“十三五” 時期我國鋰電正極材料發展成就

朱素冰 李揚超

“十三五”期間，我國動力鋰電池領域從基礎研究到具體應用都取得了一系列顯著的創新成果，有力地支撐了新能源汽車產業的快速發展。那么，作為影響動力電池性能和成本的關鍵材料——鋰電正極材料，也獲得了長足的進步。

1? 鋰電正極材料終端應用市場發展情況

“十三五”以來，動力鋰電正極材料市場應用增量發展已經進入快車道。高工產研鋰電研究所（GGII）數據顯示，2020年我國正極材料產銷量約為51萬t，2020年正極材料產銷量比2015年產銷量約增加40萬t，約占全球鋰電正極材料產銷量的80%以上，穩坐全球鋰電正極材料產銷國第一把 “交椅”。2021年上半年，我國正極材料產量約為41.2萬t，同比大幅增長，達成了2020年全年80%的產量。其中三元材料16.7萬t、鈷酸鋰4.6萬t、磷酸鐵鋰15.4萬t、錳酸鋰4.5萬t。

根據市場應用領域劃分，鋰電池主要分為互聯網（IT）消費電子、動力鋰電和儲能鋰電等。市場上主要量產的鋰電正極材料為鈷酸鋰（LCO）、多元材料﹝鎳鈷錳酸鋰（NCM）、鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）和錳酸鋰（LMO）﹞及磷酸鐵鋰（LFP）等。

“十三五”期間，鋰電池的應用領域從IT消費電子市場逐漸向新能源汽車市場轉移。2016年左右，鋰電池最主要的應用方向是IT消費電子市場，隨著近幾年新能源汽車在我國政府的政策推動下獲得了蓬勃的發展，2020年動力鋰電池市場占所有應用領域市場份額的比例已經超過60%;全球鋰電企業主要分布在中日韓，2020年預計中國鋰電占據了全球鋰電市場份額的62%以上，排名第1（見圖1）。

IT消費電子市場是最早的鋰電應用市場，近幾年除了手機、平板電腦、筆記本電腦、電子煙、電動工具等常規的應用之外，更衍生出智能穿戴、機器人、無人機等市場應用領域。

全球智能手機消費量從2016—2020年出現逐年下降趨勢。受新冠疫情影響，2020年全年智能手機出貨量約為12.92億臺，同比下降5.9%。隨著5G手機的普及，2021年預計全球智能手機出貨量為13.5億臺，同比增長5%，5G智能手機占比將超過40%。2023年，預計全球智能手機出貨量達14.13億臺，5G智能手機占比將超過70%（見圖2）。

2019年，全球包括個人計算機（PC）、平板電腦在內的個人計算設備的出貨量約為4.17億臺，結束了連續8年的縮減，同比上升2.7%。2020年，受到新冠疫情的影響，全球居家學習和辦公的需求增加，互聯網數據中心（IDC）預計全年出貨量達到4.35億臺，同比上升4.3%（見圖3）。

2016—2020年，儲能鋰電市場需求復合增長率激增，2020年全球儲能鋰電市場需求接近20GWh，預計后續將會持續放大市場需求增幅。

2016—2020年，電動汽車市場需求持續上升，2020年全球電動汽車銷量達到312.5萬輛，同比上升41%;中國新能源汽車銷量136.7萬輛，同比上升10.9%。具體數據見圖4。

我國新能源汽車產業政策對國內動力鋰電及正極材料的發展起到了巨大的支撐作用。“十三五”期間，我國政府不斷建立和完善新能源汽車相關法律法規，落實產業支持政策。中國新能源汽車產業政策隨著時間的推移和產業發展的不同階段在逐漸變化，大致來說，可以分為行業孕育期、行業爆發期和行業成熟期3個階段，政府在不同的發展階段采取不同的政策引導。在孕育期，主要是通過各種規劃確定發展目標，采用高額國家和地方補貼的財政手段來刺激消費;在行業爆發期，補貼政策持續推動產業持續發展;在行業調整和成熟期，政府出臺了很多規范性政策，同時降低補貼力度，政府逐漸退出，通過市場手段和規律使電動汽車產業實現長期良性發展。

