截至2023年10月，我國新能源汽車保有量達(dá)1821萬輛。我國新能源汽車已邁入規(guī)模化、全球化發(fā)展階段，帶動(dòng)我國成為全球最大的鋰離子電池制造國，市場占有率連續(xù)6年排名世界第一。

新能源汽車和新型儲(chǔ)能的高速發(fā)展對(duì)電池技術(shù)提出了更高要求。正極材料是決定電池性能與成本的關(guān)鍵因素。目前，我國正極材料以磷酸鐵鋰和三元材料為主，同時(shí)涌現(xiàn)了大量基于原有正極材料的技術(shù)創(chuàng)新和新型正極材料的技術(shù)革新，技術(shù)路徑豐富多樣。但正極材料在技術(shù)發(fā)展中仍面臨能量密度、安全性能與成本無法兼顧的問題。如何把安全的平衡點(diǎn)提升至高能量密度水平并兼具經(jīng)濟(jì)性，是正極材料高質(zhì)量發(fā)展亟待解決的問題。

本版文字除署名外由中國石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司 竇悅珊 提供

我國正極材料發(fā)展方興未艾

正極材料是鋰電池的核心材料之一，對(duì)產(chǎn)品最終的能量密度、電壓、使用壽命及安全性等有著直接影響，也是鋰電池中成本最高的部分，約占整個(gè)動(dòng)力電池電芯成本的30%~40%。

我國正極材料主要分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰（LFP）、三元材料、磷酸錳鐵鋰（LMFP）、鈉離子正極材料和其他新型正極材料。其中，前四類材料技術(shù)成熟，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用。2022年，我國正極材料出貨量為189.6萬噸，比上年增長近70%，產(chǎn)量達(dá)201.7萬噸。

目前，我國電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平有效提升，形成了以三元材料和LFP正極材料為主的發(fā)展路徑，其中，三元電池單體/系統(tǒng)比能量達(dá)到每千克300千瓦時(shí)，接近現(xiàn)有正極材料體系的能量密度極限，亟待以技術(shù)創(chuàng)新突破能量密度瓶頸，滿足市場發(fā)展對(duì)成本、安全的需要，實(shí)現(xiàn)我國正極材料技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

鈷酸鋰：高壓化技術(shù)與需求增量保市場份額

鈷酸鋰是我國最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的正極材料，具有理論能量密度高、倍率性能好、高低溫性能佳等優(yōu)點(diǎn)。但鈷的成本高，加之鈷酸鋰的實(shí)際能量密度低、安全性能差、循環(huán)壽命短，導(dǎo)致其應(yīng)用領(lǐng)域局限在小型電子產(chǎn)品。為滿足消費(fèi)電子對(duì)電池能量密度提升的需求，鈷酸鋰高壓化這一技術(shù)路徑最為直接有效，即提高充電上限電壓可以使鈷酸鋰脫出更多的鋰離子參與電化學(xué)反應(yīng)，從而提升電池的放電比容量。

2022年電子消費(fèi)市場低迷，且原料價(jià)格高位波動(dòng)，導(dǎo)致鈷酸鋰出貨量、產(chǎn)量比上年降幅超兩成。未來，技術(shù)迭代與產(chǎn)品更新?lián)Q代需求將驅(qū)動(dòng)新一輪電子消費(fèi)景氣周期的到來；AR/VR、無人機(jī)等新型電子消費(fèi)品類愈加豐富；我國鋰礦探明儲(chǔ)量大幅增加，提鋰技術(shù)提升，成本回落。在多重因素下，我國鈷酸鋰需求仍有一定增長空間。

目前，我國鈷酸鋰市場競爭格局已基本確立。未來，研發(fā)高于4.5伏電壓的鈷酸鋰高壁壘產(chǎn)品是該領(lǐng)域企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的最優(yōu)路徑，將促進(jìn)市場份額進(jìn)一步集中。

