“十四五”期间,锂电池材料产业发展研究|蓝皮书
栏目:行业资讯 发布时间:2021-05-26
本篇为《材料化工行业2020年度蓝皮书》的产业热点篇的锂电池材料产业研究。#化工 #材料

文章来源:正略咨询  日期4月9日

本篇为《材料化工行业2020年度蓝皮书》产业热点篇的锂电池材料产业研究。锂电池材料作为新能源材料的重要类型,本篇从发展现状梳理、发展趋势分析、发展建议和标杆企业介绍等方面对锂电池材料产业的整体情况做出研究和分析。



锂电池行业发展现状



01

锂电池的定义与分类


锂电池是一种充电电池,又被称为二次电池或蓄电池,工作原理为通过锂离子(Li+)在正负极之间定向移动来实现充放电功能。


锂电池有多种类型,按照正极材料的不同,可分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等;按照电解质的不同,可分为液锂电池和聚合物电池。两者工作原理基本相同,不同的是前者的电解液以液态存在,而后者以固态或胶态聚合物来充当电解液。



02

我国锂电池市场规模


据沙利文数据统计,我国锂电池市场规模从2014年645.3亿元增长至2018年的1494.7亿元人民币,年复合增长率达23.4%。伴随电子产品的不断升级更新、新能源汽车强势发展以及政府对于节能环保要求的提高,锂电池的市场空间有望进一步扩大,预计2023年市场规模有望达到3294.8亿元。



03

锂电池产业链


锂电池的产业链主要由上游参与者原材料供应商、中游参与者锂电池生厂商和下游的终端客户三部分组成。锂电池的上游包括正极材料、负极材料、电解液材料和隔膜等供应商;中游企业为锂电池生产商,通过对上游原材料的加工,生产出不同规格的锂电池电芯,根据终端用户的不同需求,提供不同的锂电池电芯、模组和电池包方案;下游则为使用用户,根据使用目的的不同可分为三大类,储能领域、动力领域和消费领域。



锂电池材料行业发展现状



01

锂电池的材料构成


锂电池材料主要包含正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大主材,其他材料包括铝塑膜和导电剂等部分。


正极材料的材质是影响锂电池的能量密度和安全性的主要因素,正极材料的购买成本决定着锂电池的总成本。据沙利文数据显示,锂电池成本中,正极材料约占总成本的30%以上,其次为隔膜、电解液和负极材料。



02

正极材料行业发展现状


目前主流的电池以磷酸铁锂及三元材料为主,2019年市场占比分别为21.83%与47.62%。两者各有特色,磷酸铁锂原料丰富、价格相对低廉、对环境友好,加上较好的循环性能和高安全性,在商用车、专用车及储能领域占据优势;三元材料能量密度高,未来在乘用车领域发展潜力大。


国内正极材料市场竞争激烈,各主要厂商的市场占比排名变换频繁,且企业间差距不大。



2018年国内正极材料市场份额前三为厦门钨业、湖南杉杉和北大先行,市场占比分别为8%、7.8%和7.7%;2019年正极材料出货量排名前三的企业分别为厦门钨业、天津巴莫和德方纳米,市场占比分别为9.92%、6.44%和6.31%。



03

负极材料行业发展现状


锂电池负极材料主要分为碳材和非碳材两类。锂电池负极是由活性物质、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,根据活性物质的不同可分为碳材料和非碳材料两类。其中碳材料中的石墨类为锂离子电池主要负极材料,具体可分为天然石墨和人造石墨两类;非碳材料包括钛基材料、硅基材料等。石墨类是较早应用的负极材料,与其他碳材料相比,其导电性、结晶度更高,良好的层状结构和充放电电压也十分适合正极材料的脱/嵌运动,且目前工艺成熟、成本较低,是较为理想的负极材料。


