电力设备与新能源行业：正极材料发展新方向，磷酸锰铁锂迎来发展机会

2022年8月9日证券研究报告/行业研究 行业研究 正极材料发展新方向 行业评级： 投资评级看好 评级变动首次覆盖 主要观点： 磷酸锰铁锂迎来发展机会 行业走势： 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 2019/1/22020/1/22021/1/22022/1/2 沪深300指数申万行业指数:电力设备 分析师： 分析师黄文忠 huangwenzhong@gwgsc.com 执业证书编号：S0200514120002联系电话：010-68080680 研究助理张烨童 zhangyetong@gwgsc.com 执业证书编号：S0200122050003联系电话：17801069597 公司地址： 北京市丰台区凤凰嘴街2号院1号 楼中国长城资产大厦12层 ◆正极材料成本决定锂离子电池成本，推动降本增效技术发展。锂离 子电池工作核心是锂离子的嵌入和脱嵌，正极材料作为锂离子的来源成为提高电池性能的关键，而且正极材料成本在锂离子电池各部件中占比最大，因此正极材料的成本决定着锂离子电池的成本。新能源补贴政策的退坡、上游金属原材料价格的上升以及终端新能源汽车需求的增加，推动着降本增效技术的发展。目前，正极材料市场以磷酸铁锂和三元材料为主流，并在此基础上衍生出磷酸锰铁锂、高镍化三元材料、富锂锰基材料等。 ◆磷酸锰铁锂有望实现高电压和低成本兼得。与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂具备高电压、高能量密度以及更好的低温性能。二者理论容量均为170mAh/g，但磷酸铁锂电压平台只有3.4V，而磷酸锰铁锂可以达到4.1V，这使得LMFP的能量密度比LFP提高15%。在低温性能方 面，德方纳米各类纳米磷酸铁锂在-20℃下容量保持率约为67%，而磷酸锰铁锂可以保持在71%，在与质量占比15%的三元材料混合时保持率甚至可以达到74%。与三元材料相比，LMFP具备更低的成本、更高的循环次数以及更稳定的结构。三元材料中含有稀有贵金属金属原 材料钴和镍，价格昂贵，而LMFP中主要元素为锰和铁，市场价格远低于钴和镍，可以保持较低的成本。另外磷酸锰铁锂的循环寿命高达2000次，而三元材料仅在800次-2000次之间，差距较为明显。从结构来看，具备橄榄石结构的LMFP相比层状结构的三元材料更安全、更稳定。 ◆磷酸锰铁锂缺点催化改性技术发展。LMFP导电性差、锂离子扩散速率低、Jahn-Teller效应使锰析出导致循环寿命衰减、循环稳定性降低。这些缺点是制约LMFP投入市场大规模应用的主要因素，由此催 化出一系列改性措施。纳米化、包覆、掺杂及微观形貌调控等措施单一或协同作用可以针对磷酸铁锰锂的缺点进行性能改良。 ◆供需变动促进磷酸锰铁锂的发展。上游金属原材料钴和镍资源稀缺，仅分别占全国有色金属矿产的0.43%、0.01%，供给紧张，价格昂贵，导致三元材料成本居高不下，此时降本为关键。在保证材料电化学性 能的基础上，通过将LMFP与三元材料混用，在结合二者优势的基础上降低钴和镍的使用量，可以大大降低成本。终端客户对于新能源汽车性能和价格的需求不断攀升，新能源补贴政策的退坡以及目前主流市场LFP和三元材料无法同时满足低成本和高电压，驱动着正极材料技术的提升，LMFP迎来发展机会。 ◆磷酸锰铁锂产业化进程加快。国内正极材料和电池厂商近年来不断布局LMFP相关新技术，专利数量逐年攀升。截至2022年6月，国家知识产权局已公告相关专利240项，其中比亚迪和国轩高科相关专利 数量稳居前列。同时各厂商也开始布局LMFP的产能建设，正极材料厂商包括德方纳米、当升科技、力泰锂能等公司均已开始开发磷酸锰铁锂材料，电池厂商宁德时代也开始布局相关投资。 ◆LMFP应用前景广阔。LMFP的应用可以与单晶锰酸锂混掺、与三元混用以及单独使用。目前雅迪和星恒已开发出LMFP与单晶锰酸锂 混掺相关系列电池；通过与三元材料混用，其复合材料可以有效提升比容量、低温性能以及循环寿命，并改善三元材料高成本和低稳定性的缺点，更好的发挥成本优势；天能生产的磷酸锰铁锂18650电池已成功应用在小牛新款F0系列电动二轮车中，其低温性能提升超25%，但LMFP单独使用仍存在诸多技术难题，比如双电压平台问题以及Jahn-Teller效应使锰析出等问题。