一文成為動力電池“達人” ——動力電池行業系列研究第一篇(基礎篇)

作者: | 發布日期: 2019 年 05 月 15 日 17:26 | 分類: 新能源知識

動力電池行業屬于新興行業,2014年以來在政策扶持下以年均27%的增速飛快發展。巨大的市場潛力吸引了大量產業投資,市場參與者包括傳統鋰電池企業、鉛酸電池企業、產業鏈上下游企業以及通過并購等方式進入動力電池行業的其他行業從業者,投資逐漸出現過熱現象。動力電池行業對技術水平、資金實力以及對政策把握程度要求較高。隨著競爭的加劇,動力電池行業出現明顯分化,既產生了如寧德時代這樣的“常勝將軍”,又出現了如沃特馬這樣的昔日大佬因資金鏈斷裂而“敗走麥城”,同時又有若干后起之秀時刻擾動著動力電池前十大企業的榜單。究竟什么樣的電池企業更具競爭力?政策對行業發展帶來哪些影響?行業產能過剩程度如何?行業內企業如何分化?當前企業盈利空間如何?

本篇為動力電池系列研究的第一篇(基礎篇),為您梳理動力電池行業發展史、動力電池行業產業鏈及地位、動力電池行業主要產品、動力電池結構及生產流程、動力電池單位GWh投資、動力電池主要性能指標、動力電池分類以及不同技術路線單體理論能量密度,讓您一文成為動力電池“達人”,并為研究上述問題打下基礎。

一、動力電池發展史

鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌(充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態,放電時則相反)。相對于傳統鉛酸電池和鎳鉻電池等,鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、充放電性能好、使用電壓高、無記憶效應、污染較小和安全性高等優勢。

鋰電池按下游應用主要分為消費類鋰電池、動力電池和儲能電池。從其發展脈絡來看,鋰離子電池最早主要應用于3C領域,既消費類鋰電池。隨著技術的發展和電池性能的不斷提高,鋰離子電池逐漸被應用在為電動工具、電動汽車等交通工具提供動力,既動力電池。2015年以來,儲能領域的發展使得鋰離子電池又產生一片全新的市場需求;但由于儲能領域對電池技術水平要求較低,因此所用電池主要為動力電池企業淘汰和剩余產能或回收再利用的動力電池。

從市場發展速度看,由于3C行業市場規模增速在2010年左右達到峰值后持續下滑,市場逐漸趨于飽和,消費類鋰離子電池增速持續下滑,雖然2017年略有反彈,但整體增速仍低于10%。2014年以來,全球新能源汽車行業的迅速發展,使得鋰電池行業出貨量近四年以每年27%的速度高速增長。截至2017年末,動力電池出貨量達到62.35GWh,占鋰離子電池出貨量比例已提高到42%。此外,2015~2017年,儲能電池保持40%左右的增速,但在鋰電池出貨量中占比仍然較小。

二、動力電池基礎知識

1、產業鏈

動力電池行業處于新能源動力產業鏈的中游。上游主要為生產電池所需原材料(正極、負極、電解液、隔膜、包裝物、其他零部件)等產業鏈環節以及再上游的金屬材料生產和礦產資源開采環節(鋰、鈷、猛金屬化合物的冶煉和鈷礦、錳礦、鎳礦、石墨礦開采等)。下游主要為新能源汽車企業[按汽車種類分為乘用車、商用車和專用車,按動力來源分為純電動車和混動車]。動力電池企業主要產品為電芯、電池模組和電池包(詳見表1)。此外,由于部分電池企業僅生產電芯并將電池包(PACK)業務外包,因此在電池企業和車企之間,還派生出一些專門做模組和PACK的細分行業。

產業鏈地位方面,由于電池企業最上游資源主要為有色金屬大宗商品,價格受行業供需及資金面影響較大。中游電池和正負極材料企業僅為價格的被動接受者。在鋰、鈷等原材料價格大幅波動且動力電池行業產能快速擴張的背景下,電池企業較難完全將成本的增長完全傳導至下游(后篇研究將詳述企業加工費及盈利情況),存在較大的成本控制壓力。同時,在補貼退坡、“3萬公里”等政策影響下,下游車企盈利和獲現能力有所減弱。運營壓力由車企逐步向電池企業傳導,導致動力電池企業產品持續降價,應收帳款規模不斷上升,盈利和獲現表現普遍弱化。整體看,動力電池企業對上下游的議價能力均較弱,盈利空間及現金流情況較易受上下游行業影響,產業鏈地位較低。

2、動力電池的結構和生產流程

鋰離子電池的結構主要包括正極、負極、電解液、隔膜以及外殼。生產流程一般可以分為前段、中段和后段三個部分。其中,前段工序包括配料、攪拌、涂布、輥壓、分切等,中段工序包括卷繞/疊片、封裝、烘干、注液、封口、清洗等,后段主要為化成、分容、PACK等。

