一文带你了解锂电三元正极材料全流程-京煌科技

正极材料是锂电池的重要上游

正极材料作为锂电池产业链的核心上游环节，在锂电池的性能与成本构成中占据关键地位。锂电池产业链上游主要涵盖正极材料、负极材料、隔膜、电解液四大板块，其中正极材料不仅直接决定电池的电化学性能，对能量密度与安全特性起主导作用，其成本更占锂电池材料总成本的 30%-40%，是锂电池技术迭代与成本控制的核心要素。从产业链纵向来看，正极材料的上游依赖钴矿、镍矿、锰矿、锂矿等金属矿产资源，下游则广泛应用于动力电池、3C 消费电子电池及储能系统等领域。

当前锂电池正极材料技术路线呈现多元化格局，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂（LFP）和三元材料（NCM/NCA）等体系。以下从成本、能量密度、安全性等核心指标对比分析：

钴酸锂（LiCoO₂）：作为首款商业化正极材料，其优势在于振实密度高（≥2.5 g/cm³）、充放电曲线平稳、工作电压平台高（3.7V），在小型化、高能量密度场景（如智能手机、无人机电池）中占据主导。然而，钴资源稀缺导致成本居高不下（原料成本占比超 60%），且循环寿命较短（通常＜1000 次）、热稳定性较差（热失控温度约 200℃），限制了其在动力电池领域的应用。

锰酸锂（LiMnO₂）：具有原料成本低、制备工艺简单的优势，但比容量较低（理论容量 148 mAh/g，实际应用约 110 mAh/g），尤其在高温环境下（＞55℃）循环性能衰减显著（容量保持率＜70%），主要用于对成本敏感、性能要求较低的场景，如低端储能电池、电动工具。

磷酸铁锂（LiFePO₄）：凭借低成本（原料无钴镍）、高安全性（针刺不起火）和优异的高温稳定性（60℃循环 500 次容量保持率＞90%），成为动力电池和储能市场的主流选择。但其能量密度偏低（单体约 160 Wh/kg），低温环境下（-20℃）容量保持率仅 60%-70%，需配套加热系统，制约了其在北方高寒地区的应用。

三元材料（NCM/NCA）：通过镍、钴、锰（或铝）的元素协同，实现了能量密度的突破（NCM811 单体能量密度达 210 Wh/kg），显著提升电动车续航里程（搭载车型普遍突破 600 公里），成为乘用车动力电池的首选。但高镍体系（如 NCM811）面临成本高（钴镍原料占比超 70%）、热稳定性差（热失控温度约 210℃）的挑战，需通过单晶化、包覆改性等技术提升安全性。

锂电池产业链示意图

锂电池不同类型正极材料性能对比

三元正极材料产业链

三元正极材料产业链包括上游的金属矿（钴矿、镍矿、锰矿、锂矿）原材料、下游三元电池和 3C 电子、新能源汽车和储能等领域的应用。

锂电池的正极材料体系丰富多样，主要包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等技术路线，其性能与应用场景差异显著，具体可从核心指标与实际应用两方面对比分析：

一、核心性能对比

材料类型成本能量密度安全性典型特征钴酸锂（LCO）高（钴资源稀缺）高（150-210 mAh/g）较差（热失控温度低）振实密度大，工作电压平台高（3.7V）锰酸锂（LMO）低（锰资源丰富）低（100-130 mAh/g）较好（热稳定性中等）循环性能弱，高温环境衰减明显磷酸铁锂（LFP）低（无钴镍）中（130-160 mAh/g）优异（针刺不起火）高温性能稳定，低温容量衰减显著三元材料（NCM/NCA）较高（镍钴成本高）最高（180-220 mAh/g）较差（高镍体系易热失控）镍钴锰 / 铝协同提升能量密度

二、应用场景解析

1. 作为第一代商业化正极材料，钴酸锂凭借高振实密度（≥2.5 g/cm³）和稳定的电压平台，成为手机、笔记本电脑等便携式电子设备的首选。例如，iPhone 电池中钴酸锂的渗透率长期保持在 90% 以上。但其成本占比超电池材料总成本的 50%，且循环寿命通常不足 1000 次，热失控温度仅约 200℃，限制了其在动力电池领域的应用。

2.锰酸锂因原料成本低、制备工艺简单，在电动工具、低端储能和微型电动车（如老年代步车）中占据一席之地。然而，其实际比容量仅约 110 mAh/g，且在高温环境（＞55℃）下循环 500 次后容量保持率常低于 70%，导致其难以适配高续航需求场景。典型应用包括电动自行车电池（如雅迪部分车型）和基站备用电源。