如果成功攻克相比LFP可以提高15%的能量密度，相比三元材料也会更安全、成本更低。 投资建议： 随着磷酸铁锂的能量密度几乎达到上限，磷酸锰铁锂或将成为新的发 展方向。再加之上游原材料价格上升、下游对成本和性能的双需求等市场供需波动的影响，以及国家新能源汽车补贴政策的退补，磷酸锰 铁锂作为磷酸铁锂的升级产品，应用前景丰富多样，其未来市场空间非常广阔。我们建议关注相关技术已实现突破并具备产能的正极材料 企业以及有望率先应用的电池企业，推荐德方纳米、当升科技、宁德 时代、比亚迪。 风险提示： 新能源汽车销量不及预期；相关新技术研发以及产业化进程不及预期；正极材料和电池厂商产能建设不及预期。 目录 一、锂离子电池行业：上游决定成本，成本推动技术6 1.正极材料性能极大影响锂离子电池性能6 2.正极材料成本决定锂离子电池成本，推动降本增效技术发展6 二、正极材料新方向：磷酸锰铁锂7 1.磷酸铁锂升级产品，打破能量密度瓶颈7 2.对比磷酸铁锂和三元材料，低成本和高电压有望实现兼得7 2.1与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂高压低温优势凸显7 2.2与三元材料相比，低成本高循环高稳定8 3.磷酸锰铁锂的缺点催化改性技术的发展9 3.1导电性和锂离子扩散速率限制磷酸锰铁锂发展9 3.2Jahn-Teller效应减低循环寿命及循环稳定性10 3.3双电压平台增加后期电池管理系统（BMS）管理难度10 3.4改性技术实现性能改良11 三、供需变动促进磷酸锰铁锂发展14 1.金属原材料供给紧张，价格上涨，降本成为关键14 2.终端需求驱动技术进步15 四、磷酸锰铁锂产业化进程加快16 1.相关专利申请数量不断攀升16 2.企业相关布局进程加快17 3.应用前景广阔18 五、投资建议及重点公司19 1.投资建议19 2.重点公司19 图目录 图1：锂离子电池工作原理6 图2：锂离子电池各部件成本构成7 图3：金属原材料价格走势（万元/吨）7 图4：不同锰铁比例的LMFP放电曲线8 图5：-20℃低温下不同正极材料容量保持率8 图6：三元材料层状结构9 图7：磷酸锰铁锂橄榄石结构9 图8：磷酸锰铁锂0.1C充放电曲线10 图9：不同碳含量对铁和锰提供比容量的影响11 图10：不同碳含量Mn平台充放电电压差11 图11：不同碳含量下倍率性能12 图12：磷酸锰铁锂混用三元材料成本比较（万元/GWh）15 图13：正极材料价格（元/kWh）15 图14：新能源汽车销量（万辆）16 图15：德方纳米近五年营收情况20 图16：德方纳米近五年归母净利润情况20 图17：德方纳米近五年销售毛利率（%）20 图18：德方纳米近五年研发支出（亿元）20 图19：当升科技近五年营收情况21 图20：当升科技近五年归母净利润情况21 图21：当升科技近五年销售毛利率（%）22 图22：当升科技近五年研发支出（亿元）22 图23：宁德时代主营业务营收占比22 表目录 表1：三种正极材料性能对比9 表2：改性技术概述11 表3：改性技术产业化进展12 表4：主要相关公司代表性专利情况16 表5：部分企业产业布局进展18 表6：磷酸锰铁锂以及与不同比例三元材料复合后性能对比18 表7：企业的盈利预测、估值与评级19 一、锂离子电池行业：上游决定成本，成本推动技术 1.正极材料性能极大影响锂离子电池性能 锂离子电池充放电的核心是锂离子的嵌入和脱嵌，即锂离子在电解液中通过隔膜在正负极之间移动。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物作正极材料，碳素材料为负极的电池。其充放 电的过程就是锂离子嵌入和脱嵌的过程。充电时，正极产生的锂离子通过电解液跨越隔膜运动到负极。碳素作为负极材料呈层状结构并伴有很多微孔，当锂离子运动到负极之后就会嵌入微孔之中。嵌入的锂离子越多代表电池充电容量越高。