锂电池产业链深度解析：千亿市场谁在驱动？

钴酸锂是最早实现商业化的正极材料,其能量密度高于镍氢及铅酸等充电电池,最早体现出锂电池的发展潜力,但十分昂贵且循环寿命低,仅适用于3C电子产品。锰酸锂虽成本低,但能量密度不佳,在早期的慢速电动车,如电瓶车等领域有一定用量,如今主要用于电动工具以及储能领域,少见于动力电池。

电池标准循环寿命是指在特定的充放电流程下,电池容量衰减到某一规定值之前,电池能经受的充电与放电循环次数。根据GB/T 31484-2015 《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》,要求汽车动力电池经过500次充放电后,放电容量不低于初始容量的90%,或1000次充放电不低于80%。

当前主要应用于电动车领域的,是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线。在2020年锂电池正极材料出货占比中,分列第一(46%)和第二(25%)[5]。

(数据来源:公开资料整理)

三元材料的核心优势在于能量密度高。同体积、同质量下,续航时间较其它技术路线大幅领先。但其缺陷也非常明显:安全性差,受到冲击和处于高温环境时,起火点比较低。近期热度较高的针刺和过充等安全测试中,大容量的动力三元电池很难过关。正是安全性能上的缺陷,一直限制着三元材料技术路线的大规模装配与集成应用。

磷酸铁锂则恰好与三元材料相反,能量密度与续航均表现一般,但安全性却十分优秀。其晶体结构为独特的橄榄石型,空间骨架结构不易发生形变,使其在高温环境下仍能保持稳定。三元材料在约150℃～250℃的条件下即会开始分解并放出氧气,导致电解质燃烧,相较之下磷酸铁锂的分解温度则在600℃左右,安全优势非常明显[6]。

基于上述优点,很多三元电池无法通过的安全测试,磷酸铁锂都能通过;另一方面,磷酸铁锂电池的使用寿命也有巨大优势,其循环次数远超其它技术路线,这正应对电动汽车消费者的两个关键诉求:安全、耐用。

当前,三元电池的装机量出现下滑,磷酸铁锂电池市场份额正在快速提高。统计数据显示,2020年,国内动力电池累计销量达65．9GWh,其中,三元锂电池共装车38．9GWh,占比61．1%,累计下降4．1%;磷酸铁锂电池装车24．4GWh,占比38．3%,累计增长20．6%,成为销量同比唯一增长的动力电池类型[7]。

除了安全性优势,磷酸铁锂销量快速上升的另一个主要因素,是便宜。长期以来,造成三元电池原材料成本(占比近90%)居高不下的主因,就是因其对钴的需求较大[6]。钴是一种稀有的矿物,非常昂贵且开采极不稳定,价格波动剧烈,供应链也十分脆弱,极易影响下游产业。

在早年,由于政府补贴的存在,三元电池的高成本问题并不突出,但伴随着近年补贴力度的持续下降,其成本压力也愈发沉重,迫使电池制造少寻找替代材料。

磷酸铁锂的成本优势就集中在其不含钴,从下图可以看到即使吨价处于高位时,也远低于三元材料。

数据来源:国信证券[8]

同时,随着充电桩数量的快速增加,也能弥补磷酸铁锂电池的续航问题。典型磷酸铁锂电动车续航约为300～400km,足以满足市内交通需求,三元电池在这种应用场景下无法体现核心优势。

在成本与基建的双重驱动下,越来越多的车企选择磷酸铁锂技术路线也就不令人意外了。甚至是依靠三元电池起家的动力电池巨头宁德时代,也正在快速增加磷酸铁锂电池的产能,并为国产特斯拉Model 3标准续航版本供应磷酸铁锂电池。

