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深度报告:动力电池材料及结构创新未来展望

作者:中国储能网新闻中心 来源:未来智库 发布时间:2021-08-01 浏览:

(报告出品方/作者:光大证券,殷中枢、郝骞、黄帅斌)

1、 碳中和背景下的新能源汽车行业

1.1、 现状与未来:新能源汽车行业发展路线

1.1.1、全球新能源汽车政策加码,积极拥抱碳中和

面对 2020 年全球新冠疫情的冲击和影响,世界主要经济体都把疫情后的经济复苏突破口选在了“绿色复苏”上。截至 2021.6.30,已提出碳中和目标的国家有 34 个,正在酝酿提出碳中和目标的国家将近上百个,碳中和毋庸置疑已成为全 球大趋势,作为能源需求端最重要的场景之一,新能源汽车也成为了世界各国发 展的重点。

中国:供应链优势明显, 2025 年新能源汽车销量预计占比保 25%争 30%

补贴政策从经济性角度提振销量,能量密度、安全性均在不同发展阶段被政策所 侧重,虽然购车成本仍是影响销量第一要素,但我国在电动汽车供应链已经积累 了较强的优势,成本快速下降,同时使用成本、体验的提升,以及智能化的加持, 行业已经进入市场化驱动时代。此外,特斯拉中国市场强劲的销量势头带来的“鲶 鱼效应”,也充分调动了国产电动汽车汽车和供应链的竞争意识,提高自身能力。

我们预计,根据碳中和发展目标,中国燃油车的整体禁售有望在 2045 年前后, 不同省份时间和情况会有一定差异。目前,中国已经在新能源汽车供应链积累较 大优势,但销量渗透率仅 5.4%(2020 年),2019 年新能源乘用车典型企业平 均电耗为 15.95 kWh/100km,技术始终是发展的原动力,行业仍然需要不断进 行技术创新。2020 年 11 月,国务院办公厅发布了《新能源汽车产业发展规划 (2021-2035 年)》,计划到 2025 年纯电动乘用车新车平均电耗降至 12.0kWh/100km,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右, 高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用;计划到 2035 年,纯电 动汽车成为新销售车辆的主流,公共领域用车实现全面电动化,燃料电池汽车实 现商业化应用。我们认为,2025 年 20%的渗透率为新能源车长期规划的政策托 底,预计届时新能源车渗透率保 25%争 30%。

《规划》还特别提到了鼓励车用操作系统、动力电池的开发创新,加强轻量化、 高安全、低成本、长寿命的动力电池和燃料电池系统核心技术攻关,加快固态动 力电池技术研发及产业化。国家支持全产业链生态布局,推动生产工艺、关键装 备、智能制造的突破发展以及电池梯次利用。

欧洲:碳排放约束+补贴,能源转型的先行者

2020 年 9 月,欧盟委员会推出了《2030 年气候目标计划》,明确了将《巴黎 协定》下的欧盟国家自主贡献从先前的与 1990 年相比减排 40%的目标提高到 至少减排 55%,并制定了各经济部门实现目标的政策行动,其中到 2030 年计 划可再生能源发电占比从目前的 32%提高至 65%以上。在能源转型和碳排放约 束方面,欧洲走在全球的前列,是有力的先行者、倡导者。

在碳排放考核趋严的背景下,欧洲各政府(尤其是德国、法国)频繁发布政策支 持新能源产业的发展,主要为消费补贴政策,还涉及到基础设施建设、车企升级 扶持、产业链投资等各方面。

2019 年 4 月出台的欧洲碳排新政于 2020 年 1 月开始执行,新政规定 2025、 2030 年欧盟新登记乘用车 CO2 排放量在 2021 年 95g/km 的基础上减 15%和 37.5%,分别达到81g/km和 59g/km,若不达标将面临巨额罚款:每超标1g/km, 罚款 95 欧元。假设年销量 1500 万辆燃油车,单车排放 115g/km,需要罚款 (115-95)×1500×95=285 亿欧元。碳成本成为推动欧洲新能源汽车放量的重 要驱动力,低 CO2排放成为欧洲电动汽车技术的侧重点。

欧盟政策加码,2035 年起提前结束内燃机时代。2021 年 7 月 9 日,根据 Bloomberg,欧盟的监管机构欧盟委员会计划要求新车和货车的排放量从 2030 年起下降 65%(相比于 1990 年水平),并从 2035 年起降至零,更严格的污染 排放标准将辅以规定各国政府加强车辆充电基础设施的规定;运输的清洁大修降 至下周公布的一系列的措施一部分,以制定更严格的 2030 年气候目标,将温室 气体排放从 1990 年水平减少 55%。

同时,欧洲各国持续加大对新能源车购车补贴等政策扶持,单车补贴最高可达 9000 欧元。如此一来,尽管 2020 年疫情肆虐导致汽车整体销量萎靡,新能源 汽车销量却在大力度优惠政策下迎来前所未有的增长。此外,碳成本在各能源要 素、汽车产业链、不同地区的转移会成为全球碳市场完善后更重要的考量因素, 涉及碳交易、碳关税等,也会充分改变全球新能源汽车产业及供应链的格局。

美国:拜登政府雄心勃勃,积极提振新能源发展

与特朗普政府不同的是,拜登政府出于国际竞争、内部政治、提振经济等因素大 力推动“绿色经济”及新能源发展。美国总统拜登上任时宣布了 2 万亿美元的基 建计划,其中有 1710 亿美元专门用于一系列电动出行措施,比如:支持汽车制 造商建立国内原材料供应链,消费者将因购买美国制造的电动汽车而获得补贴和 税收优惠,还要求白宫近 65 万台的联邦车队全部换成电动汽车。

(1)拜登政府规划至 2026 年美国的电动汽车份额将达到 25%,电动汽车年销 量达到 400 万辆;

(2)到 2030 年,计划建立 50 万个电动车充电站组成全国性网络;美国轻型汽 车销量的 95%至 100%将达到零排放标准;

(3)2035 年实现无碳发电;

(4)2050 年实现净零排放目标和 100%的清洁能源经济。

美国的政策取决于如何平衡各利益势力,与执政党和总统的政策密不可分,激进 的新能源发展策略一方面体现了拜登政府强化绿色发展执政思路,另一方面体现 了美国对中国新能源快速发展和其供应链安全的担忧。因此,中国各新能源产业 链某些环节如果不受美国的制裁,将受益于美国新能源行业的发展;但部分核心 环节也将受制于美国的打压;我们认为,资源品、电池关键技术和部件、芯片产 业链等将首当其冲受制衡。

1.1.2、全球新能源汽车销量大涨,动力电池出货量攀升

尽管 2020 年的新冠疫情导致全球汽车总销量下滑了 14%,但全球电动汽车的销 量却在 2020 年逆势大涨,达到 320 万辆以上。根据 EV volumes 数据,2020 年全球新能源汽车的的销量为 324 万,而 2019 年同期为 226 万,同比增长了 43.36%。

2020 年新能源汽车销售最多的国家分别是中国(137 万辆)、德国(40 万辆)、 美国(30 万辆)、法国和英国均为 20 万辆。在全球几大主要电动车市场中,欧 洲电动车总销量 139.5 万辆,占全球电动汽车销量的 43%,成为世界第一大增 长极。

新能源汽车良好的销量走势带动了动力电池装机量的连年攀升。根据 SNE Research 数据,2020 年全球汽车用动力电池装机量同比增长 17%,达到 137GWh。中国市场增长放缓,2020 年我国电池装车量累计 63.6GWh,同比增 长 2.3%。企业方面,宁德时代和 LG 新能源逐渐呈现双寡头格局,2020 年出货 量分别为 50GWh 和 48GWh,占据了全球电池市场的半壁江山。

中国市场:2020 年电动车渗透率 5.4%,宁德时代装机大幅领跑

得益于我国强大的抗疫组织能力,2020 年我国新能源汽车销量态势良好,四月 起销量便企稳并不断回升。根据中汽协数据,2020 年我国新能源车销量 136.7 万辆,同比增长 10.9%。其中,纯电动汽车销量为 109.4 万辆,同比增 11.6%; 插电式混合动力汽车销量为 24.9 万辆,同比增长 8.4%,电动车渗透率从 2019 年的 4.7%提升至 2020 年的 5.4%。

装机企业方面,宁德时代以总装机量 31.79GWh 无悬念登顶,且大比分领先其 他对手,占国内市场总装机量的一半;比亚迪排名第二,市场份额达到 14.9%; 第三名 LG 化学装机量与前两名有不小的差距,为 4.13GWh,占市场总装机量 的 6.5%。

1.1.3、未来新能源汽车及相关材料需求预测

预计 2025 年我国新能源汽车销量突破 800 万辆,动力电池装机量 406GWh

《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》倡导的电动化、智能化、网联化 将成为我国新能源汽车产业发展的新机遇。经过本轮升级,中国电动车产业未来 将更加具备国际竞争能力,并迎来更好的发展期。我们预计我国新能源汽车销量 未来 5 年复合增长率在 40%左右,到 2025 年有望超过 800 万辆,是 2020 年的 6.4 倍,是 2021E(260 万辆)的 3.3 倍。按照 2025 年汽车总销量 2500 万辆预 计,新能源车销量渗透率达 32%。

在电动汽车市场快速增长带动下,动力型锂离子电池继续保持快速增长势头。按 照正极材料分类动力电池可分为三元电池、磷酸铁锂电池及其他电池。根据目前 各细分车型的单车带电量,我们预计 2025 年国内装机量可达 406GWh, 2020-2025ECAGR 超过 40%,市场规模将达到 2640 亿元;其中三元电池装机 量达 247.5GWh,磷酸铁锂装机量达 158.8GWh。

预计 2025 年海外新能源汽车销量 1500 万辆,动力电池装机量 757GWh

我们根据各国新能源销量情况,预测 2025 年海外新能源汽车销量 1500 万辆, CAGR-5 达到 50%。根据单车带电量假设,预计 2025 年海外动力电池装机量 757GWh,CAGR-5 将达到 51%。据乘联会数据,2020 年全球汽车销量 7803 万辆,海外 5303 万辆,假设 2025 年汽车总销量维持,则海外新能源车销量渗 透率达 28%。

