锂电新材料行业专题报告新一代锂电材料，产业化放量在即

　　（报告出品方/作者：渤海证券，袁艺博、张珂）1. LMFP：快速发展前期，2023 年或量产应用
　　1.1 磷酸锰铁锂正极综合优势显著
　　正极材料是决定电池性能的关键因素。锂电池的能量 E 等于平均工作电压 与 质量(体积)比容量 的乘积，即 =  Q 。因此，提高平均工作电压或者提 高材料的质量(体积)比容量，是提高电池的能量密度两条根本途径。当前规模化 应用的正极和负极材料均为插层型（Intercalation），石墨负极的容量已接近 370mAh/g，而正极材料容量均小于 300mAh/g，故正极材料是当前锂电池能量密 度提升的瓶颈，是影响电池性能的关键因素。
　　目前主流的正极材料是磷酸铁锂和三元。目前广泛应用的正极材料主要有层状、 尖晶石和橄榄石三大体系，层状正极材料有钴酸锂、三元材料；尖晶石正极材料 有锰酸锂；橄榄石正极材料有磷酸铁锂，其中，钴酸锂和锰酸锂主要应用于消费 电子领域，磷酸铁锂和三元材料应用于电动车领域。从产量上看，磷酸铁锂具有 安全性能高、成本低和循环寿命长等优势，但受制于低能量密度主要应用于中低 端电车市场，占总产量比重约 60%；而三元材料凭借高能量密度最高，但安全性 逊于磷酸铁锂，且价格较高，故主要应用于高端电车市场，占总产量比重约 30%。
　　磷酸锰铁锂（LMFP）兼顾磷酸铁锂和三元材料优点。目前磷酸铁锂和三元正极 材料无法同时兼顾低成本、高安全性、长循环寿命和高能量密度，行业也在不停 地探索新正极材料以期能同时兼顾这些优点。磷酸铁锂能量密度较低的主要原因 是较低的电压平台(约 3.4V，而三元约 3.8V)，掺杂过渡金属锰来改善磷酸铁锂的 电压平台，以提高能量密度，同时保留低成本、高安全性、长循环寿命优势，是 目前的较优选择：
　　（1）高稳定性和安全性。磷酸锰铁锂用锰元素取代部分铁元素，而这两种离子 半径相差不大(Fe2+的半径为 0.092nm，Mn2+的半径为 0.097nm)，故两种材料的结构基本相同，相同的六方密堆结构决定了其具有很好的稳定性和安全性。
　　（2）较高的能量密度。能量密度主要由克容量、压实密度、电压平台三个因素 决定，磷酸锰铁锂与磷酸铁锂的压实密度和克容量基本相同，而磷酸锰铁锂的电 压平台为 4.1V，高于磷酸铁锂，故其可将电池能量密度理论提升约 20%。
　　（3）具有低成本优势。锰金属产量丰富，价格低廉，其材料成本也较低，而主 流三元正极材料所需要的镍、钴等金属价格较高，导致三元材料成本较高。对比 磷酸铁锂和磷酸锰铁锂来看，我们根据德方纳米公告的数据进行测算，磷酸锰铁 锂的单吨原料成本比磷酸铁锂高约 21%，但考虑到磷酸锰铁锂的能量密度较高， 磷酸锰铁锂的单 Wh 材料成本与磷酸铁锂基本一致，且远低于三元材料的单 Wh 材料成本。
　　1.2 磷酸锰铁锂的制备工艺及性能优化路径
　　锰铁比对材料性能影响较大。根据研究显示，随着锰铁比的提升，材料的放电中 压逐渐提高，但比容量在下降，目前来看，当锰铁比为 4:6 时，实际能量密度相 对最高。而对于循环寿命而言，在锰铁比为 5:5 时循环寿命最高。目前业内对锰 铁比的最佳值尚未有定论，可根据需求改变比例。
　　制备方法与磷酸铁锂类似，主要有固相法和液相。磷酸锰铁锂的制备方法可分为 固相法和液相法两大类，其中，高温固相法、共沉淀法、喷雾干燥法工艺简单， 适用于大规模生产，但高温固相法相比于共沉淀法、喷雾干燥法，其产品质量稍 差。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂均属于磷酸盐系材料，因此制备工艺和使用设备类似， 主要区别是磷酸锰铁锂需补充锰源，烧结的温度和工艺稍有改变。
