特斯拉再变，四元上膛，正极江湖再起波澜
作者 / 罗京
编辑 / 封成
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就当资本市场为新能源车投资而欢呼雀跃时，现实中的车主却在担心自家的电动车会不会无故自燃。
根据亿欧智库，2020年中国一共发生27起电动车自燃事故，包括停放、行驶、充电、发生事故后，其中停放自燃的比重超过了44.4%。
自燃的背后，大部分是三元锂电池的热失控。
高能量密度和安全性被放上天平的两端，如何兼具二者是新能源车企不可回避的问题。
去年，比亚迪和宁德时代都推出了磷酸铁锂电池包的创新技术，通过减少零件数量，提升电池包的体积能量密度，达到安全和续航双目标。
但这一方案有诸多限制，高度的CTP往往需要电芯企业从底盘阶段就跟整车厂商形成合作，联合定制电芯，由于底盘的重要性，以及对供应保障的分散需求，车企需要衡量深度绑定的利弊。
如今，新的解决方案又出现了，四元材料。这个比高镍三元更安全、稳定性更好、寿命更长、成本更低的材料，会成为未来的大趋势吗？现如今又有谁在量产四元电池？
01 铁锂“回光返照”
据GGII数据，2021年5月我国磷酸铁锂电池装机量达到8.8GWh，占总装机量的63.6%，远超三元电池5.0GWh。
早在去年10年，磷酸铁锂就启动触底反弹行情，依托五菱宏光、国产特斯拉Model 3、比亚迪汉EV等爆款车型和头部新能源车企纷纷推出搭载铁锂电池的车型，磷酸铁锂电池装机量水涨船高。
这背后，离不开电池包创新。随着20年以来CTP和比亚迪刀片技术的推出，铁锂的潜力被进一步挖掘，电池包成组效率提升带来能量密度改善，铁锂迎来回潮。
然而相对于三元，磷酸铁锂发展前景已经出现瓶颈。
目前，铁锂单芯的实际能量密度已经接近理论极限，200Wh/kg。换言之，对车企而言，要想提高能量密度，只能从体积能量密度入手，比如比亚迪推出搭载刀片电池的汉，电池体积能量密度大到229Wh/L，续航里程为605km。
比亚迪汉刀片电池的成功更多是基于其 C 级车的设计基础，汉的轴距为2.92米，给电池包预留安装空间较大，而普通A级车的轴距为2.3-2.5米，在体积相对有限的 A 级车中，刀片铁锂仍难以让其续航突破 500km。
这会限制一部分对续航里程偏好较高的 A 级车主的消费选择，而这部分车主是我国乘用车消费大头，据乘联会数据，2020年国内乘用车A级车销量占比达到60%。
反观三元电池， 因三元正极仍处于技术迭代上升期， 三元电芯能量密度天花板在 300wh/kg 左右，相比现在 240wh/kg 的水平仍有 30% 提升空间。
中长期看，高镍三元电池还是缓解消费者“里程焦虑”的解药。
买过新能源车的车主普遍存在“续航焦虑”，担心驾驶电动汽车时，电池会突然没电而趴窝。
这种担心并非杞人忧天。目前国内的续航里程使用NEDC工况标准，在测试车辆续航时，会关闭类似于空调、大灯、音响之类的耗电设备，此外这个欧洲标准也很难适应我国复杂的城市道路工况，导致NEDC里程与真实里程存在一定差距。
人们在日常驾驶中会听音乐、开空调、使用车载娱乐系统等提升驾车舒适性的举动，都会耗费电量，进而影响到车辆的续航里程。
业内普遍认为，考虑到实际驾驶道路、空调开启情况和驾驶习惯等因素，一辆标称续航里程为400公里的新能源车，其实际续航大约在280公里左右，相当于打了7折，特别在冬天零下的环境中，车辆真实续航还有可能进一步打折。
综合来看，三元材料的潜力和改善空间都优于铁锂，车企们也不断朝着能量密度更高的高镍三元发展。
除了All IN 铁锂的比亚迪，国内自主车企目前仍以三元为主，有部分车型如荣威、小鹏 P7 也配备了同款铁锂版作为低配版供消费者选择。
对于定位中高端市场车型，无论国内还是海外车企多采用高镍三元方案，潜在爆款新车包括大众 ID4、宝马 IX3、福特 Mach-E、极氪 001、智己 L7、北汽阿尔法 S 等。
但三元并非完美无瑕，如何保证电池的热稳定性、提高循环寿命，都是横亘三元发展路上的障碍物。
