请参阅最后一页的重要声明证券研究报告·行业动态电池科技前瞻系列报告之十四：干法合成三元单晶正极，一力降十会还是问鼎志难酬行业动态信息研究者探索干法合成单晶三元正极技术路径研究者LituoZheng、M.N.Obrovac等人探索了干法合成单晶三元正极的技术路径，并分析了所得正极的性能。研究成果All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries2020年发表在JournalofTheElectrochemicalSociety上（LituoZhengetal2020J.Electrochem.Soc.167130536）。干法单晶三元工艺技术具备降本潜质，相应研究虽然难称科学颠覆，但仍有相当程度的技术探索价值。材料体系构建和工艺控制：金属氧化物混合、不同气氛温度煅烧研究工作构建了多组不同的体系。前驱体的镍源为氧化镍，锰源为氧化锰，钴源为四氧化三钴，化学计量比符合622三元正极要求。干法球磨介质分别使用不锈钢球-不锈钢罐和二氧化锆球-氧化铝瓶。后续煅烧的锂源是碳酸锂，过量程度10%到20%不等。烧成气氛有空气和纯氧，固定温度调整时间，也有先后经历不同气氛煅烧的组别。表征分析：物相成功获得，尺寸形貌一般，性能差强人意研究者分析，高能球磨手段并不能确保获得原子级混合的金属氧化物“前驱体”，但是在颗粒足够小之后，煅烧可能获得均匀的层状结构正极；锂源过量程度不同对正极的影响很小；“两段式”烧成有利于改善样品的综合性能。最佳样品首次循环后容量超过160mAh/g，2.5-4.3V、0.05C条件下在循环90次后剩余容量约90%。总结与评论：千里未可知，跬步亦当时我们认为，全干法合成单晶三元正极的工艺部分解耦了前驱体和正极的粒径关系（相比于传统共沉淀方法而言），而且具备规模化潜力，确实有降低全过程成本的可能性。但是正极性能上限大概率不及现有成熟工艺。主要调控方法是混合、烧成制度。投资建议我们认为，正极材料是锂离子电池的关键组元和主要性能瓶颈所在，提升性能、降低成本是主旋律，技术路线之间的竞争将长期存在。建议投资者关注三方面标的：前驱体标的中伟股份、格林美、华友钴业等；三元正极标的容百科技、长远锂科、德方纳米等；对材料底层有深入研究的电池企业宁德时代、比亚迪、孚能科技等。风险提示动力电池底层技术进步不及预期。维持强于大市杨藻yangzao@csc.com.cn18621883566执业证书编号：S1440520010003张亦弛zhangyichi@csc.com.cn010-85159272执业证书编号：S1440520040001发布日期：2020年12月17日市场表现相关研究报告-12%8%28%48%68%88%2019/12/172020/1/172020/2/172020/3/172020/4/172020/5/172020/6/172020/7/172020/8/172020/9/172020/10/172020/11/172020/12/17电气设备上证指数电气设备1电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明行业动态信息评述1、研究者探索干法合成单晶三元正极技术路径研究者LituoZheng、M.N.Obrovac等人探索了干法合成单晶三元正极的技术路径，并分析了所得正极的性能。研究成果All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries2020年发表在JournalofTheElectrochemicalSociety上（LituoZhengetal2020J.Electrochem.Soc.167130536）。干法单晶三元工艺技术具备降本潜质，相应研究虽然难称科学颠覆，但仍有相当程度的技术探索价值。图表1：论文All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries资料来源:All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投研究者认为，直径在2-10微米之间的单晶三元正极引起业界关注：单晶三元正极在同等条件下进行充放循环，其颗粒破碎程度相比于传统多晶（团聚态）三元正极有所减轻，这是由其单一晶粒的结构完整性和不同晶粒整齐的收缩/舒张行为决定的。同时，单晶正极的电解液反应活性、产气情况也更低，这使得单晶正极更适合作为长寿命电池、“百万英里”电车的适配正极材料。作为对比，颗粒破碎、电连接劣化、产生新鲜表面增加电极和电解液副反应等是多晶三元正极的软肋，而且随镍含量提升问题加剧。研究者进一步论述，在商业化的三元正极锂电池中，多晶、单晶正极都是通过共沉淀方式，在搅拌反应器中合成的。这个过程需要精确控制浓度、温度、投料速率、PH、搅拌强度等工艺参数，并需要多次洗涤、过滤、烘干去除杂质，即使工艺过程已经成熟化也仍然需要较高的成本。但是，共沉淀的繁杂工艺带来的好处是获得原子级混合金属元素的前驱体，有利于后续锂化烧成正极。另外对单晶三元正极来说，采取前序共沉淀方式还可以获得低比表面积单分散前驱体颗粒，以直接调控单晶尺寸。