预计 2025 年全球三元正极材料需求量 34.6 万吨,磷酸铁锂 34.9 万吨

原材料方面,根据单位耗用量假设 1kWh 所需三元材料 1.4kg,1kWh 所需磷酸 铁锂正极材料 2.2kg,考虑动力电池、3C 电池、储能电池以及其他领域的需求 量,我们测算到 2025 年全球三元正极材料需求量 34.6 万吨,市场规模 589 亿 元;磷酸铁锂材料需求量为 34.9 万吨,市场规模达到 140 亿元。同样地,负极 材料到 2025 年的市场规模达到 195 亿元,总需求量 40.6 万吨。

假设 1GWh 所需电解液 950 吨,制备 1 吨电解液需要六氟磷酸锂 0.1 吨,那么 到 2025 年全球六氟磷酸锂的需求量为 12.8 万吨;1kWh 所需隔膜面积为 17 平 方米,2025 年全球隔膜需求量为 176.5 亿平方米,市场规模为 60 亿元。

1.2、 比较三种动力能效、排碳及经济性,锂电成长确定

1.2.1、燃油、锂、氢三种动力源排碳、能效及经济性

汽、柴油作为传统车用燃料,统治汽车领域约百年的时间,在新能源革命的大潮 及全球碳中和的趋势下,车用动力的变革已经开始。“买得起、用得起”已经成 为不同动力汽车能否商业化推广放量的关键。

(1)“用得起”:燃料要清洁、且成本要低。根据欧阳明高 2021 年中国电动 汽车百人会发言,从基于可再生能源的能源动力组合全链条能效分析,如果能源 供给侧端的电价相同,总体能效差别等于成本差别,充电电池能做的事情就可以 不用氢燃料电池,因为制氢的电价不会比充电电价更便宜。有一些场景用氢燃料 依然是不错的选择:长距离客运、货运(重卡、大巴、公交)、锂电能量衰减比 较快的地区(北方)、物流叉车、轮船等;以及大规模储能、工业原料等。

效率:根据壳牌公司,充电电动车全链条效率 77%,其中燃料生产环节效率 95%; 氢燃料电池车全链条 30%,其中燃料生产端 61%;电燃料内燃机汽车全链条 13%,其中燃料生产端 44%。

针对于不同车用动力源的全生命周期排碳水平,全球氢燃料电池龙头巴拉德公司 也进行了测算,其核心结论在于:能源供给侧的清洁程度是决定因素,无论是锂 电池汽车还是氢燃料电池车,如果电力或者氢气来自于化石能源,那么其排碳水 平依然较高。所以若要能源需求侧的汽车使用端减碳,还是需要推动能源供给侧 使用清洁能源。如果能源供给侧均使用清洁能源,那么锂电池汽车和氢燃料电池 汽车全生命周期排碳水平分别为 65-75 g/km;60-70 g/km。

我们进一步分析:2025、2030 年欧盟新登记乘用车 CO2排放量目标需要在 2021 年 95g/km 的基础上分别减 15%和 37.5%,分别达到 81g/km 和 59g/km,若 要达到此目标,欧洲需要在 2030 年达到以清洁能源为主的能源体系,届时可以 同时采用锂电或者燃料电池车为主的汽车动力体系。

我们基于当前各类动力汽车能源成本的经济性测算也可以得出类似结论:当前时 点在乘用车方面,电动(插电混动)汽车的使用经济性远好于汽油车和燃料电池 车(对于轿车类型,电动车的百公里成本约 10 元人民币,而汽油和燃料电池车 的百公里成本分别达到 33 元人民币和 63 元人民币)。

(2)“买得起”:通过技术研发、规模化降本,使汽车购买成本下降,达到可平价消费区间。目前看,锂电池车购买成本已经可以与传统燃油车相抗衡,进入 市场化快速放量阶段;氢能燃料电池车目前因为还处于规模化初期,仍需要 5-10 年时间通过规模化降本,作为锂电的互补,未来也值得期待。

1.2.2、锂电行业成长确定,龙头公司大举扩张

为了满足全球快速增长的动力电池需求,全球主要动力电池公司大举扩张,进入 了产能扩张期。根据主要动力电池厂公司公告整理,2020 年国内、海外动力电 池产能为 181/279GWh,2021-2023E 产能规划国内分别为 311/517/757GWh (YOY 71%/67%/46%),海外分别为 429/604/754 GWh(YOY 54%/41%/25%)。

1.2.3、产能周期、设备国产化、能耗约束将强化周期

电解液:扩产周期较长,6F、VC 供应紧张

电解液供应紧张,尤其受限于上游的 6F、VC 供应。2021 年以来,电解液价格 持续上涨,上游的 6F 价格涨幅大于电解液价格涨幅。根据 wind 数据,三元圆 柱 2.2Ah/磷酸铁锂/4.4V 高电压电解液价格 2021 年 1 月出的价格为 3.4/4/7.15 万元/吨,到 2021 年 6 月末,价格已上涨到 7.2/7.5/9.25 万元/吨,涨幅为 112%/88%/29%;6F 价格 2021 年 1 月初的价格为 11.25 万元/吨,到 2021 年 6 月末,价格已上涨到 31.5 万元/吨,涨幅为 180%。

6F 较长的扩产周期使得今年供应持续紧张。6F 的扩产周期约 18 个月,目前全 球仅天赐、多氟多、新泰在今明年有新增产能,天赐材料的 6 万吨液态六氟要四 季度上线。近期各大厂商陆续宣布扩产计划:6 月 15 日,永太科技宣布投资年 产 2 万吨六氟磷酸锂项目,建设期预计为 3 年,可根据实际建设进度分次投产; 6 月 17 日,天赐材料宣布投资建设年产 15 万吨六氟磷酸锂项目,建设周期为 18 个月。但需注意的是这些产能需到 2023 年才能逐步释放。

VC 在 Q3 会有新产能陆续投放,将有效缓解短缺情况。2021 年以来,VC 供应 一直是电解液生产的主要瓶颈,根据鑫椤锂电数据,Q3 会有多家企业的 VC 产 能陆续释放,届时才会有效缓解 VC 供应的瓶颈问题。

隔膜:设备面临国产化瓶颈、海外设备厂商不扩产

隔膜需求量大涨,供应情况紧张。2021 年以来,根据鑫椤锂电数据,恩捷股份、 星源材质、中材科技三家头部隔膜企业持续满产运行,订单供应紧张;河北金力、 中兴新材、沧州明珠、惠强新能源等第二、三梯队隔膜企业的产能利用率也有明 显提升。

隔膜生产对设备稳定性要求很高。隔膜设备停机时间越短越好,在不停止机器运 转的情况下,产品的合格率会越来越高。如果设备稳定性较差,就会频繁停机处 理,导致隔膜的质量和一致性得不到保证。国产隔膜设备最主要的问题就在于设 备的稳定性较差,这使得隔膜厂商的设备主要依赖于进口。

海外设备厂商不扩产,上游瓶颈明显。隔膜设备市场相对小众,主要的设备厂商 仅有日本制钢所、日本东芝、韩国明胜、德国布鲁克纳、法国伊索普等几家。这 几大厂商基本没有扩产计划,且未来几年的产能已经与各家隔膜企业绑定。在下 游电池需求大幅增长的情况下,未来 2-3 年隔膜产能将会成为整个产业链中的一 大瓶颈。

负极:能耗约束带来石墨化瓶颈

负极需求旺盛,主流厂商持续满产。根据鑫椤锂电数据,2021 年 1-4 月,主要 负极企业产能利用率分别为 99%/95%/106%/111%。行业产能已经超负荷生产, 部分厂家已经开始依赖于外协代工增加产量。当前企业面临的不是订单压力,而 是生产能力瓶颈,特别是石墨化产能。

石墨化瓶颈持续,预计 2022 年 H1 可以得到缓解。负极石墨化能耗较高,主要 产能(约 40%左右)分布在电价低廉的内蒙古地区。由于内蒙古能效双控原因, 今年石墨化产能受到很大影响。石墨化产能的扩建需要一定周期,根据鑫椤锂电 数据,新增石墨化产能今年 Q4 将陆续上线,预计 2022 年上半年石墨化产能得 到有效缓解。

1.3、 资源约束、地缘政治,锂或成为行业发展掣肘

2021 年 4 月 IEA 出版的研究报告《关键矿物在清洁能源转型中的作用》(The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions)显示,随着各国逐渐向清洁能 源迈进,电动汽车取代燃油车进程加速,2040 年锂的需求可能会比现在高出 50 倍,这意味着世界将面临锂的严重短缺。

鉴于锂资源区域分布不均以及控制权高度集中,锂电市场会不可避免地受到价格 波动、地缘政治的影响。

2021 年 2 月 25 日,美国白宫官网发公告称,拜登政府签署了第 14017 号行政 命令,将对四种产品的供应链展开为期一百天的审查,主要针对半导体芯片、电 动汽车大容量电池、稀土矿产品和药品领域。

6 月 8 日,拜登政府发布了一份逾 250 页的审查报告:“大容量电池行业:美国 严重依赖从国外进口制造先进电池组的原料,这使美国面临供应链漏洞,威胁到 依赖它们的关键技术和制造它们的劳动力的可用性和成本。到 2030 年,全球锂 电池市场预计将增长 5 到 10 倍,美国必须立即投资,扩大国内高容量电池的安 全、多样化供应链,支持高薪、高质量的工作,并自由公平地选择加入工会和集 体谈判。这意味着要抓住一个关键的机会,增加国内电池生产,同时投资扩大整 个锂电池供应链,包括电池生产中使用的关键矿物的采购和加工,一直到报废电 池的收集和回收。”

