一文读懂动力电池技术路线之争及中上游产业链

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主要观点:双碳目标下动力电池产业市场前景确定。动力电池迈入平价,新能源汽车销量进入高速成长期。在全球主要国家先后公布碳中和时间表后,新能源汽车成为必然趋势,而现时全球仅6%的渗透率,意味着动力电池将是近万亿级市场。与三元锂电池相比,磷酸铁

主要观点:双碳目标下动力电池产业市场前景确定。动力电池迈入平价,新能源汽车销量进入高速成长期。在全球主要国家先后公布碳中和时间表后,新能源汽车成为必然趋势,而现时全球仅6%的渗透率,意味着动力电池将是近万亿级市场。

与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池在安全性、循环寿命、价格等方面具有优势,但是低温放电性不佳,以及能量密度不高,进而影响了车辆的续航能力。随着自燃安全事故的频发,电池温控管理系统的应用以及磷酸铁锂电池技术的不断突破,原材料成本上涨,磷酸铁锂电池扭转颓势,与三元电池分庭抗礼。

固态锂电池生产效率低下,距商业化尚有较长距离。钠离子电池现对于锂离子电池能量密度低、循环寿命较短、产业链仍不完善。一旦大规模商用,会具有较大的成本优势。燃料电池的比能量较一般电池的实际比能量高很多,但中国燃料电池产业链极不完备,燃料电池价格较高,制约了燃料电池的发展。

动力电池产业客户黏性强、市场集中度不断提升,宁德时代占据中国市场半壁江山。高端产能不足的同时低端产能过剩。整车厂介入动力电池业务成为一大趋势。

宁德时代的竞争优势:管理层具有前瞻性的战略眼光;通过激励机制鼓励创新奋斗;高度重视产品安全和质量;重视研发争取技术优势;高度整合供应链资源、降低生产成本;深度绑定下游车企、加深护城河;稳步扩大产能,巩固行业龙头地位。

碳中和、碳达峰规划出台后,新能源汽车需求拉动全球动力电池材料供不应求。部分电池材料扩产周期较长,具有供给刚性,在需求上涨时受益最多。看好赣锋锂业等锂矿企业,多氟多等六氟磷酸锂企业,恩捷股份等隔膜企业。

一、动力电池的定义与应用历史

1、动力电池的界定

电池指能将化学能转化成电能的化学电源,靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果,这种反应分别在两个电极上进行。根据能源转化方式,电池可分为一次电池、二次电池(又称蓄电池)和燃料电池三种。其中,一次电池是指使用一次后就被废弃的电池;二次电池是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池;燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。

根据用途,电力可用动力、储能、消费电子等。动力电池就是指为工具提供动力来源的电源,应用有三大类:一是汽车和摩托车行业。主要是为发动机的起动点火和车载电子设备的使用提供电能。二是工业电力系统。用于输变电站、为动力机组提供合闸电流,为公共设施提供备用电源以及通讯用电源。三是电动汽车和电动自行车行业。取代汽油和柴油,作为电动汽车或电动自行车的行驶动力电源。本文专指为电动汽车或电动自行车的行驶动力电源,且不包含一次电池,仅包括二次电池和燃料电池。

2、动力电池在汽车上的应用历史

蒸汽汽车、电动汽车、内燃机汽车先后诞生。1769年法国工程师尼古拉斯.古诺将蒸汽机装到了一辆马车上,实现了没有马拉的马车,这是世界上第一辆用动力机械驱动的车辆,尽管它的性能还不如马车。1881年法国人 Gustave Trouve 制造出第一辆采用铅酸蓄电池供电的三轮纯电动汽车。1886年,卡尔本茨研制成功了单缸汽油发动机,发明了第一辆机动三轮车,被公认为世界上第一辆实用的汽车。电动车相对于内燃机驱动车辆有着更多优势:无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉,而内燃机动力性更佳,蒸汽汽车起步更早,于是形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下汽车市场。1900年,欧美出售的4200辆汽车中,40%是蒸汽机车,38%是电动汽车,剩下的22%才是燃油汽车。

20世纪20年代,随着美国大规模油田开采,石油成本的下降和内燃机技术的提高,使得燃油汽车性价比超越蒸汽机车和电动汽车,燃油汽车成为汽车领域的霸主。

20世纪70年代爆发的石油危机,1990年全球环境保护意识加强,使得新能源汽车的研发受到政府和企业的重视。但是,电池技术发展滞后了阻碍电动车发展,充电续航没有突破性的进展,使电动汽车制造商面临巨大的挑战。传统汽车制造商开始研发混合动力汽车,以克服电池和续航里程短的问题,最有代表的就是PHEV插电式混合动力和HEV混合动力。1995年东京车展上,丰田发布了名为Prius的混合动力概念车。

1996年,丰田推出第一款燃料电池概念车FCHV-1,通用汽车推出现代世界第一款纯电动汽车EV1。2008年,特斯拉发布第一辆电动车Roadste。

增程式混合动力汽车、内燃机、插电式混合动力、纯电动车对比

增程式混合动力的车就真的是把发动机当成了发电机,只发电不驱动,而且本身的动力电池容量也够大,续航里程甚至能过千。纯电动车是指以事前已充满电的蓄电池供电给电动机,由电动机推动的车辆,而电池的电量由外部电源补充。插电式混合动力汽车的是一种混合动力车辆。其充电电池可以使用外部电源充电,而电池容量比电动车小、但大多大于普通油电混合动力车。

燃料电池系统和储氢系统占据整车成本的65%,锂离子纯电动汽车的电池成本占据整车成本的25%-40%,发动机占据整车成本的10%-20%。昂贵的价格使得内燃机汽车在经济性依然占有优势,新能源汽车产业的发展需要依靠政策刺激需求、引导供给,通过规模经济和技术进步提高动力电池的性价比。

2008年经济危机之后,发达国家皆主动开始寻找战略性新兴产业,新能源汽车产业是全球各国竞相追逐的战略性新兴产业之一。世界上主要汽车制造大国,皆制订了目标远大的新能源汽车推广计划。2009-2012年,随着电动汽车发展战略的确立,中国政府通过研发投入和直接补贴, 大规模地在全国多个城市引入新能源汽车试点项目并优先在公共领域推广部署。2012 年,特斯拉开始量产 Model S。这款车新颖的设计、时尚的智能设备和超强的加速能力(百千米加速仅需2.7s),把纯电动汽车的发展推向一个新的高潮。2014年,欧洲议会设定了一项当今全球最严格的汽车碳排放控制目标,该目标要求汽车制造商到2021年之前将汽车二氧化碳排放量削减27%。2009年-2014年,全球新能源汽车发展从无到有,产品从试验场走向商业化,逐渐呈现规模化趋势。2009年新能源汽车销量不足4千辆,2013年销量超过18万辆。产品丰富度大幅增加。

在政策补助的扶持下,中国新能源汽车2009年销售0.23万辆,2013年销售1.76万辆,其中乘用车约1.5万辆。欧洲新能源汽车2009年销售0.03万辆,2013年销售3.3万辆。日本新能源汽车2009年销售0.1万辆,2013年销售3.1万辆。2010年美国市场仅有Leaf和Volt两款新能源车在销售,合计0.04万辆,2013年已经接近20款,主流汽车企业皆推出新能源汽车产品参与该细分市场的竞争,销量9.7万辆,占全球销量一半左右。

2014年12月,丰田汽车推出首款量产氢燃料电池轿车丰田Mirai。2016年本田推出CLARITY车型;2017年戴姆勒也推出全新氢燃料电池GLC-CELL概念车。

2020年全球汽车销售7797.12万辆,同比下降13.77%。但全球电动汽车销量首次达到324万辆,涨幅高达43%;其在全球汽车销量中的份额从2019年的2.5%升至2020年的4.2%。其中欧洲市场增长137%至140万辆,占比第一,为43.06%;中国市场增长12%至134万辆,约占41.27%,排名第二。分产品来看,纯电动和插混动力汽车为新能源汽车主要产品,占比合计在99%以上。

3、动力电池在自行车上的应用

1790年,法国人西夫拉克发明了世界上第一辆自行车。1885年,戴姆勒制造了世界上第一辆摩托。1886年,被称为“自行车之父”的机械工程师斯塔利,设计出了新的自行车样式,为自行车的大量生产和推广应用开辟了宽阔的道路。1895年,奥格登·博尔顿发明了直驱式轮毂电动车,他也因此成为了第一个获得电池驱动自行车专利的人。1985年诞生了中国第一辆电动自行车。1992年的“Zike”是第一款上市的电动自行车,它拥有一个集成的镍镉电池系统和一个850克永磁电机。电动自行车的目标市场主要以个人代步为交通工具,竞争者为自行车与摩托车。在速度与动力层面,摩托车最优,自行车最次,电动自行车居中;在购买价格与使用成本方面,自行车最优,电动自行车居中,摩托车最次。随着居民收入水平提高,自行车更多用于锻炼身体,节约时间可以选择汽车,电动自行车优势愈发明显。

二、双碳目标下动力电池产业市场前景确定

1、动力电池迈入平价,新能源汽车销量进入高速成长期

根据市场调查机构 Canalys 的最新报告,数据显示 2021 年上半年全球新能源汽车销售量总计为260万部,比2020年上半年增长160%。2021 年上半年,中国大陆电动汽车销量为110万辆,占中国大陆乘用车销量的12%;欧洲销量为100万辆,占新车的15%。中国和欧洲两个市场的电动汽车销量合计占全球电动汽车销量的87%。美国新能源汽车总销量才27万辆,市场渗透率仅3%,远低于全球平均渗透率6%。

技术进步需要经历婴儿期、成长期、成熟期和衰退期。一旦行业进入成长期,企业就不需要政府补贴,拥有了自生能力,开始获利。根据哈瑞.丹特的《下一轮经济周期》,普及率从0.1%-1%与1%-10%所经历的时间是一样的,各14年,从10%到90%也是14年。市场份额达到10%,就加速进入高速成长期;在渗透率到达50%时,行业进入成熟期,会出现一次调整,增速有所放慢,很多缺乏技术的公司会开始走下坡路,公司数量大量缩减,开始孕育强势品牌公司。达到90%时,行业进入衰退期,新的技术将会诞生,并逐渐进入市场取代原有技术。

基于新兴产业成长的 S 曲线理论,欧洲和中国新能源车渗透率已达到 10% ,迈过渗透率加速提升期临界值点,未来几年有望继续加速渗透。

SNE的最新统计数据显示,2021年上半年全球动力电池为114.1GWh,去年同期是45GWh,同比增长了153.7%。其中,中国的动力电池使用量就占了总量的 46%,为52.5GWh。

2、双碳目标助推新能源汽车加速增长

2020年9月,中国国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布,中国将力争于2030年前达到碳排放峰值,并努力争取2060年前实现碳中和。在今年的全国 “两会”上,碳达峰、碳中和被首次写入政府工作报告。2020年10月,由工业和信息化部装备工业一司指导,中国汽车工程学会牵头组织编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布。“2.0版技术路线图”规定,到2035年,中国节能汽车与新能源汽车年销量将各占一半,传统能源动力乘用车将全部转为混合动力,从而实现汽车产业的全面电动化转型。2020年11月,英国首相鲍里斯·约翰逊发布了“绿色工业革命”计划,提出2030年在英国停止销售新的汽油车和柴油车,比原计划再次提前5年。2020年底,美国加州和日本先后表示,将在2035年停止销售传统内燃机汽车。

2021年8月,拜登签署一项行政令,为实现巴黎气候协定的目标,美国政府计划2030年将新能源汽车(包括插电混动、纯电动和燃料电池汽车)的销量占比提升到 40-50%。为实现这个目标,政府及产业界将从新能源汽车购置补贴、完善充电网络、研发投入、为新能源整车以及零配件生产提供补贴等方面加大支持力度。 