　　磷酸锰铁锂材料尚有不足，须通过改性技术改善。材料主要存在以下问题：(1) 较低的电导率及离子扩散系数，影响充放电倍率特性；(2)存在 Mn 和 Fe 的双电 压问题，可能出现功率输出不稳定的情况，需重新设计电池管理系统；(3)循环性 能较差，主因姜泰勒（John-Teller）效应使正极 Mn 离子析出，导致晶格畸变和 结构稳定性降低，影响稳定性和循环性；(4)溶解到电解液中的锰会沉积在负极表 面，破坏 SEI 层结构，导致消耗大量活性锂来修复 SEI 膜，降低循环性。现有改 善性能的技术主要包括碳包覆、纳米化、离子掺杂以及与其他材料混合等。
　　1、碳包覆：有效提升材料导电性能和循环性能。（1）将导电材料包覆在磷酸铁 锂材料表面，形成有效的锂离子扩散通道，提高导电率；（2）防止磷酸锰铁锂颗 粒团聚，提升均一性，提高电导率、稳定性。（3）抑制一部分锰离子的析出，提 高电池循环寿命。在实际应用中，碳材料是进行包覆时的首选材料。
　　2、纳米化：改善倍率性能和低温性能。纳米化主要通过机械球磨、控制煅烧温度等方法来减小材料晶体粒径。（1）减小材料颗粒的尺寸可以缩短离子的扩散路 径，提高电导率从而提升倍率放电性能；（2）减小晶体粒径提升了材料的比表面 积，增大与电解液的接触界面，降低电极界面阻抗，改善循环寿命、低温性能等 电化学性能。
　　3、离子掺杂：有效改善电化学性能。掺杂原子可选择不同的半径，小半径原子 掺入晶体后晶格间距会变小，锂离子的扩散通道会变短，提升锂离子传递效率； 大半径原子经过原位掺杂替代晶体中的原子，使晶格间距变大，利于更多的锂离 子通过，也会提升锂离子的传递效率。以重庆长安新能源汽车科技有限公司发布 的专利为例，掺杂镁、镍金属离子，可以提高磷酸锰铁锂正极的导电性，从而提 升倍率性能；同时获得更高的比容量，循环性能更好。
　　4、磷酸锰铁锂与其它材料混合改善性能。磷酸铁锰铁锂和其他材料复合，有望 取长补短，综合不同材料的优势。（1）与三元材料复合，改善倍率性能、循环寿 命和安全性。（2）添加导电剂（碳纳米管、炭黑、Super P-Li 及导电石墨等）， 提高电子电导率、提高锂离子迁移速率以提高充放电效率和循环寿命、改善低温 特性等；（3）添加补锂剂，通过过量的锂元素来提升电化学性能。
　　1.3 产业化前夕，多企业布局
　　磷酸锰铁锂综合了磷酸铁锂和三元材料的优点，且生产工艺与磷酸铁锂相似，生 产企业学习成本低，随着产能释放、工艺优化以及改性技术的发展，磷酸锰铁锂 竞争优势不断强化，通过替代部分磷酸铁锂需求以及通过与三元材料形成复合材 料而不断提高渗透率，我们认为磷酸锰铁锂的需求领域主要来自于电动两轮车、 中低端电动车以及储能领域。
　　磷酸锰铁锂需求空间广阔。根据德方纳米公告，1GWh 电池需要磷酸铁锂正极材 料 2200-2500 吨左右，由于 Mn 和 Fe 的原子量十分接近，假设磷酸锰铁锂正极 材料的单 Gwh 消耗量为 2350 吨，我们预计 2025 年电动车+储能+小动力领域锂 电池需求量为 1694.7GWh，在乐观/中性/悲观渗透率预期下，需求量分别达到 51.8/35.8/19.9 吨。
　　多企业重点布局，2023 年或是产业化节点。磷酸锰铁锂是磷酸铁锂的重要升级 方向，许多电池厂和正极厂均积极进行相关产品技术的研发和相关专利申请，同 时建设相关产线；同时，得益于磷酸锰铁锂良好前景，一些其他领域的公司跨界 进入此赛道。目前整体来看，随着产品验证以及项目的建设，2023 年或是磷酸锰 铁锂批量化生产和应用节点。
　　1.4 投资分析
