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正极材料磷酸动力电池研究系列之电池正极材料

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随着《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》和《节能汽车(1.6升及以下乘用车)推广实施细则》的出台,一直受价格制约的新能源汽车,终于看到了产业化的曙光。《办法》对插电式混合动力和纯电动汽车最高补贴额度分别为5万元和6万元,为新能源汽车的产业化道路保驾护航,赛迪顾问认为作为新能源汽车心脏的动力电池将是此产业链中的最大受益者。而锂离子电池作为最具发展前景的动力电池,在未来必将取代传统的镍氢电池,成为主流动力电池。

赛迪顾问对锂离子电池产业链发展现状和未来趋势进行了分析和预测,研究结果表明:电池材料是锂离子电池产业链的关键环节,将在新能源汽车产业化的浪潮中凸显极高的投资价值。而占据锂离子电池成本大约30%的正极材料由于能够很大程度的影响锂离子电池的性能,从而成为引领锂离子电池发展方向的重要载体。

锂离子电池需求量急剧膨胀,正极材料市场迎来发展良机

受益于锂离子电池需求量的扩大,正极材料近几年得到了很好的发展,2009年全球正极材料的销量达到了3.76万吨,而中国的正极材料销量占全球销量的47.87%,达到1.8万吨。

图 1 2007-2009年全球正极材料销量及增速

动力电池研究系列之电池正极材料

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赛迪顾问认为未来两年随着新能源汽车对动力电池需求的扩大,正极材料行业销量将在2009年的基础上出现快速的增长,而国内的增速因为巨大的需求空间和现有的良好基础而高于全球增速。

三足鼎立,国内正极材料企业将异军突起

全球范围来看,锂电企业主要集中在日本、中国和韩国,相应的锂电正极材料的生产也主要集中在以上国家。日本和韩国的锂电正极材料企业整体技术水平和质量控制能力要优于我国多数锂电正极材料企业,在高端锂电正极材料的竞争中有一定优势。

表 1 日韩主要锂离子电池正极材料生产企业

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在国外市场,日本和韩国主要锂电企业的供应商主要还是本土锂电正极材料企业。由于我国部分锂电正极材料企业近年的产品质量和一致性水平迅速提高,并且具备较大的成本优势,日本和韩国锂电企业近年开始逐步加大从我国采购锂电正极材料的力度。

表 2 国内重点锂离子电池正极材料生产企业

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经过近十年的发展,国内锂电正极材料行业目前已经形成了以京津地区、长江中下游地区和华南地区三大锂电正极材料产业基地。

在国际市场,锂电正极材料行业已经逐渐形成了寡头竞争的局面。在国内市场,目前仍有较多的企业在参与市场竞争,由于锂电正极材料行业技术集成度高、下游客户对产品质量要求严格等原因,一些不具备核心竞争力的企业将会逐步退出,行业内的优势企业将占据越来越多的市场份额。

锂电正极材料行业的竞争格局还受到下游市场需求和上游资源供应的影响。一方面,全球锂电池厂商已形成了寡头垄断的竞争格局,这就要求锂电正极材料生产企业必须和这些锂电巨头建立长期紧密的合作关系才有机会在未来的竞争中占据制高点;另一方面,获得上游资源的长期充足供应也将是本行业未来发展的关键。我国拥有上游主要原材料冶炼产业集群效应的原材料供应优势,大量的相关金属资源都在我国市场集散,这对于国内锂电正极材料生产企业来说具有较大的供应链优势,有助于国内企业在国际竞争市场中扩大自身份额,获得快速发展的机会。

多种正极材料同台竞技,磷酸铁锂是发展方向

目前已批量应用于锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂三元材料以及磷酸铁锂。但由于钴金属储量少,价格昂贵,因此成本高,而且作为动力电池安全性存在问题,为了降低成本采用金属锰代替金属钴,形成锰酸锂,但锰酸锂电池循环寿命短且高温环境下循环寿命更差(注:60摄氏度以上寿命降低一半)。