在全球主要国家先后公布碳中和时间表后,新能源汽车成为必然趋势,而现时全球仅6%的渗透率,意味着动力电池将是近万亿级市场。

3、电动自行车销量维持稳定

电动自行车自1985年诞生以来,2000年开始进入规模化生产初期,2005-2016年高速发展,2016年后电动自行车保有量维持在2.5亿辆,产量在3200万辆上写波动。电动自行车用动力电池的需求也因此维持相对稳定。

三、动力电池技术路线之争带来的不确定性

1、动力电池技术发展的历史

1859年,法国著名物理学家普兰特发明了可充电的铅酸电池。1890年,爱迪生发明可充电的铁镍电池。1899年,瑞典人金格发明可充电的镍镉电池。

1976年,惠廷汉姆创造性地采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,帮助埃克森公司申请了世界上第一个可充电锂电池的发明专利。也正因此,惠廷汉姆获得“锂电池之父”的名号。由于钠和锂属于同族元素,这期间学者也开始研究钠离子电池,但设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想,发展非常缓慢。

1980年,Goodenough发明出钴酸锂,能使“锂”这个元素从活泼的金属态转移到稳定乖巧的离子态,让安全成为可能。1983年Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。世界上最大的锂电池绝缘材料的制造商旭化成公司工作的吉野彰则借鉴了古迪纳夫的成果,吉野彰采用石墨代替金属锂作为锂电池的负极,并结合钴酸锂正极,在1985年开发了第一个商业上成功的可充锂离子电池。

1985年,加拿大Moli能源公司推出了AA型的电池,用二硫化钼作为正极,金属锂作为负极。1989年,Moli能源第一代产品出现安全事故(起火爆炸),引起公众恐慌;Moli能源宣布召回所有已出售的产品,并对受害者提供经济赔偿;最终进入破产阶段,被日本电子巨头NEC收购。产品全部进行重新检测后,NEC宣布永久放弃将金属锂负极用于可充电电池的路线。

1991年,索尼公司获得吉野彰的技术后,与旭化成公司合作,首次将锂离子电池实现了商业化。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料更具优越性。

2001年4月,加拿大达尔豪斯大学物理学教授兼3M集团首席科学家杰夫·达恩,发明了成规模商业化的镍钴锰三元复合正极材料,促使锂电池突破走向市场的最后一步。当年4月27日,3M向美国申请了该项专利,即三元材料的基础核心专利。与此同时,阿贡国家实验室(ANL)首次提出了富锂的概念,并在此基础上发明了层状富锂高锰三元材料,且在2004年成功申请专利。2010年,丰田推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。3M通过对外输出专利和技术合作的方式赚取高利润,其中专利授权给了优美科、松下、日立、三星、LG、SK等多家日韩锂电企业,以及中国的杉杉、湖南瑞翔和北大先行等正极材料企业,总数有十几家之多。而阿贡的专利只授权给了三家:德国化工巨头巴斯夫、日本户田工业以及韩国LG。

碱性燃料电池(AFC)是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。磷酸型燃料电池(PAFC)也是第一代燃料电池技术,是目前最为成熟的应用技术,已经进入了商业化应用和批量生产。由于其成本太高,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池。目前正在开发的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它具有较高的能量效率和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。

2010年以来,根据钠离子电池特点设计开发了一系列正负极材料,在容量和循环寿命方面有很大提升,如作为负极的硬碳材料、过渡金属及其合金类化合物,作为正极的聚阴离子类、普鲁士蓝类、氧化物类材料,特别是层状结构的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展现了很好的充放电比容量和循环稳定性。

中科院物理所胡勇胜研究员带领团队自2011年起致力于安全保、低成本、高性能钠离子电池技术研发,开发出低成本铜基正极材料、煤基碳负极材料、低盐浓度电解液,其核心专利获得中国、美国、日本及欧盟授权。2017年,建成百吨级正、负极材料中试线,兆瓦级产能的电池线,研制出能量密度为150 Wh/kg,循环寿命达3000周的钠离子电池,并先后完成电动自行车、全球首辆钠离子电池低速电动车和首座100kWh钠离子电池储能电站示范应用。

2015年11月30日,法国一支研究团队在可充电电池材料上取得了一项重大进步,“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上,但法国国家科学研究中心的研究人员们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。

上海交通大学马紫峰教授研究小组在国家自然科学基金委和国家973计划支持下,采用廉价的普鲁士蓝类材料(NaMFe(CN)6),通过优化晶体内部分子结构,构筑了高容量、长循环寿命的钠离子电池正极材料。

2018年12月,南京理工大学夏晖教授与中外团队合作,首创结构设计和调控方法,在锰基正极材料研究方面取得重要进展,使低成本钠离子电池有望取代锂离子电池。

2021年7月29日,宁德时代正式推出钠离子电池。基于材料体系的一系列突破,宁德时代研发的第一代钠离子电池具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。

2、动力电池的分类分类

根据所用材料的不同,动力电池可以分为:铅酸电池、镍氢电池、高铁电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、钠离子电池、固态锂电池、燃料电池。

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池安全性好、易维护、耐过充电和过放电性能好、高低温性能好、自放电速度小、使用过程对环境友好、具有易回收性和重复利用性;相对于锂电池,铅酸电池还具有明显的低成本优势,其成本仅为锂电池的30%左右。但是,铅酸电池质量重,比能量小,不能快充深放,循环寿命短。铅酸电池在电动助力车电池市场高居霸主地位。目前采用阀控式铅蓄电池的电动自行车,一次充电可以行驶35~40 km,可以完全满足人们上下班和上街购物的需要。

镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极),负极活性物质为金属氧化物,也称贮氢合金(电极称贮氢电极),镍氢电池的电解液一般是氢氧化钾为主体的碱性溶液;  镍氢电池的壳体通常是金属壳体。镍氢电池具有高比功率、适应大电流放电、无污染、发热量较小、安全性能好等特点。但是,镍氢电池具有记忆效应,过度充电或放电,都可能加剧电池的容量损耗,循环寿命短。目前主要运用的车型是丰田普锐斯、通用EV1

高铁电池是以合成稳定的高铁酸盐作为正极材料的电池,电解质为浸湿固态碱性物质。原料丰富、能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染,主要缺点是生产工艺要求非常高,并且价格不菲。它的主要的应用车型:比亚迪e6、比亚迪F3DM。

锂离子电池不是锂金属电池。商业化的锂金属电池都仅是一次电池,充电生成的单质锂具体表现为锂枝晶形态,会导致电池短路等各种引发潜在电池着火爆炸的风险。

锂离子电池的主要组成部分有正极、负极、隔膜、电解液、电池壳,主要依靠Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。锂离子电池的正极材料必须具有接纳锂离子的空间和扩散的路径,根据正极材料的不同,锂离子电池又可以分为三元材料电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池、钴酸锂电池。负极材料有石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料等,其中使用最广的是石墨化碳材料。电解液作为锂离子运动的传输介质,一般由溶剂和锂盐组成。有机溶剂要求具有低的蒸汽压、高的沸点、较高的介电常数和较低的粘度,一般采用混合溶剂的形式。对于锂盐来说,具有较大半径的阴离子更有利,因为具有离域阴离子的锂盐更容易解离,如 LiPF6、LiClO4、LiBF4等。隔膜是电池中不参与电化学反应的非活性物质,主要作用是阻挡正极和负极,阻止电子通过,同时可以让离子通过,然后完成正极和负极之间锂离子的充放电过程的快速传输。由于电解液是有机溶剂体系,要有有机溶剂的阻隔性数据,隔膜一般选用高强度的聚烯烃多孔膜。

锂离子电池具有循环寿命高、比能量大、自放电小、电压高等特点。但是,锂离子电池大电流性能差、价格高、具有安全性问题。

其中,钴酸锂电池具有结构稳定、容量比高、一致性好、综合性能突出,但安全性能差、成本非常高,主要用于制造手机和笔记本电脑及其它便携式电子设备的锂离子电池作正极材料。但是,特斯拉第一代Roadster跑车采用的是钴酸锂电池。

锰酸锂电池是指正极使用锰酸锂材料的电池,耐低温、倍率性能好、制备比较容易、没有专利限制,但高温性能差、循环性能差、衰减快,材料本身不稳定,需配以其它材料混合使用。2017年在新能源汽车市场出货量仅占总市场份额4.25%。主要应用于客车、物流车,在乘用车领域也略有配套。

钛酸锂电池也是锂电中寿命最长、安全最高的电池。钛酸锂由于其平衡电位高,不会在负极形成锂枝晶,而具有很好的安全性。由于其是零应变材料,而不会在充放电过程中发生结构的变化,具有非常优越的循环性能。锂离子在钛酸锂晶体中的扩散系数是2&TImes;10-8cm-2/s,比石墨负极多一个数量级,可以快速充放电。工作温度范围为-30℃~60℃:低温下锂的嵌入及脱出能力都会下降,尤其是嵌入能力,钛酸锂负极在-30℃下充电也不会出现导致短路或使负极恶化的锂枝晶出现。自放电小,正极采用常规型锰酸锂,负极用钛酸锂的电池,60度存储28天容量剩余率88%,容量恢复率95%以上。钛酸锂电池能够快速放电并提供大功率的输出,能给大巴和坦克供电,但是能量密度比较低,而且原材料与制作成本太高,电池一致性仍存在差异,随着充放电次数的新增电池一致性差异会逐渐增大。普通的钛酸锂电池在经过1500-2000次左右的循环就会发生胀气的现象,导致无法正常使用,这也是制约钛酸锂电池大规模应用的一个重要原因。

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,具有更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属(原材料成本低)、支持快速充电、工作温度范围广。但能量密度较低,低温下正极材料活性降低,使得能够发生移动带来放电电流的锂离子数量下降;材料的制备成本与电池的制造成本较高,电池成品率低,产品一致性差,涉及知识产权问题。

三元电池即三元材料锂电池,是指正极材料包含镍钴锰或者镍钴铝的锂电池。镍有助于高能量密度,但会带来安全隐患;钴、铝可以提高抑制镍的副作用,但钴面临资源短缺问题,成本较高;Mn则不参与电化学反应,可提供安全性和稳定性,同时降低成本。镍钴铝电池工艺要求高且成本高,较镍钴锰电池能量密度高,但安全性较差。镍钴锰三元正极材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整,并且其性能随着镍钴锰的比例的不同而变化。世界各国在镍钴锰三元材料的研究和开发方面做了大量的工作,提出了多个具有不同镍钴锰摩尔比组成的三元材料体系,包括333,523,811体系等。三元电池能量密度高、循环稳定性好、成本适中。

与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池在安全性、循环寿命、价格等方面具有优势,但是低温放电性不佳,以及能量密度不高,进而影响了车辆的续航能力。随着自燃安全事故的频发,电池温控管理系统的应用以及磷酸铁锂电池技术的不断突破,原材料成本上涨,磷酸铁锂电池扭转颓势,与三元电池分庭抗礼。

锂离子聚合物电池是由锂离子电池演化而来。最主要的差异是电池中锂盐的电解质是由固态的聚合物如聚乙二醇或聚丙烯腈所携带、而非锂离子电池使用的有机溶液。锂聚电池比起锂离子电池,具有更有弹性的包装形状选择、可靠度和耐用性的优点,但充电电容量较小。

钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似,为嵌脱式电池。充电时,Na+从正极脱嵌,进入负极;放电时,Na+从负极回到正极,外电路电子从负极进入正极,将Na+还原为Na。

钠离子电池现对于锂离子电池的三大不足:

(1)能量密度较低:钠元素的原子质量是锂元素的3.3倍,导致钠离子电池能量密度仅为锂离子电池50%左右,但能量密度区间与磷酸铁锂电池有重叠范围。钠离子电池能量密度区间大约在70-200Wh/kg。而锂离子电池能量密度大约在150-350Wh/kg的区间上,其中,磷酸铁锂电池的能量密度偏低,约在150-210Wh/kg的区间上。当前钠离子电池电芯单体能量密度仅为120Wh/kg,明显低于磷酸铁锂电池180Wh/kg和三元电池的240Wh/kg。但下一代钠离子能量密度有望突破200Wh/kg。

(2)循环寿命较短:由于钠离子本身离子半径是锂离子的约1.3倍,导致脱出/嵌入更难。钠离子电池当前循环次数最高约为1500次,显著低于磷酸铁锂电池的6000次与三元电池的3000次,未来有望进一步提升。

(3)产业链仍不完善:钠离子电池仍处于商业化探索和改进中,工程化设备、供应链配套等暂未形成,产品性能、成本控制及适配应用场景等有待进一步检验。

钠离子电池可以缓解资源约束,保障原材料供应安全。随着全球电池需求量的迅速增长,锂资源开始面临着资源约束问题,一方面是锂资源的总量分布有限,地壳丰度仅为0.006%;另一方面是锂资源的空间分布不均匀,全球锂储量分布主要集中在智利、澳大利亚、阿根廷三国,锂资源75%集中分布在美洲。根据美国地质勘探局2021年报告,我国锂资源储量仅占全球6%,且开采成本较高,现在的电池生产用锂对外依存度过高。锂资源的供需紧张也使得2021年以来,锂资源大幅涨价。根据wind数据,与2021年1月1日价格相比,2021年7月20日碳酸锂价格上涨66%,氢氧化锂价格上涨96%。而钠盐原材料储量丰富,价格低廉。钠离子地壳丰度约为2.36%,远高于锂离子的0.002%。此外,钠资源全球分布广泛,中国广阔的海岸线也可以通过海水制备钠盐来降低钠电池生产成本。

钠离子电池大规模商用后,会具有较大的成本优势。与锂资源相比,钠资源储量非常丰富,地壳丰度为2.64%,是锂资源的440倍。且钠资源分布广泛、提炼简单,因此价格稳定且低廉,约250元/吨,为电池级碳酸锂价格1/50。目前,电池级碳酸锂价格由2021年初的5万元/吨涨至13.6万元/吨,波动很大。根据中科海钠披露,钠离子电池BOM成本较锂电池低30%左右,成本优势明显。

除钠资源储量与价格优势之外,钠离子电池在其他一些方面上同样优于锂离子电池:(1)界面离子扩散能力更好。钠离子的溶剂化能比锂离子更低,界面离子扩散能力更好。(2)集流体材料更便宜。铝与锂在低电位会发生合金化反应,锂离子电池只能选择铜做集流体。而铝与钠在低电位不会发生合金化反应,因此钠离子电池可以选择更便宜的铝做集流体,可以进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右。(3)离子电导率更高:钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小,相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率。允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本。(4)高低温性能更优异。根据目前初步的高低温测试结果,钠离子电池高低温性能更优异。(5)安全性能更好。钠离子电池的内阻比锂离子电池稍高,在短路情况下瞬间发热量少、温升较低。(6)由于钠离子电池无过放电特性,允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg,可与磷酸铁锂电池相媲美,但是其成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

与其他电池路线相比,钠离子电池还有一个重要优势:钠离子电池与锂离子电池的工作原理相似,与锂离子电池的生产设备大多可兼容。

固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液,大大提升锂电池的能量密度,同时不可燃不漏液,安全性高。但生产效率低下,距商业化尚有较长距离。

燃料电池是一种电化学电池,它通过氧化还原反应将燃料(通常是氢气)和氧化剂(通常是氧气)的化学能转换为电能。与大多数电池所不同的是,燃料电池需要连续的燃料和氧气源(通常来自空气)来维持化学反应,而在电池中,化学能通常来自已经存在于电池中的金属及其离子或氧化物 (液流电池除外)。只要有燃料和氧气供应,燃料电池就能连续发电。

由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高。液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍,直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池(能量密度最高的充电电池)高10倍以上。目前,燃料电池的实际比能量尽管只有理论值的10%,但仍比一般电池的实际比能量高很多。对于燃料电池而言,只要含有氢原子的物质都可以作为燃料,例如天然气、石油、煤炭等化石产物,或是沼气、酒精、甲醇等,因此燃料电池非常符合能源多样化的需求,可减缓主流能源的耗竭。另外,燃料电池用燃料和氧气作为同时没有机械传动部件,故没有噪原料,排放出的有害气体极少。

但是,中国燃料电池产业链极不完备。电堆占氢燃料电池系统总成本25%以上,其核心材料几乎全部依赖国外厂家;在催化剂领域,国内消耗量是国外3-5倍,且主要来自国外企业,国内仅有几家企业可小批量生产;此外,质子交换膜、膜电极等,都主要依赖国外企业供应。且燃料电池价格较高,一辆燃料电池车的价格是锂离子电动车的1.5倍到2倍,是燃油车的3-4倍。

动力电池根据包装材料和形状的不同,电池又可以分为软包电池、方形电池和圆柱电池。

方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形电池,方形电池的结构较为简单,能把内部材料卷覆得较为紧密,可以任意大小,整体附件重量要轻,相对能量密度较高,再加上有铝壳限制不容易膨胀所以相对安全。

圆柱电池采用强度较高的不锈钢作为壳体,具有防爆安全阀的等附件,电芯以紧密的卷绕方式包装,内部排列更紧凑,聚集的能量更多,容量高、输出电压高、具有良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流放电、电化学性能稳定、使用安全、工作温度范围宽、对环境友好。不过因为圆柱型的电池体积小,如果想要提供更多的能量,则需要大量的单体电池来组成电池包,所以电池的一致性很难保证,可能引发安全风险,对电池管理技术要求高。

软包电池是液态锂电池套上一层聚合物外壳,具备能量密度高、充放电倍率高、可以做得更薄等特点:

能量密度高。GGII数据显示,目前动力电池行 业 内 量 产 的 三 元 软 包 动 力 电 池 平 均 电 芯 能 量 密 度 已 达240-250Wh/kg,但同材料体系的三元方形动力电池能量密度为 210-230Wh/kg。三元软包动力电池单体电芯能量密度比三元方形动力电池平均高10%-15%。

安全性能好。同材料体系下,三元软包动力电池在铝塑膜软包封装下,如果发生电池热失控,一般胀气释放热量;而方形、圆柱电池由于采用硬壳包装,热量无法释放,内部压力较大,则会引起爆炸。另外,采用卷绕生产工艺的方形、圆柱电池,随着电池使用时间增加,更容易出现电池内部温度不一、应力分布不均匀,尤其是卷绕弯曲处,从而产生安全隐患。

三元软包动力电池具备容量大、内阻小的电化学性能优势。三元软包动力电池由于内阻较小,可以极大的降低电池的自耗电,提升电池倍率性能、循环寿命,产热量小。

电芯层面,三元软包动力电池电芯的尺寸以及形状设计灵活。企业可以依据自身产品设计、客户需求进行定制。在模组和电池包层面,三元软包动力电池的空间布局更为灵活,可以呈矩形或T字形布局,能够满足更多车型对动力电池的空间要求。

软包电池的不足在于:成本相对较高、生产一致性也较差,热扩散方面较差,质量情况并不稳定,电池会出现鼓胀、漏液情况,会有安全隐患,在集成效率和电芯厚度方向上,不及方形硬壳电池。供应链不完善,可能对整车企业供货稳定性上产生一定的不利影响。

但是,随着方形电池的逐步发展和普及,其技术的进步越来越快,能量密度已经远超软包电池。2020年中国新能源汽车市场动力电池装机量约为64GWh。其中,方形、圆柱、软包电池装机量分别为50.88GWh、9.20GWh和3.93GWh,对应市场占比分别为79.5%、14.4%和6.1%。2020年,软包电池市场份额较2019年的8.85%下降至6.1%,装机量也减少了接近1.6GWh。

4、政策影响产业技术进步路线

在性价比不及燃油车的情况下,政府政策是最重要的影响因素。政府对技术方向的选择有重要的引导作用,同时其能源结构和环保意识也对技术选择产生了一定的影响。中国能源结构和环保意识使得其对新能源的发展最为重视。美国能源较为丰富,环保意识较弱,因此重视程度最低。欧洲与日本在能源上较为缺乏,环保意识较强,对于新能源的发展更为重视。

(1)中国能量密度挂钩补贴,三元电池崛起

中国对新能源及其产业发展的战略定位应承载能源-环境-经济三重使命,以助力中国实现创新驱动、转型发展,增强突破碳约束的能力。

从电力结构看,中国大陆的电力不清洁,但相对便宜:2020年,60.8%为煤电,非化石能源仅占33.9%,高达6成的电力产生碳排放,去煤炭的道路依然还有很长的路要走。

2010年,中国工业和信息化部等四部委联合出台《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》(以下简称《通知》)。《通知》明确,对满足支持条件的新能源汽车,按3000元/千瓦时给予补贴。插电式混合动力乘用车每辆最高补贴5万元,纯电动乘用车每辆最高补贴6万元。

由于传统的汽车强国、汽车大公司在混合动力技术方面更具优势,2012年,科技部“十二五”《电动汽车科技发展规划》正式提出确立“纯电驱动”技术转型战略,包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池电动汽车。

2014年2月,四部委联合出台了《关于进一步做好新能源汽车推广应用工作的通知》,降低了补贴下调幅度,并且明确了政策延续性。3月,科技部、工信部还联合印发《2014-2015年节能减排科技专项行动方案》,对新能源汽车科技创新示范工程进行部署。各省区市政府也纷纷出台新能源汽车推广方案和实施细则。比如,北京采取1:1的补贴政策,国家和本市财政补助总额最高不超过车辆销售价格的60%;深圳按照国家2013年补贴标准,对新能源汽车购置给予1∶1配套补贴,并保持补贴政策3年不变等。

2017年的电动车补贴政策,在产品技术要求上,首次提出以电池能量密度为一项参考指标进行补贴。补贴和能量密度挂钩以后,磷酸铁锂电池能量密度提升瓶颈较为明显,三元材料电池能量密度大的优势成为乘用车的主流选择,动力电池的比容量开始不断飙升

根据2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,2035年,以混合动力汽车为代表的节能汽车,和新能源汽车的市场比例都将占到50%,停售燃油车,2050年全面停止使用燃油车。

(2)美国动力电池技术路线不断更替

美国的新能源汽车技术方向经历了替代燃料--纯电动/插电式--燃料电池--纯电动/插电式的路线更替。

2021年6月8日,美国能源部公布了四项措施,包括提供2亿美元用于动力电池研发,提供170亿美元贷款,推进储能应用以及由美国先进电池联盟发布的“美国锂电蓝图2021-2030”。锂电蓝图2021-2030提出五大目标,对锂电池上游资源、中游材料、电芯制造和PACK、下游电池回收、以及下一代锂电池研发全面覆盖。

(3)欧洲企业与政府技术路线选择存在争议

在能源政策的引导以及排放标准的限定下,欧盟早期制定的新能源车发展战略方向为生物燃料汽车(BFV) 和FCEV。其中,BFV产业是欧盟在短期内的发展重点,而FCEV是欧盟中长期的研发重点。近年来,欧洲则对电动汽车给予高度关注,例如德国2009年下半年发布电动汽车计划,2019年4月大众汽车说服德国汽车工业协会全面发展纯电动汽车。欧洲在2018年2月发布“电池战略行动计划”,从经济、技术、关键环节投入、掌握定价权方面规划了欧洲未来的电池战略。