2014—2015年，中國新能源汽車產量增速超過350%，呈現產銷爆發式增長的趨勢。但是這種野蠻增長致使“泥沙俱下”，伴生著大量的騙補投機行為，資本一擁而上，爭相投向新能源產業，所有投資的利潤目標都源自于對財政補貼的追求。

2? 國家積極培育動力鋰電和材料明星企業

“十三五”時期，我國新能源汽車產業已經步入發展的快車道，政府希望通過調整產業政策，提高產業進入門檻，促進強強合作，培育汽車、鋰電池和材料的明星企業，對抗海外汽車和鋰電巨頭。

一方面，政府明確了繼續支持新能源汽車產業發展的態度，通過制定一系列的戰略和目標規劃闡明了我國新能源汽車產業發展的方向和目標：

①2016年3月，十二屆全國人大四次會議通過《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》，提出重點支持戰略性新興產業發展，要求使戰略性新興產業增加值占國內生產總值比例達到15%，支持新能源汽車、高端裝備與材料等領域的產業發展壯大。

②2016年11月，國務院發布《 “十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，明確提出要推動新能源汽車、新能源和節能環保產業快速壯大，構建可持續發展新模式。在新能源汽車產業規模方面提出明確要求，要求構建有全球競爭力的動力電池產業鏈。戰略規劃要求重點建設動力電池研發的創新中心，盡快解決動力鋰離子電池的安全性、循環和高能量密度方面的問題，尤其是亟待突破的動力電池的關鍵零部件和材料方面的技術瓶頸。

③2017年4月，工業和信息化部（以下簡稱“工信部”）、國家發展和改革委員會（以下簡稱“國家發改委”）和科技部3個部門印發了《汽車產業中長期發展規劃》，明確提出了2020年中國新能源汽車的年產銷數量目標為200萬輛，2025年新能源汽車的市場滲透率要求為20%以上，2020年中國動力電池的單體比能量目標要達到300Wh/kg以上。

④2018年6月，國務院發布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，重申了2020年新能源汽車產銷量目標要達到200萬輛;要求在公交汽車、出租車、郵政快遞等公用事業領域加快推廣新能源汽車，機場、鐵路和港口等重點區域的新增或更換作業車輛優先采用新能源或新能源汽車;并要求在2020年之前將所有重點區域的直轄市、省會省市和計劃單列市建成區的公交車輛更換為新能源汽車。

另一方面，國家出手整頓“騙補”潛規則，并陸續出臺了一系列政策措施，政策調整的方向朝著提升補貼門檻，資源向技術難度高的產品傾斜。屏蔽低端產能和低劣產品。同時調低公共領域如客車、物流車的補貼，強調使用端補貼。

①2016年1月，財政部、科技部、工信部和國家發改委4部門聯合發布《關于開展新能源汽車推廣應用核查工作的通知》，開始調查汽車騙補問題。

②2016年10月，中國汽車工程學會發布《節能與新能源汽車技術路線圖（2016版）》，提出至2020年，新能源汽車市場滲透率達到7%以上，乘用車新車平均每百公里油耗為5L，商用車新車油耗接近國際先進水平，新能源汽車的主要技術路線是純電動與插電式混合動力汽車，采用新型鋰離子動力電池為主要的電池技術路線。

③2016年11月，工信部發布《汽車動力電池行業規范條件》（征求意見稿），要求鋰離子動力電池單體企業年產能力不低于80億Wh，金屬氫化物鎳動力電池單體企業年產能力不低于1億Wh，超級電容器單體企業年產能力不低于1千萬Wh。系統企業年產能力不低于80 000套或40億Wh，大大提高了動力鋰電企業的進入門檻。

④2017年3月，工信部、國家發改委、科技部和財政部4個部門發布關于印發《促進汽車動力電池產業發展行動方案》的通知，指明了動力電池產業的發展方向，要求持續提升產品質量和安全性并降低成本，到2020年，新型鋰離子電池單體比能量超過300Wh/kg。