6 月 9 日,美国参议院以 68 票赞成、32 票反对,通过一项总额 2,500 亿美元的 《2021 年美国创新及竞争法》。这项法案就是旨在提高美国科技,去面对中国 的竞争力。美国强化与盟友之前的联系,在锂资源层面对中国进行限制恐成为现 实,另外禁止中国供应链公司在外进行投资、扩张也会是美国的重要制裁手段。

中国锂资源虽丰富,但受生产工艺的制约,资源品位较高的电池级碳酸锂、高纯 碳酸锂等还需从国外大量进口。中国优质的锂资源与世界其他地区相比较少,考 虑我国是锂电中游产业链以及下游应用市场核心,因此需要考虑资源掣肘。

1.3.1、盐湖提锂:未来新增锂矿产能的重要主体

资源禀赋决定提锂路线,我国盐湖提锂开发潜力巨大

据中国有色金属工业协会锂业分会统计,锂资源储量约为 714 万吨(金属锂吨), 其中青海地区的储量占全国的 43.4%,西藏地区的储量占全国的 31.1%,是占 比最高的两个地区。我国锂资源主要以盐湖卤水形式存在,占比高达 81.6%。 因此在全球锂电市场大跨步迈向 TWh 时代之际,加大我国盐湖锂资源的开发力 度势在必行,盐湖提锂也将构成未来我国甚至全球新增锂矿产能的主体。

国内外不同盐湖镁锂比差异较大,各盐湖往往是根据资源禀赋特征采取不同的技 术路线。海外由于锂盐湖资源镁锂比低,摊晒条件优越并且矿区周边电力及运输 等配套设备齐全,因此多以盐田浓缩沉淀法为主,包括 SQM、南美 Salar de Atacama、Salar de Olaroz 等盐湖均采用该技术。 我国大部分盐湖卤水镁锂比高、钠锂比高、分离难度大,导致提锂过程中开发成 本高、开采环境恶劣、利用程度低、国外盐湖提锂技术在国内也不适用,这些原 因导致我国目前盐湖锂产量小、提纯技术不完善。

我国盐湖提锂产能概况:已建成 8 万吨,规划产能约 12 万吨

经过 20 年提锂工艺的不断探索,我国初步形成了三类可行的盐湖提锂路线,包括膜法(包括电渗析法和纳滤膜分离法)、吸附法和溶剂萃取法。

吸附法是在低浓度的卤水中可以将锂分离出来,缺点是杂质含量高,需要进一步 的除杂工艺。

目前国内比较成熟的膜法提锂工艺主要有电渗析法与纳滤膜法,主要应用在具有 高镁锂比的盐湖。电渗析膜法主要应用于高浓度卤水,低浓度体系不适用。

溶剂萃取法提锂工艺的优点是该技术适用于较高镁锂比盐湖,锂回收率能达到 97%以上。萃取法应用的核心是萃取剂,但是由于萃取剂对管道腐蚀严重并且萃 取剂对环境破坏较为严重,因此环境友好型是萃取剂迭代更新以及目前行业研究 的主要方向,目前多数新型萃取剂仍处于研究阶段 。

4 月 9 日,青海省政府召开专题会议,审议通过《行动方案编制工作方案》,5 月 8 日编制《建设世界级盐湖产业基地行动方案》,5 月 15 日顺利通过省内专 家论证评审;5 月 20 日在北京召开专家论证会,获评审通过。

1.3.2、锂电回收:产业闭环与摆脱锂约束的必然之选

动力电池回收的必要性

在动力电池日益剧增的回收再生需求面前,我国政府自 2016 年以来已发布 10 余条相关国家级政策,搭建 20 余项重点国家标准体系框架,并在今年两会首次 将“动力电池回收”话题写入政府工作报告。

构成锂电池的成分和结构较为复杂,包括钢/铝壳、铝集流体正极负载钴酸锂/ 磷酸铁锂/镍钴锰酸锂等、铜/镍/钢集流体负载碳、聚烯烃多孔隔膜、六氟磷酸 锂/高氯酸锂的碳酸二甲酯/碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯溶液等,如果不对已废弃的 锂电池进行回收,会对自然环境造成严重影响,将回收后的锂电池进行技术提取, 很多材料可以得到二次利用。

未来,废旧动力锂电池回收将会形成一个十分庞大的市场。目前全球对于锂和稀 土资源供给(电池和电机的核心矿物资源),还是围绕一次资源提取供给为主。 根据 IEA 的报告,当下中镍、钴的回收率还可以,但锂几乎没有回收能力(回收 率<1%)。我们可以预见进入 TGWh 时代后,锂电池大规模退役,上游矿物资 源缺口会引发庞大的回收浪潮。

锂电回收工序复杂,湿法和火法是主要技术路线

锂离子电池的详细回收过程非常复杂,电池必须先进行预处理,包括放电、拆解、 粉碎、分选,通常采用火法和湿法两种技术路线:

(1)火法冶金回收。火法冶金采用高温炉将金属氧化物成分还原为 Co、Cu、 Fe 和 Ni 等合金。该方法成功实现了从 LCO/石墨电池中优先回收 Co、Li2CO3 和石墨,从 LCO/LMO/NMC 废电池中优先回收 Li2CO3,从 LMO/石墨电池中优 先回收 Li2CO3 和 Mn3O4。

(2)湿法冶金回收。湿法冶金采用水溶液从正极中提取目标金属,其中最常用 的水溶液电解质是 H2SO4/H2O2 体系。这种方法容易在室温下进行,但可能产 生大量废水,需要额外的废水处理成本。但是该方法可实现 Mn 的单独分离、高 纯度 Co 的提取以及 Li 与 Co 的高效分离。

目前火法冶金工艺主要应用在欧洲和北美,该工艺从正极机料中回收 Co 和 Ni, 从负极集电器中回收 Cu,这仅占 LIBs 的重量的约 30%,因此只能回收少数材 料。湿法冶金工艺是国内主流路线,回收重点在于价值最高的正极材料的回收。

火法冶金和湿法冶金回收工艺都很大程度上取决于设备中钴的浓度高低。但是由 于电动汽车电池中的越来越低的钴含量,这些商业模式也可能越来越不适用。

动力电池梯次利用与回收市场空间测算

我们对未来三元电池的金属回收市场空间及磷酸铁锂电池的梯次利用与回收市 场空间设计了测算模型。

对于三元电池,我们预测:2019 年预计可回收三元正极 0.13 万吨,随后逐年递 增至 2030 年的 29.25 万吨。

1)NCM333:随着 2014 年安装的 NCM333 三元电池于 2019 年开始退役,2019 到 2022 年 NCM333 回收量逐步增加,2022 年达峰值 1.28 万吨,随后由于 NCM333 的退出而逐步减少,至 2026 年回收量归零;

2)NCM523:2016 年开始进入市场的 NCM523 于 2021 年开始报废回收,随后 回收量于 23-28 年稳定在 4-6 万吨之间,预计 2030 年上涨至 10.78 万吨;

3)NCM622:2017 年进入市场的 NCM622 于 2022 年开始报废回收,回收量小 幅上涨,直到 28 年上涨幅度增加,预计 30 年可回收 6.03 万吨;

4)NCM811:2018 年进入市场的 NCM811 于 2023 年开始报废回收,预计 30 年可增长至 12.44 万吨。预计 30 年可回收锂 2.09 万吨,镍 11.47 万吨,钴 2.80 万吨,锰 3.23 万吨。

对于磷酸铁锂电池,我们预测:

1)2030 年,报废铁锂电池将达到 31.33 万吨;

2)随着梯次利用逐年上升,预计 2030 年可梯次利用的铁锂电池达 109.93GWh, 共 25.06 万吨;其余 6.27 万吨进行拆解回收,可回收锂元素 0.28 万吨;

3)2027 年梯次利用的磷酸铁锂电池将在 2030 年达到报废标准,此时拆解回收 8.604 万吨,可回收锂元素 0.379 万吨。二者总计可以回收锂元素 0.65 万吨。

1.3.3、钠电产业化初期,未来或成为重要备选路线

钠资源丰度高,新生代钠电池崭露头角

锂在地壳中的含量较少,约占 0.0065%且分布不均匀,70%的锂资源集中分布 在南美洲地区,而我国是全球锂资源第一进口国,80%的锂资源供应依赖进口。 如果不对锂电池进行回收提取二次利用,以现今锂电池行业的发展速度,几十年 后锂电池行业将因锂资源的缺少受到严重限制。

钠与锂处于主族,具有相似的物理化学属性,但钠在地壳中的含量非常丰富,而 且钠分布于世界各地,相比于锂完全不受资源和地域的限制,所以钠离子电池比 起锂离子电池有更多的优势。

2021 年 5 月 21 日,宁德时代董事长曾毓群在股东大会上透露,将于 2021 年 7 月份左右发布钠离子电池,再次引发市场对新型电池体系——钠电的关注。

钠电优势:成本低+储量大+兼容锂电设备

钠离子电池的工作原理:与锂离子电池的工作原理类似,钠离子电池同样是一种 嵌脱式“摇椅”电池,充电时钠离子从正极脱嵌进入负极,放电时钠离子从负极 进入正极,外电路电子从负极进入正极钠离子被还原成钠。

钠离子电池的优势:

(1)安全性高:已经通过了一些国标的测算。

(2)成本低储量丰富:钠的资源储量丰富,钠离子电池的配件比锂离子电池便 宜,钠的化合物可作为电极材料,采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元 正极材料,原料成本降低一半。

(3)兼容现有的锂电设备:钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同,电池公 司的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。

(4)无过放电特性:钠离子电池允许放电到 0V,能量密度大于 100Wh/kg,可 与磷酸铁锂离子电池相媲美,但是钠电成本优势明显,有望在大规模储能中取代 传统铅酸电池。

钠离子电池与锂电池差异:

(1)正极材料:这是钠离子电池有别于锂离子电池最大的地方。目前的正极材 料主要有:钠过渡金属氧化物、钠过渡金属磷酸盐、钠过渡金属硫酸盐、钠过渡 金属普鲁士蓝类化合物。