以德国为例,其新能源汽车战略演变如下:第一阶段 ( 2000-2009 )以欧盟“发展可再生能源指令”和德国“可再生能源法”为指导纲领,主要发展生物燃料,特别是生物柴油汽车;第二阶段( 2010-2019 )以欧盟“清洁能源和节能汽车欧洲战略”和德国“国家电动汽车发展计划”为指导纲领,主要发展电动汽车;第三阶段(2020以后),根据欧盟“氢能与燃料电池发展计划”和德国“国家氢能和燃料电池技术发展计划”的规划,主要实现氢能汽车的技术突破。

目前德国正面临着纯电动汽车与燃料电池汽车技术路线的选择。德国大众已说服德国汽车工业界,全面发展纯电动汽车,而这一决定遭到了德国交通部长及气体界企业的反对。在德国车企进行充电站规划的同时,德国与法国也开展了加氢站的建设竞赛,一时间呈现出两条路线齐头并进的景象。

(4)日本选择燃料电池方向

从电力结构看,2019年以火力发电占66.4%,甚至比美国更加依赖火电。2011年之前,日本经产省计划用核电代替燃煤发电,对可再生能源的研发投入并不算太积极。然而,2011年福岛核泄漏事故的发生及之后日本核电机组的暂停,致使煤炭为主的火力发电在日本再次大行其道。

由于本土目前的电力并不清洁,日本并未以纯电动汽车为发展主要方向,而选择了燃料电池方向,从澳大利亚进口液氢,目标是建立氢能社会。日本本土三大车企中,本田、丰田均主要发展了混合动力与燃料电池。日本并未完全放弃纯电动汽车,如丰田在拥有最先进的燃料电池技术同时,也在固态电池产品研发上拥有领先的地位,日产则选择了纯电动汽车。

5、动力电池的生产工艺流程

在锂电池制造产业链中,电池包的制造核心部分就是电芯,电芯封装后再集成线束和PVC膜构成电池模组,再加入线束连接器、BMS电路板构成动力电池成品。

电芯的生产流程

模组的生产流程

电池包的生产流程

四、动力电池产业的特点

客户黏性强整车企业多采用向合格供应商定点采购的模式,通过对供应商的认证与评估,确定其生产设备、工艺流程、管理能力、产品品质等都能够达到要求后,才会与之建立定点的供应关系。电池公司根据整车企业的需求,与其进行技术交流和方案对接,经过充分测试验证后,方可建立定点供应关系,并相应确定供货商品的品种、型号、价格等事项。 动力电池系统作为汽车重要部件之一,在一款车型的生命周期内需持续供货,整车企业一般不会轻易更换电池供应商。但是,一般主机厂会让两个甚至更多的供应商负责同一个产品的研发制造。

市场集中度不断提升。力电池制造是一项资金、技术、人力三密集的行业,再加上产业链上游的原料、前驱体制造同样也是三密集的行业。所以整个动力电池产业链的马太效应明显,一旦形成领跑局面,就很难打破,除非开辟新的赛道。2018年全球动力电池前十大企业产量86.11GWh,占全球总量比81.24%,CR5为68%。2021年上半年全球动力电池前十大企业产量108.4GWh,占全球总量比94.2%,CR5为80.7%。

宁德时代占据中国市场半壁江山。据中国汽车动力电池产业创新联盟的数据显示,7月份国内动力电池企业装车量前5名有:宁德时代(50.1%)、比亚迪(16.8%)、中航锂电(6.8%)、国轩高科(5.5%)、亿纬锂能(2.5%)。

端产能不足、低端产能过剩。2020年全球动力电池产能为804GWh,出货量为212.9GWh,产能利用率为26.5%。2020年中国动力电池产能为511GWh,产量为83.4GWh,出货量为80GWh,总产能利用率仅为16.3%。其中,全球头部电池厂商产能利用率处于较高水平,中国宁德时代、日本松下和韩国LG三家动力电池大厂产能利用率分别为74.8%、47.4%、44.0%。行业前五厂商贡献了70%以上的装机量,且常常处于满产满销状态。奥迪、特斯拉、奔驰等厂商更是多次受困电池产能不足等问题,延迟交付车辆。面对市场的快速增长,龙头企业持续扩大产能。

整车厂介入动力电池业务成为一大趋势电池是电动汽车最核心的零部件,如果不掌握电池核心技术,整车厂就容易沦落为一个组装厂,很难获取更高的利润和话语权。在电动汽车的总成本中,电池占25-40%,电机占15%,电控占12%,电驱动零部件占8%,其它占25-40%,电池的成本占比最大。只有掌握电池核心技术,才有可能进一步降低成本,取得相对的竞争优势。要将"三电"(电池、电机、电控)核心技术很好地"捏合"在一起,整车厂也需要掌握其中至少一项核心技术。鉴于动力电池市场快速增长,高端产能不足,为了确保上游零部件供应的稳定与充分,也为了提高自己在整个供应链中的议价能力,同时更便于通过产业价值链实现对成本的有效控制,并为汽车大规模量产铺路奠基,整车生产商出现了自建或体系内合资创建电池企业的趋势。

五、从主要动力电池企业的发展历史看竞争优势

1、宁德时代的发展历程

良好的产品质量奠定品牌基础。1997年,全球第一台MP3横空出世,时任新科实业CEO的香港人梁少康意识到新的电池技术近在眼前。1999年,梁少康、陈棠华、曾毓群三人合作创立了新能源科技有限公司,也就是后来有名的苹果生态链公司ATL,首家工厂设在东莞,主要业务方向是软包聚合锂电池。因为当时索尼、松下等硬壳、圆柱形电池已经做得很好,ATL决定通过差异化产品来开发市场。那就是,聚合物锂电池。聚合物电池的好处是可以随意改变电池的形状,为客户量身定制电池。ATL成立以后,曾毓群拿着700万启动资金飞到美国,购买了美国贝尔实验室的聚合物锂电池的专利授权。但贝尔的技术做出来的电池容易鼓包变形,全球二十几家企业购买了专利授权,但都没有解决这个问题。ATL高度重视产品质量、稳定性和可靠性,从改变电解液成分入手,让生产电池溶液的企业弄出了七个新配方,排除了原本配方里面低沸点的化学物质,造出来的电池就不鼓包了(没有解决方案怎么办?多尝试,多试验。电灯就是这么发明出来的!)。这也是后来ATL能够发展起来的重要原因。2002年6月份,ATL实现了当月盈利,且当年实现了盈利。同年,ATL进行第一轮融资,风投机构是台湾汉鼎;2003年,又找了第二轮投资,美国凯雷投资和英国3i集团投了2500万美元。

绑定苹果成为高端智能手机首选的电池供应商2004年,苹果找上门,ATL为苹果解决了当时锂电池循环寿命过短的问题,从而获得苹果的一款MP31800万多个电池的订单。随着苹果进军智能手机行业,ATL也顺利成为iPhone电池供应商,两家龙头企业一合作就是15年。2005年,三大投资机构共同撤资,ATL卖给了老东家新科的母公司日本TDK集团,变成100%的日资企业。ATL不断赢得国内手机厂商的订单,逐步发展做大(受益于中国手机市场的发展),成为高端智能手机首选的电池供应商,三星、苹果、华为、OPPO等企业都是ATL的客户。

看对赛道,前瞻性的战略眼光。宝马发现ATL是苹果手机电池全球最大的电池供应商,说明其单体电芯很稳定,想找ATL合作,但ATL不做动力电池。2008年,国内开始推广新能源车。预感到电动车领域的巨大发展潜力,在曾毓群的主导下,ATL成立动力电池部门,由现在宁德时代的联席副董事长黄世霖负责,在曾毓群的老家宁德,投资15亿美元,打造全球最大锂离子电池生产基地。一个有幸早年投资了宁德时代的朋友说,他第一次走进曾毓群那狭小的办公室时被震了一下,只见墙上几个大字“赌性坚强”,调侃说为什么不挂爱拼才会赢呢?曾毓群道:光拼是不够的,那是体力活,赌才是脑力活。

重视研发争取技术优势。宁德时代特别重视研发,注重提升优率和效率。宁德时代拥有锂电界最大的一支工艺开发的正规军MRD部门制造研发部,在研发人员的配置上,几乎做到每五个员工中就有一个研发人员。通过勇于创新的奋斗者精神,导入新工艺技术,不仅提升了产品的竞争力,也大大提高了生产的效率。以动力电池的重要指标能量密度为例,宁德时代目前方形三元811系电池能量密度最高达245wh/kg,略低于国际龙头LG 和SK。对比国内比亚迪、国轩高科,宁德时代三元电池能量密度以绝对优势领先。在磷酸铁锂电池方面,宁德时代方形铁锂能量密度167wh/kg,比亚迪约157wh/kg,国轩高科平均约170wh/kg,也追上了竞争对手。

宁德时代产品技术参数

亿纬锂能产品技术参数

通过激励机制鼓励创新奋斗。早在上市之初,宁德时代便拿出部分股权用于员工激励,此后每年都会向做出突出贡献的中层管理人员及核心骨干授予股权,让员工成为事业的共同体。自2018年6月宁德时代登陆创业板后,累计超过9000人获得公司股权激励,仅2020年参与股权激励的员工就达4573名。对在21C实验室从事前沿基础研究工作的科研人才,宁德时代制定更为灵活的考核激励机制,鼓励创新。公司将成果转化价值的部分直接授予研发团队,让研究人员享有科技成果转化价值的有限分配权,实行既享受事业编制,又享受企业待遇与发展红利的创新人才机制。

平等、开放、分享的工程师文化环境。电池制造对于劳动力的需求并非熟练工人,而是熟练工程师,在宁德时代用数据说话,不论官大小而只论对错,对事不对人。因而,新人成长很快,人员流动从整体上几乎没有影响。

绑定上下游企业开拓市场。2010年4月,北大先行科技产业有限公司、东莞新能德科技有限公司(ATL子公司)、北京汽车工业控股有限责任公司、北汽福田汽车股份有限公司共同投资设立了北京普莱德。ATL以合资公司的模式与汽车制造商合作,北京普莱德作为第三方电池管理方案公司,成为打通动力电池产业链布局的一个重要环节。北京普莱德的业务模式,是“北大先行(电池正极材料)+宁德时代(动力电池电芯)+普莱德(动力电池系统PACK)+北汽新能源(新能源乘用车整车应用)及福田汽车(新能源商用车整车应用)”的产业链分工合作。

高度重视产品安全和质量。2011年,新能源客车市场规模初现端倪,由于法规限制,曾毓群决定将动力电池团队独立出去,宁德时代就此诞生。公司在成立之初即把自己定位为世界第一安全的企业。关于各种安全测试的仪器和试验在CATL常年运转,有些可能会转移到客户手中的风险已经在CATL的试验台上被发现并控制。2011年,华晨宝马主动找上门来,为纯电动汽车之诺1E寻找电池制造商。2012年,华晨宝马在全国范围内筛选优质合作伙伴,宁德时代成为宝马核心供应商。华晨宝马向宁德时代提交了七百多页的动力电池系统需求规格书,详细到不同工况下能量及功率要求,上百道质量管理要求。双方成立了上百人的电池联合开发团队,涵盖电芯、系统架构、机械设计、测试验证、质量管理等所有电池包的关键技术领域。与华晨宝马合作之后,宁德时代走完了动力电池研发、设计、开发、认证、测试的全流程,也为它后续的发展积累了经验、品牌背书。这是当时唯一一家走入跨国汽车企业动力电池供应链的中国企业。但华晨宝马纯电动车之诺的销量十分有限,2014年之诺第一款车上市时采购额仅1.7亿元。真正将宁德时代推向整车产业配套的有两家企业,一是郑州宇通集团有限公司,另一家则是北京普莱德新能源电池科技有限公司。