由于三元材料中二价镍离子和锂离子半径接近，随着镍含量增加，三元材料在高温烧结制备时产生的Li、Ni混排的概率迅速上升，使得锂离子脱嵌困难，进一步使得材料的比容量和循环性能降低且难以逆转。
高镍三元容易爆炸更是让人头痛难解的问题。当高镍材料达200℃度左右，电池内部化学物质就开始发生分解释放氧原子，锂电池出现鼓包，此时与汽化的电解液混合后，容易在高温下自燃。
根据新能源汽车国家监测与管理平台的数据显示，尽管新能源汽车的起火事故率为 0.9-1.2 次/万辆，低于燃油车 2-4 次/万辆的水平，但其中有8成安全事故电池系三元电池。
02 四元迎风而起
针对高镍三元材料种种痛点，四元材料迎难而上。
三元材料NCM中的每一种成分都起到不同的作用。镍（Ni）可以提高材料活性、提高能量密度；钴（Co）也是活性材料，主要系稳定材料的层状结构、同时减小阳离子混排，便于材料深度放电；锰（Mn）在材料中起支撑作用，确保充放电过程的稳定性。
但当镍的比例提高、钴的比例降低时，高镍三元材料的稳定性就备受考验，主要表现为循环充放电的容量损失和高温环境下电池容量加速衰减。
高镍与稳定性看似不可兼得，直至四元材料镍钴锰铝NCMA的出现，解决了这一大难题。
NCMA，顾名思义，比三元多一元铝（Al）。本质是用 Al 替代 Co，通过在 NCM 三元材料中掺杂 Al 粒子，所形成的 Al-O 化学键强度远大于 Ni(Co，Mn)- O 化学键，从化学性质上增强了正极的稳定性。
四元材料 NCMA（镍钴锰铝）并不是一项全新的材料体系，而是基于现阶段两大主流三元高镍材料 NCM 与 NCA 混合而成，最初由韩国汉阳大学 Un-Hyuck Kim 在 2016 年提出。
Un-Hyuck Kim团队实验发现，NCMA 四元正极材料在多轮充放电循环后，不可逆相变电压保持稳定，材料内部微裂纹较少，正极材料中过渡金属的溶解情况不明显。
此外，实验还对比了2032组电池，发现无论是 30℃下的 100 次循环，还是 25℃下的 1000周循环，NCMA 的容量保持率高于 NCM 和 NCA 约 10%。
在四元材料体系中，钴含量可以降低至 5%以下，镍含量提高至 90%，因此四元电池的能量密度也很高，再与高性能的硅碳负极材料搭配，可把电池能量密度抬升至新的一个台阶300Wh/kg，要知道，当下高镍三元NCM811和NCA的能量密度分别为260Wh/kg、280Wh/kg。
正极材料定价模式为“原材料成本+加工费”模式，原料价格透明，一般根据目前几种金属（包括硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰、碳酸锂/氢氧化锂）的时点价格来定价，加工费里包含了企业利润，高低取决于烧结工艺成本的不同。
主流三元正极材料NCM523中，镍钴锰的比例分别为43.8%、33.2%、3.6%，高镍三元NCM811为60%、14.2%、1.0%。
由于硫酸钴的价格波动大，导致NCM523的成本时高时低，进而影响到正极材料企业的毛利率水平，但对NCM811的影响就小。
与此同时，高镍正极的加工费也比低镍高，具有更大的盈利空间。高镍材料的烧结温度低于低镍，需要进行二次烧结，因此电费会高于后者；在烧结过程中，还需要加入氧气，对窑炉等设备提出更高要求，这就导致高镍三元中原材料成本占比反而小于低镍，加工费却大于低镍，产品附加值更高。
据华安电新团队测算，NCM523行业加工费约为4-6万元/吨，而NCM811行业加工费约为6-8万元/吨。
高镍材料的使用可以带来四大材料各环节用量的进一步下降。为达到同样的电量所需的高镍材料使用量明显低于普通三元材料，生产 1Gwh 电池，需要 NCM523 和 NCM811 的量分别为 1700 吨和 1400 吨，同时正极涂布面积下降，对应使得极片面积、隔膜面积及电解液量下降。
四元材料NCMA更是在NCM811的基础上，提升镍的比例至90%以上，而钴则进一步下滑至5%以下，整体材料生产成本降低，弱化原材料价格波动对生产厂商毛利率的影响，从性能和经济性上，都超过高镍三元。
03 谁在量产四元?
