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锂电池材料行业深度报告:汽车电动化浪潮已至锂电材料乘势而起

  在主要经济体扶持政策加码、传统车企相继布局的催化下,电动车技术不断迭代、成本持续优化, 2020

详细介绍

  在主要经济体扶持政策加码、传统车企相继布局的催化下,电动车技术不断迭代、成本持续优化, 2020 年全球电动车销量突破 324 万辆,市场份额大幅提高 1.7pcts 至 4.2%, 过去 5 年 CAGR 达 43.0%。锂电池作为电动车核心部件,需求随之猛增, 2020 年全球动力电池装机量达 137GWh(过去 3 年 CAGR 约 32.3%)。电芯材料(含正极材料、负极材料、电解液和隔膜)是电池核心,占比电池完全成本约 46%,预计 2020 年规模超 200 亿美元。中国是全球最大新能源车市场(2020 年市场份额 41.3%),已建立具备国际竞争力的全产业链, 一批本土锂电材料巨头有望应运而生,行业也迎来化工龙头的战略布局。

  正极材料:磷酸铁锂与三元材料齐头并进,龙头依技术和客户优势脱颖而出。正极材料直接决定电池续航里程与电化学性能,占比电池材料成本约 40-44%。2020 年国内正极出货量 51 万吨(同比+26.2%),产值达 550 亿 元。磷酸铁锂成本与寿命领先,三元材料以比容量见长,预计未来将并存发展,长期看三元材料更具潜力。当前正极行业格局持续优化,低端产能出清。未来高镍低钴化下,当升科技等龙头有望加速发展。

  负极材料:以人造石墨为主,当前竞争格局较优,降本提容是方向。负极 材料成本占比约 10-12%,2020 年国内出货量 36.5 万吨(同比+37.7%), 产值达 130 亿元。当前人造石墨凭综合性优势占据负极材料主导地位,行 业未来或向高容量硅碳负极发展。全球负极产能前五名有四家中国企业, CR5 达 65.9%。

  电解液:差异化配方是核心,成本有望进一步优化,领先企业出货量与份 额不断增长。电解液由溶质、溶剂、添加剂组成,占比电池材料成本约 10-12%,但对电池性能影响较大。2020 年国内电解液出货量为 25 吨(同 比+36.6%),产值达 115 亿元。国内电解液行业 2020 年 CR3 达到 61.4%。

  隔膜:高门槛保障较好的格局和盈利能力,龙头份额持续提升。隔膜占比 电池材料成本约 10-14%,2020 年国内隔膜出货量为 37.2 亿立方米(同比 +35.8%),产值约 50 亿元(仅基膜)。相比其他电池材料,隔膜技术门槛更高、企业毛利率亦高于其他电池材料。隔膜行业格局较好,龙头企业市占率领先,且随着扩产与外延收购份额持续提升。

  政策助力下,中国新能源车产业具有先发优势。我国是全球率先推广新能源汽车的国家之一。从国内新能源车产业相关政策布局来看,国内早在 2012 年就已开始对新能源车产业施以大力的政策扶持。在各类政策鼓励、持续的财政和地方补贴下,中国已成为全球规模最大的新能源车市场,国内新能源车产业具有先发优势。

  2020 年国内新能源车市场重回高增长,未来渗透率提升空间依然巨大。根据中汽协数据,2019 年以前国内新能源车销量同比增速基本保持在 50%以上;2019 年, 受宏观经济下行、“国六”标准实施、新能源车补贴退坡等因素影响,国内汽车销售受到冲击,新能源车销量同比增速首次下滑(同比-4.00%);2020 年,虽然汽车市场受到疫情冲击,但随着补贴退坡政策被消化,叠加终端新能源车企的成熟优质车型发布,国内新能源车销量实现逆势增长 13.38%。

  综合来看,政策驱动叠加新能源车产业逐步成熟,过去五年间(2015-2020 年)国内新能源车销量保持复合增速 32.80%的增长。但与此同时,中国作为全球最大的新能源车市场,新能源车渗透率依然仅约 5.4%,未来空间巨大。

