关键原材料自给不足，动力电池如何突破产业瓶颈？2021-09-07 13:38
动力电池是新能源汽车产业发展壮大的重要一环。经过多年国家政策的引导与支持,我国动力锂电池产业发展迅速,当前动力锂电池产业化进程已经处于国际领先地位。“十四五”开局之年,国家更是提出未来新能源汽车产业将重点突破高安全动力电池等重要技术。
01动力电池产业链全景
动力电池的产业链包括:上游的正极材料、负极材料、电解液、隔膜,中游的锂离子电芯、电池模组及下游的消费电子、储能、电动汽车、电动自行车等。
1． 上游正极材料:三元锂和磷酸铁锂为当前锂离子电池正极材料的中流砥柱。磷酸铁锂电池的装机量正在逐步追赶三元锂。由于国家财政补贴和市场对高续航里程的追逐,过去几年,三元锂电池的装机量一直超过磷酸铁锂。
随着纯电汽车普及率的提高,安全系数高、价格便宜的磷酸铁锂逐渐获得更多厂家的青睐。2021年多款车型宣布搭载磷酸铁锂电池,例如宏光Mini,特斯拉Model3低配版,比亚迪汉EV、秦EV等。特斯拉CEO马斯克在近期财报发布会上表示,未来特斯拉将逐步转向采用磷酸铁锂电池的方案,从电池构成上来看,未来三分之二的特斯拉将使用磷酸铁锂,三分之一可能采用镍电池。
负极材料:人造石墨负极渗透率逐年提高,需求增长迅速。目前锂电池的主流负极材料是碳负极材料,碳负极有人造石墨负极和天然石墨负极两种。人造石墨以高容量、优秀的循环寿命、成熟工艺、较低成本在高端消费电池领域和动力电池领域应用场景较好,渗透率逐年提升。
隔膜: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%。隔膜属于重资产行业,固定资产与总资产比值高达40%,显著高于其他材料行业。产品投资大、回收周期长加重了隔膜行业的进入门槛。隔膜的制备工艺主要分为干法拉伸与湿法拉伸。湿法隔膜技术一般用于制造高端隔膜产品,同时顺应动力电池高能量密度的要求,未来或将成为技术主流。
电解液:电解液是电池中离子传输的载体,被称为锂离子电池的“血液”,其成本约占整个锂电池成本的10%。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。
2． 中游动力电池由电池模组通过串联的方式组成,每个模组包含若干个锂离子电池单体即电芯,单体间通过串联的方式连接。动力电池组中电芯的形式主要有3种:方形硬壳电池、圆柱电池以及软包电池。
方形硬壳电池是目前应用最为广泛的电池形式,有超过90%的新能源车型采用这一电池形式。方形硬壳电池空间利用率高,电池单体体积及容量明显优于其他电池形式。2020年,宁德时代推出CTP高集成动力电池开发平台,取消PACK成组,将电芯直接集成到电池包。相对于传统的电池包,CTP电池包的体积利用率提高15%～20%,零部件数量减少40%,能量密度从180Wh/kg提升到200Wh/kg以上,成为方形硬壳电池现阶段最佳解决方案。
3． 下游纯电动车的崛起,正在催生另一个千亿级市场——动力电池回收。据中国汽车技术研究中心数据,2020年国内累计退役的动力电池将超20万吨(约25GWh)。锂离子电池若没有通过正确途径回收,同样会造成严重的环境污染。
从2016年开始,工信部发布一系列文件来完善动力电池回收政策。2021年3月5日,政府工作报告提出“加快建设动力电池回收利用体系”。但由于新能源汽车市场渗透率不高,电池回收经济效益不明显,加上电池拆解成本较高等问题,动力电池回收市场的潜力一直没有释放。根据监管部门规定,未来电池回收,电池制造商将承担主要责任。
02动力电池市场规模分析
全球动力电池市场已经被中日韩龙头大厂垄断。中日韩三国的动力电池出货量占全球总出货量的90%以上。中国从2015年赶超日本成为全球最大的动力电池生产国,2019年动力电池出货量为71GWh,占全球总出货量的61．7%。企业层面,宁德时代和LG新能源逐渐呈现双寡头格局。