量产四元锂电池的赛道上，暂时只有LG新能源和蜂巢能源在上面奔跑。
LG新能源，前身是LG化学的电池事业部，2020年12月宣布独立。6月8日，LG新能源启动IPO，预计今年三季度上市，估值或达100万亿韩元（约合人民币5733亿元），有望刷新韩国最大IPO纪录。
同一时间，LG新能源也宣布于今年7月给国产Model Y提供四元锂电池，届时有望将Model Y续航里程从500km提升至650km，缓解大众的“里程焦虑”。
除了供货特斯拉外，2020年3月，LG宣布与美国通用汽车共同推出一款新的电池产品Ultium，也采用高镍四元NCMA材料，预计2022年量产，并搭载通用的悍马电动车。
国内方面，蜂巢能源也有四元锂电池量产规划。
蜂巢原本是长城汽车旗下的动力电池事业部，2012年就开始电池研发业务，2018年独立，目前已完成A轮35亿元融资，估值达到260亿元，据总经理杨红新透露，蜂巢正在筹备B轮30~50亿元融资，并预计2022年在科创板上市。
与LG新能源这一电池老将相比，新兵蜂巢并不逊色。2019年7月9日，蜂巢在首次发布会上就带来了四元材料、无钴电池，还有高效率的电芯叠片技术。今年下半年，四元电池有望实现量产。
不过，蜂巢的四元电池和LG的不大一样，蜂巢选择了中镍路线，镍含量为75%，将锰的含量提升至25%，能量密度为265Wh/kg，性能与NCM811相近，但热稳定性更好、循环寿命可达3000次。
目前蜂巢已投资485亿元布局电池产能，共计110GWh，并在德国萨尔州建设24GWh，预计在2025年超出200GWh。
再把目光聚焦到四元正极材料上游，前驱体行业。国内企业格林美、华友钴业、中伟股份等都已经具备量产NCMA前驱体的技术。
值得一提的是，格林美的主流客户中有宁德时代，公司董秘在回复投资者提问时称：“公司研发的NCMA四元前驱体材料已在进行客户吨级认证”。
因此业内有人认为宁德时代可能正在进行NCMA电池的研发工作，不过宁德时代也可能直接绕过四元材料，直奔固态电池，毕竟公司目前已经公开硫化物固态电解质专利，预计到2025年开始导入固态电池，届时电芯的能量密度将大于400Wh/kg。
但目前，固态电池量产还是一件遥遥无期的事，国联汽车动力电池研究院董事长熊柏青曾表示:“全固态电池现在距离商业化还很远，10年内攻克全固态难度挺大，反正这5年没戏了。”
四元作为三元和固态电池的过渡产品，固态电池难以商业量产背景下，比三元更具竞争优势，有望在铁锂和三元双雄霸占的动力电池天下，圈出自己的份额。
参考资料：
国盛证券《 蜂巢出世，高速成长的锂电后起之秀 》
安信证券《迎接硫酸镍的高光时代》
德邦证券《 高镍趋势下的行业集中度提升 》
【方正电新】正极深度之一：动力电池命门---暗流涌动的正极市场探讨 (qq.com)
LG新能源：新一代四元电池技术可破解“里程焦虑” - 中国粉体网 (cnpowder.com.cn)