錳酸鋰：亟待創(chuàng)新技術(shù)抵御“大浪淘沙”

我國錳酸鋰成本低、安全性好、循環(huán)壽命長，但受限于低能量密度，下游消費(fèi)僅集中于數(shù)碼、低端儲(chǔ)能和小動(dòng)力領(lǐng)域。2023年鋰鹽價(jià)格下降提升了錳酸鋰材料的性價(jià)比，國內(nèi)部分3C產(chǎn)品開始由鈷酸鋰路線切換至錳酸鋰路線，帶動(dòng)錳酸鋰出貨量同比增長。但隨著主要應(yīng)用于儲(chǔ)能和低速交通工具的鈉離子電池逐步落地，錳酸鋰在電動(dòng)兩輪車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的市場份額或?qū)⒈蝗〈?/p>

當(dāng)前，在新能源汽車補(bǔ)貼退坡和市場化推廣的雙重影響下，為降低原料成本，生產(chǎn)企業(yè)將進(jìn)一步減少對(duì)鈷、鎳的依賴。由于技術(shù)瓶頸難以突破，現(xiàn)多以兩種正極材料混用來取長補(bǔ)短，如錳酸鋰與三元材料混用為新能源汽車降本。因此，在有限的能量密度范圍內(nèi)最大程度地發(fā)揮錳酸鋰的成本和安全優(yōu)勢(shì)是其立身之本。

目前，我國錳酸鋰生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多但規(guī)模小，呈現(xiàn)百花齊放的競爭格局。未來，在新型正極材料快速發(fā)展的背景下，錳酸鋰生產(chǎn)企業(yè)亟待打破技術(shù)瓶頸以抵擋“大浪淘沙”。

磷酸鐵鋰：結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過?；蛲苿?dòng)行業(yè)洗牌

磷酸鐵鋰兼具能量密度、成本與安全性能三大優(yōu)勢(shì)，成為正極材料技術(shù)的研究重點(diǎn)。在保持低成本的優(yōu)勢(shì)下，為滿足新能源汽車長續(xù)航里程需求，磷酸鐵鋰的技術(shù)升級(jí)迫在眉睫，主要有以下兩條路徑：

一是從提升能量密度上對(duì)磷酸鐵鋰的合成技術(shù)持續(xù)升級(jí)，強(qiáng)化技術(shù)壁壘。將磷酸鐵鋰制備成納米級(jí)，從而提供額外的容量。在合成技術(shù)上還可以通過塑型劑、表面活性劑等制備具有更高壓實(shí)密度的磷酸鐵鋰，從而提升磷酸鐵鋰的體積能量密度。

二是從降本增效上對(duì)磷酸鐵鋰的合成工藝持續(xù)升級(jí)，穩(wěn)固成本競爭力。磷酸鐵鋰的生產(chǎn)成本由鋰源、磷源、鐵源、用電成本和環(huán)保成本構(gòu)成，不同工藝路線直接決定成本及其下降潛力。草酸亞鐵供應(yīng)鏈配套不足，使得鐵源成本高于鐵紅、硫酸亞鐵，未來隨著煤化工企業(yè)進(jìn)入，可解決配套問題實(shí)現(xiàn)降本；鋰源則可兼容單價(jià)更低的磷酸鋰；液相法節(jié)約能源成本，但使用硝酸后會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，環(huán)保成本高，工藝控制難。

隨著新能源汽車回歸市場化，未來磷酸鐵鋰的市場需求將迅猛增長。隨著生產(chǎn)企業(yè)日益增多，國內(nèi)磷酸鐵鋰預(yù)計(jì)將于2024年形成結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩，現(xiàn)有市場高端產(chǎn)能不足、中低端產(chǎn)能過剩，行業(yè)或?qū)⒂瓉硐磁啤?/p>

