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近年来C产品对锂电池需求量的稳定增加，以及随着新能源汽车的市场规模逐步扩大和储能电池的需求扩大，我国锂电池产量规模逐年扩大。年的《电池行业“十三五”发展规划》明确了行业发展目标，力求提高国际竞争力，实现年前“化学与物理电源行业全面由生产大国向强国转变”的大目标。
锂电池的关键原材料包括正极、负极、隔膜、电解液等，它们在动力电池、消费电池和储能电池市场都有广泛应用。正极材料成本约占总成本的5%，负极材料占总成本的比例为12%，隔膜材料占总成本的比例为12%，电解液材料占总成本的比例为1%。
系列专题分为两期发布，本期将深入探讨正极材料和负极材料在锂电材料行业中的工艺流程及商业模式等内容。
锂电池正极材料图1：锂电池正极材料
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
正极材料为层状过渡金属氧化物，正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源。主流的正极材料包括三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等；三元材料约占40%，磷酸铁锂约占41%。
正极材料中三元材料和磷酸锂在性能、寿命、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大；磷酸铁锂和三元材料各有优势，磷酸铁锂凭借低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，产量增速预计保持高速增长；而三元材料具有成本高、循环寿命短、安全性差的缺陷，但在能量密度、低温性能方面更具优势。
正极材料工艺流程1、钠法制备磷酸铁工艺流程
图2：钠法制备FePO4工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
前驱体磷酸铁制备工艺
前驱体目前主流的三种工艺：钠法、氨法、铁粉法，区别是铁盐；其中，设备使用以钠法、氨法为相对较多，且两者生产设备差别不大；
钠法制备磷酸铁的工艺是主沉淀反应。在反应釜里投入原材料之后，通过温度控制等会生成一个磷酸铁的沉淀，然后通过一系列的洗涤、压滤，把一些杂质给他洗掉，然后再烘干，之后粉碎、包装。
自动化及自控产品配备
前驱体生产过程中目前以人工控制为主，同时会配备集成控制软件如DCS用于前半段化学反应阶段；配备低点数的PLC用于后半段的单机控制；产线设备上会配有少量低压变频器；另外搭配一些仪表的使用，主要是温度仪表。
2、正极材料生产线组成及对应设备概览
图：正极材料生产线组成及对应设备
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
在锂电池无机电极材料的制备中，正极材料常用工艺是高温固相反应，即使是采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和溶剂热法等，通常仍需要在较高的温度下进行固相反应或固相烧结。
正极材料加工生产线主要包括混配系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉体输送系统和智能控制系统。
正极材料设备主要包括计量与配料设备、混合设备、干燥设备、烧结窑炉、粉碎与分级设备、合批设备、除铁设备和包装计量设备，其中轨道窑价值量最高。
、高温固相反应法制备磷酸铁锂
图4：高温固相反应法制备LiFePO4工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
优点：
固相合成是较成熟的制备方法，操作及工艺路线设计简单，工艺参数易于控制，制备的材料性能稳定，易于实现工业化大规模生产。
缺点：
粉体原料需要长时间的研磨混合，且混合均匀度有限；产物在组成、结构、粒度分布等存在较大差别。
4、碳热还原法制备磷酸铁锂
图5：碳热还原法制备LiFePO4SEM工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
优点：
碳热还原法是能降低生产成本和颗粒大小，提高产物纯度和电导率的新型制备方法，解决了原料价格昂贵的问题，从而降低成本；生产过程简单可控制，一次烧结得到样品，提供了LiFePO4工业化的又一种途径，能够广泛的应用于工业生产。
缺点：
碳热还原法是一种新的制备磷酸铁锂的方法，还没有像高温固相法一样成熟且广泛应用。
5、常规NCM高镍NCM三元材料
图6：常规NCM三元材料工业化生产的工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
图7：高镍NCM三元材料工业化生产的工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
工艺区别：
工艺流程方面：高镍三元材料增加了水洗工序；
原材料方面：对于常规三元正极材料，一般采用碳酸锂作为锂源材料。高镍三元材料需要更高的能量密度、更好的充放电性能，普遍采用氢氧化锂作为锂源材料；
生产设备方面：高镍三元材料尤其容易产生金属离子混排问题，需要尽量消除，因而需要在纯氧环境中生产，所以高镍产品的烧结需要氧气炉，而常规三元只需要空气炉；
生产环境方面：高镍三元材料对于湿度要求更高，一般需要专用除湿、通风设备。在磁性物控制方面，高镍三元材料也有更高要求，往往需要对厂房设施进行特定改造。
6、钴酸锂、锰酸锂
图8：钴酸锂及锰酸锂生产工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