放电时，嵌入的锂离子脱出并运动回正极，此时回正极的锂离子越多代表电池放电容量越高。 图1：锂离子电池工作原理 资料来源：钜大锂电，长城国瑞证券研究所 正极材料作为锂离子来源成为提高电池性能的关键。从工作原理来看，锂离子嵌入化合物作为正极材料为电池充放电提供锂离子，也正因此正极材料的性能是锂离子电池电化学性能的决定性因素。目前商用的正极材料主要有钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。这些材料的性能差异决定了各类锂离子电池在 能量密度、循环性、稳定性、安全性等方面的不同。 2.正极材料成本决定锂离子电池成本，推动降本增效技术发展 锂离子电池部件中正极材料成本占比最大，降本增效技术随之涌现。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、铜箔等部件构成，其中正极材料成本占比高达45%，决定着锂离子电池成本的高低。成本又取决于技术，随着新能源补贴政策的退坡、上游金属原材料 价格的上升以及终端新能源汽车需求的增加，正极材料厂商成本不断增加，在保持、提升电池性能的基础上研发降本技术随之成为必经之路。目前，正极材料市场上，磷酸铁锂（LFP）和三元材料作为主流并行发展，在此基础上不断衍生出低成本高电压的新型正极材料。比如，在磷酸铁锂基础上研发出的磷酸锰铁锂（LMFP）、三元材料的高镍化材料镍锰酸锂、富锂锰基材料等。本篇报告的重点在于研究磷酸锰铁锂。 图2：锂离子电池各部件成本构成图3：金属原材料价格走势（万元/吨） 60 铜箔其他 8% 电解液10% 4% 正极材料45% 隔膜18% 负极材料15% 50 40 30 20 10 0 2018201920202021 正极材料负极材料隔膜电解液铜箔其他 市场价:钴:≥99.8%:年度:平均值市场价:1#镍:Ni9990:年度:平均值 长江有色市场:平均价:电解锰:1#:年度:平均值 资料来源：华经情报网，长城国瑞证券研究所 说明：数据不唯一，正极材料不同，成本占比会有差异。 资料来源：Wind，长城国瑞证券研究所 二、正极材料新方向：磷酸锰铁锂 1.磷酸铁锂升级产品，打破能量密度瓶颈 磷酸铁锂能量密度几乎已达上限，磷酸锰铁锂打破瓶颈。根据工信部最新公布的2022年第五批新能源汽车推广应用推荐车型目录，磷酸铁锂电池能量密度最高达161.27Wh/kg，且近几 年并没有太大变化，磷酸锰铁锂也因此发展起来。电池能量密度=电池容量*电压平台/重量，磷酸铁锂电池的理论克容量为170mAh/g，目前几乎已经到达极限，因此提高电压平台是提高能量密度的决定性因素。磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂的基础上掺杂一定比例的锰所得到的一种新型磷酸盐。锰的高电压特性使得磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具备更高的电压平台，由此打破目前电池能量密度上限。 2.对比磷酸铁锂和三元材料，低成本和高电压有望实现兼得 2.1与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂高压低温优势凸显 磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具备高电压、高能量密度以及更好的低温性能。磷酸锰铁锂和磷 酸铁锂理论容量相同（170mAh/g），但磷酸铁锂的电压平台只有3.4V，而磷酸锰铁锂最高可达4.1V，且位于有机电解液体系的稳定电化学窗口，这也使磷酸锰铁锂具备更高的能量密度上限。而且当磷酸锰铁锂的实际容量与磷酸铁锂相同时，磷酸锰铁锂能量密度可以比磷酸铁锂提高15%。低温性能方面，以德方纳米的产品为例，其各类纳米磷酸铁锂产品在-20℃时容量保持率平均约在67%，但其磷酸锰铁锂在-20℃下容量保持率约为71%，与质量占比15%的三元材料混 合时-20℃容量保持率可以达到74%左右。 图4：不同锰铁比例的LMFP放电曲线图5：-20℃低温下不同正极材料容量保持率 72.60% 70.97% 74.49% 60.20% 100.00% 90.