3. 磷酸铁锂以无钴无镍的低成本优势和针刺不起火的安全性，成为商用车和储能市场的主流。数据显示，2023 年国内磷酸铁锂电池在客车领域渗透率超 90%，宁德时代、比亚迪的储能电站亦大量采用该体系。但其能量密度天花板约 160 Wh/kg，且 - 20℃环境下容量保持率仅 60%-70%，需依赖加热系统，在北方乘用车市场应用受限。

4. 三元材料（NCM/NCA）通过镍钴锰 / 铝的协同效应，将单体能量密度提升至 210 mAh/g（如 NCM811），直接推动电动车续航突破 600 公里（如特斯拉 Model 3 长续航版）。尽管其成本中贵金属占比超 70%，且高镍体系（如 NCM811）热失控温度仅 210℃，需通过单晶化、陶瓷包覆等技术提升安全性，但仍以55% 的全球乘用车动力电池市占率稳居高端市场主导地位。

三、技术演进与市场格局

磷酸铁锂的逆袭：凭借 CTP（Cell to Pack）技术，比亚迪刀片电池将系统能量密度提升至 180 Wh/kg，成功切入乘用车市场，2023 年装机量占比达 60% 以上。

三元材料的突破：宁德时代推出 M3P（磷酸锰铁锂）材料，通过锰元素掺杂将能量密度提升至 190 mAh/g，兼顾安全与续航，预计 2025 年量产。

无钴化趋势：特斯拉 4680 电池采用高镍无钴方案（NCM910），成本降低 10%，续航提升 20%，推动行业向低钴 / 无钴方向转型。

在三元正极材料体系中，高镍化是提升锂电池能量密度的核心技术路径，其性能优化与元素配比密切相关。三元材料由镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）三种过渡金属元素形成固溶体结构，各元素通过原子混排协同作用，其中：

镍（Ni）：作为电化学活性中心，其含量提升直接增加材料的理论容量（Ni²⁺/Ni³⁺电对贡献主要容量），是能量密度提升的核心驱动力。

锰（Mn）：以 Mn⁴⁺形态存在，电化学惰性强，主要通过稳定晶体结构提升材料热稳定性，锰含量增加可提高释氧温度（如 NCM523 释氧温度约 210℃，NCM811 提升至 225℃），降低热失控风险。

钴（Co）：兼具双重作用，一方面通过稳定层状结构抑制阳离子混排（如 Li⁺/Ni²⁺混排率降低至＜5%），另一方面提升电子传导率，改善循环性能（如 NCM622 循环 100 次容量保持率较 NCM811 高 8%）。

能量密度梯度与应用演进：
当前主流三元材料能量密度排序为：NCA（镍钴铝）＞NCM811＞NCM622＞NCM523，对应的单体比容量分别为 220 mAh/g、210 mAh/g、200 mAh/g、190 mAh/g。以搭载 NCA 电池的特斯拉 Model S 为例，其续航里程可达 630 公里，较 NCM523 车型（如早期宝马 i3，续航 271 公里）提升超 130%，显著缓解用户里程焦虑。

成本与性能的动态平衡：
尽管高镍化（如 NCM811）使贵金属（镍、钴）成本占比提升至 75% 以上，但单位能量密度的电池成本（$/Wh）却呈下降趋势。数据显示，NCM811 电池成本较 NCM523 下降约 12%，主要得益于材料压实密度提升（从 3.0 g/cm³ 增至 3.5 g/cm³）和生产工艺优化（如连续式共沉淀法降低能耗 20%）。此外，高镍材料的长循环特性（NCM811 循环 2000 次容量保持率＞70%）进一步摊薄全生命周期成本。

技术挑战与突破方向：

结构稳定性瓶颈：高镍体系（Ni≥80%）面临晶格畸变加剧问题，通过单晶化技术（晶粒尺寸控制在 5-8 μm）可减少晶界开裂，使循环寿命提升 30%；

界面阻抗调控：采用LiAlO₂包覆技术，在材料表面形成 20 nm 保护层，界面电阻从 800 Ω・cm² 降至 300 Ω・cm²，提升高镍电池快充性能（5 分钟充电至 80%）；

无钴化探索：开发 Ni-Mn-Al 三元体系（如 NCM900505），钴含量降至 5% 以下，成本降低 15%，同时通过引入 Al³⁺稳定结构，热失控温度提升至 240℃。

市场趋势：高镍三元材料（NCM811 及以上）在全球乘用车动力电池的渗透率已从 2018 年的 12% 提升至 2023 年的 45%，预计 2025 年将突破 60%。随着宁德时代、LG 新能源等企业实现 NCM910 量产，能量密度有望突破 230 mAh/g，推动电动车续航向 1000 公里迈进，同时通过规模化效应将单位 Wh 成本控制在 100 美元以下，加速新能源汽车对燃油车的替代进程。