正极材料行业商业模式及生态圈1、锂电池材料行业商业模式-正极材料
图9：正极材料行业商业模式
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
整个项目一般分为土建、公辅、产线三部分；土建、公辅、产线整体总包的很少；部分会将公辅和产线进行总包；一般三部分分别进行分包，该情况占比70%左右；自动化产品应用在产线包，有产线上自动化产品的应用，还有工艺设备上自动化产品的应用；很少存在所有工艺设备及自动化产品均由产线总包招标采购；一般是重点设备由业主单独招标采购，MES系统也是由业主单独招标采购，产线总包没有话语权；中控系统一般由产线总包招标采购。
辊道窑一般业主单独招标，其他重点设备如干燥机、高混机、气流磨等设备有的业主会单独招标，有的会交给产线总包招标，其他如上料系统、输送、计量等设备产线总包都可以提供。
锂电池负极材料图10：锂电池负极材料
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
负极材料是锂离子的受体，主要分为碳类材料与非碳类材料。碳类材料被量产的锂离子电池广泛应用，具有安全无毒、循环寿命长、成本低廉的优点，但质量比与能量比均较低导致功率较小。非碳类材料体积能量密度高，可以达到很大功率，但是目前稳定性较低，制作成本较高，仍有许多技术困难亟待克服。
从负极产品结构来看，年人造石墨产品市场占比达到84%。天然石墨占比出现下滑，主要是因为年主流电池企业采购天然与人造石墨混合材料，降低纯天然石墨的采购。年中国天然石墨的占比相比年有所提升，主要原因在于年中国人造石墨负极石墨化环节由于能耗等多种因素导致短缺从而使得天然石墨的占比有所回升，预计这一趋势仍将持续。
负极材料工艺流程1、人造石墨材料
图11：钠法制备FePO4工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
锂离子电池负极材料中人造石墨占据着80%以上的负极材料市场份额；天然石墨、中间相碳微球(MCMB)、无定形碳、硅或锡类仅占据小部分市场份额。锂电池负极材料工艺流程以人造石墨为例，人造石墨基本的工艺流程是一致的，造粒和石墨化是人造石墨制备的核心环节，预处理（破碎）和筛分环节工艺较为简单，各厂商间无明显差异，主要步骤包括预处理、造粒、磨球、石墨化（即热处理，使原本分布杂乱无章的碳原子整齐排列，关键技术环节）、混料、包覆、混料筛分、计重、包装入库，所有的操作是精细复杂的。部分设备与正极设备通用或原理相似。
目前石墨化阶段有一些厂商采用外包模式，但是后续新建项目都是一体化基地，包括石墨化，因此有一个朝着一体化发展的趋势。
2、硅基负极材料
图12：硅基负极材料生产流程简图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成。硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上，因此硅基负极优势明显，且不存在析锂隐患，安全性能好于石墨类负极材料，储量丰富，是非常由潜力的下一代锂电池负极材料。但是目前由于硅基材料的固有缺陷，比如工艺复杂等，因此商业化程度不高。
目前的硅基负极应用中，国际材料厂商领先，国内厂商在跟进，起步比较晚，仅有少部分企业实现了量产，大部分仍处于中试或者试验阶段，从专利来看，贝特瑞布局较早，数量大于杉杉及璞泰来。贝特瑞于年开始布局硅基专利，占据先发优势。因此硅基负极行业属于一个刚开始发展的情况。
从未来发展来看，硅基负极未来市场前景广阔。一方面是因为石墨负极已达理论天花板，向硅基负极体系升级成为主要方向；另一方面硅基负极在特斯拉方面已有应用，预计在年迎来放量，带动硅负极增长。
、天然石墨材料
图1：天然石墨制备工艺流程图
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
天然石墨材料关键工艺：
球形化
目前球形石墨的生产已经产业化，球形石墨的加工机理是：首先把天然鳞片石墨粉粉碎成适宜的粒度，然后再进行去棱角化的加工处理，使之最终形成椭球形或类球形的外形，同时利用分级装置将球形颗粒与去棱角化过程中剥离下来的细粉分离开来，便可得到正态分布的球形石墨；
除磁性物质
磁性物质的含量影响天然石墨的质量，目前行业对天然石墨磁性物质的含量要求为≦0.1ppm，在生产中有筛分除磁工序，但天然石墨经过筛分除磁工序后磁性物质的含量往往多于行业标准，达不到技术要求，因此需在碳化破碎工序中添加除磁装置；
表面包覆
包覆的常规方法是将固体或液体包覆剂与物料简单物理混合，然后把物料放在坩埚中，在静止的状态下升温使包覆剂自动流平形成包覆层并碳化。
负极材料行业-商业模式及生态圈1、锂电池材料行业商业模式-负极材料
图14：锂电池材料行业商业模式-负极材料
数据来源：格物致胜根据公开资料整理
目前来看，负极材料整体项目的商业模式是分包为主，大多数厂商都是分包，这种情况占比至少80%，因为负极这边的自动化程度目前不如正极高，早期的epc总包不好做，但是后续很多厂商都有在考虑做epc总包，有一个这样的趋势。
一般的项目来看，分为土建、公辅、产线三部分，产线和公辅有可能会做为一个包，但是大多数还是分包的模式，自动化产品这部分就在产线包这一块，包括产线上的自动化产品应用和一些设备上的自动化产品应用。
设备招标方面，目前大多数自动化产品都是随设备带过来的，业主负责重要的设备和系统招标，产线包就负责其他的自动化产品招标。
重点设备如辊道窑，反应釜等一般业主单独招标，其他重点设备如锤破机，除磁机等设备有的业主会单独招标，有的会交给产线总包招标。
其他如上料系统、输送、计量等设备产线总包都可以提供。
下期预告
锂电池材料工艺流程——隔膜、电解液
