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新能源汽車:鐵鋰電池的優勢和前景分析
Data : 2019-03-08

Tags:行業資訊

 

一、鐵鋰的潮起潮落

()動力電池2 大主流技術路線:鐵鋰+ 三元

新能源汽車是我國政府重點扶持的產業。根據工信部、發改委和科技部2017年發布的《汽車產業中長期發展規劃》,目標到2020年,我國新能源汽車年產銷達到200萬輛,到2025年,新能源汽車占汽車產銷20%以上。

2018年我國新能源汽車銷量125.6萬輛,同比增長62%。其中新能源乘用車銷量105萬輛,同比增長82%。 目前我國新能源乘用車市場已經成為全球最大的市場,2018年我國新能源乘用車銷量占全球市場份額的55%,而美國和歐洲市場分別占比不到20%

動力電池是新能源汽車的核心零部件,直接影響新能源汽車的續航里程、充電性 能、安全性等關鍵指標。從新能源汽車產業鏈來看,新能源車上游主要包括鋰礦、鈷 礦等,中游包括三電系統,下游車企。動力電池位居新能源車產業中游,原材料 主要是正極、負極、電解液和隔膜等,下游主要面向車企。

我國動力電池主要有4 種商業化技術路線:磷酸鐵鋰(簡稱鐵鋰”)、三元、錳 酸鋰和鈦酸鋰。錳酸鋰電池主要是因為能量密度偏低,而鈦酸鋰電池主要是因為成本較高,兩者在動力電池市場份額總占比不到5%。鐵鋰路線與三元路線成為動力電池市場的主體路線,共占據市場份額的95%

()2010~2016,鐵鋰的崛起:高安全性

2010年到2016年,我國新能源汽車行業爆發式增長。新能源汽車年銷量從不到5千輛增長到50.7萬輛,增長超過100倍。中游動力電池出貨量增速也是超過100倍。

這一輪爆發式擴張中,動力電池市場鐵鋰路線成為最大的贏家。2016年我國動力電池出貨量28GWh,其中磷酸鐵鋰動力電池出貨量20.3GWh,占比72.5%,三元電池出貨量6.29GWh,占比22.4%。鐵鋰+三元共占95%

鐵鋰的崛起很大程度上是由于“鐵鋰的安全性高于三元”。早期我國政府選擇公交 車市場作為推廣切入口,主要是因為公交車集中式管理便于充電設施建設,并且行駛路線固定可以回避電池技術不成熟,續航里程短等問題。因此安全性成為動力電 池的主要關注點。

鐵鋰的高安全性無論是在產業界,還是在政府層面,都有著高度的共識。標志性事件,20161月,工信部裝備工業司司長張相木表示,出于對動力電池安全問題的考慮,暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用推薦車型目錄。當時國內寧德時代、 比亞迪、國軒高科等動力電池企業的主推技術路線均為磷酸鐵鋰技術路線。

 

()2017~2018,鐵鋰的潮落:能量密度低

2017年到2018年,磷酸鐵鋰動力電池出貨量增速陷入增長瓶頸。2016年鐵鋰出 貨量20GWh2017年出貨量18GWh,同比下滑10%2018年鐵鋰出貨量同比有所增長,出 貨量22GWh2016~2018年,鐵鋰動力電池出貨量基本持平。而我國整個動力電池市場 出貨量依然保持高速增長。從2016年到2018年,我國動力電池出貨量年均復合增長率 達到43%2017年和2018年三元動力電池成為市場的熱點。

 

在新能源乘用車市場,動力電池技術路線面臨選擇,鐵鋰還是三元?目前我們看 的結果是,新能源乘用車市場三元技術路線占據了絕對的主體地位,而鐵鋰的出貨量 增速陷入瓶頸。我們認為這主要是由于兩方面原因引起。

第一方面,海外三元技術路線的安全性不斷被驗證。2016年之前,國內三元動力 電池出貨量不大,產業界對三元電池的安全性還存有質疑。海外市場特斯拉采用的是 松下的三元電池技術路線,并且用的還是三元中最不安全的NCA(鎳鈷鋁酸鋰)技術路 線。特斯拉銷量從2012年僅有2650輛,增長到2016年的7.8萬輛,增長了28倍。特斯拉 的成功給予了國內產業界對三元技術路線安全性的信心。