⑤2018年2月，工信部、科技部、環保部、交通部、商務部、質檢總局和國家能源局7部門聯合發布《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，加強新能源汽車動力蓄電池回收利用管理，規范行業發展。

⑥2018年11月，工信部、國家發改委、科技部、公安部、交通運輸部、市場監管總局聯合發布《關于加強低速電動車管理的通知》，要求對現有低速車生產企業摸底、整改、淘汰轉型;嚴禁新增低速車產能，要求地方停止發布鼓勵低速車、低速車準入等相關政策;建立長效監管機制，設置一定過渡期，通過置換、回購、鼓勵報廢等方式淘汰違規的存量產品。

⑦2018年12月，國家發改委發布《汽車產業投資管理規定》，在新建車用動力電池單體/系統企業投資項目中，對循環壽命提出了技術要求：循環2 000次后剩余容量不低于初始容量的95%;循環1 500次后剩余容量不低于初始容量的95%。企業上2個年度車用動力電池產能利用率均不低于80%。

3? 國家加強推廣新能源汽車應用

此外，國家在推廣應用方面不遺余力，通過設置財政補貼持續退坡，推動碳積分交易，定向支持公用領域使用新能源汽車：

①2016年12月，財政部、科技部、工信部和國家發改委4部門聯合發布《關于調整新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，首次引入電池系統能量密度作為技術指標，成為補貼的調整系數;提高推薦車型目錄的技術門檻，并采用動態調整的方式進行管理;明確規定地方政府的補貼不超過中央財政單車補貼額的50%;補貼方式由預撥制轉為年度清算制;非個人用戶購買新能源汽車在申請補貼前有累計行駛里程須達到3萬km的要求等。2018年2月、2019年3月和2020年12月，財政部不斷調低2021年新能源汽車補貼標準，提高技術難度。

②2017年9月和11月，工信部、財政部、商務部、海關總署和質檢總局等部門相繼發布《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》和《關于2016年度、2017年度乘用車企業平均燃料消耗量管理有關工作的通知》，對規模以上傳統能源乘用車企2016年度、2017年度平均燃料消耗量和新能源汽車積分實施核算。對于2016和2017年2年度企業平均燃料消耗量負積分不能夠抵償為零的企業，其超標產品不予列入《道路機動車輛生產企業及產品公告》。2020年4月，工信部、財政部、商務部、海關總署、國家市場監督管理總局聯合發布《關于修改<乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法>的決定》，主要內容：一是修改積分計算方法，降低單車積分;二是引入電耗調整系數（EC），強調對百公里電耗的考核。

③2019年5月，財政部發布《關于支持新能源公交車推廣應用的通知》，新能源公交車的補貼延遲退坡，同時采取“以獎代補”方式重點支持新能源公交車運營;后續還有可能在商用車領域實施雙積分政策。

④2019年6月，國家發改委發布《推動重點消費品更新升級暢通資源循環利用實施方案》，要求各地不得對新能源汽車實施限行限購，已實施地區應當取消;推進城市建成區新增和更新的公交、環衛、郵政、出租、通勤、輕型物流配送車輛使用新能源或清潔能源汽車，并對重點大氣污染防治重點區域給予2020年底使用比例達到80%的目標等。

⑤2017年12月，財政部、國家稅務總局、工信部、科技部4部門發布《關于免征新能源汽車車輛購置稅的公告》， 2018年7月，財政部發布《關于節能新能源車船享受車船稅優惠政策的通知》，對于符合條件的新能源汽車免征車輛購置稅和車船稅。

⑥2018年3月，國家能源局發布《2018年能源工作指導意見》，提出統一電動汽車充電設施標準，積極推進充電樁建設，2018年計劃完成充電樁60萬個建設。2018年11月，國家發改門、國家能源局、工信部和財政部4部委發布關于《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》的通知，提出力爭用3年時間大幅提升充電技術水平，進一步優化充電基礎設施發展環境和產業格局作為行動計劃目標。