不过三元电池的发展没有停滞。这一技术路线长期趋势,是通过高镍低钴的配比,即所谓的高镍三元材料进行降本。

根据镍钴锰三种元素的占比,三元材料可以分为111、523、622和811四种主要类型。从市占率看,目前的5系(即523)三元材料仍是主流。2020年在三元材料市场的市占率超过50%;8系(即811)电池则凭借高镍化趋势实现爆发,市占率从2018年的6%,提升至2020年的24%,潜力巨大[9][10]。

高镍三元电池一方面减少了昂贵的钴金属使用量,成本更可控,另一方面则是电池容量大幅提升,更契合消费者需求。近年国产电动汽车的续航里程快速增加,高镍电池功不可没。

但相应的,镍含量的上升意味着加工难度的快速上升,本就存在隐患的安全性更是进一步下降。在811电池大规模装配的2020年,自燃事故频出,导致这一技术路线饱受质疑。

仅广汽Aion S,首款大规模使用811电池的车型,也是目前811新能源车龄最长的车型,在2020年5月到8月,就连续发生了三起自燃事故,而这只是811电池起火的冰山一角[11]。高镍三元材料的安全性缺陷,是电池生产商必须解决的问题,否则很难说服乘用车消费者购买,更不可能用于对安全性要求更高的商用车辆。

除了镍钴锰(NCM)三元材料,目前还有一种采用镍钴铝(NCA)合金作为正极的三元材料。与NCM相比,NCA的能量密度进一步提高,但安全性能仍没有太多改善。目前,特斯拉是最主要的镍钴铝电池使用者,在2020年4月份还申请了可提高电池寿命的新型生产技术专利。

不过虽受龙头青睐,NCA技术路线在国内却十分罕见,2020年在国内三元材料市场的出货量占比仅有4%,全球目前主要生产商仅有松下[12]。

负极材料

锂电池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后,涂抹在铜箔两侧,经过干燥、滚压制得,作用是储存和释放能量,主要影响锂电池的循环性能等指标。

负极材料按照所用活性物质,可分为碳材和非碳材两大类:

碳系材料包括石墨材料(天然石墨、人造石墨以及中间相碳位球)与其它碳系(硬碳、软碳和石墨烯)两条路线;

非碳系材料可细分为钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物和金属锂等。

(信息来源:公开资料整理)

与正极材料不同,锂电池负极虽路线同样众多,最终产品却很单一,人造石墨是绝对主流。数据显示,2020年中国人造石墨出货量约为30．7万吨,在负极材料出货总量中的占比高达84%,较2019年水平进一步提升5．5个百分点[3]。

相较于其它材料,人造石墨循环性能好、安全性占优且工艺成熟、原材料易获取,成本较低,是非常理想的选择。

石墨负极最核心的问题,则是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g,而行业头部公司的产品已可实现365mAh/g的能量密度,逼近理论极限,未来的提升空间极为有限,急需寻找下一代替代品[13]。

新一代的负极材料中,硅基负极是热门候选者。其具有极高的能量密度,理论容量比可达 4200mAh/g,远超石墨类材料[14]。但作为负极材料,硅也有严重缺陷,锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀,破坏电池结构,造成电池容量快速下降。目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料,硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量,碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化,并改善材料的导电性,同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。

基于此,硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线,逐渐获得产业链内企业的关注。特斯拉的Model 3已经使用了掺入10%硅基材料的人造石墨负极电池,其能量密度成功实现300wh/kg,大幅领先采用传统技术路线的电池[14]。

不过与石墨负极相比,硅碳负极除了加工技术仍不成熟外,较高的成本也是障碍。当前的硅碳负极材料市场价格超过15万元/吨,是高端人造石墨负极材料的两倍。未来量产后,电池制造商也会面临与正极材料相似的成本控制问题。

电解液

电解液在锂电池中,主要作为离子迁移的载体,保证离子在正负极之间的传输。其对电池安全性、循环寿命、充放电倍率、高低温性能、能量密度等性能指标都有一定影响。

电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐和添加剂等原料按一定比例配制构成。按质量划分,溶剂质量占比 80%～90%,锂盐占比10%～15%,添加剂占比在5%左右;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%[15]。