(2)负极材料: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。钠电负极是软碳、硬碳、过渡金属氧化物等,考虑负极材料 的成本、稳定性、循环性能等指标,最容易实现产业化仍然是碳材料,主要是软 硬碳。

(3)电解质:钠盐+溶剂,除钠盐之外,溶剂与锂离子电池差别不大,一般为 碳酸酯。

(4)隔膜:与锂离子电池相同。

(5)外形封装:圆柱、软包、方形,与锂离子电池相同。

(6)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。

(7)应用场景:除了高能量密度要求的手机、无人机、乘用车以外,钠电有着 非常广泛的应用前景。如电动二轮车、电动三轮车、低速四轮车、家用储能产品、 数据中心、通信基站、新能源发电配套储能、电网级储能产品等。

钠电产业化初期,中科海钠领先全球

20 世纪 70 年代,人们开始了对于钠离子电池的研发。2011 年,全球首家专注 钠离子电池产业化的英国 FARADION 公司成立后,钠离子相关的研究迎来了全 面式增长。

目前国内外有近三十家企业对钠离子电池进行产业化相关布局,主要包括英国 FARADION 公司、美国 Natron Energy 公司、法国 Tiamat 公司、日本岸田化 学、松下、三菱化学以及中科海钠(中科院物理所背景)、钠创新能源(上海交 大背景)、星空钠电(国内外合作)等,此外电池巨头宁德时代也早早布局了钠 电的研发。

在钠电体系的研发应用层面,国内代表企业中科海钠处于国际领先地位。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。公司研发的钠离子电池的能量密度已达到 120 Wh/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。

钠电补充了现有技术路线,未来锂电/钠电将是互补格局

钠离子电池的出现是现有锂电池技术的补充,目前钠离子电池的能量密度可以做 到 150Wh/kg 上下,与磷酸铁锂电池、锰酸锂电池接近,循环寿命可以做到 3000~6000 次,与磷酸铁锂相当,优于锰酸锂和三元材料,热稳定性和安全性 与磷酸铁锂基本相当。

成本方面,以中科海钠数据为例,按照等容量软包电池成本分析,钠离子电池 BOM 理论成本比锂离子电池低 30%。但现阶段,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 期且具体的测试数据来验证甄别。

钠离子电池目前处于产业化初期,短期内难以与锂离子电池直接抗衡,更可能承 担补充/备选角色,其应用场景更可能是非锂电池主流应用领域,如低速电动车、 部分储能、工程机械、基站通信备用电源等领域。因此,在产业链的完善、产品 系列的丰富、性能的成熟、标准的制定、市场的认可等方面,钠离子电池仍然有 很长的路要走。目前,CATL 的加入以及双碳目标的制订,可以大大加速这个过 程,我们预计在更远的未来,锂电/钠电将可能成为互补格局。

2、 动力电池材料及结构创新未来展望

锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成,目前广泛应用的正极材料选 用 Fe、Ni、Co、Mn 等金属氧化合物;负极选用石墨、硅碳等;电解液选用六 氟磷酸锂的有机溶剂;隔膜是聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)高分子膜。

动力电池技术的更迭在于原材料体系的性能优化以及封装工艺的改良,因此,材 料和结构创新是动力电池行业的两条优选赛道,也是降本的必由之路。

(1)中国动力电池技术创新已从政策驱动向市场驱动型;

(2)电池材料创新主要平衡能量密度、寿命、快充、安全、成本等指标;

(3)电池系统结构创新已成为近年来技术创新的鲜明特征。

2.1、 正极:高镍三元、磷酸铁锂路线将长期并行

动力电池中正极材料占整个电池成本的 40%以上,且在当前的技术条件下,整 体电池的能量密度提升主要取决于正极材料的优劣,因此,正极材料是锂离子电 池研究和开发的重中之重。在设计和选取锂离子电池正极材料时,要综合考虑比 能量、循环性能、安全性以及成本等因素。

根据不同的材料体系,常见的正极材料可分为镍钴锰酸锂(NCM)、磷酸铁锂 (LFP)、钴酸锂(LCO)、镍钴铝酸锂(NCA),以及新型材料如无钴正极、 四元正极材料等。各类正极材料的性能有差异,目前磷酸铁锂和三元是电动车行 业的两大主流电池技术路线,也是装车数量最多的两类动力电池。

2.1.1、安全+成本优势明显,结构创新推动磷酸铁锂应用扩大

基于 LiFePO4正极的锂离子电池充电时,锂离子经由电解液进入负极,Fe 2+氧化 成 Fe 3+,放电时则相反。本质上就是 LiFePO4与 FePO4的相互转化,转化过程 中两种物相晶胞参数的差距并不大,体积变化率也很低,这种微量的变化确保了 结构的稳定性,同时也保证了 LiFePO4电池的安全性。

磷酸铁锂在安全性、循环寿命及成本优势明显。磷酸铁锂是目前最安全的锂离子 电池正极材料,不含任何对人体有害的重金属元素。

相较于镍钴锰化合物,磷酸铁锂的分子结构稳定性较好,具有更高的分解温度, 循环性能优势明显,三元锂电池循环寿命在 1500-2000 次左右,而磷酸铁锂在 100%DOD 条件下,可充放电 3000 次以上,倍率型电池的循环甚至可达上万圈。

成本方面,铁和磷都是平价且资源丰度高的化学元素,其开采和提炼成本远没有 高镍三元正极高,和三元电池相比,磷酸铁锂电池的正极成本和电芯成本分别约 低 55%和 22%。

磷酸铁锂和三元材料的元素属性决定了他们有各自的领域。从结构本质上讲,磷 酸铁锂的优势在于:结构稳定、充放电循环寿命较长,但同时也存在能量密度低, 充放电效率低,低温表现不佳的问题。相应的,三元的能量密度高、充放电效率 高,但同时也不耐高温。因此,在新能源汽车动力电池领域,两种电池都有各自 合适的定位和市场,不会出现一方替代另一方的现象。

磷酸铁锂或将主导未来平价代步车、运营车、商用车市场。我们认为针对中高端 车型及主打差异化、品牌化的车型,优选具有大容量、高能量密度、快充效率更 高的三元锂离子电池;而针对平价代步车、运营车、商用车等对电池能量密度要 求相对较低,对安全性要求较高的车型,市场会优选具有寿命、成本、安全性优 势明显的磷酸铁锂电池。在未来的商用电动车市场,铁锂有望维持主导地位。当 然,锂电结构创新如 CTP 或刀片电池技术使磷酸铁锂电池提升了体积能量密度, 使其应用空间逐渐扩大,同时储能的推广也有效的增加了磷酸铁锂的应用场景。

磷酸铁锂的技术与成本差异使得应用场景格局清晰。当前磷酸铁锂制备工艺主要 可分为液相法和固相法:

液相法工艺(自热蒸发液相合成法):原材料主要有铁源、锂源、磷源等。其中 锂源、磷源为外购;铁源分为外购铁源和自制铁源取得。液相法主要为德方纳米 所采用,具有循环性能好、成本低、安全性好的优点,适用于储能等场景。

固相法是当前技术最成熟、商业化运用最广泛的一种方法。一般使用草酸亚铁、 氧化铁、硝酸铁、磷酸铁作为铁源,使用碳酸锂、氢氧化锂等作为锂源,使用磷 酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸等作为磷源。固相法不需要复杂的设备及工艺,且 方法运动条件容易控制,适合用于大规模的工业化生产。

钛白粉及化工企业陆续加大磷酸铁锂新产能布局,磷酸铁前驱体的新进入者有望通过化工一体化塑造成本壁垒。钛白粉化工企业配套制造磷酸铁锂,可以消纳钛 白粉生产过程中产生的废酸、硫酸亚铁等副产品,此外硫酸亚铁可以为磷酸铁锂 带来铁源,大大节省综合成本。因此部分化工企业如中核钛白、龙蟒佰利、安纳 达等利用自身循环和一体化的优势,近期也纷纷跨界入局磷酸铁锂的投建。

不同的磷酸铁企业技术路线和成本控制存在差异,从成本端而言,磷化工企业优 于钛白粉企业优于纯磷酸铁锂加工企业。

2.1.2、高能量密度电池的实现最终取决于高镍三元正极的发展

NCM(Li(NixCoyMnz)O2)三元材料是由 LiNiO2改性而来,由于 Ni、Co 和 Mn 之间存在明显的协同效应,因此 NCM 的性能好于单一组分的层状正极材料,三 种元素对材料电化学性能的影响不同。

当三元材料中添加的 Ni 含量大于 50%为高镍三元材料,如 NCM622、NCM811 和 NCA(LiNixCoyAlzO2,x + y + z = 1,x ≥ 60%)具有较高的实际比容量 (≥180mAh/g)以及高的工作电位(~3.8V vs. Li+ /Li),是现今多款新能源车 型的所搭载的电池类型。

为了提高与传统内燃机汽车的竞争力,电动汽车电池的电池级能量密度需要达到 350 Wh/kg 以上,一次充电后的行驶里程超过 800 公里。这一目标的实现很大 程度上取决于未来 Ni 含量≥90%的高镍三元材料的发展。

2.1.3、高镍三元正极材料改性技术总结

目前高镍三元正极材料仍然面临着表面残锂、产气、岩盐相形成、微裂纹、金属 离子溶解和热失控等问题,并且随镍含量的增加逐渐恶化,这些问题同时也是降 低电池热稳定性和电化学性能,导致电动车热失控和容量衰减的主要元凶。比如 正极中的锂化合物(主要是氢氧化物和碳酸盐)残余,是由于合成过程中过量使用 LiOH,这会导致聚偏二氟乙烯粘结剂在电极制备过程中发生凝胶化而失效,碳 酸盐的分解也会析出 O2和 CO2,导致电池膨胀过热。

