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高速擴張后結構性過剩出現!重塑動力鋰電池行業,方向在這里!

鉅大LARGE  |  點擊量:217次  |  2020年08月10日  

摘要
據預測,到2030年前將保持25%以上的復合增速,但過去幾年國內電池產能的快速擴張導致階段性和結構性的產能過剩。階段性過剩體現為產能相對于當前需求過剩嚴重,但難以滿足遠期需求;結構性過剩體現在高端產能

據預測,動力鋰電池到2030年前將保持25%以上的復合增速,但過去幾年國內電池產量的快速擴張導致階段性和結構性的產量過剩。


階段性過剩體現為產量相關于當前需求過剩嚴重,但難以滿足遠期需求;結構性過剩體現在高端產量供給仍然緊缺。


從消費端看,整車公司對動力鋰電池的性能需求包括安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環性能,其中安全性是車企選擇供應商最重要的考慮。盡管動力鋰電池行業產量過剩,市場份額向龍頭集中的趨勢不容置疑。


電動汽車在燃料的能量密度和生產成本上較燃油車仍有一定差距,為提高電動汽車競爭力動力鋰電池系統的帶電量將上升,而價格持續下降,提升電池能量密度是實現上述目標的有效途徑,目前技術上提升電池能量密度的重要方向是正極采用高鎳三元材料,負極引入硅材料,但同時也將帶來安全隱患。


由于汽車面向大眾消費者,控制安全風險至關重要,電池的安全問題是電動汽車事故的重要來源,安全性是壓倒一切的考量。


而電池的風險因素在材料、生產流程、系統設計等全流程累積,考驗電池公司全體系的控制能力。在容量增大、高鎳化的大背景下,市場份額將快速向高品質電池供應商集中。


今天,我們就來深入了解一下動力電車產業鏈的發展與未來!


產量高速擴張,形成階段性、結構性過剩局面


2014-2017年電池產量快速擴張,產量過剩已成定局。我國的鋰離子電池行業起步較早,但在2014年以前鋰離子電池重要用于消費電子行業,動力鋰電池的產量相對有限。2014年國內新能源汽車行業的快速爆發極大地刺激了電池廠商和新進入者擴產的動力。從2014年下半年起,動力鋰電池季度產量環比復合增速達到25%,單季產量從2014年1季度1.7GWh新增到2018年1季度的40GWh以上。


盡管新能源汽車的產銷量仍然保持較快上升,但增速遠遠落后于動力鋰電池產量的增速。調研顯示,今年上半年我國動力鋰電池出貨量22.86GWh,而同期動力鋰電池產量約為91.87GWh,產量利用率僅25%。隨著新產量的繼續投放,到今年年底動力鋰電池年產量將達200GWh,可裝備400萬輛新能源汽車,是2018年產銷量的4倍,因此產量過剩的局面短時間內預計難以緩解。


階段性過剩:擴產周期與需求上升錯配,供大于求,但小于遠景需求


盡管目前動力鋰電池產量嚴重供過于求,但從中長期看,動力鋰電池的需求量在上千GWh量級,現有產量仍需擴產近10倍才能滿足供應。據估計,全球動力鋰電池的總需求將從2016年的21GWh上升到2030年的1300GWh,15年內復合增速達35%,因此行業內的龍頭公司還有很大的擴產空間。


與此同時,動力鋰電池擴產周期約2-3年,且呈現脈沖式上升的特點,新能源汽車的需求卻是以比較穩定的速度持續上升,電池公司提前儲備產量搶占市場地位也是合理決策。盡管目前處于過剩局面,但龍頭公司可以通過規模優勢降低成本綁定客戶,從而提高產量利用率進一步降低成本,實現正反饋循環,以獲取更多份額等待行業拐點到來。


階段性過剩將帶來兩個結果:


首先市場集中度遠高于產量集中度,中小廠商面對出局。2017年國內動力鋰電池總出貨量為33.5GWh,其中前五位和前十位的市場集中度分別達到61.6%和73.0%,而這些廠商的產量占比則僅有34.7%和52.0%。


第二個后果是行業的擴張進程放緩,尤其是中小公司的擴張速度放慢。2017年是動力鋰電池產量集中投放的重要年份,2018年之后動力鋰電池公司的擴產進度逐漸分化,中小公司的擴產預期減弱。