高度整合供应链资源、降低生产成本。宁德时代的前五大供应商中,一家叫做青海泰丰先行锂能科技有限公司(以下简称“泰丰先行”)的公司在2015年、2016年分别排名第二、第三,宁德时代主要向它采购正极材料。北大先行是泰丰先行的控股股东、也是北京普莱德的控股股东。2012年11月5日,泰丰先行和宁德时代共同出资成立青海时代新能源科技有限公司(简称青海时代),双方分别占比25%和75%。这是宁德时代在宁德之外第一个走出去的生产基地。2015年6月,泰丰先行退出,青海时代目前是宁德时代旗下资产规模最大的一家全资子公司。第三方平台显示,宁德时代新能源科技股份有限公司对外投资66家企业,其中涵盖电池研究院、储能、电池材料、纳米磷酸铁锂等多个领域。通过上下游的投资关系以及与研究室战略合作,加强产业链的合作协同,也保障了关键资源的供应问题,降低了产品成本。根据2020年年报,宁德时代动力电池单位成本为0.62元/Wh,较国轩高科低0.03元;单位售价为0.84元/Wh,较国轩高科低0.02元;毛利率则为26.6%,较高轩高科高1.8个百分点。

积极合理争取政策支持。ATL公司的控股股东为TDK(日本上市公司)。根据ATL母公司TDK的战略调整,ATL从2015年开始逐步退出新能源汽车动力电池业务。2015年10月,ATL将所持宁德时代有限15%的股权转让给了宁波联创,股权转让完成后ATL不再直接或间接持有宁德时代的股权。后,政府补贴和国有资本开始涌入宁德时代。2015年,按“明股实债”的方式,国开发展基金入股宁德时代旗下子公司宁德时代锂动力和青海时代,共计6.9亿元人民币,平均年化收益率为1.2%的投资回报。2016年6月,宁德时代在江苏省溧阳市设立了一家子公司,计划投资100亿人民币,建造年产能高达10GWH的锂电池工厂。江苏中关村科技产业园管委会向宁德时代子公司江苏时代提供了一笔2亿元、五年期借款,年利率为3%。2015-2017年,宁德时代合计收到政府补助10.63亿元人民币,其中大部分来自宁德市。

深度绑定下游车企。与国内主要整车企业开启战略合作和资本绑定可以形成产业闭环,加深护城河2016年,宁德时代分别与长安汽车、东风汽车集团签订了战略框架协议以1.024亿元入股北京新能源汽车。2017年,长安汽车和上汽集团均入股宁德时代。2017年5月,宁德时代与上汽集团的全资子公司上海汽车集团投资管理有限公司合资成立了两家新能源企业:时代上汽动力电池有限公司和上汽时代动力电池系统有限公司。相比竞争对手而言,宁德时代是全球配套车型最多的企业,几乎配套全部的主流车企,且基本为一供甚至独供。

稳步扩大产能,巩固行业龙头地位。2016年,宁德时代的动力电池出货量还只有6.72GWh,全球排名上在松下与比亚迪之后,位列第三。2017年,宁德时代的动力电池出货量增长73%,达到11.8GWh,一举越过松下、比亚迪,拿下行业全球第一宝座。2021年第一季度,宁德时代占据了全球三分之一的市场份额,比第二名高出11个百分点。从2018年上市仅近500亿的市值,再到2021年5月万亿市值,宁德时代实现了3年20倍的增长。为了进一步增强竞争优势,宁德时代稳步投资扩充产能巩固行业龙头地位。2020年投资390亿在福建福鼎、四川宜宾、江苏溧阳三地增产扩产。2021年8月12日,宁德时代公告,其募集资金总额不超过582亿元,投资于7个项目,共计137GWh动力锂电池及30GWh储能电柜建设。截至2021年8月13日,宁德时代7大主要基地合计规划产能超过500Gwh,考虑到合资产能,2025年,宁德时代产能规划650Gwh,在全球电池企业中规划产能最大(LG规划2025年产能达到430Gwh,SK规划2025年产能200Gwh)。

2、比亚迪的发展历程

创始人的战略眼光和胆魄1993年,北京有色金属研究在深圳成立了比格电池有限公司,王传福被任命为公司的总经理。在任职期间,王传福不断积累企业经营和电池生产的实际经验,并意识到手提电话的发展对充电电池的需求会与日俱增。1995年,王传福下海经商,获得了250万元的投资后在深圳注册了比亚迪实业,就此开启了比亚迪品牌的传奇历程,生产第三方品牌的镍铬充电电池。

依靠性价比取胜。比亚迪最开始是做镍镉电池还是手工式、作坊式的生产。1995年,比亚迪凭借着低廉的价格和优秀的品质赢得了台湾最大的无绳电话制造商大霸的信任,大霸毫不犹豫将给三洋的订单转给了比亚迪。在电池业务步入发展期之后,比亚迪对资金的渴望越来越大。深圳市一位副市长亲自出面,协调解决了比亚迪的贷款问题,解决了资金的燃眉之急,促使比亚迪在之后的资金需求上得到了快速响应。

重视研发与创新。1997年,比亚迪迅速成长为一个年销售近1亿元的中型企业。随着金融风暴席卷东南亚,全球电池产品价格暴跌20%到40%,日系厂商处于亏损边缘,比亚迪的产品因低成本和灵活多变的交易方式,被飞利浦、松下甚至摩托罗拉等手机大厂看重。正是这次机遇,让王传福看到了自身的发展不足之处,加大了技术研发的投入,使得比亚迪的电池产品的技术优势逐步崭露头角。在镍镉电池市场,依靠自主研发的设备和工艺,比亚迪只用了3年时间,便抢占了全球近40%的市场份额,成为行业龙头。但是,镍铬电池的发展也进入了发展瓶颈期。2000年,比亚迪打败了来自台湾的对手,获得来自摩托罗拉的订单。2001年,比亚迪在电池领域内掌握了发泡镍锟焊、正极端面焊工艺,改善电极集流性能,提高SC系列大电流放电性能,因此得到了BOSCH极其客户的认可。

切入汽车领域与动力电池相辅相成。2002年,比亚迪在香港正式上市,并凭借着优势明显的锂电池产品赢得了诺基亚手机电池的订单。同时,酝酿将研发的磷酸铁电池技术向车用化发展2002年的7月份,比亚迪全资收购了北京吉普的吉驰模具厂,开始为破冰汽车制造行业打基础。2003年,比亚迪公司就成为了全球第二大充电电池生产商。同年,汽车生产许可证制度使得比亚迪只能通过收购秦川汽车进军汽车行业,成为继吉利汽车之后国内第二家民营轿车生产企业。

汽车依然主打性价比。比亚迪汽车成立之后,公司迅速确立了三个业务:燃油汽车、电动汽车和混合动力汽车。成立之初比亚迪主要把精力放在基础建设和新车研发上。以做电池行业起家的比亚迪,在成为诺基亚与摩托罗拉的代工厂时,正是因为坚持技术开发才得以低廉的成本可靠的性能获得大厂青睐。比亚迪在西安建立了产能为20万台的比亚迪汽车生产线;在深圳成立了比亚迪销售公司;在上海建立比亚迪汽车检测中心。两年磨一剑,成立之初的2年里,比亚迪只推出福莱尔一款车型。2005年,比亚迪以“经济型精品家轿”的概念推出福莱尔3,主攻5万元以下的低端市场。由于根本没有考虑到市场的需求,在比亚迪生产的2年里销量并不理想。比亚迪采用“逆向研发”和“人海战术”,购买多款汽车进行拆解,用大量廉价劳动力代替昂贵的机器。终于,第一款真正为比亚迪打开汽车市场的F3车型在2005年诞生。比亚迪F3最大的亮点就是外形时尚大气,空间宽敞,性价比高,配置丰富,而且价格亲民,消费者只需7.38万元就可以买到一辆“丰田花冠”,因此这款车上市时受到了较为热烈的市场反馈。

盲目扩产引发质量危机。2006年,比亚迪的第一款搭载磷酸铁电池的F3e电动车研发成功。F3e虽然使用的是F3的车身、内饰和悬架,但是其电动机、减速器、电池组件以及控制系统全部由比亚迪自行研发自行生产。由于国家政策和充电设施并不充分,只能遗憾放弃上市,但在看到了F3e的各种优势之后,比亚迪开始投入到第1代混动技术以及S6DM(2015年上市的混动4驱唐)的预研项目。通过逆向研发,比亚迪在短短几年推出了比亚迪F0、比亚迪F3R、比亚迪G3、比亚迪L3、比亚迪F6、比亚迪M6等车型。2008年,比亚迪的发展已经出现了大面积整车质量问题。产品供不应求使得比亚迪在保证产能与稳定质量上出现了不平衡的态势。盲目扩产的同时,经销商数量也处于井喷状态。从2006年的500家到2009年1100家。

2008年9月29日,巴菲特的伯克希尔·哈撒韦公司旗下的中美能源控股公司宣布,斥资2.3亿美元入股比亚迪,占10%的股份,巴菲特的投资表示了其对比亚迪发展前景和品牌价值的认可,促使比亚迪在电动车项目上的快速发展,也对提升比亚迪的品牌影响力起到巨大推动作用。

技术换设计与质量2009年,比亚迪成功收购湖南美的客车制造有限公司的全部股权,具备了电动大巴的制造能力,同年,比亚迪还成立了洛杉矶分公司,在美国市场进行新能源车F3e、规划中的S6DM(唐)和电动大巴(K9)的试水。奔驰为了寻求技术突破,四处伸手与不同公司在电池以及整车制造层面进行合作。2010年,戴姆勒提出与比亚迪进行合作,生产由比亚迪提供动力总成和电池组件(e6),戴姆勒负责整车和内饰设计。2011年,比亚迪在深圳证交所A股上市。深圳比亚迪戴姆勒新技术有限公司,取得营业执照获准制造合资电动车。而比亚迪用“技术换设计与质量”的模式与戴姆勒进行合作,打破了以往中国车企与外国车企常用的“用市场换技术”的不对等模式。2012年,比亚迪电动车e6率先成为深圳出租用车。

政策导向抑制比亚迪动力电池发展。2014年,中国政府首次表露出对新能源产业的支持,由此引发比亚迪、北汽、江淮等车厂在新能源车用技术的快速发展。比亚迪的e6电动出租车K9电动大巴,成为中国多个城市的公共交通运营主力,也输出至欧洲美洲甚至日本进行示范运营。2015年,比亚迪正式发布新能源汽车“7+4”全市场战略,“同一平台、多种动力的研发模式被应用到混动秦、电动秦、混动唐、混动宋、汽油宋、混动元、汽油元、混动商、汽油商、电动商等民用车型。T系列的电动商用车、K系列电动公交大巴、J系列电动城际旅游车也在循序渐进地推向市场。2016年,比亚迪成为中国动力电池龙头。但是,受到补贴与能量密度挂钩政策的影响,比亚迪在三元电池上发力较晚,2017年装机量下落到5.4GWh,在行业整体快速发展的时候,业绩不增反降。而宁德时代的动力电池出货量增长73%,达到11.8GWh。

相对于宁德时代,比亚迪不够专注。比亚迪确立了四大绿色梦想:通过太阳能电站、储能电站、电动车和轨道交通,改变传统的能源消耗方式,改善环境,实现人类的可持续发展。2010年,比亚迪正式进军光伏领域,尽管当时国际市场变动较大,整个行业都遭受了巨大的打击,但比亚迪仍然坚持。2014年,比亚迪在深圳坪山新区建设的全球最大用户侧铁电池储能电站落成,该储能电站建设容量为20MW/40MWH。2016年,比亚迪“云轨”通车仪式在深圳坪山总部举行,城市轨道交通业务被列入公司未来发展的战略方向之一,也成为王传福的第四大绿色梦想。2017年,比亚迪斥资3.31亿投建巴西太阳能工厂。

