后补贴时代的电池技术趋势和市场格局

补贴时代,推升电池能量密度,进而提升电动汽车续航里程成为大家首要考虑的目标,但也应看到,电池容量急剧上升的同时,也带来了其他一些问题,尤其是安全隐患、寿命隐患、成本和产能高企。

安全方面,据不完全统计,2016年发生电动汽车着火事件25起,2017年发生14起,而2018年截止到现在,共发生40起。事故数量上升的一个重要原因是过热引起自燃。

寿命方面,单纯进行能量密度提升,但实际循环寿命可能下降。SK对于622和811的性能测试,结果显示目前622的最优化结果只有1400次,急于推向市场显然有些操之过急。

综上,电池性能的维度是包括多方面:循环寿命、充电倍率、能量密度等。从上述的分析,不难发现,单一地对新能源汽车续航里程(概括为动力电池能量密度)进行补贴,有一定的积极作用,但是也有不足。例如过于追求电池能量密度的提高,可能疏忽电池安全性。后补贴时代,市场化、产业化将取代补贴,成为影响新能源汽车市场的核心要素。那时的动力电池技术趋势和市场格局会怎样呢?

一、总览动力电池技术后续趋势

(1)正极材料

磷酸铁锂:磷酸铁锂是最早应用于动力电池的正极材料。其特色是不含钴等贵重元素,原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富,不会有供料问题。其工作电压适中(3.2V)、单位重量下电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长,在高温与高热环境下的稳定性高。相比在消费电子商业应用更早的的钴酸锂和锰酸锂电池来说,磷酸铁锂电池至少具有以下优点:更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属(原材料成本低)、支持快速充电、工作温度范围广等优点。磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷,如振实密度与压实密度很低,导致锂离子电池的能量密度较低。同时,由于在-10~-40℃存在相变临界点,磷酸铁锂低温脱嵌锂离子性能较差,即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。研究表明,一块容量为3500mAh的电池,如果在-10℃的环境中工作,经过不到100次的充放电循环,电量将急剧衰减至500mAh,基本就报废了。

三元材料:三元电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂的锂电池。目前,三元电池企业主要应用的是NCM622与NCM523,NCM811处于小批量的开发阶段。三元锂电池能量密度高,循环性能好于正常钴酸锂。目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等,由于镍钴铝的高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH值过高易使单体胀气,进而引发危险,目前造价较高。在三元和磷酸铁锂在退补后的市场判断,将在后面论证。

硫正极:锂硫电池即正极是硫,负极是金属锂组成的电池,其理论比容量为1675mAh/g,理论比能量为2600Wh/kg。正极硫在放电过程中会变为溶于电解质的多硫化合物,多硫化合物会穿过隔膜到锂负极处,与锂反应再回到正极侧,这个过程叫做穿梭效应。穿梭效应是锂硫电池循环稳定性最大的障碍。目前,锂硫电池仍然处于科学问题研究的阶段。

空气正极:锂空气电池,更准确的称呼应该是锂氧电池(Li-O2),它是一种基于金属与空气化学能转换电能的电池。在这种电化学型的电池由诱导的氧化锂的阳极和氧气阴极组成。目前即使在学术界,仍然停留在其储能机理研究及器件设计的阶段,走向产业界仍然需要一段时间。

(2)负极材料

天然石墨:在锂离子电池中,天然石墨粉末的颗粒外表面反应活性不均匀,晶粒粒度较大,在充放电过程中表面晶体结构容易被破坏,存在表面SEI膜覆盖不均匀,导致初始库仑效率低、倍率性能不好等缺点。

人造石墨:人造石墨由石油焦、针状焦、沥青焦、冶金焦等焦炭材料经高温石墨化处理得到,部分产品也经过表面改性,其与天然石墨有许多相似的优点。目前商业化应用的人造石墨比容量可达到310～370mA·h/g,首周效率可以达到93%～96%,100%DOD循环寿命可达到1500次。由于人造石墨中石墨晶粒较小,石墨化程度稍低,结晶取向度偏小,所以在倍率性能以及体积膨胀、防止电极反弹方面比天然石墨更好一些。

钛酸锂负极:钛酸锂负极理论嵌锂容量为175mA·h/g,初次循环库仑效率可达到98.8%,且Li在嵌入脱出前后材料的体积变化不到1%,是锂离子电池中非常罕见的零应变材料,经过表面改性提高其室温导电性后具有非常优异的循环性能和倍率性能,有报道循环寿命可达30000次以上。在负极材料中的安全性高,且一般不会生成SEI膜,因此电池循环寿命好,高低温性能也较好。同时,LTO嵌锂电位过高,容量降低,导致整个电池体系能量密度较低。另外LTO生产成本较高,涂布技术、涂布环境要求高,目前市场上电化学性能和材料批次稳定性都兼顾的比较好的碳包覆纳米LTO价格大约在13～15万元/吨。这些因素使得LTO应用存在较高的技术门槛,主要市场为适合高功率锂离子电池应用的领域。目前主要从事LTO技术路线的电池材料及动力系统公司有:珠海银隆、微宏动力。