4? 中國鋰電正極材料企業發展情況

全球和中國新能源汽車的興起，為中國鋰電池產業帶來了機遇與挑戰，中國正極材料企業具有原料和市場渠道的雙重地緣優勢， 2016—2020年間，中國的正極材料產業進入快速增長期，產能和產量均得到穩步提升：鋰電正極材料總體產能從2015年底的22萬t/a迅速攀升到2020年底的140萬t/a，5年時間約增加7倍;鋰電正極材料總體產量從2015年11萬t/a攀升到2020年的51萬t/a，5年時間增加約5倍。正極材料中增長速度最快的是多元材料和磷酸鐵鋰材料。2020年中國多元材料出貨量約為23.6萬t，約占正極材料市場的46%，已經成為主流的動力鋰電正極材料。但是，也應該看到，由于鎳鈷價格的持續高企，成本更有優勢的磷酸鐵鋰材料獲得了更多車企的青睞，市占率不斷提升。2021年上半年，多元材料出貨量約為16.7萬t，約占正極材料市場的41%，磷酸鐵鋰出貨量約為15.4萬t，約占正極材料市場的37%。

日韓鋰電正極材料廠商與中國鋰電正極材料廠商在集中度上有顯著的不同。日本的鋰電正極材料廠商分布非常集中，日亞化學工業株式會社（Nichia）、住友金屬礦山株式會社和巴斯夫戶田美國有限責任公司這3家主流的廠家出貨量占全日本正極材料出貨量的85%以上。韓國的鋰電正極材料廠商分布比日本的情況更為分散一些，同時由于三星SDI公司、LG公司和SKI公司都有自己的正極材料工廠，其他市場由光未來（Light&Future）、ECOPRO BM公司、Cosmo AM&T和浦項化學株式會社瓜分。與日韓不同，中國的正極材料廠商分散度較高，各廠商產銷量與技術實力各有擅長領域，形成錯落有致的多層次市場發展態勢。中國的正極材料廠商近些年在與國內外一流的鋰電企業合作的過程中不斷發展，不管是從產能準備、產銷量還是技術實力上，都已經完全具備了與日韓企業同場競技的實力。

中國是全球最大的正極材料生產國，中國生產的鋰電正極材料不僅覆蓋中國鋰電市場，其鈷酸鋰和三元材料還大量出口到海外。由于中國的鈷酸鋰及多元材料出口到海外得到政府13%的退稅補貼，近幾年來鈷酸鋰及多元材料出口量迅速提升。國內主要的鈷酸鋰出口廠商有天津巴莫科技股份有限公司、湖南瑞翔新材料股份有限公司等，他們的客戶主要是韓國的鋰電廠商三星SDI和LG。中國多元材料出口廠商主要是當升科技、廈門鎢業等，他們的客戶主要分布在韓國和日本，如三星集團SDI、樂金集團（LG）、SK集團（SKI）、日本松下電器產業株式會社（Panasonic）;村田制作所（Murata）等。

全球的磷酸鐵鋰材料產地和銷售地都是在中國，主要生產廠商如德方納米、貝特瑞、湖南裕能新能源電池材料有限公司等由于看好動力鋰電和儲能鋰電的發展，紛紛追加投入，擴產擴量。國內的磷酸鐵鋰用戶主要是寧德時代新能源、比亞迪和國軒高科等動力鋰電廠商。

全球的錳酸鋰材料也主要集中在中國，但產業集中度不高，且錳酸鋰材料以小型鋰電和電動自行車用鋰電的應用為主。主要的錳酸鋰代表廠商是青島乾運高科新材料股份有限公司、無錫晶石新型能源股份有限公司和貴州丕丕丕電子科技有限公司等。

