電動車電池介紹

作者: 陳冰瑤, PhD

投資分析師 – 材料及房地產

我們的研究團隊

過去十年裡,電動車與電動車電池及相關材料一併成為最具發展前景的行業之一。深入研究價值鏈能幫助我們更容易瞭解電動車行業的動態。在本文中,我們將討論陽極和陰極材料。

電池的陽極和陰極材料

電池是一種由陰極、陽極、電解質、空穴轉移隔離膜和其他子元件等多種基本元件組成的化學複合產品。陰極和陽極通過將化學能轉換成電能來提供能量。不同的電極會產生不同的化學反應,從而影響儲能量,以及放電/充電的速度。

陰極材料在過去十年間經歷了不斷創新。憑藉更高的能量密度電壓、更長的執行時間以及更容易製造,鋰離子成為如今的主流材料。陰極材料需要在能量密度、功率輸出、使用壽命、安全性和成本五個關鍵因素之間進行抉擇。具體來說,對於電動車電池,鋰鎳錳鈷氧化物/鋰鎳鈷鋁氧化物 (NMC/NCALiNiMnCoO2/LiNiCoAlO2) 和磷酸鐵鋰 (LFPLiFePO4) 就是實現了平衡這五個因素的兩種典型陰極類型(圖表2)。

由於具有較高的能量密度和較快的充電速度,石墨自20世紀90年代就開始作為陽極材料,所以陽極已經是相對成熟的行業。最初使用的是天然石墨,為保證均勻性,在2000年後開始採用合成石墨。

陰陽極行業的發展

Sony20世紀90年代初用碳酸鋰陰極和石墨陽極製造了第一塊鋰離子電池。受惠於電子產業的興起,日本開始了鋰離子電池的大規模生產,並引領該行業近10年。韓國和中國在2000年後陸續加入,並且隨著生產成本的降低和電動車產業的崛起,不斷擴大其市場佔有率

陰極是電池最大的成本項目,也是電池最重要的組成部分,因為它決定了電池的能量密度和輸出功率。因此,陰極經歷了快速升級和技術變革,特別是在全球電動車產業騰飛之後。這意味著上一代生產線的使用壽命短,需要持續投入研發資金。對於想要長期保持競爭力的陰極製造商來說,投資技術比短期的產能擴張更加重要。所以,儘管中國一直以超過60%的市場佔有率處於領先地位,但陰極行業仍高度分散,參與企業眾多。[1]

陽極由原油或煤炭製成。這就是日本石化公司能率先生產陽極的原因。但在過去,陽極對於日立化成等企業而言只是很小的業務,並未得到他們的重視。這也是中國能夠在幾十年後超越他們的關鍵原因之一。 

中國企業杉杉和貝特瑞,在2000年前後發現了大規模生產陽極的訣竅,並從那時起開始專注於陽極的創新和降低成本。與陰極不同,由於技術成熟穩定,陽極行業整合度高。2019年,中國全球陽極(天然和人工)市場佔有率83%以上,其中前五大企業的市場佔有率79%[2]

過去幾年裡,矽被引入到陽極化學中以進一步提高能量密度。松下的NCA 21700電池是基於5%的矽混合陽極活性材料。[3] 但由於其化學性質問題,電池的迴圈壽命仍然面臨挑戰。因此,石墨生產中良好的成本控制在未來幾年仍然是中國製造商保持競爭力的關鍵。

業務性質

以領先的陰極公司北京當升為例,原材料占總生產成本的85%,其次是製造成本(設備折舊和攤銷,以及公用設施)占10%,以及勞動力成本占1%[4] 顯然,陰極行業就像是使用化學製造技術的製造業,或是混合鋰化合物和鎳鈷錳化合物的組裝業。上游包括礦業和有色冶金公司,而下游包括電池製造商和電動車原始設備製造商(OEM)。金屬價格決定了陰極的價格,以及陰極製造商盈利能力。由於金屬價格是由下游電動車電池的需求和上游的礦業供應決定的,陰極製造企業的議價能力並不強。這也是為什麼在技術日新月異的當下,很難通過規模化生產降低成本來鞏固領先地位。因此,我們認為陰極部分的利潤不高。

與陰極不同,陽極由天然石墨或煤化學製品/石化製品製成。生產具有特殊物理或電化學性質的產品是典型的化工製造過程。上游供應商是基於石化或煤化路線的針狀焦製造商。以中國領先的陽極製造商寧波杉杉為例,原材料占總生產成本的35%,其次是製造成本(設備研發、電力和外包石墨化)55%,勞動力成本6-7%[5]   如圖3所示,石墨的主要應用方向是電弧爐鋼,這意味著電弧爐鋼的需求和上游供應很大程度上決定了陽極的原材料成本(針狀焦價格)。因此,高效的設備、低廉的電價和自主石墨化工藝成為具有成本競爭力的關鍵解決方案。在煤炭資源豐富的內蒙古等電力價格低廉的地區,由於這些地區能源密集,因此新增石墨產能有限已經在這些地區建立產能的企業具有先驅優勢。

電池材料前景展望

陰極材料正朝著更高的能量密度、更高的功率輸出、可接受的成本和安全範圍的方向發展。除重大技術創新外,陰極價值鏈的整合是實現商業成功的另一個重要趨勢。這將説明陰極製造商以及電動車電池製造商更好地控制成本,並獲得更大的市場影響力。事實上,作為中國領先電動車電池製造商的德時代一直積極投資於陰極供應鏈的各個環節,以優化其生產成本。對於純陰極製造商們來說,彼此的業務類似意味著他們需要強大的銷售渠道,並與領先的電動車電池生產商保持密切聯繫。此外,良好的融資渠道也是企業擴張和實現最終成功的必要條件。

對於陽極業務來說,能量密度、充電速度和成本是實現未來創新的主要決定因素。為實現前兩個目標,必須在碳元素能量密度的極限下引入新材料。除了設備改進、遷移到廉價電力地區和自主進行石墨化外,規模經濟也是降低成本的另一種方法。日本正率先在當前的碳結構中引入矽,這可能會改變當下的競爭格局。而中國企業在陽極創新上的不懈努力和多年的技術積累,使他們仍然有超的機會。