作为锂电池的核心部分,负极材料行业在中国的发展变化显著。自20世纪90年代起,中国锂电池负极材料从诞生至今经历了三个发展阶段。



近年来,中国新能源汽车行业发展迅猛,其中新能源纯电动汽车增量明显。新能源纯电动汽车产销量的爆发推动了动力锂电池相关行业快速发展,受动力锂电池市场需求的大幅上升,锂电池负极材料的市场需求显著增长。2014年至2018年,中国锂电池负极材料市场规模从33.2亿元迅速增长至109.7亿元,年复合增长率达34.8%。


在全球范围内新能源汽车市场需求持续增长的环境下,作为全球动力锂电池主要供应商,宁德时代、比亚迪等中国锂电池企业销售规模将保持增长态势。此外,随着新一代通信技术的发展,3C数码电子产品应用领域将进一步拓展,带动3C数码类锂电池需求量的增加,改变近年来的增长颓势。受益于锂电池下游需求的持续上升,未来五年中国锂电池负极材料市场规模将保持25.7%的年复合增长率,预计2023年增长至346.5亿元。



负极材料市场竞争格局基本稳定,贝特瑞是龙头企业。从全球角度来看,主流的负极材料企业分布在中日两国,总体表现为寡头垄断态势。根据石墨邦的数据,2019年贝特瑞负极材料市场占比达22%,贝特瑞、上海杉杉、江西紫宸三家公司共同占整个负极市场约60%的市场份额。



04

锂电池隔膜材料行业发展现状


锂电池隔膜是锂电池正极和负极之间的一层薄膜,在锂电池进行电解反应时,锂电池隔膜可以用来分隔正极和负极防止短路现象的发生,同时允许电解质离子自由通过,是锂电池的关键组件之一。


根据物理和化学特性,锂电池隔膜可分为织造膜、非织造膜(无纺布)、微孔膜、复合膜、碾压膜等。根据应用领域,锂电池隔膜可分为动力类锂电池隔膜、数码类锂电池隔膜和其他功能类隔膜。在新能源汽车、储能电站、航天航空、医疗及电子产品等领域,锂电池隔膜的应用范围最为广泛。



在锂电池的关键组件中,锂电池隔膜的技术壁垒较高,长期依赖进口,在中国实现国产化的时间最晚。中国锂电池隔膜行业经历了进口依赖、技术积累和高速发展阶段,经过不断的发展,中国企业生产的锂电池隔膜性能逐步提升,获得了业内的普遍认可,国产化率稳步提升。


新能源行业的快速发展,带动了锂电池行业的迅速发展,锂电池隔膜作为锂电池的四大关键材料之一,市场需求不断攀升。



锂电池隔膜是重资产、技术密集型行业,当前众多国内厂商不断加大研发投入力度,扩张锂电池隔膜产能。星源材质、金辉高科、中科科技、沧州明珠等企业实现锂电池隔膜产业化,迅速占领国内锂电池隔膜市场,并已向多个国际锂电池厂商批量供货。


同时,锂电池隔膜行业两极分化的趋势也十分明显。低端锂电池隔膜市场集中度低且呈无序竞争状态,市场趋于饱和,参与者主要为中国企业;高端锂电池隔膜市场产品具有质量要求高、技术壁垒高的特点,市场参与者主要为日韩厂商及国内少数领先企业。


未来不具备自主研发能力的锂电池隔膜企业竞争力逐渐下降,发展空间逐渐萎缩。掌握锂电池隔膜核心技术、产品性能稳定的企业市场占有率将逐步提升。能够扩充产能,率先占据优势,降低产品生产成本,拥有高新技术水平的锂电池隔膜企业将会在未来的发展中占得先机。落后企业退出,龙头企业强者恒强的局面将逐渐成型并趋向稳定。


05

锂电池电解液材料行业发展现状


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。一般情况下,有机溶剂的占比在80-90%区间内,电解质锂盐占比大约8%,添加剂占比5-10%,具体配比由下游客户的需求决定。我国锂电池电解液行业经历了进口依赖、国产替代和国际化阶段,经过不断的发展,国内企业生产的锂电池电解液性能逐步提升,获得了业内的普遍认可,国产化率稳步提升,并逐渐走向国际。