前段生產工藝是決定電池性能的關鍵。例如在相同的配料下,充分且高質量的真空攪拌是后續涂布、輥壓工藝高質量完成的基礎,也是提高電池能量密度和穩定性的前提;高質量的輥壓使單位面積內鎳含量提高,亦可以提高電池的能量密度。同時,涂布和輥壓的均勻程度高亦會提高電池的穩定和安全性。因此,鋰電池生產的前端設備(攪拌機、涂布機、輥壓機等)是關乎整條生產線的質量的核心設備,技術含量最高,設備價值也最高(約占整條生產線價值的40%~50%)。中段設備(模切機、卷繞機、疊片機、注液機等)占比約為30%(疊片模式設備價格高于卷繞模式),后段設備(化成機、分容檢測設備、過程倉儲物流自動化等)占比20%。目前,前段設備對進口依賴仍然很大,中后端設備基本可以實現進口替代,但對于設備一體化要求較高的企業來說,全生產線仍完全依賴進口。

3、動力電池單位GWh投資

動力電池項目投資主要包括土建、設備及安裝、流動資金等。其中,土地方面,據統計,一般建設1GWh產能約需用地100~150畝,購地成本差別較大,但普遍處于2000~3000萬之間;建筑工程費約6600~15000萬元。生產設備方面,根據設備是否進口、設備技術路線和設備自動化程度,價值差異較大。一般來說,國外先進生產線價格明顯高于國內生產線價格(國產設備價格區間3.6~5萬元、進口設備7~10萬元);一體化生產線明顯高于組裝生產線價格;軟包疊片技術生產線價格明顯高于硬包卷繞式生產線。此外,流動資金和其他稅費約1.7~1.9億元。總體看,國內主流動力電池廠商單位GWh投資約6.5~9億元。

4、電池性能的主要性能指標

動力電池的核心技術指標包括能量、能量密度、充放電倍率、循環壽命、安全性、一致性、可靠性等多項指標。其中,在整車重量給定、正常工況行駛的情況下,主要由電池的能量決定新能源汽車的續航里程。電池能量(Wh)等于能量密度(Wh/L)乘以電池體積(L),或者比能量(Wh/kg)乘以電池質量(kg)。由于新能源汽車生產商在某特定車型中要嚴格控制電池在車身中所占空間,因此在動力電池體積一定的情況下,能量密度越高的電芯,電池的能量越大,續航里程也就越長。因此,國家從2017年開始將動力電池能量密度[電芯的能量密度稱為單體能量密度,在電芯PACK成組后,整體的能量密度會有明顯下降,該能量密度稱為系統能量密度,國家政策考核的為系統能量密度]指標納入補貼考核范圍(詳見系列研究第二篇),用以推動動力新能源汽車及電池行業技術發展。綜上所述,能量密度是動力電池設計時考量的最重要指標。

動力電池的一致性是另一個重要指標。單只電池的性能指標包括能量、內阻、開路電壓等。電池系統中串并聯的單體電芯個數很多(一輛特斯拉用到的圓柱18650電芯多達5000~7000只)。如果眾多單體電池的內阻等方面不能保持高度一致,在相同電流流過時,內阻大的電芯就會發熱,進而發生爆炸等安全事故。另一方面,由于電池系統的能量和壽命存在短板效應(由系統中能量最小、壽命最短的電池決定)。因此,對于動力電池生產企業來說,不僅要在實驗室生產出高能量密度的電池,還要保證生產電池的一致性較強,才能滿足車企對電池的要求。保證電池的一致性需要有較為先進的電池生產設備、嚴格的流程管控以及相關配套技術。

追求動力電池的各種性能指標的目標往往存在矛盾。如提高電池能量密度往往降低電池一致性,提高快速充電性能往往降低電池壽命,提高功率往往犧牲電池能量密度。想要同時提升多個方面的性能指標,需要企業提高自身設備、技術、管理水平,同時在設計產品時對多個目標進行取舍。

5、分類

鋰離子電池按正極材料不同,可以分為鈷酸鋰電池、三元電池(鎳鈷錳酸鋰NCM或鎳鈷鋁酸鋰NCA)、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池。其中三元電池NCM又可以按三種金屬配比不同進行分類,如NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。
雖然鈷酸鋰電池能量密度高,但成本高、安全性差,因此主要被應用于3C領域。三元電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池雖然能量密度方面不及鈷酸鋰電池,但因在安全性、循環性等方面優勢明顯,因此被廣泛應用于動力電池領域。2017年,動力電池市場中磷酸鐵鋰和三元電池出貨量幾乎各占一半,錳酸鋰電池占比較小。三元材料在電池能量密度、比功率、大倍率充電、耐低溫性能等方面占據優勢,但成本、循環性、安全性上弱于磷酸鐵鋰電池。加之政策引導因素(詳見系列研究第二篇政策部分),因此新能源汽車市場中,客車采用的電池以磷酸鐵鋰為主,轎車以三元電池為主。