不同类型三元材料性能对比

在未来乘用车的发展进程中，高能量密度与长里程是核心追求，这使得高镍技术成为中长期内的必然发展趋势。消费者在选购新能源汽车时，里程和价格是最为关注的两个维度。要消除消费者实际存在的里程焦虑，电池能量密度需进一步提升。

从实际使用情况来看，在综合平均工况下，新能源汽车的真实里程仅为标称里程的 70%-80%；而在高速行驶加冬季低温的严苛工况下，真实里程平均仅有标称里程的一半。基于此，我们认为，从中长期来看，当新能源汽车的标称里程达到 600 公里以上，再配合快充基础设施的完善，才能较好地缓解里程焦虑。而要同时满足价格亲民与长真实里程的需求，则需要高镍锂电技术持续发展。

未来的新能源汽车需要更高的电池容量，在实现 600 公里以上续航方面，高镍技术是最优选择；若要达到 800 公里以上的续航，高镍技术几乎成为唯一选择。高镍技术通过提升电池的能量密度，为新能源汽车突破续航瓶颈提供了关键支撑，将在未来的新能源汽车发展中扮演不可或缺的角色。

高镍是趋势-第一追求是能量密度和里程

通过系统能量密度的进一步提升与自身降本，高镍锂电中长期有望从系统级成本上接近或低于铁锂。我们认为单 Wh 成本与价格上，高镍锂电高于铁锂，但通过系统能量密度的大幅提升，与进一步降本下 Wh 成本差的缩小，到 2030 年高镍锂电可实现系统级成本中低里程与铁锂相近，高里程(续航大于 800km)下低于铁锂。

制备工艺：高镍产品对材料和工艺要求高

前驱体为非标定制产品，是正极生产过程中技术含量最高的环节。前驱体为正极加工的前置生产工序，前驱体品质直接决定了最后烧结产物的理化指标。三元前驱体生产不同于钴酸锂、磷酸铁锂的前驱体，采用氢氧化物共沉淀法，将硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰在反应釜中按一定比例合成。共沉淀法使得 NCM 的改性相对其它几种正极材料而言更加容易，可以比较容易地控制前驱体的粒径、比表面积、形貌和振实密度。选择合适的沉淀剂、控制 PH 值、反应时间、温度、搅拌速度，是影响前驱体制备的核心壁垒。

共沉淀法制备三元前驱体的工艺流程

高温固相法是当前三元材料主流制备方法，加工的核心在于配方和工艺控制。锂电池正极材料的合成流程及关键设备存在共性，主要采用高温固相法，生产流程大致包括前道工序（锂化混合、装钵）、 煅烧工序、后道工序（粉碎、分级、批混、包装等）等三大部分。首先，将前驱体和锂源进行精确计量后在混料机中混合均匀，然后放入匣钵中进入窑炉，在一定的温度、时间、气氛下进行煅烧，冷却后的物料进行破碎、粉碎、分级，得到一定粒度的物料，将其批混干燥，即得到高镍三元正极成品。三元材料核心生产流程是其中的煅烧工序，也是最为考验厂家技术的环节。

三元材料生产工艺流程

高镍正极采用氢氧化锂作为锂源，对材料、加工工艺要求高。高镍正极一般采用低熔点的氢氧化锂，并对前驱体要求严格。在煅烧过程中，温度低，时间长，通常为二次煅烧，并且要求纯氧气气氛，对烧结窑炉密封性和车间环境（水分、温度）的要求都比较高。为了提高高镍三元材料性能(如热稳定性、循环性能或倍率性能等)，通常要对正极材料进行掺杂以及表面包覆处理。而掺杂和包覆通常为各家技术差异化所在。

普通三元和高镍三元工艺和设备的对比

三元高镍化进程加快

镍含量的增加可以提升三元材料比容量，但降低了热稳定性。常规三元材料一般指 NCM111，NCM333，NCM523 等正极材料，高镍三元正极材料是指材料中镍的摩尔分数大于 0.6 的三元材料，常见的如 NCM622，NCM811，NCA 等。所谓高镍体系的 NCM811，化学式为 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，镍、钴、锰的配比为 8:1:1。三元正极材料随着镍含量的增加，比容量也逐渐增加，但镍含量的增加也会带来三元材料的循环性能下降，热稳定性减弱。

正极材料中镍、钴、锰元素的利弊

三元正极材料性能对比

动力电池每kWh三元正极所用钴金属成本测算

目前在设备和工艺上各个厂家有所差异，生产三元材料的投料量也有所不同，结合目前原材料的售价，我们根据生产每吨正极所需要的原材料进行理论用量和成本分析，结合目前行业和相关厂家的数据和资料，我们做出以下假设：