为了解决这些问题,各大高校及研究所陆续推出了多种改性策略,主要包括表面 包覆、掺杂、浓度梯度设计和一次粒子工程。

表面包覆:即为正极材料提供一个惰性保护涂层。常用的包覆涂层有 Al2O3、ZnO、 TiO2、ZrO2等金属氧化物、金属磷酸盐和金属氟化物、聚合物等,能够隔绝主 体材料和电解液的接触,减少正极和电解液之间副反应,抑制过渡金属向电解液 溶解,从而改善循环稳定性。

与非活性涂层材料相比,Li+ /电子导电涂层更有利于电荷转移和获得高速率性能。 比如相较于 Al2O3,使用相同量的 Li+导电的 LiAlO2所涂敷的 NCM622 明显提高 了倍率性能,降低了过电位。

离子掺杂 :用离子半径相近的惰性阳离子替换材料中的电化学活性阳离子,通 过提高晶格能,来提升材料的结构稳定性。例如,掺杂钴替换镍,可减少锂离子 混排,提高晶体结构的稳定性;掺杂锰或铝可显著提高结构的热力学稳定性。其 改善机理为:

(1)将电化学不活泼的元素引入主体结构;

(2)防止由层状结构向岩盐状结构的转变;

(3)掺杂剂扩大了层状材料层间的晶面间距,促进锂离子的输运作用。

由蜂巢能源开发的四元正极材料,就是在 NCM 体系的基础上掺杂 Mx,使一次颗 粒之间的边界强度增加,在有害相转变过程中减少微隙的形成。使其循环性能优 于 NCM811 材料,同时也具备耐热性能更好、产气少、安全性能更高的特点。 使得动力电池容量高、寿命长、安全性好。

浓度梯度设计:典型的浓度梯度材料是指 Ni 含量由内到外逐渐降低,Mn 含量 逐渐增加。依据加料方式的不同,可设计出具有不同比例的浓度梯度材料,这种 材料的二次颗粒在径向上呈发射状排列,有利于锂离子的扩散,因此具有十分优 异的电化学性能。

浓度梯度设计高镍层状氧化物颗粒材料虽然具有优异的循环性能和热稳定性,但 至今仍未实现大规模商业化,这与以下难点有关:

(1)由于各共沉淀参数难以精确控制,性能一致性不是很理想。

(2)不同成分高镍层状氧化物需要不同的煅烧温度才能获得理想的电化学性能。

(3)过量梯度夹杂不可避免会限制整个材料中的 Ni 含量,从而限制了能量密度。

(4)表面 Mn 含量高的颗粒会受到 Mn 溶解问题的困扰。

一次粒子工程:优化一次粒子(重塑/重排/单晶化)可以抵抗重复循环过程中的机 械应变,还能改善多晶粒子的电荷均匀性。在 NCM90505 的晶粒间引入 B 作为 胶纳米填料,通过减小各向异性取向晶粒之间的间隙,来提高二次粒子的机械强 度和导电性,并通过抑制相变来实现结构和热稳定性的改善。

未来高性能的高镍三元正极材料设计思路:多种改性策略相结合

随着对电池能量密度需求的日渐上升,NCM 三元材料向着高镍化和高电压方向 发展, 但高镍三元材料容易产生阳离子混排的现象,且在充放电过程中易相变, 在高电压的作用下会加剧材料结构的变化,对于电池的安全使用带来很大的隐 患。

未来需要筛选出最合适的涂层材料和掺杂剂,对高镍三元材料进行掺杂和包覆, 以改善材料的内部结构和表面结构稳定性。基于兼顾能量密度及安全性能的考 量,对于三元材料常采用核壳结构设计或全梯度设计。因此,为了促进高镍三元 正极材料的大规模安全和高效应用,需要将两种或两种以上具有协同效应的策略 相结合。

2.2、 负极:解决硅碳负极体积膨胀问题是产业化关键

负极材料主要分为碳材料和非碳材料两类,常见碳类负极材料又可以分为石墨类 和非石墨类。目前已经规模化生产的负极材料主要有层状结构的炭材料(包括人 造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳及硬碳等)、合金类材料(硅基和锡基类 材料等)和钛酸锂材料等。

2.2.1、石墨负性能接近理论值,新型硅碳负极产业化蓄势待发

据正略咨询,石墨负极作为当前主流负极材料,其理论比容量上限为 372mAh/g, 而部分头部企业的产品比容量即有 365mAh/g,可见石墨性能已达理论上限。硅 基负极质量比容量高达 4200mAh/g,是石墨的近 12 倍,可大幅度增加电池容 量;硅负极的电化学嵌锂电位才 0.4V,可抑制锂枝晶析出。因此,硅碳负极将 硅与石墨复合制备,被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材 料。

然而,硅碳材料在实际应用过程中也存在较多难点,阻碍着硅碳负极的大规模产 业化进程,问题根源在于硅的体积膨胀效应,硅在满嵌锂后体积膨胀率达 320%, 巨大的体积变化会导致三大问题:

(1) 颗粒粉化失效:硅颗粒在反复脱嵌锂过程中,会由于承受不了体积形变带 来的巨大应力而导致自身颗粒的粉化而失效,导致热稳定性和化学稳定性下降。

(2)容量迅速衰减:巨大的体积形变使得硅颗粒之间或者颗粒与集流体之间失 去电接触,导致活性物质直接从集流体上脱落,致使容量迅速衰减。

(3)增加极化,恶化循环:体积形变造成硅表面的 SEI 膜处于破坏—重构的动 态过程中,会造成持续的电解液和活性锂消耗,同时也会增加电池的极化,恶化 循环性能。

2.2.2、硅碳负极体积膨胀的改良策略

高校与企业近几年也致力于硅碳负极的改良,目前主要的改进策略有三种,分别 为:制备不同维度的纳米化硅再与碳材料复合、对负极进行预锂化、改良导电添 加剂和粘结剂。

纳米化:研究表明,硅颗粒尺寸越小,电池循环性能越好。硅纳米颗粒在锂电池 应用中的临界粒径为 150nm,粒径>150nm 的硅颗粒在锂电池循环中容易出现 断裂,因此把硅制备成纳米球/线,再与碳材料复合,可以在体积膨胀过程中更 好地释放应力,避免自身结构坍塌,从而保持电极的壳容量,提升电池的循环性 能。

预锂化:预锂化对于首次充放电效率提升明显,通过溶液法或电化学的方法预先 对 SiO 负极材料嵌锂,使金属锂预先进入 SiO 与 O 反应形成硅酸锂,使得在首 次充放电时 O 不再消耗锂离子。

事实上“掺硅补锂技术、预锂化技术” 也正在被越来越多的企业引入。年初蔚 来发布的 150kWh 电池包,正极使用纳米包覆超高镍正极,负极使用“无机预 锂化硅碳负极技术”,同时搭载半固态电解质,单体能量密度可达 350Wh/kg。

粘结剂改良:粘结剂在电极中的含量非常少(1.5%~3%) ,成本约占电池总成本 的 1%~3%,但其作用却不可替代。粘结剂将活性物质、导电剂与集流体粘结在 一起,以缩短锂离子传输途径,稳定电极材料的结构。新型的硅负极粘结剂可从 化学键连层面改良硅碳结构的稳定性,通过化学键等强键合作用连接分子链段、 减少膨胀,在充放电过程中保证电极结构的完整性和良好的电接触。

2021 年 4 月 9 日,中科院宁波材料所突破了石墨烯复合硅碳负极材料规模化制 备技术,将 SiOx和石墨烯浆料在液相体系混合均匀,以沥青作为添加剂,通过 喷雾干燥、高温热处理和化学气相沉积等工艺,制备了类球形碳封装硅氧化物复 合负极材料 SGC,并基于该高性能的石墨烯复合硅碳负极材料,进一步研制出 能量密度达 350-400Wh/kg 的系列新型高能量密度锂离子电池,并与宝能集团 旗下昆山聚创新能源科技有限公司共同研发并实现了 310Wh/kg 动力电池装车 应用示范。

在未来,如果单体电芯要突破 400Wh/kg,电池厂商还需着眼于锂金属负极型的 电池体系,锂金属负极具有 3860mAh/g 的比容量,以其所匹配的 Li-S 和 Li-空 气电池比能量高达 650Wh/kg 和 950Wh/kg,这也意味着整个商用电池制作工艺 的更迭与精进。

2.3、 电解液:锂盐待革新,固态电解质序幕拉开

目前商业化锂离子电池的电解液一般由碳酸酯类有机溶剂(EC)、锂盐六氟磷 酸锂(LiPF6)以及少量多功能添加剂组成,通常也会加入低粘度的 DMC、DEC 等作为共溶剂,以提高锂离子迁移速率。电解液是锂离子迁移和电荷传递的介质, 其指标直接决定了锂离子电池的能量密度、倍率性能、循环寿命、安全性等性能。

2.3.1、双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI):下一代溶质锂盐

锂盐是电解液体系的主要成本来源, 目前 LiPF6是商业化应用最为广泛的锂电 池溶质锂盐,然而在使用过程中,LiPF6 也存在热稳定性较差、易水解等问题。 新型电解液溶质锂盐 LiFSI 具有远好于 LiPF6 的物化性能:

(1)更好的热稳定性:LiFSI 熔点为 145℃,分解温度高于 200℃。

(2)与硅负极相容性更好:传统的 LiPF6电解液会产生 HF 与 SEI 膜发生氟化反 应,导致表面膜成分之一的 LiO2消失,使电池长程循环性能较差。LiFSI 不仅不 会破坏负极 SEI 膜,相反还会促进膜成分之一的 Li4SiO4生成从而提升电池电化 学性能。

(3)更优的热力学稳定性:LiFSI 电解液与 SEI 膜的两种主要成分有很好的相 容性, 只会在 160 ℃时与其部分成分发生置换反应。

因此,虽然目前 LiFSI 由于制备困难、成本高昂(其目前价格近 50 万元/吨,约 为 LiPF6价格的五倍)等原因只能作为副盐添入 LiPF6中,但在未来 LiFSI 可能 成为改善 LiPF6 缺陷的最佳替代品,符合高性能电解液的发展趋势。