动力电池是电解液下游占比最大的应用领域,受益于新能源汽车产业的发展,国内动力电池的需求不断上升,带动了锂电池电解液的发展。我国锂电池电解液市场规模从 2014年的13.2亿元增加到2018年的26.7亿元,年均复合增长率为19.3%;2014年至2017 年市场规模增速明显,2018年市场规模有所下降。


主要原因有两方面:一方面,由于新能源汽车补贴退坡,动力电池企业成本压力向上游材料企业传导,倒逼电解液企业降低价格;另一方面,由于电解液主要原材料六氟磷酸锂产能达到2.9万吨左右,远超当年的需求,六氟磷酸锂价格下跌,带动电解液价格下降,两因素叠加,加上电解液行业本身产能处于过剩状态,各企业陷入价格战泥淖、利润空间降低。



我国电解液行业集中度高,龙头效应明显。电解液企业呈现阶梯式分布,天赐材料、新宙邦和国泰华荣等龙头企业因产能和技术上的优势,处于第一梯队;第二梯队及以下的电池企业技术和规模优势较弱,存在将配方以及添加剂研发外包给供应商的情况。


在电解液价格大幅下降、产品毛利润不断降低的情况下,大型电解液企业通过布局上游、控制原材料成本来降低电解液售价,具备成本和规模优势,抢占了更多市场份额;而中小企业规模小,生产成本高且产品存在同质化严重的问题,无法在价格和客户资源方面和大企业竞争,因此在价格战中出现亏损现象,被迫退出行业,行业进入洗牌阶段。



锂电池材料行业发展趋势



01

正极材料趋势洞察


磷酸铁锂(LFP)在性价比和安全方面具备优势,三元(NCM)在高能量密度方面占优。从生产技术进步的发展趋势和行业竞争格局的角度,三元电池依旧是未来动力电池的主要技术路线。


一方面续航里程焦虑是困扰新能源汽车发展最主要的问题,解决方式是提高电池的能量密度。三元电池这一技术指标的提升空间目前优于铁锂电池,技术研发人员通过增加电池正极材料镍的占比和固态锂电的技术发展已经让我们看到了解决这一问题的希望。


另一方面参考生产技术发展的历史经验,新技术在取代旧技术的过程中,虽然在初期会面临成本较高、产品性能不够稳定、使用者的消费惯性和信任成本等诸多问题,但技术更迭这一过程基本是不可逆的,上述问题会随着产能释放后的规模效应,技术工艺逐步成熟和新产品渗透率的提升得以解决。



三元材料根据其中镍钴锰三种元素的占比不同可以分为111、523、622和811,此外还有镍钴铝三元NCA(常见配比为8:1.5:0.5)。镍含量越高,材料的克容量越高,对应的电池模组能量密度也越高,但相应的工艺难度也越大,安全性挑战也越高。


从成本角度看,三元材料中原材料成本占比接近90%,在原材料中钴价格波动大,成本占比高。NCM811相比于NCM523钴含量由12.2%降至6.1%,每kWh的需求量由212g下降到91g,材料上的成本优势显著。


随着高镍三元技术持续精进,规模扩大,其成本优势和能量密度优势将愈发突出。根据高工锂电数据,2020年H1我国三元材料出货量为8.6万吨,其中NCA8系占17.3%,占比同比增长4.5个百分点。


磷酸铁锂将凭借其性价比和安全性优势在储能、低续航乘用车等领域散发新活力,并继续向中高续航车渗透。磷酸铁锂的橄榄石结构稳定,热失控温度高,循环稳定性好,安全性能好;同时由于磷酸铁锂不含钴等贵重金属,价格低廉,成本优势显著。


在储能领域,对能量密度的要求相对不高,但对安全性和成本敏感度高,磷酸铁锂优势显著;以5G基站储能为代表,公开招标基本均为磷酸铁锂电池。乘用车续航300-400km及以下时,磷酸铁锂的能量密度足够,将凭借其性价比和安全优势占据市场份额,同时继续向400km以上续航车渗透。