图表 1 主要正极材料性能参数比较

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磷酸铁锂可克服前两者的缺点,并且不含钴等贵金属,原材料价格低且磷、锂、铁资源丰富,理论电容量大,循环寿命长,是锂电池中公认的最有发展前途的产品。

钴酸锂:商业化应用的主流

钴酸锂最早实现商业化应用,技术发展至今已经很成熟,并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上,如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。2009年全球钴酸锂销量为2.35万吨,相比2008年的2.75万吨有所减少,其销量占全部正极材料的62.5%,在整个正极材料市场中占据了绝对重要的地位。随着正极材料技术的不断成熟,三元材料和磷酸铁锂等正极材料对钴酸锂的替代逐步加快,赛迪顾问认为钴酸锂在锂离子电池正极材料中的地位将逐步降低,但受益于新能源汽车对动力电池需求的加剧,钴酸锂正极材料的绝对数额在未来两年内还是会保持一定程度的上升,且其在正极材料中仍处于主导地位。

图 3 2007-2009年全球钴酸锂销量及占全部正极材料比例

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国内目前钴酸锂市场主要集中在中端市场,这个市场的特点要求产品质量好和稳定,同时具有较大的价格弹性。由于终端消费品过去需求增长迅速,导致钴酸锂价格一度暴涨,最高攀至60万/吨,受金融危机影响最低回落到20万/吨,现在略有回升,毛利率在10%以上。

从销量来看,2009年中国钴酸锂的销量为1.2万吨,占全球销量的51.06%,占国内正极材料销量总额的66.7%。同全球趋势一样,赛迪顾问认为国内钴酸锂正极材料销量占比将呈现下降的趋势。

图 4 2007-2009年中国钴酸锂销量及占全部正极材料比例

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国内钴酸锂市场从结构来看,2002年是一个分水岭。2002年以前,国内市场主要由日本SEIMI和比利时联合矿业集团(UM)等少数国外企业占据着。2002 年,以中信国安盟固利,北京当升为代表的国产材料生产商以较优的产品性价比,从国外厂商处夺得大量市场份额,中国锂电的龙头企业比亚迪在香港的成功上市后,转成部分自产钴酸锂。目前,国产正极材料占比已达到90%以上。从目前的情况来看,当升材料2009年全球钴酸锂市场份额为10.4%,其市场地位处于国内第一,全球第三。国内以钴酸锂为正极材料的锂电池生产厂家主要有:天津力神、深圳比克、邦凯、华粤宝、武汉力兴等。

锰酸锂:安全廉价的适用材料

钴酸锂目前虽为主要正极材料,但钴酸锂有一个很大的弊端,即钴酸锂的成本80%为氧化钴。氯化钴由钴矿冶炼加工制成,而世界金属钴总储量90%以上集中在刚果、澳大利亚、古巴、赞比亚和俄罗斯等国家,因分布过于集中,且属于小金属品种,其价格随市场供求及国际金属价格波动呈现周期性振荡,波动很大。因此用锰代替其中的金属钴形成锰酸锂,安全廉价的锰酸锂电池具有镍氢和钴酸锂电池无法比拟的优势,被认为是电动汽车最为实用的电极材料。

2009年全球锰酸锂销量达到2850吨,占全部正极材料销量总额的7.6%,随着锂离子电池对正极材料需求的扩大,再加上锰酸锂相比钴酸锂的各种优势,赛迪顾问认为全球锰酸锂销量在2010年将在2009年的基础上出现大幅度的增长,达到4600吨左右,占全部正极材料的比重也将提升到10%。

图 5 2007-2009年全球锰酸锂销量及占全部正极材料比例

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就国内市场而言,2009年国内锰酸锂的销量为2000吨,占全球销量的70.2%,占国内全部正极材料销量的比重也高达11.1%,随着锰酸锂正极材料的逐渐成熟,国内大多数正极材料生厂商都积极开发锰酸锂正极材料生产线,锰酸锂在全部正极材料的比重将保持上升的趋势。

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目前,我国的锰酸锂生产厂商主要有中信国安、云南玉溪汇龙科技有限公司、天津巴莫科技、大连太阳集团、北京当升等。目前国内以锰酸锂为正极材料的锂电池生产厂家主要有:比亚迪、青岛澳柯玛、苏州星恒、湖南晶科、河南海普赛等。