　　1、德方纳米
　　磷酸铁锂正极龙头。德方纳米深耕锂电材料产业 15 年，是全球技术领先的液相 法磷酸铁锂材料生产企业，主要产品纳米磷酸铁锂市场占有率位居行业前列。受 益于新能源汽车需求爆发，公司业绩快速增长，2022 年 Q1-Q3 实现营收 144.16 亿元，同比高增 519.79%，创历史新高。
　　技术储备充足。公司研发自热蒸发液相合成技术，有效改善磷酸锰铁锂材料的锰 离子的溶出问题，提升电池循环寿命；同时，公司也研发了非连续石墨烯包覆、 纳米化技术、离子掺杂技术等材料改性技术，有效提升电化学性能。
　　产能建设领先行业。2022 年 9 月，德方纳米年产 11 万吨新型磷酸盐系正极材料 生产基地项目顺利建成投产，根据公司测算，项目满产后，预计年均营业收入为 62.48 亿元，年均税后利润为 5.11 亿元，项目税后内部收益率为 16.30%，投资 回收期为 7.30 年。另外，公司将继续在曲靖投资 75 亿元建设＂年产 33 万吨新 型磷酸盐系正极材料生产基地项目＂，未来总产能有望达到 44 万吨。
　　2、容百科技
　　容百科技是国内外领先的三元正极材料供应商。容百科技是我国三元正极供应龙 头，公司依托三元正极材料供应，继续布局磷酸锰铁锂材料和钠电材料等新板块。 受益于新能源汽车需求爆发，公司业绩快速增长，2022 年 Q1-Q3 实现营收 192.80 亿元，同比高增 208.41%，创历史新高。
　　收购天津斯科兰德入局磷酸锰铁锂。2022 年 7 月，公司收购整合天津斯科兰德 及其旗下主体，目前斯科兰德具备 6200 吨/年磷酸锰铁锂产能，其中，斯科兰德 控股子公司临汾中贝拥有 5000 吨/年磷酸锰铁锂产能；斯科兰德与四川新国荣签署了 3 年独家排他的《产品委托加工协议》，四川新国荣现有 1200 吨/年磷酸锰 铁锂产能，同时，斯科兰德正在扩建产能至万吨级以上。 下游需求旺盛，推动产品放量。公司在 10 月 14 日接受机构调研时表示，磷酸锰 铁锂 9 月出货超 200 吨，正进行产能爬坡，目前下游需求比较旺盛，现有 6000 多吨产线无法满足市场需求，公司将开发万吨级的磷酸锰铁锂产线建设，以满足 下游需求，公司磷酸锰铁锂的出货量和开发进度均在行业前列，计划于 2025 年 磷酸锰铁锂产能达到 30 万吨。
　　3、当升科技
　　锂电正极优质企业。公司是锂电正极材料的供给商，主要从事钴酸锂、多元材料 及锰酸锂等小型锂电、动力锂电正极材料的研发、生产和销售。2022 年 Q1-Q3 实现营收 192.80 亿元，同比高增 208.41%；实现归母净利 14.78 亿元，同比高 增 103.18%。
　　通过合作建设产能。公司拟与四川蜀道新材料、攀枝花钒钛高新区管委会签订合 作协议，首期拟投资 70 亿元建设年产 30 万吨磷酸（锰）铁锂项目预计于 2028 年底前全部建成达产，远期再规划 20 万吨产能视市场情况投建。通过与其他公 司合作，有利于结合双方在技术、矿产资源、磷化工产业等方面的优势，推动磷 酸锰铁锂产品落地。2.硅基负极：4680+快充加速新一代负极产业化
　　2.1 硅基负极是负极升级新方向
　　快充是电车行业发展趋势，负极是决定快充性能的关键材料。随着电池技术的发 展，新能源汽车的续航里程不断提升，与油车差距缩短，续航焦虑逐步缓解，但 充电焦虑仍是行业需要解决的另一大痛点，故发展快充技术是当前行业趋势之一。 快充的目的是提高电动车充电效率，其本质是提高充电功率，目前有增大充电电 流和提高充电电压两种方法。从电池端来看，据中南大学《盘点五类快充负极材 料》，快充电池需要在电池材料上做出改变和升级，电池的快充性能短板在负极， 它是电池充电倍率的决定因素，负极对快充的影响强于正极。