此前在补贴政策驱动下,三元凭借高能量密度获得更多补贴迅速占领市场;后补贴时代,磷酸铁锂有望回暖。从20年工信部乘用车推广目录看,磷酸铁锂乘用车车型占比显著高于18和19年;专用车磷酸铁锂占比提升趋势也十分明显;客车领域由于其更高的安全性要求及大容量电池成本考量,一直是磷酸铁锂为主。


02

负极材料趋势洞察


随着中国新能源纯电动汽车补贴力度的降低以及补贴门槛的进一步提高,纯电动车企对高能量密度的动力电池需求持续增加。作为影响电池性能的核心材料之一,锂电池负极材料的性能和技术要求也随之升高。随着高端负极材料受到日益追捧,占领主要市场份额的头部企业有望改善负极材料业务的盈利水平,提高行业整体盈利水平。


目前石墨负极材料的性能逐渐接近理论值,新型负极材料的产业化蓄势待发。作为当前主流负极材料,石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g,而行业内头部企业的产品可以达到365mAh/g,材料性能提升空间十分有限。考虑到政府对动力锂电池性能要求的不断提高以及补贴政策对高能量密度产品的补贴倾斜,新型高端负极材料的需求凸显。


在新型负极材料中,硅基负极材料由于具有极高的能量密度(理论比容量为4200mAh/g,远高于传统石墨负极材料)、较低的脱锂电位以及相对出色的安全性能,被大型锂电池负极材料企业作为下一代负极材料研发的主流方向。硅碳负极材料是将硅基材料的缺陷进行改良而获得的材料,被视为硅基负极材料产业化的主要路线。


目前,国内锂电池负极材料厂商不断加强硅碳负极材料的研发力度和生产规模,行业头部企业逐渐具备硅碳负极材料产业化的能力。相比石墨负极材料,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,硅碳负极材料业务毛利率显著高于传统负极材料业务。


因此具备硅碳负极材料规模化生产能力的企业拥有较大的利润空间。对于国内锂电池负极材料行业而言,新型负极材料的产业化和普遍应用将有利于淘汰技术落后且主要依靠价格竞争的中低端负极材料制造企业,促进行业提升新型材料领域的研发动力,提高行业整体盈利能力,推动行业不断健康发展。


03

隔膜材料趋势洞察


锂电池隔膜的生产可采用干法工艺与湿法工艺。干法工艺具有简单、成本低、环境友好的特点,但产品性能相对较差,更适用于小功率、低容量电池。相比较而言,湿法隔膜工艺相对复杂、成本较高、易对环境造成污染,但湿法隔膜产品性能更优,适用于大功率、高容量电池。总体而言,湿法隔膜在性能和安全程度方面较干法隔膜具有显著优势,更能够适应当前锂电池向高能量密度化发展的趋势。


现阶段,中国锂电池隔膜行业在湿法工艺上取得了一定的进展。2006 年,中国星源材质公司自主突破并掌握湿法工艺技术,建立了湿法锂电池隔膜生产线,此后随着中国锂电池隔膜湿法工艺技术的不断突破,湿法锂电池隔膜的市场份额逐渐扩大,2017 年之后,中国湿法锂电池隔膜市场份额超过干法锂电池隔膜,2018年中国湿法锂电池隔膜市场分额达到65%。



在政策指引及市场需求推动电池技术标准不断提升的情况下,湿法隔膜更适应行业的技术进步和发展,湿法工艺隔膜比干法工艺隔膜具有更高的技术壁垒,掌握湿法技术可以促进产品性能的提升,湿法工艺技术的发展将提升锂电池隔膜行业的竞争力,为锂电池隔膜行业更好的发展提供支撑。


