【中信建投电新】电池科技前瞻系列报告之六：数风流人物，单晶NCM正极家族

来源：新能源研究员

行业动态信息

研究者关注不同镍含量的单晶NCM正极性能表现

加拿大达尔豪斯大学的研究者Yulong Liu、 Jessie Harlow、 Jeff Dahn（即特斯拉电池专家Dahn，中信建投电新团队多篇研究报告涉及了其在电池电解液和正极方面的研究成果）等人分析了不同镍含量的单晶（一次颗粒）NCM正极的性能表现，最新的研究成果Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive ElectrodeMaterials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning ElectronMicroscopy 2020年发表在Journal of The Electrochemical Society上。Dahn的研究成果一定程度上代表了特斯拉对动力电池及电池材料的方向性认识。

电极循环性能与形貌表征：岿然不动

比较循环性能，单晶NCM811正极的容量最高，而且在1000余次循环之后保持了接近210mAh/g的容量，相关结果远好于其NCA单晶专利的结果，极大概率好于Maxwell干法工艺制得的正极的结果（Maxwell甚至未给出高镍正极的循环性能，同样可参见研究报告《特斯拉：电池风云》）；523和622正极在长时间的循环过后其容量也在较高的180mAh/g左右。

从单晶正极材料的显微形貌看，所有材料均未几乎出现微裂纹及裂纹扩展，仅在晶粒表面出现了部分平行条纹。研究者同时表示，未循环的电池正极材料也会出现平行条纹，所以事实上单晶层状结构三元正极已经可以解决正极材料产生微裂纹、影响循环寿命和容量、能量保持的问题。

总结与评论：期待规模化应用，期待光辉未来

我们认为，研究者的工作或证明，单晶层状结构三元正极可以兼顾容量、寿命，并且倍率性能也基本不构成应用瓶颈。尤其对于高镍三元NCM811而言，单晶化或是其应用得以继续拓展，乃至成为市场主流的关键性因素；对NCM523而言，单晶化也可以使其保持很长的循环寿命，有助于实现新能源汽车和燃油汽车的“同寿同权”。目前单晶NCM正极进展快于NCA进展，后续两者并行发展应用的可能性高；正极材料的单晶化或是可实现性和实际效果均较高的一条材料升级/优化路径。

投资建议

从单晶正极及对应电池的布局出发，建议投资者关注我国动力电池龙头，以及单晶NCM正极供应商长远锂科、当升科技、振华新材；从正极成分出发，实现完全无钴的可能性很低，建议投资者关注钴资源企业洛阳钼业、华友钴业等（相应标的由中信建投证券研究发展部有色团队覆盖）。

行业动态信息评述

1、研究者关注不同镍含量的单晶NCM正极性能表现

加拿大达尔豪斯大学的研究者Yulong Liu、 Jessie Harlow、 Jeff Dahn（即特斯拉电池专家Dahn，中信建投电新团队多篇研究报告涉及了其在电池电解液和正极方面的研究成果）等人分析了不同镍含量的单晶（一次颗粒）NCM正极（包括LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）的性能表现，最新的研究成果Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive ElectrodeMaterials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning ElectronMicroscopy 2020年发表在Journal of TheElectrochemical Society上。Dahn的研究成果一定程度上代表了特斯拉对动力电池及电池材料的方向性认识；此文献对应的实验采用外购电池正极材料、制作软包电池并加以表征的方式，故不存在材料体系构建细节的介绍，而将重点放在分析表征方面。

研究者归纳，常规层状结构的多晶正极材料（三元正极，包括LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2等，即NCM523、622、811）已成功商用，但多属于多晶（二次颗粒/团聚体）形态，在多次循环的过程中会产生微裂纹。这种微裂纹导致正极材料内部电连接的破坏和电极-电解液的反应加剧，最终使得电池容量/有效能量密度降低。

对微裂纹产生机理的研究显示，微裂纹是H2-H3相变过程中，电极材料各向异性的膨胀和收缩导致的；另外，高截止电压下正极材料的体积变化也有一定作用。而且，随着镍含量的增加，多晶形态NCM三元正极材料的循环稳定性劣化，这使得正极材料角度出发，电池的能量-寿命必须进行权衡：或者选择镍含量相对较低的正极材料以获取本征的长寿命，但其本征容量偏低；或者选择高镍正极材料，但是限制充放深度以获取使用过程中的长寿命，但也限制了高镍材料的容量发挥。

研究者认为，单晶（一次颗粒）形态的NCM正极，如NCM523单晶，和同成分多晶相比，证实了其出众的循环寿命，而且同业研究发现循环后的正极没有微裂纹产生（充电截止电压在4.1V，稍低）。那么，将单晶NCM正极的镍含量提高，就有可能兼顾大容量、长寿命两个主要目标。（注：1、抑制前述电极材料的膨胀和收缩也可能通过掺杂其他原子的方式部分实现，如本系列报告第四篇，《君臣佐使，NCMA》中介绍的LiNiCoMnAlO四元正极，相当于对NCM进行铝掺杂；2、单晶正极材料受限于相对较低的比表面积，倍率性能可能稍有不足，最终也需要容量-倍率-寿命综合权衡。）