  碳排放政策高压,欧洲汽车产业面临转型,新能源车产业迎发展机遇。2014 年 4 月 24 日,欧洲环境署宣布了针对欧洲汽车工业的最新的二氧化碳排放法规;2019 年,欧盟委员会在布鲁塞尔公布了应对气候变化的“欧洲绿色协议”,提出到 2050 年欧洲在全球范围内率先实现“碳中和”(即二氧化碳净排放量降为零),政策施 压给欧洲传统汽车产业带来了巨大的转型压力。根据第一电动网数据,欧洲 12% 的二氧化碳排放来自于汽车,因此相关国家与地区纷纷出台强有力的政策支持新 能源车发展。

  燃油车限制+新能源车补贴,政策驱动下,欧洲新能源车产业快速增长阶段或已到来。在政策上,欧洲采取欧盟委员会制定了严格的汽车排放新规,并对欧盟各 国的排放情况进行监督,目前欧盟多国已颁布禁止燃油车措施与计划;另一方面, 各国陆续颁布额度较大的补贴政策扶持新能源车产业,尤其是 2020 年以来,由于 新冠肺炎疫情对经济形成巨大冲击,欧洲各国进一步加强补贴刺激新能源车消费。 汽车产业是欧洲支柱产业,碳排放指标限制叠加新能源车补贴政策驱动下,欧洲 汽车产业逐步转型,预计未来欧洲地区的新能源车渗透率将迎来快速增长。

  新能源车产业技术逐渐成熟,电池续航提升、成本下降。相比传统燃油车,新能源车的能源更加清洁、驾驶体验也具有一定优势。同时,在产业链相关企业和学术界的共同努力下,全球新能源车产业链的技术不断成熟,其中核心部件动力电池的续航不断提升、成本持续下降。

  传统车企全力推进电动化战略。在政策推动下,尤其随着欧盟最严碳排放法规的新阶段临近,目前全球主流整车厂已纷纷加码电动车布局,大众、宝马、戴姆勒等传统厂商电动化新车型规划密集。

  全球新能源车迎来高速发展。外部环境来看,全球主要经济体对新能源车产业不断施以强有力的政策刺激;产业链来看,传统车厂强势布局,造车新势力日渐成熟,新能源车技术不断完善。多重因素推动下,全球新能源乘用车销量快速增长, 其中中国为最大市场,欧洲地区凭借强有力政策刺激近两年增长迅猛。

  动力电池需求持续增长,中国是目前全球最大市场与供应国。动力电池是新能源车的核心部件,占比整车成本约 40%。受益近年来新能源车产业的持续发展,全球动力电池装机量保持增长;在动力电池的持续增长推动下,锂电池整体市场规模迎来增长。根据赛迪智库数据,2019 年全球与国内锂电池市场规模分别达到 3100 亿元(约 450 亿美元)与 1750 亿元(约 250 亿美元)。

  2020 年下半年以来,全球动力电池需求随下游新能源车产销量增长而快速增长。 2020 年全球动力电池装机量为 137GWh(同比+17.5%,近 3 年 CAGR 到+32.3%); 其中中国是目前全球最大动力电池市场,2020 年实现动力电池装机量 63.6GWh (同比+2.0%,近 3 年 CAGR 达到+20.6%)。供给方面,中国也是目前全球最大的 动力电池供应国,2020 年全球动力电池出货量为 213GWh(同比+33.9%),国内 动力电池出货量为 80GWh(同比+12.68%)。

  国内电池企业目前已确立全球领先地位。目前,以 CATL、比亚迪为代表的国内 电池龙头企业,凭借在锂电池领域的前瞻布局与持续深耕,同时依托国内领先的 新能源车市场以及完备的锂电产业链体系,已经确立全球领先地位,无论是技术 还是规模都已达到全球领先水平,产品已进入国内外主要新能源整车厂的供应链。 具体来看,2018-2020 年全球动力电池装机量前十名的企业中,国内企业始终占据 半壁江山,其中宁德时代位居榜首。根据 SNE Research 最新数据,2020 年宁德时 代动力电池在全球市场的装机量为 34GWh,市占率 24.8%,继续稳居榜首;LG 化学依托海外新能源车市场的快速增长跃居第二位。