比亚迪被宁德时代反超。没有适时狙击对手。没有对外开放动力电池供应,全部供应旗下的新能源汽车,也给了竞争对手充足的发展空间。2017年,比亚迪动力电池配套车型为78款,供货车企数量仅为2家,而宁德时代动力电池的配套车型和供货车企数量分别达到390款和64家。2017年底,宁德时代的动力电池产能为17GWh,比亚迪电池产能为16Gwh。2020年,比亚迪动力电池产能39GWh,宁德时代动力电池产能69.10GWh。2020年宁德时代动力电池装机量达34GWh,同比增长2%;比亚迪全年装机量10GWh,小幅回落。

3、LG化学动力电池的发展历程

结合自身优势的战略眼光。1947年,“乐喜化学工业公司”成立,最开始只生产一款名叫“乐喜乳霜”的化妆品。1952年,乐喜引进注塑机,韩国开启塑料时代,生产出了梳子、牙刷、餐具等日用品。尝到多元化发展的甜头后,乐喜又扩张至电子领域。1958年,乐喜成立“金星社”(Gold-star),即现在的LG电子,生产出了韩国第一台电冰箱、空调,以及洗衣机等。1982年1月1日,乐喜集团正式改名为乐喜金星集团。1983年以后,乐喜将石油化学业务作为核心业务。1995年1月乐喜金星集团改名为LG。在化学材料深有布局的LG化学敏锐地察觉到锂离子电池带来的巨大影响,决定开启对锂离子电池的研究。过接触日本新兴企业,间接获得设备方面的知识,一边开发一边测试,1997年被用于笔记本PC等的小型电池,终于被LG化学试产成功。1999年,LG化学成为韩国首个成功量产锂离子电池的企业。

长期主义的精神,重视研发投入面对索尼、三洋这样全球性的电子公司,LG化学的电池业务很难达到预期的盈利水平,电池事业陷入了危机。2001年,LG集团最高经营者 (CEO) 会议推进得异常困难。因为一场决定电池业务去留的讨论争议很大。锂离子电池市场前景光明,未来会成为LG化学收入的重要来源。但如果留下电池业务,可能要面临10年的连续投资而不见回报。最终LG的第二代掌门人具本茂表态:“我认为继续电池事业是正确的。抱着必成的信念重新开始。不放弃,向远看,更专注研发。1996年,通用就已经量产了开始量产世界第一辆现代电动汽车——EV1。不过,那时通用采用的还是铅酸电池。1997年,日产制造出汽车世界上第一辆使用圆柱锂离子电池的电动车Prairie Joy EV,获得了业界的高度关注。2000年,LG化学专门在美国设立了研究电动车电池的法人。为了尽快出成果,LG化学将研究人力扩大至100多名。

遇到挫折坚持争取客户认可。高投入没有换来任何可见性成果,公司内部的忧虑增加,不断探讨着项目的存亡。要改变这一局面,必须要有客户。进入世界最大汽车生产厂家的供应链意义重大,LG化学将目标锁定为通用汽车。2006年,LG化学参加通用汽车的电动汽车项目,但因提交的样品有问题而落选。2007年LG化学获得现代汽车订单。同年,通用汽车在启动电动汽车Volt项目,联系了LG化学,进行验证。LG化学最终成为6家公司中,A123和LG化学入选。但人们普遍更看好A123。虽然按照这个进度几乎无法完成全部的验证,LG化学依然接受了通用提出的进度要求。结果产品性能果然不达标,几个月内电池包性能出现了明显下降。LG化学积极与通用汽车沟通,并分享发展计划、改进细节、评估方法等方式,来寻求解决方案。或许被LG化学积极、诚恳、努力的态度打动,通用汽车继续与之合作。在之后的一年中,LG化学终于生产出令通用满意的电池。最终LG化学被选为Chevrolet Volt唯一的电池供应商。2009年LG化学与现代起亚共同研发了第一款动力电池。通用汽车于2010年量产了Chevrolet Volt。与车企合作方面,LG化学充分理解车企立场,尽可能协助车企开发模组技术,自己只提供电池芯。

全球化布局助力LG化学动力电池增长。在全球动力电池的起步阶段,LG化学就进入戴姆勒、大众等主流车企供应链,全球20大汽车品牌中,已与其中13家展开合作,几乎囊括了所有欧洲主要的整车厂。从2014年开始,LG化学以更低成本、更高效能的三元锂电池作为切入口,大规模进入中国市场。2015年LG化学在南京的电池工厂竣工投产,跟上汽集团、中国一汽、长安汽车等成为合作伙伴。但当年,中国发布的政策将外资电池企业排除在补贴范围外,2016年,LG转让南京工厂。2019年年中,动力电池白名单失效,LG化学得以在中国市场大展拳脚。2019年底,特斯拉上海工厂投产。以往与特斯拉深度绑定的松下,以利润低下的原因拒绝在中国建设动力电池工厂,这给了LG化学可乘之机。2020年LG化学获得特斯拉大额订单,为特斯拉上海工厂的 Model 3、Model Y 供应电池。随着model3的热销,欧洲新能源汽车市场迎来爆发式增长,作为大众、特斯拉、现代、通用、戴姆勒等国际主机厂的动力电池供应商,受上述主机厂电动汽车销量大幅增长带动,LG化学的动力电池装机量在2020年猛增至31GWh,同比增长150%,位列全球装机排名第2。

产能不足制约LG化学动力电池增长。2020年年初,由于LG化学动力电池供应出现短缺,包括捷豹、奥迪、奔驰等多家主机厂都被迫停产或削减其电动车产量目标。在此情况之下,LG化学正在加快其全球动力电池产能扩充,计划在2020年底之前将其总生产能力从此前的70GWh提高到120GWh,2023年扩充至260GWh以上。

拥有技术优势。2020年12月1日,LG化学电池业务成为独立法人——LG Energy Solution(LG新能源)诞生。LG化学是以化学品起家,其在正极、负极、电解液、隔膜四大关键材料领域都有全面的技术储备,从1995年开始研发锂电池,目前已经拥有1.7万多个有关电池技术的专利,覆盖范围包括长里程材料、隔膜材料、散热材料等。2015年,韩国LG化学公司研发出新型电动车电池组,可使电动汽车续航里程高达300英里(约合483公里),领先于当时特斯拉公司的电池技术。

高度整合供应链资源、降低生产成本。LG化学为满足未来锂离子电池市场需求,获得了各种原材料供应链。LG化学不仅与浙江华友钴业股份有限公司成立了合资企业,与加拿大锂公司NemaskaLithium签订了为期5年的订单,还与江西赣锋锂业股份有限公司签署了为期三年,每年向LG化学公司供应16000吨氢氧化锂的协议。

4、盲目扩张导致沃特玛破产清算

产业政策容易激发投资的潮涌现象,助推产能过剩。此时,政策研究与预判非常重要,一旦对政策和市场产生误判,激进扩张将导致企业陷入严重的债务危机。2015~2016年两年间,锂离子电池领域投资超过2000亿元,企业投资热情非常高,金融市场十分火热:一方面是国家财政支持新能源汽车推广的力度很大,新能源汽车市场前景广,动力电池需求量高,迫切需要投资来扩大产能,以满足市场需求;另一方面,动力电池的利润率很高,超过了50%,非常适合投资,包括众多上市公司在内的各方投资者通过收购、投资等各种手段纷纷涉足其中。由于战略扩张激进,市场误判及内部管理等问题,2018年,2017年还位列深圳市工业百强企业第18位沃特玛公司陷入了严重的债务危机,历经近2年尝试减债降负、生产自救、引进战投、调整结构等举措,但均因债务缠身、现金流枯竭等原因未能脱困,终致停工停产。2019年11月,沃特玛公司依法进入破产清算程序。

六、锂离子电池产业链上的优质标的

动力电池产业链为:矿石——原材料——电池组件——电池厂——整车厂等下游应用。

1、上游原材料

上游材料投资建设周期较长,具有供给刚性,在需求上涨时受益最多。动力电池的上游为原材料资源的开采和加工,主要有锂资源、镍资源、钴资源和石墨等等。其中,锂资源是其中需求量最大的原材料。2018年,中国不仅是锂离子电池制造业的主体,而且集中供应用于生产锂离子电池的锂(全球总量的51%)、钴(62%)和球形石墨(100%),石墨是这三种物质中唯一主要由中国的矿山供应的

有的三元锂电池技术路线当中,高镍电池是公认的提升能量密度的途径。镍含量接近100%的电解镍、镍粉、镍豆,可以用于电池的被称为一级镍。镍生铁、镍铁等镍含量在15%以下的则被称为二级镍,专门用于不锈钢的生产。世界镍资源储量丰富。2020年全球探明镍基础储量约9400万公吨。产量较高的主要为印尼、菲律宾、俄罗斯、澳大利亚等地,我国镍矿产量受储量较少影响,产量占比仅为4.8%。2020年全球镍矿产量出现下滑,实现250万公吨,同比下滑7.4%。但高纯的一级镍产能则非常有限。镍成为了锂电池产业链在资源端最为敏感,也最为重要的资源。为了解决高纯度一级镍的供应难题,所有生产者都把目光投向了如何从储量丰富、开采便宜的红土镍当中制取镍,而目前在业内公认可行的方案就是湿法冶金高压酸浸工艺。中冶恩菲设计院设计的巴布亚新几尼亚瑞木项目是当前全球少有的HPAL工艺达到设计产能并且平稳运行的项目。2021年5月,在位于印尼力勤矿业HPAL项目正式投产,氢氧化镍设计产能含镍3.5万吨。同时在印尼,同时还有另外三个HPAL项目在建,投资方囊括了中国目前电池原材料行业的所有巨头,华友钴业、洛阳钼业、格林美。

钴最早的应用领域是着色剂,受益于锂电池等下游产业的快速发展,2000年以来钴矿的产量迅速攀升。2020年世界钴矿产量14万吨,与2000年3.33万吨相比增长了3.2倍。2020年中国钴产量为2300吨,较2019年减少了200吨,同比下降8%。锂电池是目前钴产品最主要的下游需求来源,其占全球钴应用超过60%,在我国这一比例更高。数据显示,2020年我国锂电池的钴产品应用占比达84.4%。

中国电池生产用锂对外依存度高,锂矿价格大幅上涨。根据锂矿的不同类型,可分为盐湖卤水型锂矿、伟晶岩型锂矿和沉积型锂矿三种,盐湖卤水型锂资源主要分布在南美锂三角——阿根廷、智利、玻利维亚以及中国。目前商业开采的主要为盐湖卤水型锂矿,而智利SQM、美国雅宝和美国FMC几乎垄断了全球80%的卤水锂盐产量。根据美国地质勘探局2021年报告,我国锂资源储量仅占全球6%,且开采成本较高,现在的电池生产用锂对外依存度过高。2017年中国碳酸锂产量约8.3万吨,到2020年中国碳酸锂的产量达到了17.1万吨,相比增加了8.8万吨。锂资源的供需紧张也使得2021年以来,锂资源大幅涨价。2020年12月30日,用于生产磷酸铁锂的碳酸锂报价5万元/吨,用于生产三元电池的氢氧化锂报价5.2万元/吨。2021年9月9日,电池级碳酸锂报价13.6万元/吨,较年初上涨172%;氢氧化锂报价13.7万元/吨,上涨163.5%。