　　当前主流石墨负极比容量接近极限，且快充性能差。目前锂离子电池负极材料以 石墨类为主，现阶段市场上的石墨负极产品比容量基本均在 350mAh/g 以上，接 近理论比容量上限 372mAh/g，为顺应电池提升能量密度的发展趋势，需要研发 更高比容量的负极材料。另外，石墨材料较慢的嵌锂过程阻碍了锂离子电池的快 充应用，主因石墨负极存在析锂问题，会影响动力电池的使用寿命，同时析出的 锂金属会以枝晶的形式生长，容易刺穿隔膜，引发电池内部短路，造成严重的安 全问题。
　　硅基材料比容量极高，快充性能好，有望成为新一代负极。硅基材料相较石墨材 料优势显著：（1）硅材料拥有的理论质量比容量高达 4200mAh/g，是石墨材料的 10 倍以上；（2）硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异； （3）硅的对锂电位高于石墨，充电时析锂的可能性不大，安全性更高。硅基材 料的这些优势满足了新一代负极材料的发展需求。
　　硅基材料存在首次库伦效率低、倍率性能和循环性能差等问题。（1）硅在嵌锂过 程中将会出现严重的体积膨胀和结构变化，体积膨胀产生的机械应力不断破坏硅 颗粒表面的 SEI 膜，多次循环最终导致锂离子消耗殆尽，循环性能变差；（2）电 解液 6 分解产生的微量 ，会对硅造成腐蚀导致硅负极的容量发生衰减，使 得电池的首次库伦效率偏低；（3）由于硅是半导体材料，电子电导率和离子电导 率低影响其电级反应速率，使得倍率性能变低。
　　2.2 硅基负极的制备工艺及性能优化路径
　　主流硅基负极为硅碳复合材料与硅氧复合材料。由于硅有体积膨胀的问题，目前 主要通过硅与其他材料混合制成复合材料来抑制体积膨胀，碳材料在充放电过程 中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，且硅与碳化学性质相近，二者能紧 密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。目前，主流硅基材料有硅碳复合材 料与硅氧复合材料，其中硅碳负极是指纳米硅与石墨材料混合，其克容量更高， 首次效率高，但体积膨胀较大导致循环性能相对较差；硅氧负极则采用氧化亚硅 与石墨材料复合，其体积膨胀大大减小，故循环性能更好，但首次效率较低。
　　目前国内的主流制备工艺为机械球磨法。从制备工艺上看，制备工艺主要有机械 球磨法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、高温热解法，其中机械球磨法对设备要 求较为简单，制造成本较低，在国内工业化生产中更为主流。
　　制备不同硅基负极的前端工序有所不用，而后端工序基本相同。由于硅碳负极和 硅氧负极分别采用纳米硅和氧化亚硅与石墨混合，故两种负极材料的前端程序不 同，而后端工序（前驱体的表面处理、筛分、除磁包装、成品）基本相同。硅碳 负极方面，其生产工艺的核心难点在于纳米硅粉的制备，纳米化可以缓冲硅在脱 嵌锂离子过程中产生的应力和形变。硅氧负极方面，其氧化亚硅前驱体制备更加 复杂，需利用二氧化硅和单质硅作为原料制备，然后进行后续工艺。
　　成本较石墨更高，规模化下成本有望降低。由于硅料的价格高于石墨，故硅基负 极的材料成本高于石墨负极，当前硅料价格较高的原因主要是光伏行业需求旺盛 所致，考虑到当前上游硅料端的企业正在积极布局扩产，未来随着产能的逐步释 放，硅料价格有望理性回归。另外，由于硅基负极对生产设备的要求较高，也导 致其单吨投资额（约 4-5 亿元/吨）高于石墨负极（约 3-4 亿元/吨），根据产业反 馈，规模化投产后，硅基负极投资额会逐步下降。