  未来五年锂电池产能预计将持续快速扩张。随着国内外新能源车产业的高速发展, 下游对于动力电池需求旺盛,主流电池厂商纷纷公布扩产计划。根据现有扩产计划,预计到 2025 年之前主流锂电池的整体产能将超过 544GWh。

  电池材料是决定锂电池性能的关键。锂电池的电芯材料(简称“电池材料”,下同) 包括主材正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大材料以及导电剂、粘结剂等其他辅材。锂电池的充放电过程即锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程。在电 池放电时,负极材料中的锂原子会脱插成为锂离子,通过电解液,嵌入正极;而 在充电时,正极材料上的锂离子会发生脱嵌,经过电解液,在负极被还原成锂原 子嵌入到负极材料中。而在整个充放电过程中,电池材料对于电池的容量、充电 速度、安全性等均有直接且重大的影响,是决定锂电池性能的关键。

  四大电池材料占比动力电池完全成本约 46%。根据 AVICENNE ENERG,电池材料合计成本约占比锂电池完全成本的55%-65%,其中四大材料占完全成本约46%。 四大材料中,正极材料成本占比最高,占比完全成本约 24%,负极、电解液与隔膜的成本均占比完全成本的 7%-8%。

  受益下游新能源车旺盛需求,国内电池材料市场规模迎来增长。2016 年以来,国 内新能源车的快速发展带来了锂电材料需求的持续增长,其中正极材料和负极材 料市场规模均保持在 30%以上的增速,电解液与隔膜虽然出货量保持高增长,但 由于价格下滑市场规模稳中有降。受益于下游动力电池出货量的持续增长,根据 我们测算,预计 2020 年我国四大锂电材料产值约 850 亿元。

  电池材料行业格局正迎改善。由于国内锂电池材料发展时间较短,同时低端产品 进入门槛相对较低,因此行业前期经历了群雄并起、供给过剩的时代。但随着行 业发展,目前领先企业与落后产能在规模、技术等方面的差距不断拉大,领先厂 商与下游电池龙头绑定,份额不断扩大,行业格局逐步优化。另一方面,2017 年 以来新能源车补贴退坡导致动力电池市场增速放缓,产业链相关企业盈利下滑, 中小产能的出清及整合持续进行,国内电池材料行业竞争格局由前期的无序竞争 逐步好转,行业回归理性。

  正极材料作为锂离子电池的重要组成部分,是电池材料中规模最大、产值最高的 环节,占比电池完全成本约 24%、占比材料成本约 40-44%,正极材料对于下游动 力电池与新能源车的成本影响巨大。

  正极材料的关键指标包括比容量、循环性能(寿命)、成本、安全性等。正极材 料作为电池的核心部件,对电池的能量密度和循环寿命等指标有重要影响,其容 量大小直接影响锂电池能量密度,循环性能直接影响电池的使用寿命。理想的锂 电池正极材料需要有较大的比容量、循环寿命长、出色的低温和倍率特性、较高 的安全性和环境友好度以及较低的成本等特性。

  (1)早期钴酸锂阶段:最早的商业化正极材料,适用于消费电子,成本较高。最早的正极材料为日韩企业开发的大容量钴酸锂,其理论容量达到 274 mAh·g-1, 同时压实密度在产业化的正极材料中最高,制备的电池拥有较高的体积能量密度,因此在电池体积能量密度要求苛刻的消费电池市场具有较为成熟的应用。但其存 在成本过高、高电压下材料结构稳定性较差、实际比容量与理论比容量差距较大 (实际容量仅约 140 mAh·g-1)等问题,无法满足动力电池的要求。

  (2)锰酸锂和磷酸铁锂阶段:降低成本,采用比容量稍低的材料。为了降低正极材料的成本,锰酸锂和磷酸铁锂正极迎来发展。虽然在理论比容量上,锰酸锂和磷酸铁锂均低于钴酸锂,但一方面其制备的电池能量密度能基本满足下游要求, 另一方面,两者原材料来源丰富、成本低廉、安全性出色,对续航要求低、成本 敏感的下游应用较为友好。其中锰酸锂循环寿命较短,主要用于电动工具、混动 电动车和电动自行车等领域;而磷酸铁锂综合性能优于锰酸锂,因此在新能源商用车动力电池和储能电池领域占据主导地位。