经过近十年快速发展,目前液态锂离子电池已经成为全球车用动力电池首选,并 在成本和能量密度上实现了大幅度改善,十年来能量密度提升了近 3 倍,价格下 降了 85%,达到了目前能效和经济性的最佳状态。在市场应用方面,液态电池 是目前最具经济性的选择,市面上电解液产品规模化量产的程度之高可见一斑。

2.3.2、固态电解质:实现超高能量密度锂电池的必经之路

依靠现有液态锂电池体系,2025 年后电池能量密度难以达到国家要求的 400Wh/kg 以上,更不用说 2030 年达到 500Wh/kg 了。近年来电动汽车自燃事 故频发,其主要原因也是液态电解质过热被点燃,最终导致电池起火。因此,开 发高效的固态电解质是超安全、超高能量密度锂电池的必经之路。

固态电解质的工作电压能够达到 5V,而电解液只能在 4V 上下徘徊,这之间就是 理论最大 20%的差异。电压上限的突破是固态电池能量密度大幅提升的基础, 固态电解质“浓缩”之后取代电解液和隔膜、可与金属锂负极结合提升锂容量, 实现理论上重量能量密度的 500Wh/kg,体积能量密度最大 1000Wh/L,循环寿 命更长(>5000 次),最终达到 1000km 起步续航水平。

抢占下一代电池技术高地刻不容缓,车企电池厂加快固态电池布局

早在 2018 年 6 月,大众与 QS 就宣布成立合资公司 QSV Operations LLC,双 方各持股 50%,期望实现 QS 固态电池的商业化生产,预计 2025 年量产。

2019 年一众电池厂如国轩高科、清陶新能源、赣锋锂业就建立了半固态电池小 规模的试生产线。

2020 年 12 月蜂巢能源在电池日上对外发布了一款匹配无钴正极的“自愈合阻 燃果冻电池”,电池内引入低比例的固态电解质,目前量产推进已取得一定成果。

2021 年 1 月 9 日,蔚来在 Nio Day 上公布电池包载能量 150kWh 的固态电池, 能量密度可达 360kWh/kg,续航超过 1000km,并宣称将于 2022 年量产。

2021 年 3 月 15 日,大众汽车在其首届“Power Day”上表示,未来汽车动力 电池的终极形态将是固态电池。

2021 年 4 月 9 日,赣锋锂业宣布拟投资 22 亿元建设高比能固态电池超薄锂负 极材料项目。

2021 年 4 月 14 日,蜂巢能源与中科院共建固态电池技术研究中心,28 日公司 与安徽马鞍山市签订战略合作协议,将投资 110 亿元建设动力电池电芯及 PACK 生产研发基地,规划年产能 28GWh。

车企、电池厂商以及原材料供应商、科研机构等,纷纷下场开始布局固态电池市 场和技术领域,固态电池的大幕已经开启。

2.3.3、技术+成本双重制约,固态电解质量产仍需时间

不管是高校科研院还是主流电池企业,对于固态电池的理论研究仍处于初级阶 段,固态电解质距离大规模产业化还有三大技术难关需要攻克:

(1)金属枝晶问题。不均匀沉积的锂枝晶会刺穿固体电解质层,进而造成电池 短路。

(2)界面稳定性问题。电极/电解质界面处的组成和结构与材料体相有较大差别, 离子阻塞或电子导电的界面产物会对固态电池的性能产生不利影响。

(3)物理接触问题。固态电池体系最大的缺点就是离子的传输强烈依赖于固体 颗粒的致密接触。而这些点接触对电化学循环过程中产生的应力非常敏感,应力 会导致裂缝的产生,引起界面接触不良。

从工艺成本上看,固态电解质从合成到致密化再到集成各个环节仍处于研发初 期,规模化量产耗费巨大。

(1)合成

固相法是合成无机固体电解质最常用的方法,但其需要高温,耗能较大,而且高 温下锂盐挥发严重,且材料与坩埚之间可能会有副反应。

机械化学法可用来合成无定形和玻璃陶瓷材料。尽管机械球磨法在工业上已经有 应用,但其规模化应用时的安全性和能量消耗还存在争议,过程参数与产品性能 之间的关系仍然只是经验性的。

(2)致密化

固态电解质粉末需要处理成高深宽比的膜或片,通过煅烧母胚、干粉热压或冷压, 完成电解质粉末的致密化,获得特定的微结构。软的材料如硫化物和硼氢化物在 这方面有优势,其可以在低温下完成致密化过程。放电等离子体烧结也是一种潜 在的方法,其可以对材料的微结构进行精确控制,但其成本仍过高。

(3)集成

薄膜法是目前唯一能够实现工业化制备完整固态电池的方法。尽管其能够实现高 致密度和良好的界面接触,但是在规模化制备大容量固态电池时仍然面临成本高 昂的问题。

在技术和成本双重制约下,我们预计固态电池从实验室走向批量产业化还需 5-10 年时间,其发展路径是:电解质从液态、半固态(凝胶)、固液混合到固 态,最后到全固态。

2.4、 隔膜:湿法、干法可拥有各自应用场景

锂电池中隔膜的作用是隔离正负极、防止短路、吸收电解液、导通锂离子,并阻 隔电子,成本占动力电池组总成本的 7%,其性能直接影响电池的寿命、容量和 安全性。

对于高性能的锂电隔膜,一般有以下要求:孔径分布均匀,能有效阻止活性物质 的穿梭流失;对电解液有一定的亲和性且在电解液中保持界面稳定;有较好的机 械强度(抗拉强度和穿刺强度);具有良好的热稳定性。

2.4.1、技术难+成本高+性能优,湿法涂覆主导三元市场

根据隔膜微孔的成孔机理不同,市场上主流的锂电池隔膜生产工艺主要分为干法 (熔融拉伸工艺)和湿法(热致相分离工艺)两大类。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。

湿法工艺技术壁垒高,流程复杂,生产周期长,投资大。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定型,其工艺相对简单、附加值高。而对于 湿法技术,其核心在于浆料配方,浆料在隔膜涂覆中成本占比也较大为 65%, 完成配比后还需要经过双向拉伸以及二次收卷等复杂工艺,对于设备和精度要求 高,前期投资巨大。

湿法涂覆隔膜综合性能更优良。相较于采用干法工艺的产品,湿法隔膜具有更好 的孔隙结构一致性、更强的拉伸强度和抗穿刺强度等优势,并且厚度更薄、更均 匀。当锂电池温度逐渐升高,超过聚烯烃隔膜的使用温度,隔膜会依次经过收缩、 闭孔、熔融 3 个阶段。湿法隔膜采用表面涂覆无机材料、耐热高分子材料或两者 配合物的方法进行表面改性,使隔膜在达到聚烯烃软化温度后仍保持原有形状, 防止短路现象发生,提升电池安全性。

恩捷股份的湿法双拉成型技术,就是对隔膜纵向预拉伸后再双向拉伸扩孔,接着 采用纳米氧化铝与水合氧化铝的浆料对 PE 微孔膜进行涂覆,从而提高了隔膜在 高温下的尺寸稳定性。得到的隔膜厚度为 15pm,透气率为 175s/100mL,在 120℃条件下可以保持 1h 的收缩率小于 1.5%。

2.4.2、干法具成本优势,受益磷酸铁锂需求回暖

湿法隔膜在重视能量密度的三元电池领域应用广泛,而干法隔膜主要应用于大型 磷酸铁锂动力锂电池中,近两年,国内电动两轮车、商用车、储能等下游市场的 锂电需求快速增长,磷酸铁锂电池复苏,占比提升,带动了干法隔膜出货量的显 著增加。

相较于湿法隔膜,干法隔膜抗穿刺强度较高,工序简单,污染小,固定资产投入 比湿法小,综合成本较低。因此,在对成本要求低、能量密度要求低(如储能领 域)、对倍率性能要求高(例如混动车型)的电池中应用更为广泛,随着磷酸铁 锂电池需求回暖和储能市场的强劲增长,干法隔膜的需求有望持续增长。

2.4.3、固态电池技术成熟后会不可避免地冲击隔膜产业

在全固态电池中,正极材料、负极材料、隔膜、电解液这四大原材料,将变成正 极材料、负极材料、固态电解质三大原材料。固态电解质将全面替代电解液与隔 膜,有望缩短正负极之间的距离,大大降低电池厚度。而全固态电解质也将避免 高电压充能时发生的电解液氧化现象,更易提升电池的能量密度, 简化封装, 最终全面改变动力电池行业的格局。

固态电池技术的开发目前仍处于早期阶段:成本高、产量小、关节节点突破较慢, 距离真正的全面商业化还相去甚远。目前固态电池行业国际公认技术领先的丰田 集团正大力投入的固态电池技术,预计最早也需等到 2024 年才能实装到量产汽 车上。

隔膜行业本身还有工艺突破带来改变的可能性,因此,我们认为现有的液态锂离 子电池及其升级改进仍是未来 5-10 年的主要技术路线,但是更远的 10-20 年后, 固态电池技术慢慢成熟,会不可避免地对隔膜及电解液行业造成冲击。

2.5、 前驱体:决定正极材料性能的关键材料

2.5.1、三元正极 60%的技术含量在于前驱体工艺

前驱体对三元材料的生产至关重要,三元正极 60%的技术含量在于前驱体工艺, 前驱体的品质(形貌、粒径、粒径分布、比表面积、杂质含量、振实密度等)直接 决定了最后烧结的正极产物的理化指标。

NCM 和 NCA 前驱体的制备以硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰、氢氧化钠(铝)为原料, 在氮气保护下,在氨水和碱溶液中发生盐碱中和反应,得到镍钴锰(铝)氢氧化 物沉淀。

前驱体制备工艺流程复杂,技术壁垒高,需要控制的工艺参数有:温度、气氛、 PH、盐和碱的浓度、氨水浓度、盐溶液和碱溶液加入反应缸的速率等。整个制 备过程可分为搅拌、过滤洗涤和干燥三个环节,每个环节设备参数及工序调控的 细节都关乎最终成品的优劣。