硅负极:硅负极材料因其较高的理论容量(高温4200mA·h/g,室温3590mA·h/g)、环境友好、储量丰富等特点而很早就被考虑作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。硅负极材料商业化应用主要需要解决两个问题:1)硅负极材料在储锂过程中可逆容量与体积膨胀成正比,如硅负极容量如果达到3590mA·h/g时,颗粒或晶粒膨胀高可达320%,体积变化与嵌锂容量成线性关系;2)另一个阻碍Si基负极材料商业化应用的原因是固体电解膜(SEI),SEI膜的持续生长将消耗电池正极材料中有限的锂源、电解液,导致电池容量不断衰减,内阻不断增加,体积也会相应膨胀。目前技术成熟度较高的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳复合材料和无定形硅合金等,在性能方面也各有优劣。这一领域的标的,北汽产投有非常详细的研究和论证,欢迎交流讨论。

锂金属负极:由于锂金属电位低、理论容量高锂金属负极是理论上最理想的负极材料。同样由于锂金属活泼易燃易爆,并且在充放电过程中析出锂枝晶(穿刺隔膜而导致短路)等原因,导致其一直无法商业应用。目前锂金属负极相关电池的研发仍然处于科学研究阶段,解决方案包括优化和改性电解液,提供载体限制锂金属负极膨胀,应用人工界面膜等等。

(3)电解质

电解液的主要功能是为正负极的锂离子脱出和嵌入提供丰富的锂离子源,以及提供充分的电离和化学稳定环境,保证整体电池在充放电过程中保持化学稳定,避免电极表面的副反应发生。由于优异的电离性能与综合成本,目前的电解液组分仍然以LiPF6+有机溶剂(EC+DEC)为主。但同样LiPF6也存在性能方面的劣势:1)危险性:六氟磷酸锂泄露将会与空气中的水分反应生成氢氟酸,具有危险性;2)本身对水分和氧气含量十分敏感,电池内水氧含量的增高将导致胀气现象。

目前电解液的技术发展趋势分为以下几个方面:

1)性能附加值相关的电解液添加剂:包括锂过充保护剂、锂枝晶抑制剂、高电压添加剂、成膜保护剂、快充导电剂等。

2)电解质的固态化:固态电池被认为是安全、高能量、柔性的下一代电池,目前主要通过高分子胶体电解质和陶瓷固态电解质的技术路线实现固态电池的产业化。

虽然固态电池被认为是下一代电池技术,但是固态电池由于其材料本质的原因,内阻较高、电导率偏低,难以实现快充性能。

(4)隔膜

锂电隔膜是锂电池中关键的内层组件,能够影响锂电池的容量、循环性能和充放电电流密度等关键性能。性能优异的隔膜需要隔离正负极防止短路同时还要允许锂离子的传导,在过度充电或者温度过高时还要具有高温自闭性能来阻断电流防止爆炸,另外还要具有强度高、防火、耐性好、无毒等特点。目前市场上的生产工艺主要是干法单向拉伸技术、干法双向拉伸技术和湿法拉伸技术。三者相比,干法单向拉伸隔膜横向强度较差,但因几乎没有热收缩现象而具有较高的安全性。 干法双向拉伸工艺只能生产单层隔膜, 但隔膜的微孔尺寸和分布不均匀,稳定性较差。湿法拉伸隔膜孔隙率和透气性更高,可以生产更轻薄的隔膜,但投资成本较高。与干法拉伸制膜工艺相比,湿法工艺制成的锂电池隔膜可以做到很薄,且程控方式不是通过机械拉伸的方式, 而是利用聚乙烯与成孔剂发生热致相分离而产生的微孔,因此孔隙率和孔径大小更易控制,产品的力学性能和均一性更好。

PP的熔融温度在170℃左右, PE 的熔融温度在140℃左右。 因此湿法工艺生产的隔膜虽然厚度较薄,但是较低的熔融温度使得隔膜在高温下容易收缩,从而造成电池短路。通过隔膜表面涂覆一层无机纳米颗粒或者耐高温的有机化学物,可以提高隔膜的高温安全性能。涂敷层一般厚度在1-2μm,经过涂覆后的隔膜不仅在热收缩率上有改善,还可以提高拉伸强度和电解液浸润性,同时降低孔隙率和透气速率。