三元材料：技術(shù)升級(jí)穩(wěn)固高端市場需求

三元材料是層狀鎳鈷錳（鋁）酸鋰復(fù)合材料。相較上述三種正極材料，三元材料具有突出的高能量密度和長循環(huán)性能優(yōu)勢(shì)，僅部分金屬成本較高。在新能源汽車高質(zhì)量發(fā)展下，三元材料可滿足其對(duì)長續(xù)航里程的需求。但受鋰價(jià)、鈷價(jià)上漲影響，三元材料市場需求增速放緩。同時(shí)，在技術(shù)革新下，一些新型正極材料的能量密度等性能已接近甚至超越了傳統(tǒng)三元材料，對(duì)三元材料出貨量帶來沖擊。

在市場競爭格局上，此前由于三元材料各生產(chǎn)企業(yè)的原料體系、工藝、資源布局較為相似，行業(yè)競爭格局較為分散。但隨著三元材料技術(shù)更迭加速，生產(chǎn)企業(yè)的一體化布局加大了成本差異，行業(yè)集中度有所提升，龍頭企業(yè)優(yōu)勢(shì)顯露。

未來，新型正極材料的發(fā)展將改變?nèi)牧系氖袌龈窬?，為適應(yīng)市場與技術(shù)的快速變化，三元材料需不斷迭代創(chuàng)新。一是可通過調(diào)節(jié)指標(biāo)，精準(zhǔn)控制三元前驅(qū)體的合成過程；二是可采用“一鍋端”的新型合成方式，用純基礎(chǔ)金屬直接生產(chǎn)正極材料，在小幅提高電池容量的同時(shí)，還可省去處理含硫廢棄物的成本。

正極材料技術(shù)創(chuàng)新路線亟待完善

2023年7月28日，工信部、國家發(fā)展改革委、商務(wù)部聯(lián)合印發(fā)《輕工業(yè)穩(wěn)增長工作方案（2023-2024年）》，提出圍繞提高電池能量密度、降低熱失控等方面，加快鉛蓄電池、鋰離子電池、原電池等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)及材料研究應(yīng)用。而正極材料作為決定電池性能和成本的關(guān)鍵，其技術(shù)創(chuàng)新需以提高能量密度、降低成本、提升安全性能為目標(biāo)導(dǎo)向。

提高能量密度

磷酸錳鐵鋰：磷酸鐵鋰能量密度的提升空間小、難度大，且面臨產(chǎn)能過剩風(fēng)險(xiǎn)。通過在磷酸鐵鋰中添加錳而獲得的磷酸錳鐵鋰，能成功消除磷酸鐵鋰能量密度瓶頸，將能量密度提高15%~20%，且其橄欖石型結(jié)構(gòu)在充放電時(shí)更具安全性。在成本上，磷酸錳鐵鋰的裝機(jī)成本略低于磷酸鐵鋰。因此，加“錳”料將成為磷酸鐵鋰技術(shù)創(chuàng)新的新路徑。2023年8月，工信部首次公布裝配“三元+磷酸錳鐵鋰”電池的車型，磷酸錳鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)化超預(yù)期。待規(guī)?；当竞?，有望應(yīng)用到基站儲(chǔ)能、特種車輛及電動(dòng)船舶等領(lǐng)域。

三元材料：產(chǎn)業(yè)新周期下，對(duì)電池能量密度、安全性能的要求愈加嚴(yán)苛，伴隨鋰電原材料價(jià)格上漲，降本增效呼聲漸高，倒逼正極材料體系革新。為在市場化競爭中不被淘汰，高鎳化、單晶化和高壓化成為三元材料的技術(shù)升級(jí)路徑。鎳含量是決定正極材料能量密度的關(guān)鍵，鎳含量越高，電池能量密度越高。而高能量密度是三元材料最大的競爭優(yōu)勢(shì)，故其技術(shù)發(fā)展路徑首選高鎳化。單晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，故循環(huán)性能佳、安全性能高，能負(fù)載高電壓，可通過提高電壓平臺(tái)來提升能量密度，如若對(duì)超高鎳材料進(jìn)行單晶化處理，則有望帶領(lǐng)三元材料能量密度到達(dá)新高度。由于鎳含量越低，安全性能越好，因此高壓化在提升能量密度的同時(shí)還能改善安全性能。