搅拌设备:用搅拌罐和反应釜,是反应的发生装置。

过滤洗涤设备:常用设备有吸滤机、压滤机、叶滤机。在过滤洗涤过程中,需注 意控制洗涤用水的杂质含量、硫酸根或氯根的含量、还有钠含量。

干燥设备:有转筒式热风循环烘箱和盘式连续干燥器,关键控制点为干燥时间、 温度、以及干燥气氛。

三元前驱体是技术密集型行业,从原料提纯、参数调控、设备调试、产能释放到 客户认证整个周期长达 2 年以上,且上游企业与下游客户的绑定程度较深,市场 竞争激烈。因此,头部三元前驱体企业有望借助产能规模和成本优势,继续保持 领先优势,进一步扩大市场占比。

2.5.2、未来前驱体向着高镍化、单晶化、新工艺方向发展

目前国际主流的三元前驱体生产采用的是共沉淀工艺。氢氧化物共沉淀法是将 NaOH 作为沉淀剂,氨水作为络合剂的一种共沉淀工艺方法,可生产处高密度的 球形氢氧化物前驱体,其优点是工艺操作简单,易控制前驱体的粒径、比表面积、 形貌和振实密度等等。碳酸盐共沉淀工艺成本较低,即使不使用络合剂也可以生 产出球形度很好的颗粒,但其工艺稳定性较差,杂质(Na 和 S)含量相对较高。

三元前驱体具有高度定制化特点,只有拥有成熟工艺体系的企业才能获得客户认 可。随着三元材料向单晶、高镍、新型结构方向发展,前驱体生产也不断向高镍 化、单晶化、生产工艺智能化发展,因此掌握核心技术的龙头企业有望持续保持 领先地位。

高镍化:随着新能源车补贴的持续退坡,动力电池市场也将重新洗牌,促进锂电 池朝着高能量密度进发,近年来我国三元电池装机量稳步上升,高镍化势不可挡。 我们认为后续正极材料将会以 NCM811 及 NCA 为主流发展方向。而高镍正极 材料的发展离不开三元前驱体的推动,因此,前驱体行业也向着高镍化的方向进 发。

单晶化:目前三元材料多为细小晶粒(直径几百 nm)团聚成的二次球形多晶颗 粒(直径几 μm 到几十 μm),多晶三元材料由于颗粒内部存在应力导致材料循 环过程中易开裂,而存在循环寿命短、热稳定性差的缺陷。单晶颗粒(粒径通常 在 5μm 以下甚至纳米级)相对于多晶颗粒,在辊压时不会破碎,有效地提高了 材料的压实密度,且单晶颗粒结构稳定性好,能在长循环后保持原状,提高安全 性能。

新型生产工艺开发:目前企业广泛采用的连续法工艺具有工艺简单、 产品稳定 性好、产量高等优势,但是烧结时颗粒团聚影响材料性能;间歇法也存在产品指 标稳定性较差,产能低,成本高等问题。

新型生产工艺的开发比如连续间断法将会成为企业的重要护城河之一。连续间断 工艺简单、过程控制容易、产能高、生产成本低、更适于大规模工业化生产。生 产出的前驱体粒度分布窄、产品一致性和稳定性好,径距可低至 0.7。

资源是下一阶段竞争要素。当前的技术超额收益依赖于产品、技术的不断迭代, 但长期看资源才是材料制造最重要的竞争要素。因此正极产业链一体化是必然趋 势。一体化模式可以减少中间加工环节,减少结晶、干燥、运输等成本,提升存 货管理和品质管理效率。

2.6、 电池结构:国内引领结构创新,系统能量密度再上台阶

动力电池 Pack 主要由电芯、模组硬件、电池包硬件构成。据我们的动力电池 Pack 成本构成模型可见,电芯硬件在成本构成中占比约不到 5%,模组硬件占 比约 13-16%,因此可以通过整合精装电芯、模组硬件来达到降低成本的目的。

2.6.1、宁德时代 CTP、CTC 技术

2019年9月,在德国法兰克福国际车展上,宁德时代推出了全新的CTP方案(Cell To Pack),改变了原有的电芯-模组-电池包结构,电芯直接集成到电池包。相 比于传统电池包,CTP 可以使空间利用率提升 15%-20%,零件数量减少 40%, 能量密度提升 10%-15%。

CTP 技术是将一个大的模块通过若干个塑料散热片分割成小空间,这些塑料散 热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。每个电池的侧面还贴有一个导热硅胶垫 片,并且在电池宽度方向的散热板上有一个冷却通道,可以直接与外部冷却管路 连接,可减少大约 40%来自模块之间连接线束、侧板、底板等的部件。

宁德时代 CTC 技术

2019年9月,在德国法兰克福国际车展上,宁德时代推出了全新的CTP方案(Cell To Pack),改变了原有的电芯-模组-电池包结构,电芯直接集成到电池包。与 传统电池包比较而言,CTP 提升 15%-20%的空间利用率,减少 40%的零件数 量,,提升 10%-15%的能量密度,从而有效降低成本。

宁德时代董事长曾毓群表示:CTC 技术将使新能源汽车成本可以直接和燃油车 竞争,乘坐空间更大,底盘通过性变好。在续航方面,由于省去了铸件的电池包, CTC 技术可最大程度降低电池包重量和空间,从而可使电动汽车的续航里程至 少可以达到 800~1000km,能量密度进一步提升到 350Wh/kg 以上。

2.6.2、比亚迪刀片电池技术

2020 年 1 月 11 日,比亚迪推出刀片电池技术,使电池“长”和“薄”的形状 与刀片类似,这种电池与目前的方壳电池相比,高度没有变化,厚度比软壳电池 略厚,长度由 435mm 增加到 2500mm。刀片电池技术具有电池组内装空间相 对较高、背包质量相对小、背包能量密度高、启动放热温度高温升慢、产热少、 不释氧等优点。

此外, 叶片电池变长变薄,其表面积增加,整体散热更好。电池的短路电路相 对较长,产生的热量较少,结合比亚迪的综合高温“陶瓷电池”技术,刀片电池 的安全性得到了极大提高,所以刀片电池的性能是非常完美的,首次搭载该刀片 电池的“比亚迪汉 EV”车型自去年 7 月上市以来销量喜人。

2.6.3、国轩高科 JTM 集成技术

JTM 即 Jelly Roll to Module,直接用卷芯放在模组里面,一次完成制作。JTM 技术可以使单体到模组成组效率超过 90%,使用磷酸铁锂材料体系,模组能量 密度可以接近 200Wh/Kg,系统 180Wh/Kg,达到高镍三元水平,且模组成本仅 相当于铅酸电池水平。

JTM 集成后的电池形式与比亚迪刀片电池高度相似。JTM 通过卷绕工艺制作出 电芯,再通过导电组件相连,串联放置于铝壳中组成一个大电池,大电池带有单 独的极耳,可以直接用于成组。JTM 技术让电池单体之间几乎没有了多余连接 件,可以提高电池的体积比能量密度。

相对于刀片电池和 CTP,JTM 的最大亮点在于可以推动模组实现标准化,以此 可以充分发挥磷酸铁锂电池的高残余价值,通过将模组标准化之后更好的发挥梯 次利用的价值,可用于储能、低速电动车等领域。

2.6.4、蜂巢能源叠片电池工艺

蜂巢能源的叠片工艺几乎可以铺满空隙,从而给电池带来更高的能量密度,非常 适用于大电芯的量产化,叠片工艺相较于卷绕工艺有如下优势:

能量密度:叠片结构充分利用边角空间,能量密度高出约 5%。

安全性:卷绕电池绝缘结构更复杂危险,排气压力方面:叠片 13-20kPa>卷绕 2-3kPa。

稳定性:叠片工艺尺寸更稳定,卷绕工艺变形、膨胀方面程度更严重。

循环寿命:EOL 后,叠片工艺相比卷绕工艺电芯变形、膨胀程度较轻,循环寿 命提升 10%。

当制作 500mm 大电芯时,0.6s/pcs 的叠片效率与卷绕效率相似。随着电芯尺 寸的增大,叠片的优势会越来越明显。蜂巢能源第一代叠片技术可以实现 0.6 秒 /片的叠片速度,第二代时速度提升到 0.45 秒/片,第三代时再加快到 0.125 秒/ 片。

2.6.5、中国企业的电池结构创新能力引领全球

近年来由于电池安全问题的限制,三元电池比能量难以大幅度增长。因此,行业 转向了电池结构创新。自 2019 年起,中国企业发挥电芯制造优势,厚积薄发, 电池结构从 355 模组和 590 模组,发展到宁德时代的 CTP/CTC、比亚迪的刀片 电池、国轩高科 JTM 以及蜂巢能源的叠片工艺等。

这些创新电池结构的系统比能量和体积存储效率都有明显提升,使得原先磷酸铁 锂电池难以应用到轿车上的问题基本得到解决,甚至可以做到 600 公里,超越 了大众的 VDA、MEB 电芯尺寸标准,在电池结构创新方面,我国企业走在了国 际前沿。

3、 锂电涨价与博弈:新均衡,新成长

3.1、 复盘比较:历史上游涨价原因分析

3.1.1、需求:补贴政策的起伏导致结构化的需求

补贴是此前新能源需求拉升及上游涨价的重要因素

从 2009 年开始实行的补贴政策是国内新能源汽车产业起步发展的主要助推力。 经过近 10 年的演变,补贴政策也经历了三个不同的阶段:

第一阶段(2009 年—2012 年):试点推广(公共服务领域 25 个试点城市 + 私 人购买 6 个试点城市),私有购买和公共服务分开补贴,补贴金额高,技术条件 要求低,首次提出减免车船税。

第二阶段(2013 年—2016 年):补贴范围扩大至全国,提出补贴退坡机制,油 电混合动力汽车不再享有补贴优惠,提出免征购置税,车辆根据性能高低分段补 贴。2016 年建立了新的补贴车型目录,政策要求破除地方保护,严查骗补行为。 新能源车销量在此阶段高速增长。