另外一方面,政策引導,能量密度指標和補貼標準掛鉤。2015年新能源車行業發 生騙補,并且還有大量資本涌入新能源車產業。我國政府為了引導產業升級,采取了 扶優扶強的補貼策略,即高技術指標的產品能拿到高補貼的政策方案。其中動力電池 能量密度是最重要考核指標。純電動乘用車市場,2016年我國國補政策對動力電池能 量密度不考核,2017年考核門檻是90Wh/kg2018105~120Wh/kg僅能拿到0.6倍補貼, 考核門檻實質上提高到120Wh/kg。在能量密度指標上,三元技術路線具有天然的優勢。 在這一輪技術路線競爭中,三元技術路線完勝。

 

二、鐵鋰的三大核心優勢:高安全、低成本與長壽命

動力電池市場,鐵鋰與三元兩條技術路線相互競爭,并且各有優勢。盡管目前鐵 鋰處于落后位置,但是從鐵鋰路線本質上來看,我們認為磷酸鐵鋰動力電池還是具有 三大核心優勢:高安全、低成本和長壽命。

()鐵鋰優勢一:高安全性

汽車的安全是個系統性工程,某一個零部件的不夠安全并不代表汽車本身的不安 全。新能源汽車核心零部件動力電池包,是由電芯經過串并聯后做成電池模組,再串 并聯,并加上冷卻系統、結構件、外殼等組成。對于動力電池包而言,電芯某些性能的不足,可以通過電池包的設計,結構件的輔助等,達到動力電池包的安全性指標要求。

新能源汽車在使用過程中,機械濫用、電濫用和熱濫用等,包括日常使用過程中車輛發生嚴重碰撞、電池過充或過放都行為,均可能導致動力電池熱失控。當動力電池發生熱失控時,并不是突然著火或者爆炸。尤其是在電芯層面,需要經過一系列的連鎖化學反應,才會出現著火等情況。

當電芯內部發生熱失控時,一般先是SEI膜分解,然后是負極材料熱失控,再是正極材料分解,并且隨著反應的進行,電芯內部放熱速率快速上升,導致電解質分解,電解液燃燒等,出現電芯層面的熱失控,最終可能會導致電池包出現著火等現象。在這一系列的連鎖反應中,如果某一個關鍵的環節被打斷,比如正極材料的熱分解沒有進行,則可能會打斷后面的連鎖反應,從而大幅度降低動力電池熱失控所帶來的破壞。

三元技術路線和鐵鋰技術路線本質區別在于電芯所選用的正極材料不同。電芯主 要是由正極材料、負極材料、隔膜和電極液等四大材料組成。鐵鋰技術路線的電芯正 極材料是磷酸鐵鋰,三元技術路線的電芯正極材料是三元材料,包括NCM系列的111523622811,以及NCA系列。

目前幾種商業化應用的正極材料,磷酸鐵鋰的熱分解溫度要高于三元,并且熱分 解過程中,放熱量小。從材料的結構來看,磷酸鐵鋰正極材料為橄欖石結構,其結構 中的磷酸基、Fe-P-O鍵遠強于層狀結構NCM中的Ni-OCo-OMn-O鍵,因此磷酸鐵鋰有 更好的熱穩定性。一般磷酸鐵鋰材料熱分解溫度約為250~270°C,三元材料的熱分解 溫度約為220~240°C。并且三元材料中隨著鎳含量增加,NCM 523NCM 622NCM 811 從層狀相到尖晶石相的相轉變溫度快速降低(235°C185°C135°C),尖晶石相存在 的溫度區間也在逐步縮減,熱穩定性逐步降低。

因此,由于磷酸鐵鋰正極材料的高熱穩定性以及鐵鋰電池熱失控時低放熱量,在電芯其他材料相同,電池包結構設計相同,結構件相同等條件下,磷酸鐵鋰動力電池的安全性一般要高于三元動力電池。

