2022年我国新能源车迎来爆发式增长,新能源乘用车累计批发销量为649.8万辆,同比增长96.3%。在新能源汽车的强劲需求的带动下,动力电池产业迎来了快速发展,成为近年来增长最快的产业赛道之一。本文从动力锂离子电池基本概念出发,对动力锂离子电池产业发展现状、存在问题以及未来发展趋势进行全面阐述。
01 认识:动力锂离子电池
(一)定义与类型:磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂
动力电池是指专为工具提供动力来源的电源,多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。随着对动力电池性能要求的不断提升,动力电池不断换代革新,从可反复循环使用的铅酸电池,到镍镉电池,再到镍氢电池,再到如今的锂离子电池、钠离子电池、燃料电池。动力锂离子电池相比同时代其他电池,具有能量密度高、技术成熟度高、长循环寿命等特点,是现阶段的主流动力电池。
动力锂离子电池按照正极所用材料类型可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池,相较于锰酸锂和钴酸锂,磷酸铁锂电池和三元锂电池在能量密度、安全性、循环次数及生产成本等方面具备综合优势,因此应用更为广泛。
图1 锂离子电池内部结构及工作原理
(图片引用自网络)
正极材料是锂离子电池中重要的锂离子来源,主要类型有磷酸铁锂、三元锂、钻酸锂、锰酸锂等,目前磷酸铁锂和三元锂较为常用。
负极材料是锂离子和电子的载体,有着蓄能和释放作用,主要类型有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、石墨烯、硅基复合材料、钛酸锂等。出于成本技术成熟度等方面考虑目前负极材料市场依旧以人造石墨为主。
隔膜是用以将正负两极分开防止在电解池中直接反应损失能量的一层薄膜,主要为聚烯烃微孔膜,包括PP(聚丙烯)/PE(聚乙烯)/PP多层复合隔膜、PP或PE单层微孔膜及其涂布膜。
电解液是一种媒介物质,在正、负极之间起着输送离子的作用。电解液由溶质、溶剂和添加剂组成。溶质主要为LiPF6、LiBF4;溶剂主要为碳酸酯类溶剂;添加剂主要有碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)等。
图2 锂离子动力电池材料产业链
动力电池是新能源车制造成本最高部分,正极材料是动力电池成本占比最高的原材料。动力电池生产成本约占新能源车生产成本的38%,正极材料约占电池材料总成本的比例的35%-45%;负极材料约占比10%-20%;隔膜约占比15%-20%;电解液约占比10%-15%;其他辅助材料如钢壳、铝壳等约占成本的10%-15%左右。
图3 新能源车及动力锂电池成本构成
图4 新能源汽车销量及渗透率
图5 2018-2021年动力电池装机量
展望未来,动力电池产业将在绿色革命的推动下继续保持高速增长。世界主要经济体均设立了电动化目标,推动新能源汽车的发展。2020年10月,我国国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,明确在2025年我国新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,2035年,纯电动汽车成为新销售车辆的主流,公共领域用车全面电动化。美国亦在2020年《清洁能源革命和环境计划》和2021年《新基建计划》中充分鼓励新能源汽车的发展,并确立了2030年新能源汽车渗透率50%的目标。欧洲国家中,法国提出2040年无使用化石燃料的汽车,英国提出2035年电动化率达100%。发展新能源汽车已成全球主要经济体的共识,动力电池作为新能源汽车能量存储与转换装置的基础单元,是新能源汽车的核心零部件,其技术发展水平是全球汽车产业电动化转型的关键支撑。在全球汽车产业电动化的浪潮下,动力电池未来仍有数倍的增长空间,GGII预计,2025年全球动力电池出货量将达到1,550GWh,2030年有望达到3000GWh。
动力电池生产商主要集中于中国、日本和韩国,行业内参与企业众多,竞争较为激烈,龙头企业占据较高的市场份额,行业整体市场集中度较高。根据SNE Research调研数据,2021年全球前十动力电池企业装机量约为270.8GWh,占全球动力电池装机量的91.2%。
我国部分企业已具备国际竞争力,在全球市场具备一定的竞争地位,在全球动力电池装机量前十名中,我国企业占据6席,市场份额约为48%。宁德时代动力电池装机量最高达96.7GWh,市场份额约为32.6%。此外,比亚迪、中创新航、国轩高科、远景动力、蜂巢能源均进入装机量全球前十。2021年中国前十动力电池企业装机量占市场份额92.20%,在新能源汽车的强劲带动下,市场对锂离子动力电池的需求不断提升,由于头部企业产能及供应链保障更加充分,保障了快速增长的需求供应,市占率得到进一步的提升。
旺盛的需求刺激锂价格的持续提升,2019年-2020年中旬国内碳酸锂价格仍维持为4-5万元/吨,2021年年初上涨到7万元/吨,2022年11月中旬一度逼近60万元/吨大关,价格两年内上涨幅度超过十倍。碳酸锂作为锂离子电池生产的关键原料,其价格的激增侵蚀了电池厂商的利润,抑制了产业的健康发展。
图7 国内碳酸锂价格走势
动力锂离子电池对安全性和能量密度有着同样的极致追求,但目前二者之间存在着一定的不可协调性。一是在电池充放电过程中,电池的能量损失致使放电时化学能/充电时电能会转变成热能。基于能量守恒原理,能量密度越高,产生热量越多。无法及时散出的热量会在电池内部积聚从而形成高温。当电池长期工作在高温状态下,电池内部的化学反应会越来越多,产热也越来越多,会导致温度不断升高,进而引发热失控风险。二是锂离子电池电解液中有机溶剂具有易燃性,电池的高能量密度值是通过升高电池电压来获得的。若电解液耐高压能力不足,就会被氧化分解,放出的热量使电池温度升高,高温会引起电池内部各种副反应的发生。如负极与电解液发生放热反应;隔膜熔化,从而导致正负极发生短路等,最终导致热失控的发生,甚至引发火灾和爆炸。目前的技术水平下锂离子电池的安全性和高能量密度之间的不可兼得性,一定程度上抑制着动力离子电池产业的进一步发展。
中国动力电池产业创新联盟对宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、蜂巢能源等超80家电池、汽车、新能源领域厂商的248个项目的产能统计数据,以2025年为时间节点仅宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、中创新航、国轩高科这6家头部企业产能规划就达到3039GWH。浙商证券预计,到2025年全球主要动力锂电池厂商的规划产能将达到4335GWh。而根据SNE Research预计2022年全球动力电池出货量为443GWh,3年十倍的增幅显然并不切合目前实际。中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬指出,“2023年中国本土市场的新能源汽车增速很可能会下降,加上动力电池企业新建产能释放,随之电池供应一定会过剩。”亿纬锂能董事长刘金成也曾表示“预计最晚2024年,全产业链将出现产能过剩的情况。”中国科学院院士欧阳明高也曾表示“2025年中国电池产能可能达到3000GWh,而出货量则为1200GWh,产能过剩明显。”
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