2、电极循环性能与形貌表征：岿然不动

电池正极初始容量方面，单晶NCM811的容量相比于532、622有较明显的提升（但容量测试的截止电压是4.4V，高于后续循环过程中的电压）。

研究者选择了较典型的循环参数用于测试正极：20oC测试温度，3-4.3V充放深度（对单晶NCM523和622正极）/3-4.2V充放深度（对单晶NCM811正极），1C倍率。漫长的循环过程包括NCM523正极4700次循环，622正极4100次循环，811正极1200次循环。（另，Dahn教授在长循环方面进行了相当多的工作，详见建投电新团队的研究报告《特斯拉：电池风云》中的解读。）

比较三者的循环性能，单晶NCM811正极的容量最高，而且在1000余次循环之后保持了接近210mAh/g的容量，相关结果远好于其NCA单晶专利的结果，极大概率好于Maxwell干法工艺制得的正极的结果（Maxwell甚至未给出高镍正极的循环性能，同样可参见研究报告《特斯拉：电池风云》）；523和622正极在长时间的循环过后其容量也在较高的180mAh/g左右。从容量保持率来看，三者均有较突出的表现；NCM523的容量保持率最高，4500次循环后还高于90%；而811强于622，这可能是截止电压不同导致的。

同时比较电池正负极的容量衰减情况则可以发现，单晶NCM523正极和石墨负极的衰减基本同步；622、811的衰减仍然比石墨负极要多。综合考虑电极的容量和寿命，可以看出，动力电池的最大瓶颈仍然在正极材料（容量相当于石墨负极的一半稍多，寿命不高于负极，成本占比也高很多）；为了弥补正极材料的缺点，材料、单体、系统、整车层面都在进行优化，以提升新能源汽车作为一类交通工具的竞争力。单晶化对使用端的作用明显：镍含量相对较高的NCM523正极更适合作为长寿命电池的首选；NCM811在提供较高容量同时，寿命也有了较好表现；NCM622正极表现居中。

从单晶正极材料的显微形貌看，所有材料均未几乎出现微裂纹及裂纹扩展，仅在晶粒表面出现了部分平行条纹。研究者同时表示，未循环的电池正极材料也会出现平行条纹，所以事实上单晶层状结构三元正极已经可以解决正极材料产生微裂纹、影响循环寿命和容量、能量保持的问题。

3、总结与评论：期待规模化应用，期待光辉未来

我们认为，研究者的工作或证明，单晶层状结构三元正极可以兼顾容量、寿命，并且倍率性能也基本不构成应用瓶颈。尤其对于高镍三元NCM811而言，单晶化或是其应用得以继续拓展，乃至成为市场主流的关键性因素；对NCM523而言，单晶化也可以使其保持很长的循环寿命，有助于实现新能源汽车和燃油汽车的“同寿同权”。目前单晶NCM正极进展快于NCA进展，后续两者并行发展应用的可能性高；正极材料的单晶化或是可实现性和实际效果均较高的一条材料升级/优化路径。

我们还认为，研究者的工作证明了产学研用协同的重要性。研究工作高居庙堂之上，对生产实际的帮助有限；深入应用一线，则更有利于研究成果的推广。

我们同时认为，研究工作也存在如下改进空间：

测试条件如可以控制变量更精确（在循环次数、截止电压等方面），则有望综合评估不同镍含量单晶正极的表现；如增加高温循环环节、高倍率测试环节（如2C测试，使得75kWh电池跑满150kW直流快充桩）、循环影响对比环节（样品A以条件a循环，样品B同等时间放置，分离掉日历寿命的影响）等，则测试结果的参考价值更高。

投资评价和建议

从单晶正极及对应电池的布局出发，建议投资者关注我国动力电池龙头，以及单晶NCM正极供应商长远锂科、当升科技、振华新材；从正极成分出发，实现完全无钴的可能性很低，建议投资者关注钴资源企业洛阳钼业、华友钴业等（相应标的由中信建投证券研究发展部有色团队覆盖）。

风险分析

单晶NCM/NCA正极技术进步不及预期，成本下降不及预期。

证券研究报告名称：《电池科技前瞻系列报告之六：数风流人物，单晶NCM正极家族》

对外发布时间：2020年05月07日

报告发布机构：中信建投证券股份有限公司

本报告分析师：杨藻 张亦弛

执业证书编号：S1440520010003，S1440520040001

分析师介绍

杨藻：工学学士，产业经济学硕士。2010~2011年间就职于深圳发改委新能源汽车办，负责新能源汽车试点工作。随后先后就职于凯基证券和浙商证券。2016年8月加入天风证券，担任电新首席分析师。2019年12月入职中信建投证券。先后获得2017年新财富最佳分析师入围，2019年万得金牌分析师、金麒麟新锐分析师。

张亦弛：清华大学工学学士、博士，2年能源材料实业工作，2年清华大学下属研究院工作，储能技术与产业政策专家。在学及就业期间发表多篇SCI及核心论文，申请多项国家专利并获授权。历任中信建投证券汽车、电新行业研究员，2018/19年万得金牌分析师团队成员，2019年金麒麟新锐分析师团队成员。

研究助理

张鹏：清华大学工学学士、博士，电力设备与新能源行业研究员，2019年万得金牌分析师团队成员。2018年加入中信建投证券研究部。

研究服务

评级说明

以上证指数或者深证综指的涨跌幅为基准。

买入：未来6个月内相对超出市场表现15％以上；

增持：未来6个月内相对超出市场表现5—15％；

中性：未来6个月内相对市场表现在-5—5％之间；

减持：未来6个月内相对弱于市场表现5—15％；

卖出：未来6个月内相对弱于市场表现15％以上。

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