相较于其它三种材料,锂电池对电解液的要求最为复杂,需具备多种特性:

离子电导性能好,离子迁移阻力要低;

化学稳定性高,不可与电极材料、电解液、隔膜等发生有害副反应;

熔点低,沸点高,在较宽的温度范围内保持液态;

安全性好,制备工艺不复杂,成本低,无毒无污染。

目前,由于较好的性能与较低的成本,六氟磷酸锂(LiPF6)是主流的锂盐溶质。其在各类非水溶剂中有较好的溶解度和较高的电导率,化学性质相对稳定,安全性好,且对环境污染也小。但缺陷同样明显:六氟磷酸锂对水分比较敏感,热稳定性也差,最低60℃就可能开始分解,电池性能将快速衰减,低温环境的循环效果则比较一般,适应温度范围窄。

此外,六氟磷酸锂对其纯度、稳定性要求非常高,生产过程涉及低温、强腐蚀、无水无尘等苛刻工况条件,生产难度也比较大。

新一代锂盐中,双氟磺酰亚胺锂(LiFSI),被认为有望替代六氟磷酸锂。相较于传统锂盐,LiFSI的的热稳定性更高,而且在电导率、循环寿命、低温性能等方面均有优势[16]。

但受限于生产工艺与产能,LiFSI成本过高,远超六氟磷酸锂。为控制成本,LiFSI在实际商用中仍更多的作为电解液添加剂使用,而非锂盐溶质。

信息来源:长江证券[16]

隔膜

锂电池隔膜是正负极之间的一层薄膜,在锂电池进行电解反应时,可用来分隔正极和负极防止发生短路。隔膜浸润在电解液中,表面有大量允许锂离子通过的微孔,微孔的材料、数量和厚度会影响锂离子穿过隔膜的速度,进而影响电池的放电倍率、循环寿命等指标。

聚烯烃是当前通用的锂电池隔膜材料,可为锂电池隔膜提供良好的机械性和化学稳定性,进一步细分则有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、复合材料三大类。

隔膜材料的选择与正极材料有关,目前聚乙烯主要应用于三元锂电池,聚丙烯则主要应用于磷酸铁锂电池。

除了材料,制备工艺对隔膜的性能也有着一定影响。

当前锂电池隔膜的生产技术分为干法和湿法两大类。

干法又称为熔融拉伸法(MSCS),可进一步细分为单向拉伸和双向拉伸两种工艺。此技术路线的发展时间长,更加成熟,主要用于生产PP膜。此外,双向拉伸工艺由于成品性能不佳,只用于中低端电池,已不再是主流制备工艺。

干法工艺具有简单、成本低、环境友好的特点,但产品性能较差,更适用于小功率、低容量电池。而在上文提到过,磷酸铁锂电池恰好存在能量密度偏低的缺陷,故采用干法工艺的隔膜多用于这一技术路线。

湿法又称为热致相分离法(TIPS),与只对基膜进行拉伸的干法工艺不同,湿法会对基膜表面进行涂覆,以提高材料的热稳定性。相较于干法制备产品,湿法工艺的隔膜在性能上有着比较明显的优势,其厚度更薄,拉伸强度更理想,孔隙率更高,有着更为均匀的孔径和更高的横向收缩率。此外,湿法隔膜的穿刺强度更高,更有利于延长电池寿命,且更加适应高能量密度的锂电池发展方向,目前主要应用于三元电池。

不过与干法相比,湿法工艺相对复杂、成本高、易对环境造成污染。

当前隔膜材料的主要市场趋势十分确定。由于更加符合动力电池高能量密度的要求,可以延长电池循环寿命,且能增加电池大倍率放电能力,湿法工艺正在对干法形成快速替代。数据显示,2017年湿法锂电池隔膜的市场份额首次超过干法隔膜,而仅一年后的2018年,市占率就进一步上升至了65%。