  (3)三元材料阶段:容量提高,成本抬升。为了降低钴酸锂的成本,用镍代替钴 的“镍酸锂”正极凭借更低的成本、更高的比容量开始得到应用,但其存在制备困 难、材料结构不稳定、电池循环性能差等较难解决的问题,于是钴和锰掺杂的 NCM 三元材料得到应用。另一方面,随着消费者对于新能源车续航里程的要求日益提 升,理论比容量更高的三元材料渗透率快速提升。与钴酸锂相比,由于钴元素用 量较少,三元材料成本较低;而与锰酸锂、磷酸铁锂相比,其具有更高的比容量, 逐渐成为新能源乘用车主流选择,但其具有成本较高的劣势。

  目前动力电池主流正极材料为磷酸铁锂和三元材料。随着下游新能源车渗透率的 提升,过去几年正极材料的出货量保持快速增长。2020 年国内正极材料的出货量 达到 51 万吨,同比增长 26.2%,近 5 年的复合增长率达到 35.2%。由于成本与比 容量兼顾,磷酸铁锂和三元材料是目前主流正极材料。

  三元材料凭高比容量占据主流,磷酸铁锂依托成本优势出货量回升。由于前期政 策补贴倾向长续航里程的新能源车,比容量更有优势的三元材料出货量从 2015 年的 3.65 万吨(占比 32%)跃升至 2020 年的 23.6 万吨(占比 46%)。但随着新 能源车补贴退坡、电池企业降本压力增大,以及储能等领域的需求快速上升, 2019-2020 年低成本的磷酸铁锂出货量占比在下跌三年后迎来持续回升,2020 年 出货量达 12.4 万吨(同比+40.9%),占比提升 3pcts 到 25%。

  2020 年正极材料均价处下滑态势,需求向好带动当前价格回升。由于正极材料生 产成本下降,同时补贴退坡导致的新能源车全产业链面临降本压力向上游传导; 另一方面,正极材料集中度较低,与下游议价能力相对较弱,2020 年全年正极材 料均价呈现下滑态势。2020 年 Q4 以来,受终端新能源车旺盛的需求驱动,正极 材料供需趋紧,价格从底部回升。

  磷酸铁锂具有成本低廉、安全性高、循环寿命可以达到与车辆运行生命周期相当等诸多优势,一度被认为是理想的电动车正极材料,但其能量密度的上限较低, 导致其应用受到一定程度的限制。

  磷酸铁锂制备工艺主要采用高温固相法合成。从制备工艺来看,磷酸铁锂的制备 有高温固相反应法、碳热还原法、喷雾热解法、水热法等,其中高温固相反应法 是目前发展最为成熟也是使用最广泛的方法。通过将磷酸铁、锂源和包覆剂混合 研磨并在氮气中烧制后,经后处理得到产物磷酸铁锂。高温固相法合成工艺简单, 制备条件易控制,但存在晶体尺寸较大、粒径不易控制、分布不均匀、形貌不规 则等缺点,导致产品倍率特性较差。

  磷酸铁锂的原材料成本大幅低于三元材料。正极材料的产品定价模式较为成熟,一般采用“原材料成本+其他制造成本+正极材料企业毛利”的定价模式,其中 原材料的成本占比约 90%,因此原材料成本很大程度决定了正极材料的成本。

  对比来看,磷酸铁锂的原材料主要由锂源(碳酸锂)、铁源(亚铁盐)和磷源(磷 酸盐)构成,主要原材料价格均较低。常规三元材料(如 NCM111,NCM523 和 NCM622)的锂源也是碳酸锂,而高镍三元材料(NCM811)的锂源则是一水合氢 氧化锂;三元材料的其他原材料主要包括镍盐、钴盐和锰盐, 其中硫酸镍和硫酸 锰价格较低且波动稳定,但硫酸钴的价格较高且波动大,对三元材料成本影响较 大,直接导致使用三元材料成本大幅高于磷酸铁锂。