04

电解液材料趋势洞察


电解液产品呈现紧跟电池技术发展的趋势。2016年以来,普通的磷酸铁锂、锰酸锂电池因其能量密度低、适用温度区间窄等性能缺陷而逐渐退出主流电池舞台,相关电解液产品也呈现价格大幅降低的趋势;随着下游新能源汽车政策对所使用的电池的能量密度、续航时间等性能提出更高要求,耐高温、耐高压、阻燃的新型动力电池成为新的发展趋势,对电解液的需求也更加多元化、要求也更加细致化。


需求的多元化导致电解液尤其是高端电解液产品定制化需求进一步提升,电解液厂商往往需要针对不同的用户使用环境、能量密度、使用寿命等需求来定制不同的电解液配比和添加剂,而定制化的产品往往能够带来粘度更高的下游客户。


以新宙邦、国泰华荣为首的龙头企业均在积极布局动力锂电池相关添加剂产能并自行研发相关添加剂配方,以适应下游不断上涨的定制需求,进而获取更多高粘度客户。但是,定制化的电解液产品对企业的技术、规模、资质等要求非常高。


电解液的定制需求更多地体现在添加剂上,添加剂的不同将大幅改变电解液的性能,因此电解液企业主要更改添加剂配方来生产不同要求的定制化产品。然而添加剂技术壁垒高,对企业的研究开发能力要求极高。此外,电解液是高危化学品,其储存和运输条件要求极高;能否与下游有定制化需求的客户建立稳定的供应关系,则对公司的研发部门与市场营销等职能部门的协调性要求很高;为了适应下游定制化的需求、获取更有粘性的下游客户,电解液企业必须提升其研发能力、储运能力和部门协调能力,才能在定制化趋势愈发明显的未来取得竞争优势。


电解液产品的定制化趋势提升将促使企业走出恶性价格竞争泥淖,转而更加注重于技术提升和与下游客户建立稳定联系,有利于提升整个行业的技术水平,并增加下游客户粘度从而获得对下游更强的议价能力,推动整个电解液行业的升级发展。


发展建议



1.产业链上下游企业共同推动技术创新


动力电池新技术开发的主力除了动力电池巨头以及上游的电池材料厂商外,还有新能源车企。特斯拉是全球电动化的引领者,一直以来和松下合作研发动力电池,其规划是在2020年实现电芯密度385Wh/kg,2025年实现500Wh/kg。宁德时代对能量密度的追求一直是“稳准快”。从宁德时代2017年的技术展望中可以看出,公司2020年之前的目标已经基本实现,2019年NCM811已经实现量产,单体电芯能量密度达到304Wh/kg。2020年以后,CATL对电芯能量密度的规划与国家步调较为一致。


对于电芯而言,能量密度提升的本质在于提高正负极材料的比容量以及正负极材料的电势差。短期可以通过调节材料元素成分或改善制备工艺提高现有体系的能量密度,如无钴高镍技术、干电极技术;长期看,现有锂电成熟体系的能量密度天花板已现,未来十年里,固态电池、锂空/锂硫电池等新体系的开发正成为龙头企业技术创新的重点。


国外特斯拉致力于引领无钴化进程。在正极材料的选材方面,特斯拉一直都是高能量密度的先行者。特斯拉一直以来与日本的松下公司合作研究高镍电池,目前三元锂电池的钴含量已经降到5%(马斯克2018年推特原文数据2.8%应是钴元素占整个电芯的质量比例,经换算,钴元素在正极材料的质量占比为5%左右)


国内蜂巢能源率先推出无钴电池概念。从蜂巢能源的关于无钴电池的公开专利来看,无钴电池所用正极材料为 Li1+xNiyMnzO2(0.8≤y≤0.9),配合电解液成膜添加剂,解决了正极材料较差的容量衰减问题。在三种实施案例中,无钴NMx电芯的能量密度可与NCM811相当。该无钴电池或将于2021年实现量产。



LG化学、宁德时代、比亚迪、格林美、国轩高科、容百科技、蜂巢能源均有布局NCMA。LG化学与通用汽车合作研究NCMA四元材料,预计将于2022年推出搭载NCMA四元电池的新车型。国内的新进企业蜂巢能源宣布将于2021年实现NCMA量产。根据蜂巢能源官网资料,NCMA电池的容量为265Wh/kg。NCMA 四元电池在1C/1C的循环寿命约为2500圈,较之于 NCM三元电池提升25%。