()鐵鋰優勢二:低成本

磷酸鐵鋰動力電池除了安全性比較高之外,另一顯著優勢就是低成本。這一優勢 主要來源磷酸鐵鋰正極材料中的主要原料磷、鐵都比較便宜。目前國內磷酸鐵鋰正極 材料的制備方法主要是固相合成法:以磷酸鐵作為前驅體,與碳酸鋰、蔗糖混合后,經高溫燒結,制備磷酸鐵鋰。前驅體磷酸鐵的制備方法有多種,比較低成本的制備方 法是用硫酸亞鐵和磷酸來制備。磷酸是大宗商品,而硫酸亞鐵主要來源硫酸法制備鈦 白粉的副產品。從整個磷酸鐵鋰正極材料的原材料來看,除了碳酸鋰的價格相對較高 以外,其他的硫酸亞鐵、磷酸、蔗糖等都十分便宜。

而三元材料(NCMNCA)中主要元素鎳、鈷等均為重金屬,并且我國鈷資源十分 稀缺,主要依賴從剛果金等地區進口。目前市場上報價,每噸磷酸鐵鋰正極材料價格 不到6萬元,而523三元正極材料價格~15萬元/噸,622三元正極材料為~17萬元/噸,811三元正極材料~20萬元/噸。磷酸鐵鋰正極材料的價格不到三元正極材料的一半。 目前方形磷酸鐵鋰電芯價格0.95~0.98/wh,方形三元(523)1.05~1.08/wh

此外,我們對比單位Wh的鐵鋰動力電池和三元動力電池(523622811)的四大 原材料總成本,鐵鋰還是占明顯優勢。我們以四大原材料的當前價格作為計算基礎, 并且我們基于三元動力電池性能達到較高水平進行計算。主要假設,第一:622811 三元正極材料的克容量可以達到180mAh/g205mAh/g(正極材料克容量越高,則單位Wh動力電池用的正極材料量越少,從而成本更低)。第二:隨著三元電池技術路線升級, 從523升級到622,再從622升級到811,單位Wh動力電池使用的負極、隔膜和電解液用 量都相應減少15%。目前鐵鋰的四大材料總成本是0.26/Wh,而三元的四大材料成本 比鐵鋰的至少高35%。磷酸鐵鋰技術路線相對于三元技術路線有明顯的成本優勢。

()鐵鋰優勢三:長壽命

磷酸鐵鋰電池的第三大優勢是長壽命。從正極材料的晶體結構來看,磷酸鐵鋰是 橄欖石結構,鋰離子嵌入和脫出是一維通道,對材料的晶體結構影響較小,因此磷酸 鐵鋰動力電池循環性能較好,具備較長壽命。而三元正極材料是層狀結構,鋰離子進 出通道是二維結構,鎳離子容易變成4價,導致正極材料容易析出活性氧,在長期循環 過程中,易與電解液發生反應,降低電池的循環壽命。

由于動力電池的循環性能不僅取決于正極材料的性能,還受選用的電解液、隔膜、 負極等材料的影響,因此對于同一技術路線的動力電池,循環壽命也會有較大差距。一般而言,在1C常溫充放電情況下,三元電池的循環壽命是1500~2000次,而磷酸鐵 鋰電池的循環壽命可以超過3千次。

長壽命性能給退役的鐵鋰動力電池帶來新的價值。鐵鋰動力電池退役后,可以進 入梯次利用市場,包括鐵塔基站,分布式儲能等領域。以鐵塔基站應用為例,中國鐵 塔于201510月開始退役動力電池梯級試點應用研究,201610月進行可行性研究,20173月擴大試點,并在2018年大規模應用。目前中國鐵塔梯級利用退役動力電池以 磷酸鐵鋰技術路線為主,試點運行2年多,運行狀態良好。2018年中國鐵塔梯級利用退 役動力電池~1.5GWh

隨著5G網絡逐步開始建設,小型、微型基站數量大幅增加。目前中國鐵塔對小型、 微型基站的供電解決方案是可就近引接路燈電源供電。路燈電源雖然普遍為間歇性供 電(夜間8小時供電、晝間不供電),但引接方便,通過增加儲能系統能夠以較低的成 本實現小型、微型基站的開通,并且能將一個微站的開通時間由168小時縮減到3小時。

由于磷酸鐵鋰動力電池高安全性,并且長壽命,退役后在梯次利用市場更有競爭力,可以進一步降低磷酸鐵鋰動力電池全生命周期的成本,從而使得鐵鋰技術路線更有成本優勢。

 

三、鐵鋰的復活?