由于市場份額在快速向龍頭集中,中小公司的產量逐漸成為無效產量,與此同時,頭部公司的產量利用率仍然維持在高位,甚至保持供不應求的狀態,因此其產量擴張的速度并不會減緩??傮w而言,龍頭公司的產量可能成為格局穩定之后的實際有效供給。


此外,儲能業務穩步成長,將成為消化鋰離子電池過剩產量的重要去向。盡管儲能電池技術種類多樣,但鋰離子電池被認為是最具前景的技術,目前的重要障礙在于鋰離子電池較高的成本。根據儲能技術的市場需求,鋰離子電池成本降至0.9元/Wh時即具備應用價值。未來幾年動力鋰電池的價格仍將持續走低,尤其是過剩比較嚴重的磷酸鐵鋰離子電池價格下行空間和壓力都較大,一旦儲能市場被打開,目前產量過剩的局面將迅速得到緩解乃至扭轉。


結構性過剩:磷酸鐵鋰過剩,高端三元不足


結構性過剩體現在兩方面,一是產品類別上,截止到2016年年底,我國動力鋰電池總產量約63GWh,其中三元電池產量25.5GWh,占比約40%,這一比例到2017年有望提升至47%。在三元優勢逐漸確立的大背景下,磷酸鐵鋰的產量將長期處于過剩狀態,預計未來幾年內將有落后產量退出市場。二是在市場結構上,市場競爭力較弱的低端產量嚴重過剩,位于頭部的少數龍頭則處于供不應求的狀態。從產量利用率角度觀察,2017年CATL的產量利用率接近90%,比亞迪的產量利用率超過40%,行業平均水平則只有30%左右。


動力鋰電池發展方向:能量密度是撬動性價比的支點


在新能源汽車推廣過程中的兩個重要問題:一是與化石燃料相比,電池相對低的能量密度,汽油的能量密度高達12000Wh/kg,現在較先進的動力鋰電池單體能量密度約250Wh/kg,僅有汽油的1/40,這導致的重要后果是普通電動汽車續航里程遠低于燃油車,催生消費者的“里程焦慮”;


二是與內燃機驅動相比,相對高的整車成本,燃油車經過上百年的發展,其發動機的制造工藝成熟,成本控制也較好,動力鋰電池的產業化時間仍然較短,當前成本很高,據BNEF統計,截至2017年,美國中檔燃油車的動力系統成本約5500美元/套,動力鋰電池成本則高達12000美元/套,盡管電動汽車的使用成本有優勢,但電池造價的巨大差距導致目前電動汽車的經濟性仍然較差。


價格持續下降是電動汽車替代燃油車的基礎


電池價格下降、實現電動汽車經濟性平價是推動電動汽車替代燃油車的基礎。據測算:關于某些年行駛里程較高的應用場景,當前的電池價格已可以滿足使用全成本平價;關于中檔車而言,動力鋰電池系統價格降至1元/Wh時,大眾消費者可以實現使用全成本平價;隨著電池成本的進一步下降,一旦低于0.7元/Wh,電動汽車的購臵成本可以和同檔燃油車競爭,使用全成本則明顯低于燃油車,屆時電動汽車將在脫離政策支持的環境中加速替代燃油車。


從動力鋰電池短暫的發展史中可以看出,動力鋰電池成本下降的速度非常迅速,從2010年至今,動力鋰電池系統的價格從1000$/kWh降至2017年的209$/kWh,年復合降幅達20%以上。國內動力鋰電池的價格也在快速下降,據《2018我國汽車產業發展報告》的研究,2013年國內鋰離子電池單體的價格高達3.2元/Wh,2018年有望降至1元/Wh,2025年有望降至0.55元/Wh。


動力鋰電池價格下降將帶動電動汽車的銷量和鋰離子電池的年需求。BNEF預計到2030年全球動力鋰離子電池的需求有望超過1600GWh,是2017年需求量的25倍,其中電動汽車需求接近1300GWh,電動大巴的電池需求接近270GWh,儲能電池的需求接近70GWh。


提升電池容量是改善電動汽車性能的前提


能量密度低的缺點可以通過新增電池容量來緩解。純電動汽車根據續航里程的長短分為低端(小于250km)、中端(250~380km)和高端電動汽車(380km以上),純電動汽車的續航里程由汽車攜帶電量決定,一般而言,1kWh電量可以驅動汽車行駛5-7km(或者3-4英里)。