5? 鋰電及正極材料技術發展情況

中國鋰電正極材料產業的創新和技術開發能力與日俱增，中國正極材料企業領先于歐美并首先開發出將單晶型多元材料應用于動力鋰電池中，攻克了鋰電多元材料在高溫高電壓長循環等苛刻應用情境下循環跳水的難題。同時，中國在無鈷化正極材料方面也取得新的突破。

5.1? 鈷酸鋰材料

鈷酸鋰加工性能優異，充放電電壓平穩，放電平臺高、比容量較高且性能穩定，是首先商業化的正極材料，經過不斷的改性，目前仍是小型鋰電池的主流選擇。鈷酸鋰正極材料主要應用于手機、平板電腦、無人機航拍、電子煙、智能穿戴等領域。在鈷酸鋰中，由于鈷的含量較高，其價格高且波動幅度大，成本控制困難。所以近幾年不斷有廠商嘗試以鈷含量較低的三元材料替換鈷酸鋰。

智能手機、平板電腦等消費類電子產品向功能多元化，屏幕超大化、輕薄化方向發展、對鋰電池的待機時間和體積大小的要求不斷提升。鈷酸鋰材料的壓實密度已經接近極限，因此目前主要考慮提升到鋰電池的充電電壓來實現電池體積能量密度的提高。

鈷酸鋰在高電壓充電狀態下表界面穩定性下降、容易釋放氧氣，出現“鈷溶出”現象，暴露出不可逆的結構相變，從而造成電池電化學性能衰減或電池鼓脹等問題。現階段，國內幾家正極材料企業開始聯合電芯企業，通過多種元素摻雜的手段對鈷酸鋰材料進行改性，以提升其在高電壓充放電過程中的穩定性。目前，國內企業已將大批量鈷酸鋰的充電截止電壓逐漸提升至4.48V，體積能量密度已超過750Wh/L。

5.2? 多元材料

多元材料通常指鎳鈷錳三元正極材料和鎳鈷鋁三元正極材料（NCM）。由于NCM的鎳鈷錳的比例可以根據實際需求調整，常見的產品種類為NCM111、NCM523、NCM622、

NCM811等。三元材料電化學性能優良，能量密度高，結構穩定，且可以根據需求調整元素比例，在動力鋰電池市場種占據了非常重要的地位。

近5年來，在中國新能源汽車發展的推動下，由于新能源汽車的續航焦慮和政府持續推動的能量密度提升行動，中國多元系動力鋰電及多元材料的技術獲得了非常快速的發展。中國動力鋰電池材料體系從磷酸鐵鋰和錳酸鋰逐步向多元材料傾斜。由于動力鋰電池對能量密度、循環和安全性的不懈追求，多元材料的技術發展則主要朝著高鎳化和單晶化方向研究。

高鎳化三元材料對于提高能量密度效果顯著，目前國內已經有鎳（Ni）含量大于90%的三元材料批量生產。國內外高端車型也大多開始搭乘高鎳（Ni>60%）體系材料，如特斯拉（Tesla）、小鵬、蔚來等新勢力車企早已開始采用高鎳體系動力鋰電池。高鎳體系動力鋰電池能量密度優勢明顯，但安全隱憂也隨之而來;想要兼顧能量密度和安全性，單晶化中鎳三元材料匹配高電壓的方案可能是一個相對優解。一方面滿足了能量密度要求，也降低了安全風險，同時成本上也有望降低，因此更加受到市場的歡迎。目前市場上已經可以見到4.35～4.4V的高電壓三元材料批量應用。