富鋰錳基正極材料：因額外利用晶格氧活性而具備每克300毫安時(shí)以上的放電比容量，有望打破三元材料能量密度“天花板”。此外，其還具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，且屬于低鈷材料，能夠有效降本。盡管同為三元體系，但富鋰錳基正極材料的制備工藝與三元材料完全不同，技術(shù)壁壘較高，尚處于產(chǎn)業(yè)化初期。未來，富鋰錳基正極材料得以規(guī)?；a(chǎn)后，可廣泛應(yīng)用在汽車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域，成為正極材料發(fā)展中強(qiáng)有力的技術(shù)路徑。

降低材料成本

發(fā)展低（無）鈷正極材料。鈷在三元材料中起到維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、改善材料循環(huán)及倍率性能的作用。但由于鈷價(jià)高，低（無）鈷化成為鋰離子電池降本的重要技術(shù)路徑之一。在三元電池中，鈷的成本占原材料成本的20%~70%，鎳價(jià)遠(yuǎn)低于鈷價(jià)，凸顯高鎳的成本優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)階段，三元電池中鈷含量最低可降至3%。此外，還可通過鋁摻雜部分替代鈷（四元材料）實(shí)現(xiàn)降本。盡管“高鎳低鈷”能滿足降本需求，但也會(huì)導(dǎo)致電池更易過熱，安全性大打折扣。因此，真正的“無鈷化”必須要以創(chuàng)新技術(shù)做支撐。二元無鈷材料通過突破陽離子摻雜、單晶和納米網(wǎng)絡(luò)包覆三大關(guān)鍵技術(shù)，可輕松通過安全性試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)降本5%~15%。此外，基于磷酸鐵鋰和磷酸錳鐵鋰電池的無鈷技術(shù)路徑也在有序推進(jìn)。

發(fā)展鈉離子正極材料。當(dāng)前我國鋰資源面臨兩大問題，一是依賴進(jìn)口，2022年我國鋰資源對(duì)外依存度高達(dá)55%；二是價(jià)格波動(dòng)劇烈，在一定程度上阻礙了鋰離子電池的發(fā)展。因此，成本低廉的鈉離子正極材料應(yīng)運(yùn)而生。目前，我國鈉離子正極材料生產(chǎn)企業(yè)主攻層狀過渡金屬氧化物型，同時(shí)也積極布局普魯士藍(lán)（白）型和聚陰離子型。受碳酸鋰價(jià)格回落影響，2023年鈉離子正極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程放緩。但我國已將鈉離子電池列入《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，支持鈉離子電池前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)，積極推動(dòng)了鈉離子正極材料的發(fā)展。隨著技術(shù)更加成熟、實(shí)現(xiàn)規(guī)?；当?，鈉離子正極材料未來可期。

提升安全性能

隨著新能源汽車的普及和發(fā)展，電池安全問題備受關(guān)注。作為電池材料的關(guān)鍵組成，正極材料的高質(zhì)量發(fā)展需要著力提升其安全性能。

一般情況下，正極材料的鋰離子含量會(huì)大于負(fù)極材料鋰離子容量，以提高電池的倍率特性和循環(huán)性。但過多的鋰離子存儲(chǔ)在正極結(jié)構(gòu)中，當(dāng)外部保護(hù)電路失靈，電池發(fā)生過充時(shí)，負(fù)極材料已沒有更多位置容納鋰離子，導(dǎo)致多余的鋰離子會(huì)在外部電壓驅(qū)使下從正極向負(fù)極聚集，造成負(fù)極表面生成鋰單質(zhì)結(jié)晶，而活潑的鋰單質(zhì)遇高溫會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，如量過多則會(huì)刺穿隔膜，造成內(nèi)短路，電池將有爆燃風(fēng)險(xiǎn)。此外，正極材料自身的熱穩(wěn)定性及其與電解液的相容性也將決定正極材料的安全性。