2021年上半年,全球新能源汽车复苏势头加速,带动动力电池市场大幅增长。6月份全球动力电池装机量达到25．6GWh,同比增长126．5%,环比增长了20．2%;1-6月份累计装机量达到115．1GWh,同比增长155．8%。
随着我国新冠疫情的消退和经济的复苏,以及国家对“碳中和”“碳达峰”的号召,我国新能源汽车市场在2020年下半年迅速回暖,动力电池行业迎来爆发式增长。企查查数据显示,截至2021年1月,我国共有动力电池相关企业1．8万家;2020年新注册企业5253家,同比增长66．1%,其中第4季度新注册企业2953家,环比暴涨196．5%。
动力电池应用分会数据显示,2021年1-6月中国市场新能源汽车产量约为118．98万辆,同比增长238．19%;动力电池装机量约为53．67GWh,同比增长206．88%。
03我国动力电池产业瓶颈
虽然我国动力电池装机量处于全球领先地位,但从全产业可持续发展角度看,我国动力电池产业仍然面临诸多问题。
1、我国锂矿、钴矿资源极其有限随着新能源汽年产量的提升,全球每年消耗的动力电池原材料数量巨大,对相应的供给能力也提出了要求。全球近70%的探明锂矿资源分布在南美洲的智利、阿根廷、玻利维亚三国,另外也有一部分分布在澳大利亚和中国。
我国锂资源储量约占全球锂资源储量的6%。与国外相比,我国锂矿资源储量低,品味参差不齐。2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6．5万吨,其余锂精矿依赖进口(共进口172万吨锂辉石精矿),且进口矿石主要都来自澳大利亚。锂矿资源作为动力电池重要的战略资源,长期严重依赖进口,近几年来我国与澳大利亚在政治、经济领域存在诸多争执,为我国动力电池产业的发展蒙上一层阴影。
钴资源目前是电池材料中最为紧缺的矿产资源之一,地壳中钴的平均丰度为0．0025%,不但分布分散,而且多为铜、镍和铁等矿种的伴生矿。截至2019年底,全球钻储量约为700万吨,且分布集中,刚果(金)、澳大利亚、古巴三国的储量占全球储量的70%。钴的价格波动较为明显,特别是近几年钴价格已经从180元/kg上升到650元/kg。钴的价格已经占到动力电池成本的10%。
作为世界上最大的钴消费国,我国的钴矿储量仅为8万吨,对外依存度达到80%以上。电池无钴化是目前多数厂家研究的重要课题。目前业内的共同发展趋势是用镍替代钴,能量密度理论上可以达到和三元锂相当,价格比三元锂明显下降,只比磷酸铁锂高一点。但目前还没有厂家能大规模量产无钴电池。
2、铝塑膜技术壁垒较高,国产化率不足20%铝塑膜是软包电池的外包装材料,是软包电池不可或缺的材料之一,占总成本17%～18%,比重仅次于正极和隔膜。
铝塑膜需要具备极高的阻隔性、良好的热封性能、耐电解液及较强的延展性、柔韧性与机械强度,被公认为技术难度超过隔膜、正极、负极、电解液,是锂电池产业链中技术壁垒最高的环节之一。
目前全球铝塑膜市场和技术一直被日韩等少数企业垄断,国产化率不足20%。其中DNP与昭和电工生产的铝塑膜市场占有率超过70%。目前道明光学已成功实现技术突破,加速了我国铝塑膜国产化进程。总体来看,现阶段我国铝塑膜在移动电子终端产品领域国产化率比较高,而在储能、动力电池等领域,仍是日本企业占据绝对的垄断地位。
04动力电池技术发展趋势
1、钠离子电池应用前景广阔面对不断攀升的上游锂矿等资源价格,宁德时代在今年7月份发布钠离子电池。相比锂电池,首先,在储量方面,钠分布在全球各地,不受资源和地域限制;其次,由于不含钴和锂,钠离子电池的材料成本较低,相比锂电池可下降30%～40%;再次,其安全性也相对较高,在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中不起火不爆炸;最后,钠离子电池的高低温性能也比较优异。