　　考虑到两大硅基负极材料的不足，当前行业的优化方向主要是解决硅碳负极的低 循环寿命问题和硅氧负极的低首次效率问题：
　　1、硅碳负极优化：通过缩小硅粉的硅粒尺寸提升循环寿命。硅碳负极循环寿命 低的原因是由于其体积变化率大，致使负极材料粉化、脱落，使电池失效。目前 行业主要通过缩小硅粒尺寸来解决，研究表明，随着粒径减小，循环性能相应提 升，其核心在于硅粉制备工艺的升级改进。
　　国内纳米硅粉制备以球磨法为主，海外制备技术领先。目前，纳米硅粉的制备方 法主要有机械球磨法、化学气相沉积法、等离子蒸发冷凝法三种。西方国家工业 生产纳米硅粉的起步较早，日本帝人、美国杜邦、德国 H.C.Stark、加拿大泰克 纳等均能够应用等离子蒸发冷凝法生产多种不同粒度的高纯纳米硅粉，生产技术 方面处于世界地位。国内对纳米硅粉的研制起步较晚，制造水平相对落后，通常 采用机械球磨法合成纳米硅粉，化学气相沉积法和等离子蒸发冷凝法仅处于实验 水平，无法达到批量化生产，未来随着对新工艺的不断探索，有望实现高性能纳 米硅粉的国产化突破。
　　2、硅氧负极优化：通过预锂化工艺提升首效。硅氧负极首效低其嵌锂机制密切 相关，硅氧材料在首次嵌锂过程生成的不可逆的 Li4SiO4 和 Li2O，消耗了大量的 锂，导致了其首效低。另外，SEI 的形成和界面副反应、材料体积膨胀效应大和 固有电导率低也导致了收效降低。业内主要通过预锂化，在电池组装之前对材料 进行补锂，以弥补首次充放电的不可逆损耗。
　　稳定金属锂粉预锂化应用较多，规模化后成本有望下降。预锂化方式主要包含锂 化添加剂法、自放电预锂化法、电化学预锂化法和化学预锂化法。采用稳定的金属锂粉进行预锂化是目前商业化最有效、最直接的方法，但对环境的生产环境的 水分、氧气要求苛刻，需要研发密闭的混浆设备，因此成本也较高，但规模化后 成本有望下降。
　　2.3 4680+快充带动需求，行业正处产业化初期
　　新一代 4680 电池推出，有望成为动力电池主流之一。2020 年 9 月特斯拉在电池 日上公布 4680 电池，相比上一代 2170 电池，4680 电池直径增加到 46mm，pack 系统管理难度减小，降低电池材料成本，每 kWh 成本下降约 14%；同时，4680 采用激光雕刻的无极耳技术，缩短电子运动距离，电池内阻减少，电芯容量提高 且更加安全，续航里程增加 16%，单体能量密度提高 5 倍，能量密度可达 300Wh/kg。优异的性能有望使 4680 电池成为未来动力电池主流之一。
　　4680 布局迅速推进，2023 年或为放量元年。特斯拉发布 4680 电池以来，国内 外各厂商迅速推进布局，从各个厂商公告来看，目前海外的特斯拉、松下、LG 布局进度较为领先，国内亿纬锂能也明确表示有 4680 电池的产能布局。从各厂 商产能规划进度来看，预计 2023 年有望成为 4680 电池放量元年。
　　硅基负极更适配圆柱电池，4680 电池有望推动硅基负极量产。硅基负极膨胀系 数较大，圆柱电芯相比方形电芯内应力分布更均匀，不易造成内部材料损毁，故 硅基负极更适合圆柱电池，早在特斯拉 Model3 的 2170 电池负极中，就有采用硅 基材料。同时，圆柱电池的成组效率较低，为了达到和方形电池相同的能量密度， 需要使用比容量更高的硅基负极。特斯拉推出的 4680 圆柱电池已明确搭配硅基 负极，4680 电池的量产有望推动硅基负极的应用。