2010年電動汽車剛剛推向市場時,市場主流產品的帶電容量僅有24kWh,續航里程不足200km,“續航里程焦慮”成為阻礙消費者選購電動汽車的一大難題。隨著電池成本的快速下降以及能量密度的提升,汽車攜帶的電池容量穩步新增,續航里程也隨之新增,目前300km以上的產品已經成為主流,特斯拉的高端產品續航里程達600km以上,里程焦慮得到極大緩解。


提升電池能量密度是技術攻關的重要方向


提升電池能量密度是降本提效的有效手段。由于動力鋰電池的成本重要是原材料,提升電池能量密度可以有效降低原材料的用量和成本。此外,電池系統的重量達數百公斤級別,占整車重量的1/3左右,提升能量密度可以有效減少電池系統和汽車整體重量,進一步改善整車性能。提升電池能量密度重要通過優化活性材料和生產工藝,目前比較確定的技術方向包括正極材料高鎳化和負極中引入硅材料。


提高三元NCM正極材料中鎳元素的含量可以有效提升電池的容量和工作電壓,從而提升電池的能量密度。不同比例NCM材料的優勢不同,Ni表現高的容量、低的安全性,Co表現高成本,高穩定性,Mn表現高安全性、低成本,理論上,提高正極材料中的鎳含量是提高電池能量密度、提升鋰離子電池性價比的不二之選。


然而,隨著鎳含量的提高,正極材料的穩定性隨之下降。由于Ni2+半徑(0.069nm)與Li+半徑(0.076nm)較為接近,在制備過程中容易導致鋰鎳陽離子混排,進入鎳空位的鋰在循環過程中難以脫嵌,導致電池的首次庫侖效率不夠理想,并容易造成材料結構坍塌,由層狀結構向尖晶石結構或NiO型巖鹽相轉變,從而導致容量衰減、循環性能和熱穩定性降低。


另外,陽離子混排使得電極材料表面鋰析出,表面堿度過高,多余的鋰形成碳酸鋰或氫氧化鋰在充放電過程中分解,使得電池產氣鼓包,安全性能下降。此外,在充電至較高電壓狀態下,材料表面Ni2+被氧化至Ni4+,其與電解液之間會發生較嚴重的副反應形成SEI膜,導致離子和電子電導率較低,從而導致倍率性能表現不佳。


由于面對上述問題,盡管高鎳三元已成為眾多電池廠商的攻關方向,但距離大規模推向市場仍需時日。


在石墨負極中引入硅元素是提高電池容量的有效方法。商業化的鋰離子電池重要是以石墨為負極材料,石墨的理論比容量為372mAh/g,而市場上的高端石墨材料已經可以達360~365mAh/g,因此相應鋰離子電池能量密度的提升空間已相當有限。硅基負極材料因其較高的理論比容量(高溫4200mAh/g,室溫3580mAh/g)、低的脫鋰電位(<0.5V)、環境友好、儲量豐富、成本較低等優勢而被認為是極具潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。但硅負極在脫嵌鋰離子時體積變化率太大,并且會導致析鋰反應,造成安全隱患,因此目前硅負極材料的應用也未普及。


電池熱失控是電動汽車事故的重要來源


電動汽車的動力來自電池,電池的安全性,如是否會著火、爆炸、導致人員觸電、釋放有害氣體,車體結構是否安全等諸多問題,都是關乎每位消費者生命安全的大事,確保安全是新能源汽車不斷提升滲透率的根本前提。


動力鋰電池系統的產品安全性范圍包括化學安全、電氣安全、力學安全和功能安全?;瘜W安全在電池單體設計時候就已經定型,比如如何選擇活性材料以及如何組合;電氣安全通過對電池系統里的電線、殼體和其他電器部件的絕緣來實現;力學安全則通過適當的機械設計來實現,比如特殊的房碰撞保護殼;功能安全要通過相應的傳感器來監測電池單體、電池控制單元和它們相關的通信接口來達到目標,執行器是指如接通、斷開電池的繼電器?;瘜W安全事故是電動汽車事故的重要來源,電芯層面重要承擔化學安全層面的職責。


統計了2017年以來新能源汽車的起火事故,從場景來看,起火的第一場景是充電,充電中和充滿電之后發生安全問題,大概占50%;第二場景是停放,部分新能源汽車在購臵后使用率偏低,或者是即將報廢車輛在沒有拆除電池包的情況下長期擱臵停放,約占20%;第三場景是行駛,約占10%;第四場景是碰撞,約占5%;第五場景是極端環境或者說惡劣天氣,出現動力鋰電池絕緣密封性能下降,泡水后短路等故障問題,約占10%;其他場景約占5%。