  自燃温度较高,燃烧速度缓慢,磷酸铁锂安全性能领先。一般而言,磷酸铁锂自 燃温度高达 800℃,除极端情况外,发生自燃概率相对较低。此外,磷酸铁锂高 温分解不会释放氧气,因此即使发生自燃,燃烧速度也较缓慢。而三元电池的自 燃温度为 200℃,且分解时会释放氧气,与电池里可燃的电解液、碳材料一同被 点燃,加剧材料燃烧,甚至引发爆炸。对比来看,磷酸铁锂电池的自燃像是“煤” 的燃烧,三元电池的自燃像是“火药”的爆炸,磷酸铁锂安全性能更高。

  磷酸铁锂材料稳定,理论循环寿命较长。由于磷酸铁锂晶体中的 P-O 键稳定性好, 锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大,故而具有良好的可逆性,理论循环寿命 较长。另一方面,国内的磷酸铁锂厂商已拥有成熟的制造工艺,可最大限度地发 挥其优势,实现电池在实际使用中也具有较长的循环寿命。

  三元正极材料分为 NCM(镍钴锰)和 NCA(镍钴铝)两个体系,其中国内三元 材料以 NCM 为主,日韩以 NCA 为主。NCM 材料中,根据镍钴锰三种金属含量 的比例不同,主要分为 NCM333、NCM523、NCM622 和 NCM811,其中 NCM811 与 NCA 属于高镍三元材料。理论上,材料中镍的含量越高,材料比容量越大, 相同条件下,对应电池的能量密度也越高。

  从制备工艺来看,三元前驱体的制备技术壁垒相对较高。三元正极材料的生产主 要包括前驱体制备、烧结、包装等工序,其中前驱体的性能直接决定了烧结后三 元材料的理化指标。目前三元前驱体的制备主要采用氢氧化物共沉淀法,通过将 硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰、氢氧化钠、氨水等原料按一定比例置于反应釜中,使 盐、碱发生中和反应生成三元前驱体晶核并长大。由于在反应过程中需控制盐、 碱、氨水的浓度、原料加入速率、反应温度、PH、搅拌速率、反应时间、浆料固 含量等多个指标,因此前驱体制备是三元材料制备过程中壁垒较高的环节。

  三元材料理论比容量较大,对应电池体系能量密度更高。一般而言,三元材料 NCM 的理论比容量在 278mAh·g-1 左右,实际比容量根据 Ni 含量不同在 150-220mAh·g-1 之间,且受限技术成熟度的限制,国内三元材料出货仍以 NCM523 为主,因此其 理论性能极限远未到达。磷酸铁锂理论比容量为 170mAh·g-1,实际比容量在 140-160mAh·g-1,对应电池的能量密度在 130-150 Wh·kg-1,提升空间相对有限。

  优势各显,国内磷酸铁锂和三元材料将并存发展。当前动力电池正极材料的应用 来看,在商用车和专用车动力电池领域,磷酸铁锂凭借成本优势与安全性牢牢占 据主流;三元材料电池的能量密度更高,对应电动车的续航里程更长,但其成本 高于磷酸铁锂,安全性与电池寿命也逊色于磷酸铁锂,因此在对续航要求较高、 价格敏感度相对较低的乘用车领域占比较高。

  由于目前国内三元材料的主要出货产品为 NCM523,能量密度优势相对磷酸铁锂 较小;且部分电池厂商通过改进电池设计方案等方式提升磷酸铁锂电池实际能量 密度,如比亚迪的刀片电池技术、宁德时代的 CTP 技术、国轩高科的 JTM 技术 等,有效缩小了磷酸铁锂电池三元电池在能量密度上的差距。我们认为,在动力 电池领域,在当前下游补贴退坡成本敏感度提升、高镍三元技术尚未完全成熟的 情况下,磷酸铁锂将与三元材料并存发展。

  长期看,三元材料理论性能更优,高镍无钴化趋势下,未来发展空间更大。由于 磷酸铁锂的理论比容量上限较低,目前实际比容量已经接近理论上限,未来提升 有限。而近年来三元材料高镍无钴化技术不断优化,高镍化通过增加镍元素含量 提升材料的比容量,以提升电池能量密度(如宁德时代的第二代 NCM811 电池能 量密度已到达 304 Wh·kg-1);无钴化通过降低钴含量,有效降低材料成本。随着 三元材料高镍无钴化,电池能量密度及生产成本将持续优化,我们认为长期来看 三元材料在动力电池领域发展空间更大。