但是,单体能量密度偏低仍然是钠离子电池不容忽视的缺点。第一代钠离子电池电芯单体能量密度为160Wh/kg,远远低于目前锂离子电池150-350 Wh/kg。因此,钠离子电池被更多应用在储能领域、低续航里程的电动车。相信随着技术的不断突破,钠离子将会有更大的应用空间。
表4:3种电池性能对比
2、全固态电池将成为动力电池的终极产品固态电池使用固体电解质,替代传统锂离子电池的电解液和隔膜。将液态电解质替换为固态电解质,大大降低了热失控的风险。固态电池的电化学窗口可达5V以上,高于液态电池(4．2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升理论能量密度。同时固态电池可简化封装、冷却系统,可进一步缩减电池重量。
出于对更高能量密度、更高安全性的追求,目前各国都在加紧固态电池的研发,并制定一系列的目标和措施,引导本国企业大力发展固态电池技术。
05建议
在“碳达峰”“碳中和”政策推力下,新能源汽车的发展势头强劲。根据乘联会数据,7月份我国新能源汽车的市场渗透率已达到14．8%,伴随着的是动力电池企业新一轮急剧的产能扩张计划。动力电池产业呈现鲜花着锦、烈火烹油的繁荣景象。
然而,在一片喝彩声中我们也应该清醒的认识到:一方面,上游原材料超过80%无法完全自供,海外原料供给存在不稳定因素,要求我国的动力电池产业坚持多技术路线协同发展的模式,避免在原材料上被“卡脖子”;另一方面,动力电池的发展仍然处于初期阶段,技术路线并未完全确定,一旦出现颠覆性技术,过去的技术可能一文不值。
因此,企业需稳健扩大产能,减少技术更迭带来的船大不好调头的风险。技术研发应聚焦于电池安全性、性价比、消费者体验等,避免“高田气囊”事件的发生。综上,坚持多技术路线发展、理性发展,对我国动力电池产业及企业的长久存续具有深远的意义。
01动力电池产业链全景
动力电池的产业链包括:上游的正极材料、负极材料、电解液、隔膜,中游的锂离子电芯、电池模组及下游的消费电子、储能、电动汽车、电动自行车等。
1． 上游正极材料:三元锂和磷酸铁锂为当前锂离子电池正极材料的中流砥柱。磷酸铁锂电池的装机量正在逐步追赶三元锂。由于国家财政补贴和市场对高续航里程的追逐,过去几年,三元锂电池的装机量一直超过磷酸铁锂。
随着纯电汽车普及率的提高,安全系数高、价格便宜的磷酸铁锂逐渐获得更多厂家的青睐。2021年多款车型宣布搭载磷酸铁锂电池,例如宏光Mini,特斯拉Model3低配版,比亚迪汉EV、秦EV等。特斯拉CEO马斯克在近期财报发布会上表示,未来特斯拉将逐步转向采用磷酸铁锂电池的方案,从电池构成上来看,未来三分之二的特斯拉将使用磷酸铁锂,三分之一可能采用镍电池。
负极材料:人造石墨负极渗透率逐年提高,需求增长迅速。目前锂电池的主流负极材料是碳负极材料,碳负极有人造石墨负极和天然石墨负极两种。人造石墨以高容量、优秀的循环寿命、成熟工艺、较低成本在高端消费电池领域和动力电池领域应用场景较好,渗透率逐年提升。
隔膜: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%。隔膜属于重资产行业,固定资产与总资产比值高达40%,显著高于其他材料行业。产品投资大、回收周期长加重了隔膜行业的进入门槛。隔膜的制备工艺主要分为干法拉伸与湿法拉伸。湿法隔膜技术一般用于制造高端隔膜产品,同时顺应动力电池高能量密度的要求,未来或将成为技术主流。
电解液:电解液是电池中离子传输的载体,被称为锂离子电池的“血液”,其成本约占整个锂电池成本的10%。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。