2.提升工艺降低成本


从电池包的成本结构来看,电芯原材料成本占比最大。进一步拆分电芯成本,发现正极材料占比最大。三元电芯的正极材料成本占比达 38%。降低正极材料的成本对整个电池包降本效果最佳。而目前成熟的正极材料的价格已经随着规模化生产显著降低,市场供需关系基本稳定,进一步大幅降价的可能性较小。因此寻找新材料、新工艺成为降本新方向。各企业对降本的热情不竭,从材料到电池包零部件,已经涌现出许多新技术。合成三元材料的平价替代、研制新的制备装配工艺等是各个公司研发的热点。


标杆企业



  • 特斯拉:降本增效的极致追求者


降本增效的极致追求者。早年与松下合作开发高能量密度的电池,是全球最先使用硅碳负极与NCA正极的车企。如今考虑自产电池,一系列新技术、新材料、新工艺被其技术研究团队提出。在新材料方面,无钴、单晶、新型电解液添加剂、硅纳米线等新技术均有布局相关专利。特斯拉是动力电池产业链新技术的需求者,更是发明者与引领者。


  • 宁德时代:行业创新引领者


技术创新推动龙头加速成长。宁德时代虽然是中游电池制造商,但其对上游锂电材料的理解也相当深刻。公司在四大材料正极、负极、电解液、隔膜领域专利达1800余项,占公司专利总量约50%。由于具备强大的人才储备、资金实力,公司常与上游供应商合作开发新型材料与技术,带领行业共同进化,是行业技术进步的最大受益者。


  • 贝特瑞:负极材料的先行者


贝特瑞是负极材料技术突破的先行者。2000年贝特瑞掌握天然鳞片石墨的球形化技术,一举实现天然石墨国产化,贝特瑞在天然石墨市场的市占率常年保持在50%以上。公司凭借技术优势逐步打入三星、LG 化学、三洋、松下、索尼等日韩主流电池企业。


  • 新宙邦:电解液添加剂提升产品附加值


新宙邦在电解液领域布局广泛。公司是国内锂离子电池电解液龙头,在电解液溶剂、锂盐、电解液添加剂领域均有布局。目前公司拥有锂离子电池电解液产能6.5万吨/年,在建电解液产能6万吨/年。


在电解液添加剂方面,新宙邦于2014年收购国内主流电解液添加剂供应商张家港瀚康化工,涉足成膜添加剂VC、FEC领域。目前子公司淮安瀚康的VC产能为1000吨/年、FEC产能为1000吨/年,子公司南通新宙邦VC+FEC添加剂产能共1000吨/年。


电解液添加剂是体现公司产品差异化的核心,可提升电解液产品溢价值。公司在电解液添加剂方面加大研发,不断推出添加剂新产品。目前公司已拥有新型添加剂300余种,其明星产品正极成膜添加剂LDY196、负极成膜添加剂LDY269、低阻抗添加剂LDY234等显著改善锂离子电池高低温性能、循环性能等。


  • 格林美:高镍低钴前驱体材料的先行者


格林美在三元前驱体领域具备客户资源优势与成本优势。公司是动力电池三元前驱体材料龙头企业,并积极布局废旧电池回收业务,打造“电池回收-原料再造-材料再造-电池包再造-新能源汽车服务”循环产业链,降低前驱体生产成本。


格林美在NCMA四元材料开发具有先发优势与核心技术优势。公司三元前驱体产品定位在高镍、单晶等高端产品,目前已经全面掌握高镍(NCA、NCM8系、NCM9系)及单晶三元正极前驱体生产工艺。公司已在高镍低钴前驱体材料领域积累较多产业经验,形成较高的技术壁垒。格林美NCMA四元前驱体材料已在进行客户吨级认证,在NCMA四元前驱体开发方面具备先发优势。 内容速览(节选)


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