研究者最后分析，上述效果（获得合适“前驱体”）也可以通过球磨方式实现，而煅烧条件优化可以用来调控最终三元正极的尺寸。研究实验就此展开。2、材料体系构建和工艺控制：金属氧化物混合、不同气氛温度煅烧研究工作构建了多组不同的体系。前驱体的镍源为氧化镍，锰源为氧化锰，钴源为四氧化三钴，化学计量比符合622三元正极要求。干法球磨介质分别使用不锈钢球-不锈钢罐和二氧化锆球-氧化铝瓶。作者认为在充分研磨后无需经过液体清洗环节。后续煅烧的锂源是碳酸锂，过量程度10%到20%不等。烧成气氛有空气和纯氧，固定温度调整时间，也有先后经历不同气氛煅烧的组别。2电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明图表2：正极工艺对应不同样品组别示意资料来源：All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投3、表征分析：物相成功获得，尺寸形貌一般，性能差强人意研究者分析，高能球磨手段并不能确保获得原子级混合的金属氧化物“前驱体”（不锈钢球组获得单一岩盐相，而锆球组仍有分相）。但是在颗粒足够小之后，煅烧可能获得均匀的层状结构正极。图表3：研究工作制备“前驱体”的物相分析资料来源:All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投锂源过量程度不同对材料形貌、物相的影响区别有限。所有三组样品均表现出了棱角较分明的形貌外观，和共沉淀法的区别较明显。但物相几乎一致，层状材料正极均成功获得。图表4：典型正极样品的形貌和物相分析资料来源：All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投3电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明锂源过量程度不同对正极的容量、首效影响有限。图表5：锂源过量程度不同样品的首效资料来源：All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投研究者表示，对高镍正极而言，纯氧气氛下成相有利于充分氧化镍元素，降低锂镍混排程度。调整煅烧气氛为纯氧后，正极颗粒直径减小至约2微米，物相保持，首效稍有提升，混排程度从约3%下降至2%以下。图表6：锂源过量20%，纯氧气氛煅烧的样品表征资料来源：All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投研究者进一步分析，纯氧气氛下煅烧获取的正极材料晶粒偏小，所以有必要经过“两段式”烧成，以空气气氛高温促晶粒生长，再以纯氧气氛高温保温充分氧化镍元素。“两段式”烧成后，样品的形貌有所改善，首效进一步提升，首次循环后容量超过160mAh/g，2.5-4.3V、0.05C条件下在循环90次后剩余容量约90%。进一步4电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明延长高温段时间效果不明显。图表7：调整气氛的“两段式”烧成获得正极的首效、容量和循环性能资料来源：All-DrySynthesisofSingleCrystalNMCCathodeMaterialsforLi-IonBatteries，中信建投4、总结与评论：降低成本的探索与代价研究者最后认为，球磨手段可以获得（虽然未必一定获得）纯岩盐相氧化物前驱体；全干法单晶正极的尺寸可由热处理工艺完全调控；调整气氛后的“两段式”烧成可以获得大尺寸（3-10微米）单晶正极。从研究者的数据结论中可以看出，其全干法正极（指合成过程，而非特斯拉、Maxwell的干法涂布）获得了较纯净的层状三元材料物相，容量、首效尚可，循环寿命一般。我们认为，全干法合成单晶三元正极的工艺部分解耦了前驱体和正极的粒径关系（相比于传统共沉淀方法而言），而且具备规模化潜力，确实有降低全过程成本的可能性。但是研究者的工作也存在若干待改进点：其一，不锈钢球会主动引入铁，而铁磁性物质对电池性能有害，锆球体系极大概率是更好的分散及前驱体制备系统选择。其二，烧成制度仅为初步探索，时间、温度、气氛三者的关系还有相当优化空间。其三，单晶正极粒径分布较宽，表面形貌棱角分明，在循环过程中有可能放大颗粒间的性能差异。改进的方式包括优化球磨工艺和烧成制度等，但优化后的正极性能上限大概率不及已在实际应用的共沉淀法前驱体-引入锂源烧成的正极工艺。5电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明投资评价和建议我们认为，正极材料是锂离子电池的关键组元和主要性能瓶颈所在，提升性能、降低成本是主旋律，技术路线之间的竞争将长期存在。建议投资者关注三方面标的：前驱体标的中伟股份、格林美、华友钴业等；三元正极标的容百科技、长远锂科、德方纳米等；对材料底层有深入研究的电池企业宁德时代、比亚迪、孚能科技等。风险分析动力电池底层技术进步不及预期。