2． 中游动力电池由电池模组通过串联的方式组成,每个模组包含若干个锂离子电池单体即电芯,单体间通过串联的方式连接。动力电池组中电芯的形式主要有3种:方形硬壳电池、圆柱电池以及软包电池。
方形硬壳电池是目前应用最为广泛的电池形式,有超过90%的新能源车型采用这一电池形式。方形硬壳电池空间利用率高,电池单体体积及容量明显优于其他电池形式。2020年,宁德时代推出CTP高集成动力电池开发平台,取消PACK成组,将电芯直接集成到电池包。相对于传统的电池包,CTP电池包的体积利用率提高15%～20%,零部件数量减少40%,能量密度从180Wh/kg提升到200Wh/kg以上,成为方形硬壳电池现阶段最佳解决方案。
3． 下游纯电动车的崛起,正在催生另一个千亿级市场——动力电池回收。据中国汽车技术研究中心数据,2020年国内累计退役的动力电池将超20万吨(约25GWh)。锂离子电池若没有通过正确途径回收,同样会造成严重的环境污染。
从2016年开始,工信部发布一系列文件来完善动力电池回收政策。2021年3月5日,政府工作报告提出“加快建设动力电池回收利用体系”。但由于新能源汽车市场渗透率不高,电池回收经济效益不明显,加上电池拆解成本较高等问题,动力电池回收市场的潜力一直没有释放。根据监管部门规定,未来电池回收,电池制造商将承担主要责任。
02动力电池市场规模分析
全球动力电池市场已经被中日韩龙头大厂垄断。中日韩三国的动力电池出货量占全球总出货量的90%以上。中国从2015年赶超日本成为全球最大的动力电池生产国,2019年动力电池出货量为71GWh,占全球总出货量的61．7%。企业层面,宁德时代和LG新能源逐渐呈现双寡头格局。
2021年上半年,全球新能源汽车复苏势头加速,带动动力电池市场大幅增长。6月份全球动力电池装机量达到25．6GWh,同比增长126．5%,环比增长了20．2%;1-6月份累计装机量达到115．1GWh,同比增长155．8%。
随着我国新冠疫情的消退和经济的复苏,以及国家对“碳中和”“碳达峰”的号召,我国新能源汽车市场在2020年下半年迅速回暖,动力电池行业迎来爆发式增长。企查查数据显示,截至2021年1月,我国共有动力电池相关企业1．8万家;2020年新注册企业5253家,同比增长66．1%,其中第4季度新注册企业2953家,环比暴涨196．5%。
动力电池应用分会数据显示,2021年1-6月中国市场新能源汽车产量约为118．98万辆,同比增长238．19%;动力电池装机量约为53．67GWh,同比增长206．88%。
03我国动力电池产业瓶颈
虽然我国动力电池装机量处于全球领先地位,但从全产业可持续发展角度看,我国动力电池产业仍然面临诸多问题。
1、我国锂矿、钴矿资源极其有限随着新能源汽年产量的提升,全球每年消耗的动力电池原材料数量巨大,对相应的供给能力也提出了要求。全球近70%的探明锂矿资源分布在南美洲的智利、阿根廷、玻利维亚三国,另外也有一部分分布在澳大利亚和中国。
我国锂资源储量约占全球锂资源储量的6%。与国外相比,我国锂矿资源储量低,品味参差不齐。2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6．5万吨,其余锂精矿依赖进口(共进口172万吨锂辉石精矿),且进口矿石主要都来自澳大利亚。锂矿资源作为动力电池重要的战略资源,长期严重依赖进口,近几年来我国与澳大利亚在政治、经济领域存在诸多争执,为我国动力电池产业的发展蒙上一层阴影。
钴资源目前是电池材料中最为紧缺的矿产资源之一,地壳中钴的平均丰度为0．0025%,不但分布分散,而且多为铜、镍和铁等矿种的伴生矿。截至2019年底,全球钻储量约为700万吨,且分布集中,刚果(金)、澳大利亚、古巴三国的储量占全球储量的70%。钴的价格波动较为明显,特别是近几年钴价格已经从180元/kg上升到650元/kg。钴的价格已经占到动力电池成本的10%。