站在當前時點,我們認為鐵鋰技術路線又迎來了發展的機遇,主要是基于以下三點原因:第一,鐵鋰的技術大升級,能量密度大幅提高,減小了和三元路線的差距,彌補短板。第二,2018年新能源車安全事故時有發生,鐵鋰路線的低成本、高安全性 優勢更受重視。第三、政府重新引導,2019年補貼大概率大幅退坡,并且2020年后無補貼,新能源車行業發展回歸市場。

()復活因素一:鐵鋰技術大升級

鐵鋰技術路線最大劣勢就是鐵鋰動力電池能量密度偏度。根據我們產業調研的結 果,最近幾年磷酸鐵鋰動力電池的能量密度提升明顯。提升原因包括磷酸鐵鋰正極材 料的克容量提升、壓實密度提升、生產工藝改善等。磷酸鐵鋰正極材料的克容量基本 從120mAh/g提高到145mAh/g

此外,我們也可以從新能源汽車免征購置稅目錄和推廣目錄來驗證鐵鋰路線的技 術大升級。由于新能源客車市場鐵鋰技術路線占據絕對主體,因此新能源客車市場動 力電池能量密度水平基本就代表了鐵鋰路線的技術水平。根據乘聯會的統計,從2014 年到2018年,免征購置稅目錄中純電動客車搭載的動力電池能量密度由85Wh/kg提高到138Wh/kg,提高62%

另外,從新能源汽車推廣目錄來看,2018年共發布1762款新能源客車,配套動力 電池能量密度超過120Wh/kg93%。其中在140~150Wh/kg的新能源客車有1006款,占比57%,還有部分配套超過150Wh/kg的車型。

從能量密度指標來看,近幾年鐵鋰技術路線提升明顯。目前行業中三元電池包能 量密度可以做到160Wh/kg,鐵鋰動力電池包基本可以做到140Wh/kg。盡管鐵鋰與三元 仍然有所差距,但是鐵鋰基本上已經能夠取代部分三元動力電池,滿足車企的技術指 標要求。

()復活因素二:安全性再成為焦點

2018年新能源汽車年銷量突破百萬輛,但是行業也存在一些安全擔憂。2018年新 能源汽車行業發生著火事件~20次。根據電動百人會的統計分析,從使用場景來看, 充電時發生事故比例較大,占比30%,另外還有部分車輛在行駛、靜置、涉水等場景下發生著火。

新能源車著火受多重因素影響,包括人為濫用、充電環境、電池質量、整車設計、 安全防護等。隨著國內動力電池企業、車企等產業鏈實力的上升,新能源車的安全性 已經大幅上升。三元動力電池已經能夠做到很安全。由于磷酸鐵鋰正極材料熱分解溫度高,并且熱失控時放熱量低,磷酸鐵鋰動力電池更容易做到很安全。我們認為在對動力電池能量密度要求不高或者對續航里程要求不高的場景下,車企基于成本與安全性綜合考慮,鐵鋰路線更有競爭力。

()復活因素三:政策引導,回歸市場

目前我國新能源汽車主要還是政策驅動。我國政府為了推動產業升級,采取了扶 優扶強的補貼策略,即更高技術的產品能拿更高的補貼方案,補貼金額和動力電池能 量密度、續航里程等指標掛鉤。車企為了拿到較高的補貼方案,會優先采購較高能量 密度的動力電池。而2020年之后,補貼取消,新能源車行業將由消費驅動。車企的關 注點將轉變為消費者需求

從消費者的需求側來看,普通消費者對于新能源車的關注點并不在于動力電池技 術路線、動力電池能量密度等技術指標,而關注的是新能源汽車的續航里程、充電方 便性、性價比等因素。目前一般消費者的日常出行里程是50公里,在充電基礎設施比 較完善的情況下,對于日常通勤應用,續航里程達到300~400公里的純電動乘用車就 已經能夠滿足消費者的需求。

我們對行業的預判是:第一、20192020年新能源汽車行業 國補大幅下降已經是大概率事件,第二、我國新能源汽車產業要提前開始市場化競爭。 我們認為這對整個新能源汽車行業都會有較大的影響,尤其是對車企的影響更大。車 企加速轉變,從拿更高補貼更多市場份額轉變,車企將更注重成本和性價 比。

結合鐵鋰技術路線的高安全、低成本和長壽命等優勢,以及能量密度偏低的劣勢, 我們對動力電池技術路線判斷是:2019~2020年鐵鋰復活,2020年后鐵鋰搶占中低端市場。

 

四、鐵鋰復活后的市場空間?