此外，由于鈷價高企和波動幅度太大，下游車企成本壓力緊張，去鈷化的呼聲日益高漲。近2年越來越多的提鎳降鈷偏比例的多元材料產品進入市場。如Ni含量為55%或者65%，鈷降到7%～15%，降低了鈷的使用量，成本也獲得較大幅度下降。從技術的角度來看，從多元體系中不斷提高鎳，完全消除鈷是比較困難的，因為鎳含量在高于90%以上后，鋰電池容量保持率迅速下滑，鈷過低的情況下，倍率和低溫性能也表現較差。盡管如此困難，但基于對成本的考慮，Tesla明確提出未來將采用無鈷動力鋰電池的口號，甚至提出由于鎳價格也不斷提升，其將采用更多磷酸鐵鋰體系動力鋰電池。長城汽車旗下的動力鋰電廠商——蜂巢能源則已發布了2款無鈷化電池，分別是115Ah電芯和L6薄片無鈷長電芯，有望在2021年在長城系新能源汽車上裝載。國內比亞迪汽車則快速切換磷酸鐵鋰體系刀片電池裝載在2020以后的比亞迪大部分車型上。車企和動力鋰電池廠商對于無鈷化的追求，本質上是對成本的一種妥協，但在某種意義上來看，也標志著中國的動力鋰電技術的主要任務，已經從滿足技術性能要求逐漸過渡到滿足成本下降的要求。

5.3? 磷酸鐵鋰

磷酸鐵鋰（LFP）結構穩定、原料廉價，安全性優異，循環壽命較好，最早在國內被認為是最佳的動力鋰電和儲能鋰電材料體系。但是磷酸鐵鋰電池的電壓為3.2V，能量密度較低，很難響應逐步提升的能量密度要求，因此一度被認為難以在乘用車上獲得發展。然而近兩年來由于國內新能源汽車補貼的退出，車企和動力鋰電企業的成本壓力劇增，磷酸鐵鋰的低成本優勢凸顯，吸引了很多動力鋰電廠商加快開發磷酸鐵鋰體系的電芯。磷酸鐵鋰技術進步飛快，根據國軒高科的信息發布，他們采用磷酸鐵鋰材料制備的鋰電池電芯能量密度已經達到了210Wh/kg，系統能量密度超過了160Wh/kg。2020年比亞迪汽車推出了磷酸鐵鋰的“刀片”電池，兼顧能量密度和成本，成為動力鋰電市場上的熱銷產品。

磷酸鐵錳鋰作為磷酸鐵鋰的升級版材料，存在雙電壓平臺，電池的放電平臺可以上升到4.1V，與多元材料相當，比磷酸鐵鋰的能量密度約有20%的提升。同時，磷酸鐵錳鋰保持了低成本的原料來源，長循環的特性以及高安全性。并且小顆粒的磷酸鐵錳鋰可以與大顆粒的多元材料搭配使用，兼顧材料體系的體積比密度。目前海外Phostech和大阪水泥，以及國內比亞迪自產等企業已經具備磷酸鐵錳鋰的量產條件。未來在研究出耐高壓耐低溫且可以抑制錳溶出的電解液體系后，磷酸鐵錳鋰有望獲得更進一步的應用。

5.4? 錳酸鋰

錳酸鋰（LMO）雖然很早就應用在動力鋰電領域，如日產凌風的第一款暢銷車型LEAF，就是采用70%錳酸鋰搭配30%多元材料的材料體系。國內早期的電動大巴車，也主要采用錳酸鋰體系。但由于錳酸鋰電池的能量密度較低，近幾年在追求能量密度的中國市場上并不受青睞。隨著多元材料技術的不斷發展，在國際上也逐漸失去了原有法人位置。

但錳酸鋰材料由于價格低廉，在近兩年中國新能源汽車補貼退坡的情況下，獲得了部分動力和小型數碼低端廠商的認可，并逐漸應用到電動自行車、老年代步車等市場。

6? 結語

2020年9月，國家主席習近平指出，作為世界第2大經濟體與碳排放第1大國。中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。2020年11月2日，國務院發布關于印發《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》（以下簡稱“《規劃》”）的通知，《規劃》提出到2025年我國新能源汽車市場競爭力明顯增強，動力電池、驅動電機、車用操作系統等關鍵技術取得重大突破，安全水平全面提升。

“十三五”期間我國鋰電池正極材料取得了驕人的成績，2021年是我國新的“十四五”規劃的元年，從國家戰略層面看，未來新能源汽車及其零部件仍將會是國家重點支持的關鍵產業，中國鋰電池及正極材料產業發展將迎來新的機遇與挑戰。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.003