赣锋锂业目前在全球范围内直接或间接拥有8个优质的锂资源。在澳大利亚拥有Mount Marion锂辉石矿山50%的权益,Pilbara Pilgangoora锂辉石矿山6.33%的权益;在阿根廷拥有Cauchari-O laroz锂盐湖51%的权益,Mariana锂盐湖88.75%的权益;在墨西哥拥有Sonora锂黏土50%的权益;在爱尔兰拥有Avalonia锂辉石矿55%的权益。在国内拥有宁都河源锂辉石矿山100%权益及青海茫崖行委凤凰台深层卤水锂矿100%权益。在当前资源储量达到4644万吨。目前拥有碳酸锂设计产能40500吨,氢氧化锂设计产能81000吨,金属锂设计产能1600吨。2020年公司锂盐产量为54312吨碳酸锂当量,同增0.13%;销量为63014吨碳酸锂当量,同增30.13%;库存量为5938吨,同减59.44%。凭借产能和产品质量的优势,紧抱下游大客户,同特斯拉、大众、宝马、LG化学等全球一线车企和电池企业签署有长期销售协议。

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氟磷酸锂是锂电池电解液中最重要的溶质,并且是商业化应用最为广泛的电解液溶质。锂离子电池电解液中六氟磷酸锂电解质占13%左右。2019年,我国六氟磷酸锂出货量约占全球70%,比例高于正极、负极和隔膜,六氟磷酸锂剩余市场被日本和韩国占有。自2020年6月以来,六氟磷酸锂的价格强势上涨,从最低不足7万元/吨增至 2021年1 月初的 11.25 万元/吨,再到 8 月 27 日的 42.5万元/吨。上半年多氟多、天际、九九久、石大胜华以及具备自供能力的杉杉、金牛等企业,六氟磷酸锂整体处于满产满销状态。天际股份的全资子公司江苏新泰材料科技有限公司(以下简称:新泰材料)有着年产8000吨六氟磷酸锂的产能,21年上半年实际产量达到4185.5吨,产能利用率103%。

目前国内碳酸亚乙烯酯VC添加剂产能合计约1.2万吨/年(包括在建产能),华盛锂电、苏州华一新能源科技有限公司(以下简称苏州华一)产能位居前二,其中华盛锂电产能为3250吨/年,苏州华一产能为2500吨-3000吨/年。江苏瀚康、浙江天硕(天赐材料子公司)、荣成青木等,上述3家的产能分别为1000吨/年、1000吨/年、1500吨/年。永太科技本月投产的5000吨产能,预计10月份可实现月产300吨。2021年8月3日,永太科技公告称与宁德时代签署物料采购协议,双方确定了六氟磷酸锂产品、双氟磺酰亚胺锂(LIFSI)及碳酸亚乙烯酯(VC)产品最低采购数量。协议签订后,宁德时代需根据三项产品的采购量向永太科技预付产品货款6亿元。

2、中游产业链

产业链中游主要涉及各种正极、负极材料,还有电解液、极耳、隔膜以及电芯等。在锂电池制造产业链中,电池包的制造核心部分就是电芯,电芯封装后再集成线束和PVC膜构成电池模组,再加入线束连接器、BMS电路板构成动力电池成品。

锂离子电池成本结构拆分:锂离子电池在不同的正负极材料下其成本有一定差别,整体来看材料成本占70%,人工、电力占20%,折旧及其他制造费用占10%,而材料成本则主要以正负极材料、隔膜、电解液和组件为主。正极材料决定电池的容量、寿命等多方面核心性能,一般情况下其成本占比高达30%-40%;隔膜的难点在于微孔结构成型技术与基底材料,目前占比约10%-20%。负极材料主要以石墨为主,成本占比15%左右;电解液主要以六氟磷酸锂为主,成本占比为10%左右。近年来,随着原材料成本上涨,镍、钴、锰三种元素的成本已经占到正极材料成本的90%以上,导致正极材料在动力电池成本中的占比已经达到50%。动力电池PACK成本可以拆分成材料成本和生产成本,其中材料成本又包括电芯材料、模组材料及PACK材料,生产成本包括人力成本、折旧及其他制造费用。

(1)正极材料

正极材料包括正极活性材料、正极用碳添加剂(导电剂)、正极粘合剂、正极集流体(铝箔)和正极组件正极端子。其中,活性材料占成本的绝大比重。高工产研锂电研究所(GGII)数据显示,2021H1中国锂电正极市场出货量47.5万吨,同比增长169%,二季度出货量环比增长19.9%。

锂离子电池中的正极材料都是含锂的氧化物,一般锂含量越高,容量越高。比如锰酸锂的Li含量仅为4.2%,而钴酸锂和镍酸锂达到约7.1%,富锂锰基的则可高达约10%。常见的正极材料分为钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元前驱体正极(镍钴锰酸锂NCM、镍钴铝酸锂NCA)等。目前,动力电池领域主要应用三元及磷酸铁锂电池,消费电池主要应用钴酸锂电池为主。

2021H1,磷酸铁锂出货量同比增长384%,三元材料同比增长124%,锰酸锂增长133%,正极材料领域三元材料市场份额占比下滑至40%,磷酸铁锂市场份额上升至37%。锂电池上游原材料如电解液、正极、负极、集流体等材料价格上涨超15%,动力电池企业降本压力增大,磷酸铁锂材料的性价比优势明显;从安全性角度考虑,消费者选择铁锂车型较多,进而带动材料出货量提升;终端车型销量的提升带动,如比亚迪汉、铁锂版model3、宏光MINIEV、欧拉以及奔奔等车型的畅销,带动上游铁锂材料出货提升,挤占三元材料市场份额;上半年细分市场(如储能、小动力)出货量同比增长超30%,带动磷酸铁锂出货量提升。上游锂盐价格上涨,导致锰酸锂材料成本提升,加之东南亚等海外疫情影响,锰酸锂电池海外市场需求出现一定下滑,导致锰酸锂材料占比下降;钴酸锂市场需求受限于数码市场日益成熟,对钴酸锂需求日趋平稳,变化幅度小于5%,在其他市场需求快速增长的情况下,钴酸锂在正极材料市场占比逐步下滑。

中国是全球正极材料主要产能集中地,占比约60%。2020年钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料三类正极材料的CR3份额分别为68%、50%、35%。我国锂电池正极材料市场竞争格局中,厦门钨业占比最大达9.92%,天津巴莫占比达6.44%,德方纳米占比达6.31%,荣百锂电占比达5.82%,长运锂科占比达5.70%。国内三元正极行业CR5约为52%,容百锂电、长远锂科、湖南杉杉、当升科技、厦门钨业、振华新材料、天津巴莫等企业占据主要地位。2020年磷酸铁锂行业CR5约75%,德方纳米仍维持龙头地位,市占率接近30%。钴酸锂材料行业CR5达到84%,其中厦钨的市场份额升至39%。

(2)负极材料

负极材料包括负极活性材料、负极粘合剂、负极集流体(铜箔)和负极组件负极端子。锂电池目前主流的负极材料是碳负极材料,已实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

高工产研锂电研究所(GGII)调研显示,2021H1中国锂电负极市场出货量33.2万吨,同比增长170%,二季度出货量环比增长38.1%。由于人造石墨对天然石墨具有更好的一致性与循环性,更适合动力及储能市场,人造石墨产品占比持续提升,市场占比上升至85%,天然石墨则下滑至14%。

2021年上半年中国负极石墨化加工价格上涨超60%,由2021年初1.2-1.5万/吨,上涨到7月底的2.0~2.3万元/吨。油系煅烧针状焦价格超9000元/吨,半年涨幅超50%,石墨化加工价格超2万元/吨,半年增幅超过50%,导致负极原材料成本上升超30%;下游电池厂降本压力较大,中低端产品替代性强,议价能力弱,在原材料成本上升超30%下,中低端成品价格上涨超15%;高端负极(355mah/g及以上)主要为头部厂商生产,头部企业行业话语权强,产品差异化明显,价格上升超20%。

负极材料产业集中度极高,表现在区域集中和企业集中。中国和日本是全球主要产销国,总量占全球负极材料产销量95%以上。日本的日立化成和吴羽化工,中国的贝特瑞和杉杉股份均为两国龙头企业,四家企业全球市占率在50%以上。由于头部企业产能相对不足,TOP3企业贝特瑞、杉杉股份和璞泰来满产满销,二线企业产能扩张较多,且订单充足,2021H1中国CR3行业集中度为49%,CR6行业集中度为79%。对比2020年,CR3市场集中度下滑,CR6市场集中度上升。

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(3)锂离子电池隔膜

隔膜是锂电池最关键的内层结构之一,它的作用是隔开正负极防止电池短路,其性能决定电池的界面结构、内阻,直接影响电池容量、循环及安全性能等隔膜材料必须具备良好的绝缘性,对电解质的亲和性、耐温性和润湿性好,对电解液保液性好。隔膜可防止正负极接触短路或是被毛刺、颗粒、锂枝晶等刺穿导致短路。隔膜拉伸、穿刺强度,不易撕裂,并在高温下热收缩稳定,不会热收缩导致电池短路和热失控。锂电池隔膜在四大材料中技术壁垒最高,其成本占比仅次于正极材料,约为10%-14%,在高端电池中,隔膜成本占比甚至会达到20%。2020年中国锂电隔膜出货量37.2亿平方米,同比增长35.8%。

隔膜技术含量高的原因在于它的造孔工艺难度大,隔膜须有较高孔隙率而且微孔分布均匀。根据锂离子电池隔膜的结构特点和生产技术,可分为微孔聚烯烃膜、改性聚烯烃膜、无纺布隔膜、涂层复合膜、纳米纤维膜和固体电解质膜五大类。其中,聚烯烃微孔膜已成为目前综合性能最好且已工业化的锂离子电池隔膜。根据生产工艺不同聚烯烃微孔膜又可分为单层膜与多层膜即聚丙烯(PP)单层膜、聚乙烯(PE)单层膜和PP/PE/PP 三层复合膜。以聚丙烯( PP) 、聚乙烯( PE) 为代表的聚烯烃微孔膜具有性能优、化学稳定性好和成本低的特点,在锂电池隔膜中占据主导地位2020年受锂电能量密度提升、三元动力以及钴酸锂数码电池出货量增长带动,隔膜向薄层化以及功能化方向发展加快。2020年细分产品型号主要集中在7/9/12%u3BCm领域。

隔膜的制备方法市场上主流的锂电池隔膜生产工艺主要分为干法和湿法两大类,即干法(熔融拉升工艺) 和湿法(热致相分离工艺) ,其隔膜微孔的成孔机理不同

干法是将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹膜制成结晶性聚合物薄膜,经过结晶化处理、退火后,得到高度取向的多层结构,在高温下进一步拉伸将结晶界面进行剥离,形成多孔结构,可以增加薄膜的孔径。干法按拉伸方向不同可分为干法单向拉伸和双向拉伸。其中,单向拉伸工艺的核心专利主要为美国和日本的企业所有;中科院化学研究所拥有双向拉伸PP方面的国内专利。目前美国Celgard公司、日本宇部公司均采用此种工艺生产单层PE、PP以及3层PP/PE/PP复合膜。干法拉伸工艺较简单,且无污染,是制备锂离子电池隔膜的常用方法,但该工艺存在孔径及孔隙率较难控制,拉伸比较小,同时低温拉伸时易导致隔膜穿孔,产品较厚。

湿法即相分离法或热致相分离法,将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合,加热熔融后,形成均匀的混合物,然后降温进行相分离,压制得膜片;再将膜片加热至接近熔点温度,进行双向拉伸使分子链取向,保温后用溶剂萃取形成微孔制备得微孔膜材料。日本的旭化成、东然、日东以及美国的Entek等企业用这种方法生产单层PE电池隔膜。