作为世界上最大的钴消费国,我国的钴矿储量仅为8万吨,对外依存度达到80%以上。电池无钴化是目前多数厂家研究的重要课题。目前业内的共同发展趋势是用镍替代钴,能量密度理论上可以达到和三元锂相当,价格比三元锂明显下降,只比磷酸铁锂高一点。但目前还没有厂家能大规模量产无钴电池。
2、铝塑膜技术壁垒较高,国产化率不足20%铝塑膜是软包电池的外包装材料,是软包电池不可或缺的材料之一,占总成本17%～18%,比重仅次于正极和隔膜。
铝塑膜需要具备极高的阻隔性、良好的热封性能、耐电解液及较强的延展性、柔韧性与机械强度,被公认为技术难度超过隔膜、正极、负极、电解液,是锂电池产业链中技术壁垒最高的环节之一。
目前全球铝塑膜市场和技术一直被日韩等少数企业垄断,国产化率不足20%。其中DNP与昭和电工生产的铝塑膜市场占有率超过70%。目前道明光学已成功实现技术突破,加速了我国铝塑膜国产化进程。总体来看,现阶段我国铝塑膜在移动电子终端产品领域国产化率比较高,而在储能、动力电池等领域,仍是日本企业占据绝对的垄断地位。
04动力电池技术发展趋势
1、钠离子电池应用前景广阔面对不断攀升的上游锂矿等资源价格,宁德时代在今年7月份发布钠离子电池。相比锂电池,首先,在储量方面,钠分布在全球各地,不受资源和地域限制;其次,由于不含钴和锂,钠离子电池的材料成本较低,相比锂电池可下降30%～40%;再次,其安全性也相对较高,在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中不起火不爆炸;最后,钠离子电池的高低温性能也比较优异。
但是,单体能量密度偏低仍然是钠离子电池不容忽视的缺点。第一代钠离子电池电芯单体能量密度为160Wh/kg,远远低于目前锂离子电池150-350 Wh/kg。因此,钠离子电池被更多应用在储能领域、低续航里程的电动车。相信随着技术的不断突破,钠离子将会有更大的应用空间。
表4:3种电池性能对比
2、全固态电池将成为动力电池的终极产品固态电池使用固体电解质,替代传统锂离子电池的电解液和隔膜。将液态电解质替换为固态电解质,大大降低了热失控的风险。固态电池的电化学窗口可达5V以上,高于液态电池(4．2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升理论能量密度。同时固态电池可简化封装、冷却系统,可进一步缩减电池重量。
出于对更高能量密度、更高安全性的追求,目前各国都在加紧固态电池的研发,并制定一系列的目标和措施,引导本国企业大力发展固态电池技术。
05建议
在“碳达峰”“碳中和”政策推力下,新能源汽车的发展势头强劲。根据乘联会数据,7月份我国新能源汽车的市场渗透率已达到14．8%,伴随着的是动力电池企业新一轮急剧的产能扩张计划。动力电池产业呈现鲜花着锦、烈火烹油的繁荣景象。
然而,在一片喝彩声中我们也应该清醒的认识到:一方面,上游原材料超过80%无法完全自供,海外原料供给存在不稳定因素,要求我国的动力电池产业坚持多技术路线协同发展的模式,避免在原材料上被“卡脖子”;另一方面,动力电池的发展仍然处于初期阶段,技术路线并未完全确定,一旦出现颠覆性技术,过去的技术可能一文不值。
因此,企业需稳健扩大产能,减少技术更迭带来的船大不好调头的风险。技术研发应聚焦于电池安全性、性价比、消费者体验等,避免“高田气囊”事件的发生。综上,坚持多技术路线发展、理性发展,对我国动力电池产业及企业的长久存续具有深远的意义。
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