6电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明分析师介绍杨藻：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年能源材料领域实业工作，2年清华大学下属研究院研究经验，储能技术与产业政策专家。在学及就业期间发表多篇SCI及中文核心论文，申请多项国家专利并获得授权。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、2019年金麒麟新锐分析师团队成员。7电气设备行业动态研究报告请参阅最后一页的重要声明评级说明投资评级标准评级说明报告中投资建议涉及的评级标准为报告发布日后6个月内的相对市场表现，也即报告发布日后的6个月内公司股价（或行业指数）相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅作为基准。A股市场以沪深300指数作为基准；新三板市场以三板成指为基准；香港市场以恒生指数作为基准；美国市场以标普500指数为基准。股票评级买入相对涨幅15％以上增持相对涨幅5%—15％中性相对涨幅-5%—5％之间减持相对跌幅5%—15％卖出相对跌幅15％以上行业评级强于大市相对涨幅10%以上中性相对涨幅-10-10%之间弱于大市相对跌幅10%以上分析师声明本报告署名分析师在此声明：（i）以勤勉的职业态度、专业审慎的研究方法，使用合法合规的信息，独立、客观地出具本报告,结论不受任何第三方的授意或影响。（ii）本人不曾因，不因，也将不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接收到任何形式的补偿。法律主体说明本报告由中信建投证券股份有限公司及/或其附属机构（以下合称“中信建投”）制作，由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供。中信建投证券股份有限公司具有中国证监会许可的投资咨询业务资格，本报告署名分析师所持中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格证书编号已披露在报告首页。本报告由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。本报告作者所持香港证监会牌照的中央编号已披露在报告首页。一般性声明本报告由中信建投制作。发送本报告不构成任何合同或承诺的基础，不因接收者收到本报告而视其为中信建投客户。本报告的信息均来源于中信建投认为可靠的公开资料，但中信建投对这些信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告所载观点、评估和预测仅反映本报告出具日该分析师的判断，该等观点、评估和预测可能在不发出通知的情况下有所变更，亦有可能因使用不同假设和标准或者采用不同分析方法而与中信建投其他部门、人员口头或书面表达的意见不同或相反。本报告所引证券或其他金融工具的过往业绩不代表其未来表现。报告中所含任何具有预测性质的内容皆基于相应的假设条件，而任何假设条件都可能随时发生变化并影响实际投资收益。中信建投不承诺、不保证本报告所含具有预测性质的内容必然得以实现。本报告内容的全部或部分均不构成投资建议。本报告所包含的观点、建议并未考虑报告接收人在财务状况、投资目的、风险偏好等方面的具体情况，报告接收者应当独立评估本报告所含信息，基于自身投资目标、需求、市场机会、风险及其他因素自主做出决策并自行承担投资风险。中信建投建议所有投资者应就任何潜在投资向其税务、会计或法律顾问咨询。不论报告接收者是否根据本报告做出投资决策，中信建投都不对该等投资决策提供任何形式的担保，亦不以任何形式分享投资收益或者分担投资损失。中信建投不对使用本报告所产生的任何直接或间接损失承担责任。在法律法规及监管规定允许的范围内，中信建投可能持有并交易本报告中所提公司的股份或其他财产权益，也可能在过去12个月、目前或者将来为本报告中所提公司提供或者争取为其提供投资银行、做市交易、财务顾问或其他金融服务。本报告内容真实、准确、完整地反映了署名分析师的观点，分析师的薪酬无论过去、现在或未来都不会直接或间接与其所撰写报告中的具体观点相联系，分析师亦不会因撰写本报告而获取不当利益。本报告为中信建投所有。未经中信建投事先书面许可，任何机构和/或个人不得以任何形式转发、翻版、复制、发布或引用本报告全部或部分内容，亦不得从未经中信建投书面授权的任何机构、个人或其运营的媒体平台接收、翻版、复制或引用本报告全部或部分内容。版权所有，违者必究。中信建投证券研究发展部中信建投（国际）北京上海深圳香港东城区朝内大街2号凯恒中心B座12层上海浦东新区浦东南路528号南塔2106室福田区益田路6003号荣超商务中心B座22层中环交易广场2期18楼电话：（8610）8513-0588电话：（8621）6882-1600电话：（86755）8252-1369电话：（852）3465-5600联系人：杨洁联系人：翁起帆联系人：陈培楷联系人：刘泓麟邮箱：yangjie@csc.com.cn邮箱：wengqifan@csc.com.cn邮箱：chenpeikai@csc.com.cn邮箱：charleneliu@csci.hk