　　2022 年后快充电车陆续推出，快充性更好的硅基负极有望受益。早在 2019 年保 时捷的 Taycan 全球首次推出 800V 高电压电气架构，搭载 800V 直流快充系统并 支持 350kw 大功率快充。进入 2021 年后更多车企加入高压快充路线，先后有 现代、起亚、比亚迪、长城、广汽、小鹏等车企布局高压快充，且蔚来和广汽埃 安等车企在电池技术上均提及硅负极，高压快充车型的量产有望带动快充性能更 加优秀的硅基负极需求。
　　预计 2025 年硅基负极的需求量有望达到 26 万吨。假设：（1）据特斯拉公告，其 2022 年销售目标为 150 万辆，到 2030 年销售目标为 2000 万辆，考虑到特斯拉产能建设规划，我们预计 2025 年特斯拉销量有望达到 422 万辆；（2）考虑到硅 基负极高比容量、快充性能的优势，以及规模化生产后成本降低，预计其他车企 也有望在高镍三元电池技术中加入硅基负极来应用于中高端车型，假设高镍三元 正的装车占比为 40%，到 2025 年硅基负极在高镍三元电池的渗透率为 30%；（3） 在高端消费电子领域以及小动力电池领域（包括电动工具等），高端领域对成本敏 感性不高，对电池的能量密度和快充性能要求较高，有望推动硅基负极的渗透， 我们假设 2025 年硅基负极的渗透率为 25%；（4）根据石大胜华 2021 年 11 月会 议纪要，按添加量 10%的硅计算，1GWh 的 4680 电池大概需要消耗 750 吨左右 的硅碳负极材料。综上，我们预计 2025 年硅基负极的需求量有望达到 26 万吨。
　　企业积极布局，有望逐步放量。硅基负极前景较好，从布局企业来看，传统石墨 类负极企业如贝特瑞、璞泰来等企业布局较早；同时也有电池和其他领域的公司 如宁德时代、国轩高科等企业跨界进入。从进度上看，已有少量产能释放，多数项目推进顺利，正在进行中试，有望逐步放量满足下游需求。
　　2.4 投资分析
　　杉杉股份
　　公司主要从事锂离子电池正极材料、负极材料和电解液、LCD 偏光片的研发、生产和销售。主要产品包括钴酸锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂、镍钴铝三元材料、 三元正极材料前驱体、人造石墨、天然石墨、硅基负极、复合石墨、电解液等。 2022 年 Q1-Q3 实现营收 158.41 亿元，同比增长 0.82%，营收增速放缓主因出 售正极业务子公司杉杉能源的部分股权，以及与之配套的上游锂盐制造子公司湖 南永杉的 100%股权，上述业务于 2021 年 9 月 1 日起不再纳入公司合并报表。
　　硅氧负极产品性能优秀，处于行业领先水平。公司硅氧亚硅负极材料的性能和产 业化处于领先位置，产品具有可逆容量高、循环性能和倍率性能优秀等性能，与 其他公司的相关产品相比，公司硅氧负极颗粒更小，首次容量性能好、首次效率 优异。此外公司已掌握硅基负极材料前驱体批量化合成核心技术，相关材料已经 通过下游核心客户测试。下游应用上，目前公司硅基负极产品已批量应用于数码 等消费电池领域，进入全球知名电动工具企业的供应链；在动力电池领域，公司 硅基产品通过了全球优质动力客户的产品认证，已实现装车。
　　进入全球供应链，下游客户资源优质。公司已经与全球主流锂电池制造商建立紧 密合作，客户包括 ATL、LG ES、CATL、比亚迪、力神、蜂巢能源、孚能科技、 国轩高科、亿纬锂能、SDI 等国内外主流的电芯企业。2022 年 4 月 20 日公告，宁德时代、比亚迪、ATL、中国石油集团昆仑资本等对上海杉杉锂电增资，有望 加强公司与上下游的合作关系。
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　　精选报告来源：【未来智库】。「链接」