導致起火事故的原因之中,首當其沖的是電芯產品問題。在電芯生產制造過程中,個別產品雜質、毛邊等質量控制未能符合要求,經過多次充放電循環過程形成析鋰導致內部短路,最終發生熱失控、熱擴散。中科院院士歐陽明高認為,部分公司為獲得補貼盲目追求高比能量,縮短電池產品測試驗證時間,技術驗證周期偏短導致了技術驗證不足、工程解決方法不成熟,是造成產品質量問題的重要原因。


除此之外,電氣連接失效和碰撞等機械傷害也會引發新能源汽車起火。在汽車使用的長期過程中,部分產品使用壽命無法充分滿足要求。例如某車型動力鋰電池經過一段時間使用后,螺栓松動,局部電阻較大開始發熱,成為安全隱患。而碰撞是觸發動力鋰電池熱失控的典型方式。單個電芯或模組發生熱失控,會進一步傳導至其他電芯、模組和電池包。目前動力鋰電池有關隔熱、阻斷的機械結構設計有待進一步提高。


電池熱失控的原因機理及控制


從科學機理上講,造成鋰離子電池熱分解失控的誘因較多,有由外部出發的,如電濫用、熱濫用或者機械濫用,也有由內部出發的,如金屬雜質殘留、隔膜破損或負極上的析鋰反應導致單體損壞等。不論觸發的原因為何,其導致的結果重要是電池單體溫度升高,這會進一步引起其他單體的熱分解反應,從而出現更多熱量。這種自加速的過程被稱為熱失控(ThermalRunaway),它導致的結果往往是不可控的單體發熱,甚至是起火。


鋰離子電池普遍采用易燃的烷基碳酸酯有機溶液作為電解液;其作為負極的石墨在充電態時化學活性接近金屬鋰:在高溫下表面的SEI膜分解,嵌入石墨的鋰離子與電解液、粘接劑PVDF會發生反應,這些都伴隨著大量熱的釋放;其作為正極的過渡金屬氧化物在充電態時具有較強的氧化性,在高溫下易分解釋放出氧,釋放出的氧與電解液發生燃燒反應,繼而釋放出大量的熱。因此,在濫用的情況下,安全設計不足的鋰離子電池會有熱失控的可能,如冒煙、起火甚至爆炸等。


提升安全性有三個維度:一是材料維度;二是生產過程維度;三是電芯集成維度。材料維度上,從對熱失控過程中各反應的溫度和反應焓的統計來看,盡管負極SEI膜分解反應熱相對較小,但其反應起始溫度較低,會在一定程度上新增負極極片的“燃燒”擴散速度。更重要的是,SEI膜分解反應直接決定了電池的高溫存儲性能,因此,改善SEI膜的熱穩定性十分必要,改善的途徑重要是通過成膜添加劑或鋰鹽新增其熱穩定性。


另外,盡管粘接劑在負極中的重量比很小,但是其與電解液的反應熱十分可觀,因此通過減少粘接劑的量或選擇合適的粘接劑將有利于改善電池的安全性能。正極材料方面,各充電態正極材料在高溫下釋氧程度是影響其安全性能的重要因素。若對其他性能要求較高,采用核-殼結構和表面包覆也是減少正極材料與電解液的反應熱,提高電池安全性能的有效手段。電解液方面,電解質LiPF6的熱穩定性是影響電解液熱穩定的重要因素,因此目前重要改善方法是采用熱穩定性更好的鋰鹽。但由于電解液本身分解的反應熱很小,對電池安全性能影響十分有限。對電池安全性影響更大的是其易燃性,降低電解液可燃性的途徑重要是采用阻燃添加劑。


盡管不同類型的電池在正極材料、隔膜等方面有一定差異,但總體思路相同,即正極材料盡量選取穩定性好的、隔膜選取機械強度大的。此外,一旦確定了正極材料,不同電芯公司在材料方面趨同度就已很高,材料的差別很難成為不同電芯品質差異的根本來源。


生產過程的質量控制水平是各家電芯公司差距的最重要來源,制造工藝的差異集中體現在產品一致性上。鋰離子電池制造工藝復雜,工序繁多,包括合漿、涂布、輥壓分切、制片、卷繞、組裝、注液、化成和分容等。制造過程的各個工序都影響著電池的性能,各工序的誤差累積是造成單體電池性能差異的重要來源。


