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证券研究报告·行业动态
电池科技前瞻系列报告之五：单
晶 NCA 正极，特斯拉的努力
行业动态信息
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。
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 微米平均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。
正极材料性能：暂时差强人意
研究工作使用的纽扣电池搭载正极为高镍单晶 NCA，成分
。测试倍率为 C/5，截止电压为
为 30oC。虽然测试条件较温和，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距离。
总结与评论：“两段式烧结”有前景，单晶正极适合长寿命电池
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。
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。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。
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
型长寿命的需求超预期，则利好钴资源。
投资建议
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；建议关注钴资源企业洛阳钼业、华友
钴业等（相应标的由中信建投证券研究发展部有色团队覆盖）。
维持 买入
杨藻 杨藻
yangzao@
执业证书编号：S1440520010003
研究助理 张亦弛
zhangyichi@
010- 85159272
研究助理 张鹏
zhangpengyf@
010-86451496
yangzao@
18621883566
执业证书编号：S1440520010003
发布日期： 2020 年 04 月 28 日
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相关研究报告
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行业动态研究报告
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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。
图表1： 专利 Method for Synthesizing Nickel-Cobalt-Aluminum Electrodes 的基本信息
资料来源: WO2020/082019A1，中信建投证券研究发展部
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 ~，铝含量 ~；对单
晶 NCM，钴含量 ~*，锰含量 ~；*钴含量范围限 疑为 之误）是前驱体高温锂化。NCA 正
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极的合成需要锂-其他金属的摩尔比为 ，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 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。
图表2： 专利工作制备的单晶 NCA 正极形貌
资料来源: WO2020/082019A1，中信建投证券研究发展部
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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 。测试倍率为 C/5，
截止电压为 30oC；低倍率、较窄电压区间、室温，可以认为测试条件比较温和。
图表3： 不同正极循环过程中的晶胞参数变化和循环后的形貌变化
资料来源: Quaternary Layered Ni-Rich NCMA Cathode for Lithium-Ion Batteries，中信建投证券研究发展部
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
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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）。
图表4： Dahn 教授无钴芯壳结构正极的锂镍混排情况
资料来源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure，中信建投证券研究发展部
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。
图表5： 两段式烧结对晶粒长大的抑制作用，及两段式烧结获取的纳米晶氧化钇基陶瓷
资料来源: Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth，中信建投证券研究发展部
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
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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。
图表6： 不同循环条件下电池容量变化；纯电动乘用车的里程、容量和使用时间关系估计
资料来源: A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies，中信建投证
券研究发展部
宁德时代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 循环（高压达 ）后容量保持在 180Wh/kg 以上。
图表7： 宁德时代单晶 NMC532 电池正极材料电镜照片 图表8： 宁德时代单晶 NMC532 电池正极材料循环性能
资料来源：CN104979546A，中信建投证券研究发展部 资料来源：CN104979546A，中信建投证券研究发展部
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，
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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、华友钴业等（相应标的由中信建投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。
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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。2016 年 8 月加入天
风证券，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、金麒麟新锐分析师。
研究助理
研究助理 张亦弛：清华大学工学学士、博士，2 年能源材料实业工作，2 年清华大学
下属研究院工作，储能技术与产业政策专家。在学及就业期间发表多篇 SCI 及核心论
文，申请多项国家专利并获授权。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。
报告贡献人
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，2018 年
加入中信建投证券研究发展部。2019 年万得金牌分析师团队成员。
研究服务
北京保险组
张博 010-85130905 zhangbo@
郭洁 010-85130212 guojie@
张永胜 zhangyongsheng@
张勇 010-86451312 zhangyongzgs@
高思雨 010-8513 gaosiyu@
刘京昭 - liujingzhao@
北京公募组
李祉瑶 010-85130464 lizhiyao@
黄杉 010-85156350 huangshan@
李星星 021-68821600 lixingxing@
杨济谦 010-86451442 yangjiqian@
金婷 jinting@
夏一然 xiayiran@
杨洁 010-86451428 yangjiezgs@
社保组
吴桑 010-85159204 wusang@
张宇 010-86451497 zhangyuyf@
创新业务组
高雪 010-86451347 gaoxue@
杨曦 -85130968 yangxi@
廖成涛 0755-22663051 liaochengtao@
黄谦 010-86451493 huangqian@
何颖仪 heyingyi@
陈基辕 010-65608433 chenjiyuan@
诺敏 010-85130616 nuomin@
上海公募组
黄方禅 021-68821615 huangfangchan@
戴悦放 021-68821617 daiyuefang@
翁起帆 021-68821600 wengqifan@
范亚楠 021-68821600 fanyanan@
薛姣 021-68821600 xuejiao@
章政 zhangzheng@
李绮绮 021-68821867 liqiqi@
王定润 021-68801600 wangdingrun@
深广公募组
曹莹 0755-82521369 caoyingzgs@
张苗苗 020-38381071 zhangmiaomiao@
XU SHUFENG 0755-23953843
xushufeng@
程一天 0755-82521369 chengyitian@
陈培楷 020-38381989 chenpeikai@
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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。
重要声明
本报告仅供本公司的客户使用，本公司不会仅因接收人收到本报告而视其为客户。
本报告的信息均来源于本公司认为可信的公开资料，但本公司及研究人员对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，
也不保证本报告所包含的信息或建议在本报告发出后不会发生任何变更，且本报告中的资料、意见和预测均仅反映本报告发
布时的资料、意见和预测，可能在随后会作出调整。我们已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参
考，不构成投资者在投资、法律、会计或税务等方面的最终操作建议。本公司不就报告中的内容对投资者作出的最终操作建
议做任何担保，没有任何形式的分享证券投资收益或者分担证券投资损失的书面或口头承诺。投资者应自主作出投资决策并
自行承担投资风险，据本报告做出的任何决策与本公司和本报告作者无关。
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