【中信建投电新】电池科技前瞻系列报告之五：单晶NCA正极，特斯拉的努力|中信建投
来源：新能源研究员
行业动态信息评述
1、特斯拉申请单晶NCA正极合成专利
特斯拉动力电池材料相关技术研发团队成员HY Li、J Li、JR Dahn等人申请了主要创新点为两段式锂化烧结合成单晶NCA（镍钴铝酸锂）三元正极材料的技术专利。专利题名为Method for Synthesizing Nickel-Cobalt-Aluminum Electrodes，专利公开号为WO2020/082019A1，公开日为2020年4月23日。
研究者归纳，标准的正极合成流程（元素摩尔分数：对NCA，钴含量0.15~0.05，铝含量0.06~0.01；对单晶NCM，钴含量0.2~0.5*，锰含量0.3~0.05；*钴含量范围限0.5疑为0.05之误）是前驱体高温锂化。NCA正极的合成需要锂-其他金属的摩尔比为1.02，过量的氢氧化锂用于补偿煅烧过程中的锂损失；单晶NCM正极的合成需要更高摩尔分数的锂源。但是如果以合成单晶NCM的方式直接用于合成单晶NCA，单晶生长所需的高温度（以及富锂的反应环境）会导致生成富锂杂相Li5AlO4。若减少锂/其他金属的摩尔比，虽然可以抑制富锂杂相的生成，但是正极材料贫锂又会影响电池的电化学性能。所以，探索合适的途径合成单晶NCA正极就非常重要。
2、专利主要创新点：两段式锂化烧结合成单晶NCA正极
研究者披露，其采用两段式锂化烧结合成单晶NCA正极。具体过程为：使用约4微米粒径的氢氧化镍钴铝前驱体，首次锂化过程的温度范围为800oC到950oC，时间为1-24h；以氢氧化锂为锂源，锂-其他金属的摩尔比小于1，获得贫锂的首次锂化正极材料，锂化程度可调；第二次锂化过程的温度范围为650oC到760oC，时间为1-24h；通过额外的氢氧化锂进行补锂，锂化程度在1-1.03之间。研究者同时声明，上述工艺对铝、镍、钴、锰、镁等可能的正极金属元素也适用。最终，电池正极和其他材料匹配制作扣式电池用于性能测试。
3、正极材料性能：暂时差强人意
研究者认为，两段式锂化合成的正极的锂镍混排程度均比较低（区别在温度和锂-其他金属摩尔比）。
最终，研究工作使用的纽扣电池搭载正极为高镍单晶NCA，成分LiNi0.88Co0.09Al0.03O2。测试倍率为C/5，截止电压为3.0/4.2V，温度为30oC；低倍率、较窄电压区间、室温，可以认为测试条件比较温和。
虽然测试条件温和，但采用不同的电解液的电池正极其初始容量相比于镍含量而言较低（175-195mAh/g），容量衰减速度也较快（100次循环衰减约10%以上）。仅从专利给出的测试数据而言，该正极材料距离征服整车厂商和消费者仍有一定距离。
4、总结与评论：“两段式烧结”有前景，单晶正极适合长寿命电池
我们认为，研究者的工作虽尚难称成熟，但从其外在表现与改进手段考虑，“两段式烧结”工艺仍有相当大的前景，该方法框架下的NCA正极材料性能提升应也有较大空间。
外在表现来看，电池正极的容量偏低，循环寿命偏低，锂镍混排程度较高（高于Dahn教授在论文Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure中的样品参数，高镍正极容量情况也可见深度报告《特斯拉：电池风云》），晶粒分布均匀性也有待提高。我们认为，本专利中锂化的温度-时间耦合参数可能仍偏高，使得部分晶粒发生不需要的长大；加之铝含量较低，共同作用造成锂镍混排程度加剧，最终电池正极的容量、循环寿命不足（本系列报告第4篇《君臣佐使，NCMA》中有相应工作的介绍，对应正极的煅烧温度在750oC以内，显著低于本工作的首段温度和次段温度上限，可以作为佐证）。
事实上，两段式烧结对于获取细晶、超细晶乃至纳米晶陶瓷都是非常有效的方法，因为其可以合理调控材料的物相、晶界迁移与传质情况。多个材料体系已经经过了探索并证实了有效性。
所以，我们推断，研究者的后续改进可能是：从NCA有效物相生成、晶粒尺寸控制、后续锂化传质等方面综合考虑，进一步优化两段式工艺，也可能逐步调整为“多段式”温度-时间精细控制工艺。另外，3%摩尔分数的铝含量可能偏低，单晶NCA正极材料对前驱体的形貌、成分分布等的要求也较高，铝的引入是通过前驱体还是后续煅烧更合理可能也需要对比；化学包覆手段制备不同镍含量的“芯-壳”结构正极也可能进一步改进性能。
我们认为，单晶三元正极的实际晶界占比更小，耐电解液腐蚀的能力更强，所以更适合作为长寿命锂电池的正极材料；研究单晶三元NCA正极的有效合成，其最终目的和特斯拉宣称的“百万英里”寿命目标相契合；9%摩尔分数的钴含量也说明钴含量极低乃至无钴正极的技术挑战很高，而且综合实际价值可能也有限。同样如Dahn教授的有关研究使用单晶三元NCM532正极并开发长寿命电解液，对应电池的循环寿命在4000次以上。
宁德时代(371.500, 9.14, 2.52%)也有类似的单晶三元正极专利技术。CN104979546A公布的单晶NMC532电池正极材料，初始容量超过200Wh/kg，35次0.5C循环（高压达4.65V）后容量保持在180Wh/kg以上。
综上所述，我们认为：
1、特斯拉研究单晶NCA电池正极材料（以及长寿命电解液，也有相应专利、学术文献），以及宁德时代研究高压单晶NCM正极材料等，标志着一个确定性很高的技术方向，即正极容量/电压-寿命整体优化、权衡，通过正极元素整体配比、正极粒径分布和成分分布调控，寻找最佳的一个或几个正极性能设计点，满足消费者的主流需求/分层需求，尤其是对长寿命电池/整车的需求。
2、当前特斯拉在NCA单晶方面的研究尚处于起步阶段，但是其两段式锂化工艺有相当程度的优化空间。温度-时间的精细控制可能是优化材料性能的关键，前驱体-锂化材料选择，化学包覆技术手段等可能也有相当贡献。
3、单晶NCM正极材料同样可以有较高的性能表现，具有技术实力/技术储备的电池/材料企业龙头有望受益。
4、长寿命电池和低钴材料体系的兼容性较差，如消费者对纯电动车型寿命的需求超预期，则利好钴资源。
投资评价和建议
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、振华新材；建议投资者关注钴资源企业洛阳钼业(5.770, 0.11, 1.94%)、华友钴业(76.000, 2.10, 2.84%)等（相应标的由中信建投(29.980, -0.82, -2.66%)证券研究发展部有色团队覆盖）。
风险分析
单晶NCA/NCM正极技术进步不及预期，消费者对长寿命动力电池及对应整车需求不及预期，新能源汽车安全性风险。
证券研究报告名称：《电池科技前瞻系列报告之五：单晶NCA正极，特斯拉的努力》
对外发布时间：2020年04月28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
执业证书编号：S1440520010003
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(11.820, -0.07, -0.59%)。2016年8月加入天风证券(4.900, -0.08, -1.61%)，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(15.060, -0.25, -1.63%)新锐分析师。
研究助理 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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