  正极材料进入门槛较低导致行业竞争激烈、集中度分散。一方面,由于正极材料 在锂电池中的成本占比较高,是四大电池材料中市场空间最大的品种;另一方面, 低端正极材料的工艺成熟,进入门槛较低,因此国内正极材料行业竞争激烈,行 业内企业较多,上游锂、钴企业和下游的电池企业等新进入者也在竞相布局,导 致行业集中度较低。2018 年整体正极市场的 CR5 为 34%,CR10 为 57%。

  磷酸铁锂行业格局好于三元材料。正极材料中,磷酸铁锂由于先前供给过剩价格 下跌,行业经历洗牌,行业内企业数量较少,头部企业在技术、规模、成本和客 户粘性上均更具优势。2019 年磷酸铁锂行业出货量 CR5 已达到 83%。相比于磷 酸铁锂,三元材料行业的集中度较低,领先企业优势不明显,2019 年的出货量 CR5 为 44%,行业主要企业超过 15 家。

  正极材料产品差异化,行业格局优化。一方面,由于正极材料对于锂电池性能的 影响巨大,随着国内锂电池技术的发展,下游客户对正极材料的性能要求越来越 高,高电压、高倍率等技术领先的产品需求持续增长。另一方面,随着高镍无钴 化趋势以及领先企业的高电压、高倍率等产品逐步成熟,正极材料的行业竞争格 局正在逐步分化,高低端产能的产能利用率差距拉大。

  具体来看,领先企业产品产销更有保障,其依托技术优势绑定宁德时代、比亚迪、 LG、松下等下游电池大客户,市占率也随着电池行业的马太效应而逐步提升。技 术领先优势与大客户优势带动高端正极材料产能接近满产满销,而同质化竞争的低端产能则出现过剩情况,产能利用率相对较低,头部企业有望脱颖而出。

  负极材料为锂电池另一重要材料,目前以石墨材料为主。负极材料是电子流出的 一极,约占锂电池完全成本的 7%,占原材料成本约 10-12%。负极材料比容量大 小对锂电池能量密度亦有重要影响,石墨材料凭借较高的稳定性和较低的成本, 同时与正极、电解液具有良好的相容性等性能,是目前主要的负极材料,而碳硅 复合材料因比容量优势明显,是目前学术界和产业界正在探索的新型负极材料。

  负极材料发展历史包括针状焦、MCMB、石墨、硅碳复合材料等材料。综合来看, 提升比容量、降低成本、延长循环寿命是负极材料突破的方向。

  (1)中间相碳微球(MCMB)是早期的商业化负极材料。以索尼为代表的锂电 池产商最早以针状焦作为负极材料。上世纪 90 年代,大阪煤气公司研发的 MCMB 成功应用于锂电池负极替代了第一代负极材料针状焦。MCMB 具有倍率性能好、 首圈库伦效率高等优点,但其制备过程复杂且产率偏低,导致成本高企,尤其是 早期仅少数日系厂商生产时,价格高达 50-70 万元/吨。但随着国内厂商杉杉股份 与天津铁城(2008 年被贝特瑞收购)相继在 2000 年及 2001 年实现 MCMB 的量 产,价格大幅下跌。

  (2)人造石墨和天然石墨已发展成当前主流的负极材料。由于 MCMB 材料成本较高,同时下游对电池能量密度的要求日益提升,MCMB 逐渐被其他成本更低、 性能更好的材料所取代。从国内来看,首先是贝特瑞率先完成国产化的改性天然石墨,改性天然石墨比容量高、成本低廉,但结构不稳定、与电解液相容性较差、 循环寿命也较差。2005 年杉杉股份与鞍山热能研究院共同开发出以焦炭(石油焦与针状焦)为原料的商业化人造石墨产品,相较于天然石墨和 MCMB,循环性能优于天然石墨而成本低于 MCMB,已成为目前应用范围最广,出货量最多的负极材料,而国内企业也凭借国产化实现了在负极材料领域全球份额领先。

  (3)硬碳、软碳和钛酸锂(LTO)优缺点突出,在部分领域使用,改性是主要方向。相较综合性能较好的人造石墨,硬碳、软碳和 LTO 优缺点突出:

