暖，关注：宁德时代、中创新航（拟上市）。 4.风险分析 1.政策风险：产业政策发生重大不利变化，不利于新能源车长期发展；新能源牌照等政策收紧的风险； 2.市场风险：新能源车需求不及预期；上游价格持续上涨，导致产量不及预期、中游盈利能力下滑；产业链公司扩产导致竞争加剧、产能过剩，影响企业盈利能力； 3.技术风险：动力电池技术路线变更的风险，磷酸铁锂电池、固态电池等技术商业化大规模应用导致正负极、电解液等环节遭遇技术变革。