1、 原材料理论用量根据三元材料化学式计算得出；

2、 厂家自产前驱体生产三元正极材料；

3、 将三元材料的成本构成分为原材料成本、前驱体加工成本、正极材料加工成本，售价拆分时在三元材料成本的基础上加上前驱体加工毛利和正极材料加工毛利；

NCM523 和 NCM811 每吨正极材料需要的原材料成本构成

NCM523 和 NCM811 正极材料成本拆分

NCM811 原材料成本占比大。在整个前驱体和正极材料制备过程中，单吨正极材料生产过程的原材料成本占总成本的比重最大，NCM523 和 NCM811 的原材料成本分别达到 81.56%和 79.57%，而从售价来看，NCM811 的售价高于 NCM523，主要原因一是高镍材料生产环境要求较高，需要纯氧烧结，单吨耗氧量在 4 吨以上，氧气成本占比居高，NCM523 煅烧只需要空气气氛；二是高镍三元正极耗电量高于普通正极材料，三是由设备要求造成的能耗成本过高等，由此造成加工费偏高。根据我们测算，在厂家自产前驱体的情况下，NCM523 的毛利率达 22.27%，NCM811的毛利率达 27.69%， NCM811 的毛利率高于 NCM523 近 5.4 个百分点。

NCM811 技术门槛偏高

NCM811 技术门槛偏高。在原材料方面，常规三元正极材料由于碳酸锂成本普遍低于氢氧化锂，大部分厂商均采用碳酸锂作为锂源材料。高镍三元材料由于 Ni3+在高温情况下容易发生歧化反应，烧结温度一般低于 800℃，因此采用低熔点的氢氧化锂；在工艺和设备方面，高镍三元材料尤其容易产生金属离子混排问题，需要在纯氧环境中生产，因此高镍产品的烧结需要氧气炉，而常规三元只需使用空气炉，同时高镍材料制备对烧结窑炉密封性和车间环境（水分、温度）的要求都比较高。但目前国内的生产设备还无法完全满足高镍三元材料的制备要求。若后期核心设备国产化提速，掌握核心生产工艺与技术的高镍生产企业会优先受益。

高镍正极和普通正极材料生产工艺对比

普通三元和高镍三元工艺和设备的对比

高镍三元正极材料由于镍含量的增加导致材料的循环和倍率性能都不尽人意，目前存在的主要问题包括：

① 高镍三元材料在合成过程中部分 Ni2+占据 Li+位，形成 Li+、 Ni2+混排；

② 热稳定较差，在 4.3V 充电状态下，NCM111 分解峰值温度为 306℃，NCM523为 290℃，而 NCM811 仅为 232℃，同时伴随着放热量的急剧增加；

③ 表层结构不稳定，表层出现过度脱锂导致高镍三元材料的层状结构向尖晶石结构、惰性岩盐结构转变；

④ 二次粒子中的应变与微裂纹；

⑤ 过高的表面碱含量，NCM111 的 pH 为 8~9，而 NCM811/NCA 的 pH 则高达 11~12。

改善高镍三元材料的综合电化学性能主要围绕包覆、掺杂、电解液和隔膜等方面展开改性研究。

NCM 正极材料改性方法

多重方案解决 811 安全问题。

镍的含量虽然会使电池容量增加，但是热稳定性的下降将直接影响到电芯的安全性。随着 811 技术研发进程的加速，国内企业相继提出解决 NCM811 安全问题方案，并实现量产运用到相应的车型上。以宁德时代为例，公司从电芯环节通过机械设计和化学设计来应对安全和热失控问题，而模组环节采用多个温度传感器实时监测，电池包环节运用业界首创阻燃技术进一步解决 NCM811 带来的安全问题。

国内 NCA 研发进程缓慢，主要技术被国外垄断。对于正极材料 NCA，国外主流电池企业更加推崇并且能成熟应用，相比之下，国内产业化进度缓慢。一方面，NCA 比 811 的生产条件更加苛刻，对环境敏感，电池生产难度大，投入成本过高；另一方面，由于 NCA 在高温下容易发生崩塌导致热失控，单体容易胀气，安全性更加难以控制，目前各大电池车企持谨慎态度，在国内市场上应用程度较小。此外，NCA 在圆柱电池领域应用相对成熟，大多数方形或软包电池企业的 NCA材料应用仍处于研发阶段，短期内 NCA 电池很难夺得高镍市场较大份额。据 SMM调研，我国目前实现 NCA 量产的企业主要包括天津巴莫、贝特瑞、长远理科等，能量产高镍 NCM811 的企业主要包括容百科技、天津巴莫、当升科技、湖南杉杉等。

NCM811和NCA材料性能对比