鐵鋰復活后,鐵鋰的機會主要來自于純電動專用車和純電動乘用車市場。其中純 電動專用車市場,鐵鋰的滲透率已經開始回升,而純電動乘用車市場,AOO級等車型中 鐵鋰的滲透率有望提升。

()純電動專用車市場已經轉向

純電動專用車主要用于城市貨物配送等。純電動專用車市場有3個主要特點。第一, 補貼下降速度最快。第二,對成本高度敏感。第三,路權是純電動專用車市場擴張 的核心因素。

2018年過渡期間,純電動專用車補貼標準相對2017年的下降60%,過渡期后,盡管 補貼力度有所回升,但是單Wh的補貼標準最高為850/kwh,基本不能覆蓋動力電池成 本。

2018年純電動專用車市場動力電池出貨量6.1GWh,其中第四季度出貨量3.9GWh, 占比63%。從月出貨量情況看,鐵鋰的滲透率提升明顯,從183月份的5%提高到18年 年底超過50%2018年,鐵鋰在純電動專用車市場的滲透率達到45%。我們判斷隨著純 電動專用車銷量上升,并且鐵鋰路線的滲透率上升,鐵鋰動力電池在純電動專用車市 場的出貨量有望快速增長。

()新能源乘用車市場主攻平民車

根據我們產業調研的結果,由于鐵鋰能量密度偏低,因此在長續航里程的純電動 乘用車上,還是配套三元電池為主。而在續航里程300公里以下的車型,配套鐵鋰具有 很明顯的性價比優勢,在續航300~400公里的車型,鐵鋰和三元能夠實現有效競爭。

目前市場上純電動乘用車車型總數量相對較少。A00級車型中,續航里程300公里 而配套動力電池類型不一樣的車型基本沒有。我們基于不同情景,對A00級轎車(續航300公里)分別配套不同技術路線動力電池,進行成本測算。我們重點關注2點,第一, 由于鐵鋰能量密度偏低,車輛配套電池由三元電池切換到鐵鋰電池后,為了保證達到 同樣的續航里程,需要增加單車電池裝機量。第二,目前鐵鋰電池單價比三元低,但 不同電池企業報價差距較大。

在中性假設下,續航達到300公里的A00級轎車,動力電池技術路線由三元切換成 鐵鋰后,單車裝機量由36kWh提高到37.5kWh,提高1.5kWh,動力電池成本由1.2/Wh 降低到1.05/Wh,則單車動力電池的總成本由4.32萬元降低到3.94萬元,平均單車成本降低3800元。

我國新能源汽車補貼政策中,除了考核續航里程、動力電池能量密度之外,一般 還要考核百公里耗電指標。但百公里耗電指標更多取決于車輛的整體設計。短期來看,A00級車型從三元切換成鐵鋰,還需要考慮補貼政策影響,但是2020年后,鐵鋰的成本 優勢會更明顯。我們預計:A00級純電動乘用車由三元切換到鐵鋰路線后,即使導致單 車拿到國補少~2千元,車企基于綜合成本考慮,也會大概率切換成鐵鋰路線。并且未 來部分續航里程在300公里的A級轎車也有望配套鐵鋰動力電池。

()2019鐵鋰市場規模增速有望超40%

在補貼大幅退坡的背景下,磷酸鐵鋰的成本優勢更加明顯。我們判斷鐵鋰技術路線在純電動乘用車市場和純電動專用車市場的滲透率都會有明顯的提升。根據我們的 測算,2019年我國磷酸鐵鋰動力電池出貨量有望超過30GWh,行業增速45%。并且2018~ 2022年,磷酸鐵鋰動力電池出貨量的復合增長率有望超過30%

 

 

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