锂离子电池的主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。正极材料占有较大比例（正负极材料的质量比为3：1~4：1），因此，正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。

图1 锂电池各部分材料成本占比（数据来源：公开资料整理制作）

目前，已经商业化的正极材料主要包括锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂以及三元正极材料，去年四种正极材料产量比例如图2所示。其中，三元正极材料已经占据正极材料的半壁江山。

图2 2017年四种正极材料产量占比（数据来源：公开资料整理制作）

三元正极的小宇宙仍在进一步爆发中。2018年上半年，磷酸铁锂材料产销下降，三元材料量价齐升，国内正极材料行业呈现“冰火两重天”。根据高工产研锂电研究所数据现实，2018年二季度国内正极材料总出货量6.41万吨，同比增长13.7％。其中三元材料同比上涨52.1％，磷酸铁锂同比下滑33.6％，三元材料成为带动正极材料市场增长的主要驱动因素。

三元材料简介

何为三元材料？三元材料相比其它三种正极材料到底胜在何处？高镍三元材料是否会再次迎来爆发？我们一探究竟。

三元材料主要含有三种元素，例如镍钴锰(NCM)材料和镍钴铝(NCA)材料。其中，NCM依据其三种元素成分含量比不同又可分为111/622/811/523等多种类型，高镍NCM811材料(Ni、Co、Mn比例为8∶1∶1)是目前三元材料研究的热点，因此本文也主要对高镍NCM811进行介绍。

我们可以通过了解正极材料主要性能指标，以进一步了解正极材料的技术要点与发展方向。

正极材料主要性能指标

表1展示了正极材料的主要性能指标及其解释，总的来说，我们需要振实密度高、容量大、循环性能长、比表面积适合、热稳定性好、成本低的正极材料。

表1 锂离子电池主要性能指标及其解释

主流正极材料对比

图3 四种主流锂电池正极材料对比（图片来源：2017-2023年中国正极材料行业市场深度调研及投资前景分析报告）

钴酸锂具有理论比容量高、循环性能优异、放电平台平稳、工作电压高和合成工艺相对简单等优点。因此以钴酸锂作为正极材料的锂离子电池，广泛应用于3C领域。但是钴资源稀缺，价格昂贵、毒性较大，且其过充安全性能较差。

由于锰资源丰富、价格便宜、安全性能高和环境友好等优点，锰酸锂作为正极材料具有良好前景，主要分为层状结构和尖晶石型。不过，层状结构锰酸锂理论比容量较高，但结构稳定性差；尖晶石型锰酸锂理论比容量低，且高温循环和储存性能差。

磷酸铁锂价格低廉，且无毒、无污染、结构稳定、循环性能和安全性能极佳，但其比容量不高且导电性差，并存在微量铁的溶解可能引起电池短路的问题。

这些缺点限制了以上三种正极材料进一步的应用。目前，锂离子电池的市场需求趋向于高电压、高容量、低钴化，三元材料因此势头强劲。

协同效应驱使三元材料优势明显

三元材料包括NCM和NCA两种类型，高镍NCM是主流的发展趋势。 Ni是材料的主要活性物质之一，对容量有着重要影响；Co也是活性物质，部分参与化学反应，既能稳定材料的层状结构，又能减小阳离子混排，便于材料深度放电，从而提高材料的放电容量；Mn4+不同于Mn3+，呈电化学惰性，在三元材料中起到结构稳定和热稳定性的作用，并降低材料成本。

可以说，三元层状结构正极材料结合了镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂的优点，一定程度上弥补了单一组元材料的不足，因此其综合性能优于各个单一组分正极材料，存在显著的三元协同效应。

协同效应决定了三元材料的性能优势。同时，市场需求加上政策风向引导了高镍NCM的进一步崛起。

政策推动锂电池高能量密度化

目前来看，高电压、高容量正极材料是市场需求所向同时也是政府的发展目标。

2017年初，四部委印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中指出，2020年动力电池系统比能量力争较现有水平提高一倍达到260Wh/kg。

2018年初，四部委印发《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。通知要求，乘用车补贴车型能量密度不低于105Wh/kg，对于能量密度大的电池，给予较高的补贴系数（160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴），新能源客车的能量密度要求也进一步提升。

图4 纯电动乘用车补贴方案对比（图片来源：天检汽车产业政策研究团队）

目前，NCM523能量密度最高为200Wh/Kg，而NCM622和NCM811却可以达到230Wh/Kg和280Wh/Kg以上。如果需要依靠三元电池实现2020年260Wh/kg的目标，只有811才能够胜任。相较NCM523材料和NCM622，NCM811能量密度优势更大。在众多电池厂商看来，与其利用622进行缓慢的过渡，还不如一步到位。

因此，为了进一步实现政府对于锂电池能量密度提升目标，同时获得更高的补贴系数，众多厂商共同推动了三元正极材料的崛起。

仅以国内上市公司来看，格林美（002340）已于去年成功推出811型、NCA等高镍产品；当升科技（300073）于今年初募集15亿资金加码锂电池项目，其中江苏三期工程项目拟投建1.8万吨三元811/NCA产能，以衔接动力电池811及国际客户市场需求；杉杉股份（600884）在回答投资者问表示，现有高镍三元产能8000多吨/年，今年已有小批量出货；宁德时代（300750）表示将在明年推出NCM811电池，目前宁德时代电池主要为NCM 523，该电池的正极材料是20%的钴。一旦推出NCM 811电池，每千瓦时电池的钴含量将下降一半多，同时电池能量密度将增加。

图5 宁德时代（CATL）能量密度发展路线图（图片来源：宁德时代）

总结

通过提高三元材料中的镍含量、降低钴含量，能够在提高材料克容量同时降低原材料成本。高镍三元正极材料的崛起势不可挡。

不过，值得警惕的是，高镍三元这条路线并不好走。影响动力电池性能的不仅仅是比能量密度一个指标，还有动力电池的比功率密度、安全性、一致性、循环寿命等多种因素，在众多指标和成本之间找到一个产业化应用的平衡点，才是支撑锂离子电池发展的关键。高镍体系在降本提质的同时，还意味着更高的化学活性以及更为苛刻的工艺环境。由于高镍正极必须搭配技术壁垒极高的硅碳负极、陶瓷隔膜以及高电压电解液等配套材料，才能充分发挥其高能量密度优势，因此这不仅对正极材料企业提出了更高要求，还是对整个供应链的巨大挑战。

作者：火宣

参考文献

2017-2023年中国正极材料行业市场深度调研及投资前景分析报告；智研咨询集团。

锂离子电池富镍三元正极材料研究进展；成都理工大学 材料与化学化工学院，刘磊，包珊珊，何欢，李峻峰；程度理工大学 材料科学技术研究所，李俊峰；四川科能锂电有限公司，孙文仙，岳波。

富镍三元正极材料的制备与性能；西南交通大学，李欢。