二、后补贴时代的快充技术

我们认为,后补贴时代,快充将成为大家更为重要的技术,快充不仅能解决消费者充电的痛点,快充提升运营效率本身也就意味着降成本。后补贴时代,经济性为王,快充会更放光彩。

对于这个观点,我们专门做了测算,以EX360运营案例,我们半定量讨论充电倍率、续航提升及容量提升等因素的经济性。

表 EX360的动力电池基本情况

 

EX360涉及到的集中充电方案:

 

以运营场景为例,半定量方式讨论充电倍率、能量密度及循环寿命作为对该场景效率提升的考量。根据目前电动车市场的技术水平,讨论如下:

1)充放电寿命是影响电池全生命周期总行驶里程的重要因素。从全生命周期分析,循环寿命的增长,能线性地提高了动力电池生命周期的行驶总里程数,而过份追求能源密度,则可能降低循环寿命的次数及电池的总续航。

2)充电倍率提高或充电时间的缩短,是可能提高固定时间内的总续航里程。以目前市面上最好的充电产品为例(TeslaModelX),其倍率性能为1.5C,充电时间约0.67h,其相对于EX360的快充缩短时间1.33h。以城市工况(60km/h),对应的运营里程约80km。假设EX360能量密度提升20%,续航增加20%,则单次充电多运营里程数还只有60km。

3)据调研,比较于提升电池能量密度,缩短电池充电时间在技术难度上还相对较易。

综上所述,后补贴时代,提升充电倍率也应该是一个重要的发展方向。这方面技术,欢迎交流讨论。

三、后补贴时代的电池价格和市场格局

根据我国的补贴政策规划,计划到2020年,新能源汽车补贴将会完全退出市场。届时,新能源汽车将完全在无补贴的情况下依赖自身的造血能力进行产业的自生增长。

(1)关于在退出补贴的情况下,电池PACK价格所需的降价(半定量测算)

2017年动力电池总装机量37.06GWh,其中乘用车13.9GWh。按照第二部分测算乘用车的补贴金额,2017年全年在乘用车的销售约172亿元。由于2016-2017年我国新能源车企只有比亚迪的新能源汽车业务实现了盈利,并且其纵向高度一体化的情况下实现净利率约5%。参考北汽蓝谷2017年的财务报告,公司是亏损的。所以,通过整车OEM业务的销售价格压缩去对冲去补贴影响是不现实的。那么,电池PACK成本的下降,必须向电芯及其上游传导。

根据《中国产业信息网》对新能源汽车产业的预测,新能源汽车的销量CAGR达到37%,2020年约200万辆左右,其中乘用车占比80%,约160万辆。由于续航里程的提升,平均电池装机量相对于销量增速要提升40%左右(参考新能源产业发展规划对能量密度的提升要求),2020年装机量约为50GWh。

根据上述估测,则需要平均每Wh的PACK去摊薄约0.3元的电芯成本。参考2017年行业1.1-1.2元/Wh的电芯售价。那么需要2020年末对于PACK的价格下降至0.8-0.9元/Wh。

我们分析了学术机构及政府机构测算,根据NatureClimateChange研究结果,如下图。

 

图 对PACK价格的预测

根据估算,为了将电芯成本从目前的价格降低至150USD/kWh的PACK价格,则需要从以下几个方面去降低PACK的成本:1)新能源汽车销量增长贡献占12%;2)LIB经济规模的经济效益占12-14%;3)科技进步带来的研发效应占16-17%。

1)电池成本结构下,未来上游供应链如何变化;

 

图 CATL采购成本分布

2017年,CATL的电芯价格约为1.2元/Wh。根据0.8元/Wh的目标价格,需要降价降低33%的BOM成本,才能保持相当的毛利率(2017年,31.28%)。

假设:2020年,CATL业务回归传统制造行业,新能源大面积普及,公司毛利约20%,下降约1/3。对应BOM成本则需要下降22%左右。

参考CATL披露的原材料采购成本(来源:Bernstein),下面逐条对电芯的各个组成部分进行分析:

1)负极:2017-2018年国内负极材料石漠化吃紧的情况逐渐得到缓解,石墨化扩建产能逐渐得到释放。在针状焦方面,2017年仍然是供不应求,不仅供需关系紧俏导致价格上涨,很多企业仍然难以购置到针状焦原材料,市场曾经一度出现真空。随着山东益大、京阳科技等新针状焦产能逐渐获得市场认可并产能释放,预计针状焦市场的供需关系得到缓解。2018年上半年针状焦总供给16.22万吨,其中负极材料供应量约为4.6万吨。负极材料行业整体方面,2017年负极材料出货14.9万吨,2018年整体行业在建约35万吨产能。但考虑上游材料稀缺及新的估计材料技术的原因,我们预测2020年负极材料成本仍然不变。