湿法工艺是技术的主流趋势,干法短期性价比占优。用湿法双向拉伸方法生产的隔膜成孔分散均匀,对电解液的润湿性较好,呈现各向同性,横向拉伸强度高,穿刺强度大,正常的工艺流程不会造成穿孔、不易撕裂,产品可以做得更薄,使电池能量密度更高。国内动力和储能电池主要采用PP隔膜,3C电池主要采用PE隔膜。2020年中国湿法隔膜出货量26亿平米,同比增长30%,占隔膜总出货量的70%。干法隔膜出货量11亿平米,同比增长超过40%,增速大于湿法,占隔膜市场总量的30%。小动力市场和储能市场多使用铁锂电池,对成本较为敏感,进而带动干法隔膜出货量提升

隔膜材料资本开支大、扩产周期长。全球主流隔膜设备商日本制钢所(供应恩捷股份)、东芝(供应湖南中锂)和德国布鲁克纳(供应星源材质)等整体产能有限,并且设备交付通常一年半以上。

隔膜材料盈利水平相对较高。由于资本开支较大、技术门槛相对较高,实现国产化后盈利水平也相对较高。2017、2018年国内产能大幅释放,行业供过于求,加速产品价格下行。2019年下半年以来,隔膜价格已经逐步开始稳定。2020年锂电隔膜国产化比例超过93%。2021年8月底,国内湿法隔膜主流产品价格在1.2-2.9元/平方米,国内干法隔膜主流产品价格在0.9-1元/平方米。恩捷股份2021年上半年隔膜毛利率50.38%;星源材质35.06%。

干法隔膜市场竞争趋于激烈。2020年星源材质位居国内干法隔膜出货量第一位,市占率44.6%;惠强新能源、中科科技分列二、三位,市占率分别为15.8%、12.9%;前五大企业市占率为83.2%。21H1星源材质蝉联国内干法隔膜出货量第一位,市占率26.2%;惠强新能源、中科科技紧随其后,市占率分别为23.4%、7.3%;前四大企业市占率为62.5%。

干法隔膜市场结构

湿隔膜市场恩捷股份龙头效应显著2020年恩捷股份(并购纽米、捷力)位居国内负极材料出货量第一位,市占率44.6%;星源材质、中材科技分列二、三位,市占率分别为19.8%、17.8%。21H1恩捷股份蝉联国内负极材料出货量第一位,市占率43.5%;在计算苏州捷力和纽米科技份额后,恩捷股份市占率达到53.8%;星源材质、中材科技紧随其后,市占率分别为16.5%、14.5%;前五大企业市占率为94.3%。

湿法隔膜市场结构

头部企业在全球市场具有竞争优势。在性能差异不大的情况下,国内企业成本较国外隔膜企业低50%-80%,部分超过100%,低成本高性能优势帮助国内企业抢占更多全球市场份额。目前,恩捷股份进入了松下、LG能源、三星SDI等日韩电池公司的海外供应体系;星源材质的隔膜产品已经批量供应LG能源、三星SDI、日本村田、SAFT等国际客户,并与瑞典电池公司Northvolt签署合计33.4亿元的隔膜供货合同;沧州明珠湿法隔膜产品也实现对三星SDI批量供货。

龙头企业受益于供需紧平衡。龙头高订单需求和设备保障下,国内隔膜龙头产能高速扩张。21年恩捷股份隔膜出货量有望达到30亿平,较20年有望翻倍,到25年隔膜母卷产能有望达到130亿平以上。星源材质20年隔膜产能15亿平,按照规划公司计划25年产能扩至60亿平。中材科技目前投产产能约10亿平,计划十四五期间扩产至超50亿平。

恩捷股份盈利预测

(4)电解液

电解液由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂,LiFL6)原料,按一定比例配制而成。按成本划分,锂盐占比约 40-50%、 溶剂占比约 30%、添加剂占比约 10-30%。2002年,国产电解液进入市场,并逐步取代进口产品。通过不断改进和提高,产品质量已达到国际先进水平。目前国内电池生产商电解液配套已基本实现国产化,只有少部分使用进口电解液。2021上半年中国电解液出货量11万吨,二季度市场出货量环比增长超20%,同比增长超140%。

电解液行业的投资成本较低,建设周期较短,因此进入门槛较低。由于上游原材料价格上涨,当前电解液行业的平均投资成本上升至约为6-7万元/吨,建设周期通常在1年之内。2021年上半年,由于电解液上游原材料供应紧张,造成电解液市场整体产能利用率较低。VC作为铁锂电解液的重要组成成分,受2021年铁锂电池市场超预期产销影响,导致VC产业链供应紧张,这是造成当前电解液企业产能利用率受限的重要原因之一。

海外主要的电解液企业包括日本的三菱化学、宇部兴产,韩国的 LG 化学、旭成化学等。国内主要的电解液企业包括天赐材料、新宙邦、国泰华荣、杉杉股份等。2021年上半年中国电解液市场TOP6市场占比为75%,TOP3市场占比为64%。天赐材料、新宙邦稳居前两位,随后是江苏国泰和杉杉。

电解液一般按照成本加成进行定价,六氟磷酸锂成本占比最大。截至 2021 年 8 月 27 日,三元电池(圆柱/2.6A)和磷酸铁锂电池的电解液价格均为 9.5 万元/吨,年内涨幅分别为 150%和 138%,电解液产业链成本传导较为顺畅。

七、钠离子电池产业链上的优质标的

现阶段,与铁锂等成熟锂离子电池相比,钠离子电池体系由于工艺不成熟、研发设备成本摊销大以及产品一致性等问题,造成生产成本难以控制,BOM成本优势难以发挥,钠电的性能和价格均处于劣势。目前钠离子电池也尚无统一的标准体系及第三方检测认证机构,性能参数需要长期且具体地来甄别判断。目前国内外有近二十家企业布局钠离子电池产业化生产,国外企业主要包括英国FARADION公司、美国Natron Energy公司、法国NAIADES公司、日本岸田化学、松下、三菱等,国内的钠创新能源、中科海钠、宁德时代亦有布局。随着宁德时代等公司的持续研发推进,钠离子电池的产业化进程有望持续加速。按照宁德时代的预计,2023年会形成钠离子电池基本产业链。

1、钠离子电池企业

在钠电体系的研发应用层面,国内代表企业中科海钠处于领先地位。中科海钠成立于2017年,依托于中国科学院物理研究所的技术,目前在技术开发和产品生产上都已初具规模。2020年12月,央视报道公司研发的钠离子电池的能量密度已接近150Wh/kg,是铅酸电池的3倍左右,并于2018年发布了全球首辆使用钠离子电池驱动的低速电动汽车,于2019年建立了首座钠离子电池储能电站。中科海钠曾于2021年3月宣布完成亿元级A轮融资,投资方为梧桐树资本,融资将用于搭建年产能2000吨的钠离子电池正、负极材料生产线。公司目前部分钠离子电池体的产品处于产业化前期,但产品性能、成本控制以及适配应用场景有待进一步检验。

钠创新能源为国内领先的钠离子电池企业。公司拥有30余项发明专利,涵盖钠离子电池正极材料、电解液、电池的设计制造以及系统集成与管理等。公司核心产品有铁基三元材料前驱体、正极材料、钠电电解液、钠离子电池。钠电两轮车商用正在推进。2021年7月7日,钠创新能源与爱玛科技联合发布了用于电动两轮车的钠离子电池动力系统,搭载钠离子电池的电动两轮车项目正在推进中。电动两轮车是钠离子电池重要的应用场景,国内21-25年平均每年电动两轮车电池需求量约40GWh。公司与电动两轮车龙头企业联合发布钠离子电池动力系统,意味着钠离子电池产业化进程进一步加速。

2、 正极:基于钠资源,成本优势显著

钠离子电池与锂离子电池最大的区别在于正极材料。目前钠离子电池正极材料主要有钠过渡金属氧化物(如NaMnO2)、钠过渡金属磷酸盐(如Na3V2(PO4)3)、钠过渡金属硫酸盐(如Na2Fe2(SO4)3)、钠过渡金属普鲁士蓝类化合物(如Na2FeFe(CN)6)等几大类。优质正极材料企业有容百科技等。

层状金属氧化物是当前比较主流的正极材料。中科海钠、钠创新能源、Faradion(英国)等公司均选择了层状金属氧化物作为正极材料,其中中科海钠的产品能量密度达到135Wh/kg,循环寿命大于2000次;Faradion的产品能量密度达到140Wh/kg,循环寿命达到1000次。宁德时代使用了普鲁士白和层状氧化物,克容量达到160mAh/g,与锂离子正极材料克容量相差无几,通过创新性地对材料体相结构进行电荷重排,解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减这一核心难题。

正极材料使用钠资源,将为钠离子电池提供巨大的成本优势。各类基于钠资源的正极材料,在材料成本上均远远低于锂离子电池的正极材料。根据中科海钠披露的数据,钠离子电池(NaCuFeMnO/软碳体系)的正极材料成本,仅为锂离子电池(磷酸铁锂/石墨体系)正极材料成本的40%左右。

3、负极:无定形碳材料有望商业化

锂电池主要负极材料是石墨,只有高功率负极材料会用到软硬碳材料和钛酸锂等。钠离子电池负极材料有碳类(硬碳、软碳等)、合金类(Sn、Sb等)、过渡金属氧化物(Na0.66Li0.22Ti0.78O2等)、钠-过渡金属磷酸盐(NaTiOPO4)等。合金材料具有较高的容量,但由于其与钠离子发生合金化的过程中体积膨胀明显,严重影响材料的循环稳定性和倍率性能;金属氧化物、磷酸盐大多容量较低。高能量密度钠离子电池负极材料中,无定型碳材料(包括软碳、硬碳)是目前最有希望走向商业化的,其可逆容量和循环性能均已接近应用要求,但主要瓶颈在于成本较高。基于此,目前开发的无烟煤基无定型碳材料是性价比最高的钠离子电池负极材料。中科海钠通过对碳源前驱体进行调研,发现无烟煤的成本低,平均1800元/吨,用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本,并通过实验,最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,克容量达到350mah/g以上,循环性能强和低温性能强,整体性能与当前石墨材料相当。优质负极材料企业有翔丰华等。

4、负极集流体:铝箔替代铜箔

集流体:锂电池以石墨为负极,铝制集流体在低电位下易与锂发生合金化反应而被消耗,因此锂电池负极集流体为铜箔。钠离子电池正负极集流体均为铝箔。从原材料成本上看,铜价大于铝价,铝箔成本更低。根据我们测算,每1KWh的磷酸铁锂电池中,铜箔的价值量约为50元,占材料成本的15%;铝箔的价值量约为8元,占材料成本的2%。每1KWh的NCM523电池中,铜箔的价值量约为50元,占材料成本的10%;铝箔的价值量约为7元,占材料成本的1%。钠离子电池中铝箔替代铜箔后,每KWh电池中用于制作集流体的材料成本将会减少40元左右,即材料成本的10%左右。铝箔企业有鼎胜新材、南山铝业、明泰铝业、万顺新材等。

5、其他材料与制备工艺

电解质:锂离子电池的电解液由钠盐和溶剂组成,除钠盐(NaCIO4、NaPF6等)之外,溶剂与锂离子电池差别不大,一般为碳酸脂。宁德时代电解液采用新型电解液体系,设备与当前锂离子电解液设备可以兼容。

隔膜:钠离子电池的隔膜与锂离子电池相同。

外形封装:圆柱、软包、方形,与锂离子电池相同。制备工艺:与锂离子电池基本相同。钠离子电池商业化比较快的原因主要就是可以沿用锂电池现成的设备、工艺。

八、投资建议

碳中和、碳达峰规划出台后,新能源汽车需求拉动全球动力电池材料供不应求。部分电池材料扩产周期较长,具有供给刚性,在需求上涨时受益最多。看好赣锋锂业等锂矿企业,多氟多等六氟磷酸锂企业,恩捷股份等隔膜企业。

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