國家能源局綜合司發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）》提到，中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池。這說明安全性已成為制約三元材料發(fā)展的關(guān)鍵問題。在三元材料中，鎳含量越高，材料穩(wěn)定性越差，安全性也就越差。在平衡能量密度的前提下，三元材料單晶化是提升其安全性的有效方式。此外，富鋰錳基單晶化、三元材料摻雜改性（類似四元材料）和選用鈉離子正極材料均為基于安全角度的正極材料技術(shù)升級(jí)路徑。

任何的技術(shù)突破都不是一蹴而就的，正極材料作為一種強(qiáng)耦合產(chǎn)品，某一項(xiàng)能力提高，會(huì)伴隨著另一項(xiàng)能力下降。因此，需要對(duì)正極材料加大研發(fā)投入，以更好地平衡電化學(xué)性能與安全性。

石科院：攻關(guān)鋰離子電池關(guān)鍵材料

□陳子佩

正極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵組分，而三元材料能量密度高、低溫性能好，是一類重要的鋰離子電池正極材料，市場占比超過40%，其物化性質(zhì)主要來自三元前驅(qū)體。

石科院自主開發(fā)的三元前驅(qū)體合成工藝新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全系列優(yōu)質(zhì)多晶/單晶三元前驅(qū)體的制備。業(yè)界專家評(píng)議認(rèn)定，石科院自主研發(fā)的三元前驅(qū)體粒徑分布窄、晶體結(jié)構(gòu)可控、一次晶粒堆積取向度高，性能優(yōu)于商業(yè)化產(chǎn)品，且合成工藝具有創(chuàng)新性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在鋰離子電池領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。同時(shí)，石科院還開發(fā)了配套的高性能正極材料鋰化焙燒及多重改性技術(shù)，自主研發(fā)生產(chǎn)的NCM811等三元正極材料產(chǎn)品性能整體處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

近期，石科院將與催化劑長嶺分公司共同推動(dòng)千噸級(jí)三元前驅(qū)體工業(yè)示范裝置的建設(shè)與投用，為我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)提供有力技術(shù)支撐。

上海院：加快開發(fā)新型三元正極材料

□張同寶 柏詩哲

上海院鋰電池正極材料團(tuán)隊(duì)針對(duì)新型高能量密度三元正極材料持續(xù)開展技術(shù)創(chuàng)新，完成了高能量密度三元正極材料生產(chǎn)的全流程工藝開發(fā)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型組成和結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體，以及正極材料系列牌號(hào)產(chǎn)品。其中，上海院的前驅(qū)體產(chǎn)品已通過下游龍頭企業(yè)的測評(píng)，在放電比容量、首周效率、倍率性能、直流阻抗等方面具有優(yōu)勢(shì)，目前項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已完成噸級(jí)前驅(qū)體中試生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)和環(huán)評(píng)工作。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)的正極材料具有能量密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能和安全性能好的綜合優(yōu)勢(shì)，目前已完成百公斤級(jí)正極材料生產(chǎn)的中試驗(yàn)證，以及下游電池企業(yè)的第三方初步測評(píng)和認(rèn)證。

上海院還針對(duì)下一代電池技術(shù)對(duì)正極材料性能、成本、安全等方面的要求，積極布局固態(tài)電池材料、電池回收技術(shù)、鈉離子電池正極材料等領(lǐng)域，加大技術(shù)攻關(guān)力度。

中國石化新能源研究所動(dòng)力電池材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展試驗(yàn)。姜 瑞 攝