2)隔膜:隔膜企业2017年头部公司毛利率水平较高(约50%)。预计2018-2020隔膜行业将呈现出下降趋势。2016-2017过多资本投建新产能,到2017年下半年新增产能陆续释放,但部分新进入者的产品性能不稳定,为消化产能,不得不降低产品价格,以获取订单,使得市场环境极为混乱,隔膜企业间接被迫打起价格战;同时,国内一线梯队的隔膜企业产能也处于快速建设中,产能投产后,在品质方面有明显的优势,借助规模效应,成本可快速下行,从而实现价格下调,加快二三线隔膜企业降价。预计隔膜降价20%,则对电芯成本下降贡献约为20%*8%=1.6%左右。电芯成本对此不敏感。

3)电解液:电解液产线投资成本低,建设周期短,电解液行业产能利用率不到70%,长期供大于求,电解液价格的波动主要因素是原材料价格的波动。且六氟磷酸锂及EC/DEC等上游化工行业预期限产能政策影响在后续得到缓解,价格逐步企稳,在2020年价格较当下约下降10%,对电芯成本贡献约10%*7%=0.7%。

4)铜箔、铝箔:金属箔本身加工技术壁垒较低(电镀),并且其价格收到大宗商品价格影响较大。参考该BOM图标,电芯成本对其影响不敏感。

5)正极材料:钴在三元正极材料中的成本占比较高,钴价上涨预期保障三元价格开始上涨。由于2017-2018年三元材料的市场需求非常旺盛,以及钴矿供给严重依赖进口,导致钴的供需结构偏紧。2016-2017年,NCM622材料价格有17万元/吨,上涨到21万元/吨。参考622电芯约150Wh/kg的PACK能量密度,则平均价格约为1470元/kWh。

根据铁锂目前近5万元/吨的报价,结合其90Wh/kg的行业平均PACK能量密度,正极材料价格约550元/kWh。

可见,磷酸铁锂和三元材料就目前的价格水平而言,对于整体电芯的成本影响是较为可观的。假设将目前的三元材料,全部替换为磷酸铁锂,在不考虑续航门槛的前提下,那么磷酸铁锂相对于三元可以很大程度上帮助电芯将成本下降至0.8元/Wh。

我们再针对今年市场上的代表NEV车型进行半定量测算:

EU5车型,整车质量1600kg,标称续航~400km。

NCMPACK:54,000Wh/(150Wh/kg)=360kg;

LPFPACK:54,000Wh/(90Wh/kg)=600kg;

两者重量差对EU5整备质量的影响:(240/1600)*100%=15%;

如果重量的变化对续航的影响是线性的话,在假设下,LPO应该比NCM少15%,400km*15%=60km;

在循环寿命方面:(参考来源:深圳市动力电池回收利用机制与政策研究)

NCM:1659次;

LPF:2575次;

在整个PACK的生命周期下:按照正常工况

NCM的总里程数:1659*400=663,600km

LPF的总里程数:2575*(400-40)=927,000km

在EU5案例下,在汽车常规充放电的工作条件下,整个电池生命周期,LPF比NCM在续航方面多出:927,000-663,600=263,400km。

在上述的NEV及燃油车对比过程中,电动车的经济效益优势约为0.1元/km,则在整个电动车的生命周期中LPF比NCM的经济效益优势为:26,340元。

对于54kWh电芯:(参考附录,来源:深圳市绿色低碳发展基金会)

LPF的价格:54kWh*1270元/kWh=68,580元

NCM的价格:54kWh*1230元/kWh(取NCM111和NCM532的平均值)=66,420元

在成本方面,NCM比LPF的PACK节省约68580-66420=2,160元

综上所述,经过半定量方法计算,LPF比NCM的在该车型的经济效益优势约为26,340-2,160=24,180元。

根据实际的产业情况,2016-2018年,三元材料的加速普及,很大的催化因素之一是新能源汽车补贴的续航门槛逐渐提升。目前而言,NCM811的价格是高于NCM622的,并且2020年NCM811及NCM622的规模经济效应带来的行业成本下降仍然有限(小于20%)。

在此情境下,在补贴完全退出的时点,磷酸铁锂将可能对NCM三元市场造成冲击,在生产技术及规模效应带来的NCM成本下降到足够的区间,才能重新回归到与磷酸铁锂电芯的能源成本竞争。

在上述讨论当中,我们只考虑了在现有材料体系下对材料成本的影响因子。此外,新的电池体系,如锂硫固态电池、锂金属固态电池等体系,仍然有机会通过大幅提升能量密度和规模经济的方式降低PACK储能价格。但就目前国内的产业发展势态来看,上述技术目前仍然缺乏成熟度,从业公司认为在2020年,难以大规模放量该种技术。