鋰離子電池制造過程復雜,每個工序的誤差累計成最終電池性能差異,因此過程控制十分重要。對每個過程進行優化可提高產品一致性,其中影響較大的步驟包括電池漿料分散是否均勻、極耳、蓋板等處的焊接質量以及注液過程的精度控制等。此外,采用自動化程度高及精度高的生產線,不僅可以提高勞動效率、改善工人勞動環境,還可以節約材料、降低能耗并且大大降低生產過程中由于人為接觸造成的污染和人為操作的隨機性導致的電池不一致,從而提升產品品質??傊?,提高電池一致性從根本上要提高制造工藝水平。


電芯集成維度上提升安全性重要是提高電池管理系統的水平(BMS)。在電池組使用過程中遇到的不一致性問題,可以通過BMS對電池組狀態進行控制,以抑制電池性能差異的放大。BMS可以準確估測SOC,進行動態監測,實時采集電池的端電壓、溫度、充放電電流,防止電池發生過充或過放現象,并對電池組進行均衡管理,使單體電池狀態趨于一致,從而能在電池使用過程中改善電池組的一致性問題,提高其整體性能,并延長其使用壽命。


高鎳化、大容量趨勢增大安全隱患,車企決策更加審慎


國內的電池公司關于電池的物理性能尤其關注,目前展開競爭的熱點仍在能量密度、快充以及循環次數上,關于降低產品價格目前并無特別有效的方法,關于安全性則較為忽略。隨著電池正極材料逐漸向高鎳三元切換,安全性將日益成為決定電池公司命運的關鍵力量。


不同組分的三元材料中,鎳含量越高的材料,容量也越高,但其表面的碳酸鋰和氫氧化鋰雜質越不易控制,很容易出現雜質超標的情況,這些殘留鋰化合物重要是Li2O、LiOH〃H2O、Li2CO3等堿性物質,殘留物越多,材料表面的PH值越大。堿性物質在空氣中容易吸潮,導致材料表面和水反應,或使材料在調漿時黏度變大,或者將多余的水分帶入電池中,造成電池性能下降。調漿黏度變大的原因是黏結劑PVDF團聚,使正極漿料黏度變大難以過篩,情況嚴重時漿料變果凍狀,成為廢料。


過量水被帶入電池的后果更加嚴重,首先是消耗的鋰鹽新增,副反應新增,使電池內阻變大、自放電高、衰減快,而且還會伴隨大量氣體出現;電池內氣體的出現會使軟包電池發生賬期、鋁殼電池鼓殼、圓柱電池高度超標,嚴重時防爆閥開裂,導致電池失效等。過量的水還會和電解液反應生成氫氟酸,腐蝕電池內部的金屬部件,造成電池漏液。當負極有鋰析出時,析出的鋰遇到水會發生劇烈反應,出現氫氣和大量的熱,引發嚴重的安全問題。水分超標的電芯在化成時會出現大量氣體,研究發現,氣體成分中氫氣含量明顯增大。此外,副反應出現的氟化氫氣體不僅會與鋁箔反應,還會和正極材料反應造成電池性能變差。


大容量也將導致電池系統的安全隱患新增。由于電池系統是由成百上千個電芯串并聯而成,一個電芯出現過熱起火就可能會導致整個電池系統發生熱失控事故,關于方形和軟包電池類似風險更加突出。隨著電池系統容量的新增,在電芯安全系數不變的情況下,電池系統的事故風險將出現上升,因此車企在選擇供應商時將更加審慎,務求在電芯維度上提高安全性,從而確保電池系統的安全系數。


其他方面,能量密度的重要性體現為它是提升電池性價比的關鍵點,但當前市場關于能量密度的過度追求是因為我國補貼政策的積極鼓勵,由于電池能量密度與安全性本質上存在沖突,未來關于能量密度的追求將趨于理性?,F階段動力鋰電池的需求仍由補貼驅動,其定價機制也由補貼強度控制。大容量電池關于電池的放電倍率和循環次數要求大為降低,高倍率的充電能力仍是電池發展的重點方向。


由于動力鋰電池在這五大因素上呈現出差異,當前行業的首選競爭戰略是差異化,預計龍頭公司將迅速獲得高份額,行業格局走向清晰。投資建議與投資標的盡管行業呈現階段性過剩局面,安全性等要素將使得行業呈現高集中度的格局,龍頭公司及其供應鏈公司值得重點關注。


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