第三阶段(2017 年—现在):技术条件要求更高、更细,车辆安装监控设备, 非个人用户需满足规定行驶里程方可获得补贴。2017 年起地方补贴不超过国补 的一半。

(1)总体上看:补贴政策是产业发展初期的重要推动因素,且中长期看退坡也是必然趋势,但是在特定时点退坡政策确实会引发整体需求的下降,尤其会影响未来对预期的判断。

新能源车补贴、发展及退坡的路径原理:先补贴 to G/B 客车等,待渗透率提升 起来,提前补贴退坡;同步对乘用车补贴,但是乘用车 to C 端渗透率提升相对 较缓,补贴退坡稍迟。2018 年新能源乘用车补贴退坡幅度增大,因为乘用车销 量占比较大,导致了市场对 2019 年及未来整体新能源需求呈现悲观态度,不利 于上游价格维持。

在 2018 年补贴下降的情况下,整体销量依然保持增长,但结构上出现了分化, 乘用车销量 105.3 万辆,同比+84%;商用车销量 19.6 万辆,同比基本没有增长, 随后的 2019-20 年商用车销量出现了同比下降。

1、补贴退坡:续驶里程不足 300 公里的纯电动乘用车补贴减少 1~2.1 万元;插 电混动乘用车补贴减少 0.2 万元;纯电动客车补贴减少 3~12 万元;插电混动客 车补贴减少 3~12 万元;专用车补贴上限减少 5 万元;燃料电池汽车补贴不变。

2、技术条件提高:纯电动乘用车续驶里程门槛值从 100 公里提升至 150 公里, 动力电池系统能量密度最低要求从 90Wh/kg 提高至 105Wh/kg;新能源汽车能 耗要求、节油水平也有所提高;

3、鼓励购买高性能乘用车:纯电动乘用车续驶里程超过 300 公里,补贴金额比 2017 年提高 0.1~0.6 万元;动力电池系统能量密度超过 160 Wh/kg 可获得 1.2 倍的补贴;电耗优于门槛值 25%以上能获得 1.1 倍补贴。

2019-2020 年继续退补,补助标准在 2016 年基础上下降 40%。而 2021 年早已 进入补贴影响弱化时期,国补将在 2023 年完全退坡,2021 年单车退补金额仅 0.3-0.4 万元,对于产业链影响也大幅减弱。在市场化驱动阶段:用户体验、性 价比则是更为关键的指标因素。

(2)结构上看:2017 年之前,由于补贴政策催化以及磷酸铁锂技术相对成熟, 磷酸铁锂应用快速放量。2017 年后,新的补贴政策针对纯电动车新增了能量密 度的规定,纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于 90Wh/kg,对高 于 120Wh/kg 的按 1.1 倍给予补贴;2018 年又推出了更严格的纯电动汽车补贴 政策,2018 年新的补贴政策为:单车补贴金额 = 里程补贴标准 × 电池系统 能量密度调整系数 × 车辆能耗调整系数,能量密度分为四档划分不同的能量密 度调整系数,推动了三元动力电池的兴起,导致了磷酸铁锂受到一定挤压。

与传统燃油车相比,新能源汽车在续航里程、价格、充电设施等方面相对弱势。 近年来,在政策调控下,上述差距逐步缩小。从政策导向及行业发展阶段来看, 整车续航里程/电池能量密度的提升以及成本的下降仍然是整个行业最重要的发 展趋势之一。

我们梳理了新能源汽车推荐目录(2017 年第 8 批-2018 年第 5 批),新发布车 型和变更扩展车型中,纯电动乘用车续航里程的均值和中位数总体表现出提升趋 势,2017 年第 8 批-2018 年第 5 批,均值由 199km 提升至 277km,中位数由 155km 提升至 270km;纯电动乘用车电池系统能量密度也表现出增长趋势,均 值由 123Wh/kg 提升至 133Wh/kg,中位数由 126Wh/kg 提升至 135Wh/kg。

在补贴政策的导向下,技术路线向高能量密度偏移,由于三元电池的高能量密度 的特点,受到了下游车厂的偏好。2017 年-2019 年,三元材料开启了扩产潮, 产量高速增长,在此期间磷酸铁锂材料几乎没有增量。

而 2020 年开始,政策开始倾向兼顾能量密度和安全性,同时磷酸铁锂刀片电池、 CTP 技术推动综合成本快速下降,包括海外汽车也开始逐步接受磷酸铁锂电池; 长期看也有碳中和下,储能应用场景的加持,故磷酸铁锂产业迎来向上周期。

3.1.2、价格层面:迎合结构性需求,政策技术变化快

(1)根据锂盐的历史价格,可以看出中国锂盐在 2015 年之前处于供需平衡状 态,碳酸锂和氢氧化锂的价格主要在 4 万元/吨上下波动,整体变化不大。2015 年起,随着中国新能源汽车的快速发展,国内锂盐市场供小于求,锂盐价格大幅 快速上涨。2016 年电池级碳酸锂的价格涨至近 18 万元/吨。

(2)2017-18 年,政策和技术方向开始逐步三元材料倾斜,对氢氧化锂的快速 拉动,氢氧化锂的价格维持在 16 万元/吨,硫酸钴的涨价也是始于 2017 年初, 在 2018 年达到顶峰。

而从总体上看,2018 年的补贴快速退坡使各类金属盐价格发生大跌。

价格快速上涨最基本且核心的原因在于供不应求。

(1)2015 年新能源车销量 33 万辆,同比高速增长 3 倍多,上游锂资源出现了 短暂的实质性短缺,而后是供给释放不及需求引起的供需错配。对锂供需情况进 行分析,产能规划远大于需求,而 2017-18 年产能规划释放不及预期,锂价格 迎来又一波上涨,2019-20 年供需缓解。

(2)三元动力电池放量后,钴的供需缺口从 2018 年开始一直存在,但是随着 技术路线向高镍低钴、无钴化电池发展,钴的需求预期下降。

3.1.3、利润影响:利润向上游转移,锂电产业链盈利承压

盈利情况与价格走势基本一致。分环节来看,上游资源、正极材料、电解液这些 价格波动较大的环节,毛利率走势基本与价格一致,而负极材料、隔膜价格平稳 且逐渐降价,毛利率情况稳定。动力电池环节由于降本的下游应用需要,毛利率 处于稳步下降的趋势。

动力电池企业具有较强成本消化能力。以宁德时代为例,2017 年动力电池系统 价格为 1.41 元/Wh,同比下降 32%,2014-2017 年年均复合降幅为 21.3%。2017 年,由于受到下游补贴退坡和上游涨价的双重压力,电池系统平均价格同比下降 32%,而毛利率仅下降 9.5pcts,电池价格降幅大于毛利率降幅。未来动力电池降本趋缓,且下游市场化转变不再依赖补贴,动力电池企业面临的成本压力仅来 自于上游涨价,盈利压力相对较轻。

供应紧缺环节、盈利预期修复的公司将走出 alpha 行情。中游供需格局偏紧, 加工费模式的环节价格传导顺畅,产业链利润向上游转移。根据各环节的供需测 算,我们认为下半年六氟、VC 添加剂的供需紧缺有望缓解,铜箔、隔膜供需趋 紧,负极石墨化加工产能瓶颈,这些是有望盈利改善的环节。

对动力电池环节盈利影响可控,边际改善对冲涨价。同时,企业提前备货,有望 通过低价原料缓冲涨价成本压力。若不考虑材料库存,上游涨价对动力电池毛利 率的影响相较于年初仅约 3 pcts 。动力电池厂商的以下边际变化,可有效缓解 涨价的成本压力:

1)CTP 等结构精简,

2)良率提升,

3)产能利用率提升,

4) 折旧前置等。

3.2、 此轮涨价:需求带动,磷酸铁锂回暖,高镍提速

3.2.1、结构特点显著:磷酸铁锂周期向上,高镍三元渗透加速

需求:磷酸铁锂占比在 2021 年初出现拐点上升,碳酸锂价格领涨

从 2016 年到 2019 年动力电池装机数据来看,三元电池的份额越来越高,由 2016 年的 23%增长至 2019 年的 62%,而磷酸铁锂电池的装机量占比由 72%降至 32%。主要原因在于:

(1)政策层面,补贴直接挂钩续驶里程、能量密度等指标,推动了乘用车三元 化的趋势;

(2)技术层面,三元电池能量密度的提升空间更大,从而使得整车续驶里程能 够持续提升;

(3)成本层面,三元电池技术进步推动成本下降,降本路径更多,降本空间更 大。因此,三元电池的装机量占比提升,而磷酸铁锂电池的装机量占比下降。

2020 年动力电池产量前低后高,2020 年二季度出现了减产的情况,之后逐月增 量,20Q4 高速增长,一直持续到 2021Q1。三元电池产量同比增长稳健,主要 是磷酸铁锂电池产量快速增长,2020 年 12 月同比增速达到 452%。

明星车型上市带动铁锂需求。磷酸铁锂装机的大部分增量是从 2020 年下半年开 始,主要有三种明星车型带动:五菱宏光 MINI、特斯拉 Model 3 铁锂版、比亚 迪汉,预计还将有很多车型往铁锂路线转。新能源汽车由政策拉动向市场化转变, 对补贴依赖度降低,因而 2021Q1 显现出淡季不淡的态势。

海外车企及国内高端新车型青睐高镍三元路线。展望下半年的新车型,国内自主 车企、新势力、合资车企均有新品上市,国际慕尼黑车展国际车企新车型集中亮 相,为下半年销量提供了有力支撑;而在新车型中,高镍三元路线受到了车企的 青睐。

新能源汽车需求旺盛带动了动力电池产业链公司的产量增长,2021 上半年锂电 产业链公司均处于满产状态,部分环节例如电解液、六氟磷酸锂等甚至出现了产 能紧张、供不应求的情况。正极、负极、隔膜、电解液企业月度产量环比不断增 长。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库官网】。

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