磷酸铁锂:动力电池的发展方向

正极材料中最适合用于动力电池的是磷酸铁锂。目前国内外已经能实现量产的合成方法均是高温固相法,高温固相法又分传统的(以天津斯特兰、湖南瑞翔、北大先行等为代表)和改进的(以美国威能、苏州恒正为代表,也称碳热法)两种。磷酸铁锂电池应用主要受制于电池组的一致性问题。用作汽车动力锂离子电池是将大量单体电池串并而成的电池组,目前单体磷酸铁锂电池的寿命超过2000次,在将多个电池组成电池组时,只有在电池性能高度一致时,电池组的循环寿命才能接近单体电池的寿命。由于目前国内大部分磷酸铁锂生产厂商的制造设备及制备工艺都不成熟,产品品质容易出现波动,使得电池产品的一致性受到影响,因此,应用在动力汽车上存在一定的障碍。

对磷酸铁锂电池生产商来说,还面临一个专利的问题。目前国际上在磷酸铁锂领域的领先企业主要有3家,分别是美国的A123、加拿大的Phostech以及美国的Valence,掌握着较为成熟的量产技术。一直以来我国电池产业面临到国外专利作为商业阻碍以及技术垄断的干扰。目前,中国在磷酸铁锂电池材料上,基本没有自己的专利权,技术绝对称不上先进。此前日本的NTT公司支付美方3000万元和解金才解决了磷酸铁锂材料的专利纠纷。台湾很多企业也是花钱向Phostech等公司购买专利使用权。因此,我们认为如果锂电池行业内企业不能很好的解决专利权的问题,不得不和日本一样,花钱买专利,这将是我国电池材料企业所面临的第一大风险。通过赛迪顾问了解,目前,国内大多数厂商在与外方技术输出方签合同时,通过专利保险的方式,将专利被追诉的风险转嫁给国际保险公司。

2009年全球磷酸铁锂销售量为1000吨左右,其中主要集中在全球最大的供应商A123,国内厂商天津斯特兰几乎占据了国内市场一般的份额。目前,磷酸铁锂市场接受度不高,主要是受技术和价格的制约。从近期来看,技术已经不容置疑,国内能批量生产的企业有10家左右,如斯特兰、比亚迪、烟台卓能、北京锂先锋、苏州恒正、北大先行、合肥国轩、深圳贝特瑞、新乡花鑫、新乡创佳等,但是价格仍然是一大障碍,目前国内价格维持在15-18万/吨,国外要高出一倍,不过随着产能扩展步伐的加快,材料价格下降是趋势,未来三年有望降至10万元/吨,届时磷酸铁锂电池将得到广泛应用。

图 7 2007-2009年全球磷酸铁锂销量及占全部正极材料比例

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图 8 2007-2009年中国磷酸铁锂销量及占全部正极材料比例

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国际知名磷酸铁锂厂商都已经发展出十分成熟的量产技术,其中最大的产能5000吨/年以上。中国企业从2001年就陆续启动磷酸铁锂材料开发,历经6年时间,北大先行终在2007年突破了磷酸铁锂从实验室技术到中试生产技术的一系列技术及工程问题,并在完善相关工艺过程中,使得磷酸铁锂电池的安全性得到了较大程度的提高与保证,奠定了磷酸铁锂产品系列化和规模产业化的基础。

总体来看,国内对磷酸铁锂的技术研发水平及产业化程度与国际基本同步。在产能方面中国的材料供应商与国外大厂差不多,售价比国外要低,但材料加工性能和稳定性略逊一筹。现阶段全国约有50多家电池材料生产厂商,其中真正进入工业化批量生产的仅有天津斯特兰、北大先行、苏州恒正等十余家。虽然真正具备供货能力的企业为数不多,但表明中国企业抓住了此次锂电池发展机遇,使中国锂电在动力电池的产业化走在世界前列。赛迪顾问认为,正极材料具有一定的技术门槛,且投资规模适中,受到投资者的青睐,磷酸铁锂材料更是具有良好的发展前景。

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