三元電池可以看做是鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳酸鋰電池的混合升級版,中和了三種電池在能量密度和安全性、循環性方面的優缺點,成為動力電池領域主流技術路線之一。根據正極材料中鎳鈷錳三種金屬比例不同,三元電池可以細分為NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。例如NCM532即為三元電池中鎳、錳、鈷的比例為5:3:2。一般來說,三元電池中,鎳的含量越高,電池能量密度越高(詳見表6),但安全性越差。

目前動力電池行業最新技術為高鎳三元鋰電池,主要包括NCA和NCM811。其中,NCA為鎳鈷鋁的混合,常見配比為8:1.5:0.5,單體能量密度可達300Wh/kg,高于目前能量上限約為280Wh/kg的NCM811電池,為目前世界上能量密度最高的鋰離子電池。NCA生產環境極為嚴苛,生產成本及技術要求高。目前,對于最新的高鎳三元鋰電池技術,日韓主要選擇NCA,但產量不高,主要的原因為市場需求不足。國內在NCA技術上仍不成熟,因此在高鎳三元領域主要選擇了NCM811。部分正極材料企業和電池企業已小批量出貨,但商業化程度仍然較低。隨著產業政策要求的不斷升級、技術的不斷成熟以及下游中高端車需求量的不斷上升,預計2020年以后高鎳電池的市場份額將逐步增長。2016年,上游三元正極材料出貨量中NCM111、NCM523和NCM622占比分別為61%、34%和5%。但到2018年一季度,MCM111已經退出市場,NCM523占比上升為78%,成為行業主流;同時NCM622上升為14%,高鎳三元材料亦有少量出貨。

生產線方面,NCM532與NCM622電池基本可以通過改變配比實現在同一生產線上的生產。但由于高鎳三元(NCM811、NCA)正極材料的高溫合成、組裝均需在純氧氛圍進行,且濕度控制要求在10%以下,因此需要企業重新設計廠房和設備,難以與其他產品共用生產線。

動力電池按照形態和包裝方法則分為圓柱電池、方型電池和軟包電池。其中圓柱電池和方型電池屬于硬包,外殼主要為鋼殼或鋁殼(價格低廉)。軟包電池外殼主要為鋁塑膜(價格昂貴)。

從發展歷史看,圓柱電池為最先采用的電池封裝形態,目前生產已標準化,主流型號為18650和21700[21700圓柱電池中“21”指電池直徑為21mm,“70”指高度為70mm,“0”代表圓柱體型的電池]。之后出現的方型電池(一般采用鋁殼),單體電池體積比圓柱電池更大,成組時縫隙更小,單位體積的電池包中結構件更少,重量更輕,因此,在單體電池在組成系統時能量密度下降幅度更小[根據美國阿貢實驗室測算,圓柱型成組后能量密度下降約40%,方型電池成組后能量密度下降30%]。此外,方型電池的充放電倍率、循環壽命和安全性等方面也好于圓柱電池。因此在以磷酸鐵鋰和三元材料(NCM523和NCM611)為主流的背景下,目前市場上主要為方型電池,圓柱電池主要被用在微型車和電動工具上,在乘用車和商用車領域占比較低[2018年上半年,國內15.58GWh里電池裝機中,方型占比76%,圓柱占比11.5%,軟包占比12.5%]。但是,圓柱電池在新能源汽車也不是完全沒有機會。圓柱電池雖然重量較大,成組后系統能量密度下降較多,但是該形態電池技術成熟、生產效率高、PACK成本低、電池良品率以及電池組一致性好、散熱快,便于多種形態組合,因此已實現與NCA、NCM811等高鎳材料的較好結合。目前,搭載了NCA正極材料的21700型號圓柱電池已應用于特斯拉Model3上,能量密度可達300Wh/kg。未來圓柱電池的發展方向或向對續航里程要求較高的高端乘用車用高鎳三元鋰電池發展,且型號由18650向體積和容量更大的21700發展。

軟包電池重量輕,結構件空間占用更小,使得電池成組后能量密度下降更少(三元軟包電池容量較同等尺寸規格的鋼殼三元鋰電池能量密度高10~15%、較鋁殼三元鋰電池高5~10%);但由于鋁塑膜成本較高且依賴進口,度電成本并未明顯下降。不足方面,軟包電池的機械強度和一致性較其他形態電池較差,因此一些高鎳正極材料如NCA等較難使用軟包形態。

此外,按電極片排布方式劃分可以將動力電池分為卷繞式和疊片式。圓柱電池和方型電池都采用卷繞式,即電極片以中心為軸,環形或方型卷繞。軟包電池主要采用疊片式,即電極片采用層疊的方式排列。按功能分,動力電池可以分為功率型和容量型。容量型鋰電池注重電池容量,既耐力,對大電流放電性能要求不高。相反,功率型鋰電池對功率要求較高,既動力,而對電池耐力要求不高。

本篇為動力電池系列研究的基礎篇,主要介紹了動力電池行業發展史、動力電池行業產業鏈及地位、動力電池行業主要產品、動力電池結構及生產流程、動力電池單位GWh投資、動力電池主要性能指標、動力電池分類以及不同技術路線單體理論能量密度等知識。

文章來源: 中債資信

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