  硬碳(难以石墨化材料)低温性能、循环性能较好、容量提升空间大,但首次效 率较低、压实密度低,适用于混合动力汽车中的高功率动力电池。

  软碳(2500℃以上的高温下可石墨化材料)具有对电解液适应性强、循环较好成 本低等优点,但与硬碳类似,软碳同样具有首圈不可逆容量较大、压实密度低导 致电池能量密度受限等问题,因而被考虑用于储能电池和混动电池领域。目前对 于无序碳的应用一方面主要扬长避短用在特定的领域中,另一方面,则是借助包 覆和掺杂等方法改善其电化学性能,以使其可以更好地应用于其他领域。

  钛酸锂(LTO)循环性能与安全性能优异、倍率性能亦佳,在动力电池和储能电 池方面有着很大的优势;但其比容量较低、低温性能较差、大倍率时容量衰减严 重,以及嵌锂态会与电解液发生反应导致胀气,限制其大规模使用。

  (4)硅碳复合材料、复合金属锂等仍在突破中。当前石墨负极材料的比容量已逐 渐趋于理论值,如目前部分厂家石墨负极产品比容量可达到 365mAh·g-1,而石墨 的理论比容量为 372 mAh·g-1。为提高锂电池的能量密度,新型负极材料正在开发。

  硅碳复合材料:比容量可高达 900 mAh·g-1,同时还具有储量丰富、原料成本低等 优点,是当前最有前景的下一代负极材料,是各大企业和科研院校关注重点。尤 其随着动力电池能量密度要求的提高,硅碳负极搭配高镍三元材料的体系渐成发 展趋势。但当下硅碳负极工艺尚不成熟,首周效率低、体积膨胀等问题无法解决, 因此企业目前多采用在石墨负极材料中掺杂少量硅碳材料进行改性。

  复合金属锂:比容量高、体积膨胀的控制也相对容易,是高能量密度锂电池理想 的选择,但目前技术仍无法解决与电解液的相容性以及安全性等问题,距离大规 模产业化仍有距离。整体上,目前新型负极材料仍处于研发阶段。

  受益动力电池需求高增长,负极材料出货量保持高增长。目前负极材料出货产品 主要以石墨化碳材料为主,包括人造石墨和天然石墨。受下游动力电池出货量的 增长带动,2020 年国内负极材料的出货量为 36.5 万吨,同比增长 37.7%,近 5 年 复合增长率为 38.0%。

  人造石墨是目前出货量最大的负极材料。在负极材料的选择中,人造石墨虽然成 本较天然石墨更高,但凭借出色的性能、与正极材料及电解液更好的匹配在动力 电池中占据绝对主流;天然石墨主要用于消费电子和储能领域。2020 年人造石墨 出货量达到 30.6 万吨,占负极材料总出货量的 84%,同比进一步增加 5pcts。

  全球负极材料产能主要在中国。2018 年全球负极材料行业的 CR3 为 43.1%,CR5 为 65.9%。在市占率前五的负极材料供应商中,仅日立化成为日本企业,贝瑞特、 杉杉股份、江西紫宸和凯金能源均为中国企业。自 2010 年国内拥有低成本优势的 贝特瑞、杉杉股份等负极材料企业突破技术瓶颈开始,国内负极材料企业便替代 日本企业,逐步占据了全球主流地位。

  国内负极材料集中度较高,竞争格局较好。目前国内的负极材料行业集中度较高, 2018 年负极材料 CR3 和 CR5 分别达到 57.8%和 77.1%。其中人造石墨集中度更高, CR3 达到 62.4%,江苏紫宸、凯金能源和宁波杉杉占据领先地位;而贝特瑞则盘 踞天然石墨龙头地位,市场份额超 60%,在人造石墨领域市场份额位居第四。

  龙头企业较快扩产,规模优势进一步巩固。近两年来,随着新能源车市场的全球 蓬勃发展,国内中高端负极材料供给面临短缺,主流负极材料厂商纷纷扩建产能。 未来行业内新增产能较多,但主要集中在领先企业手中,贝特瑞、杉杉股份、璞 泰来、凯金能源等四家企业扩产产能占比总扩产产能 82.2%,龙头企业规模优势 有望进一步巩固。

  领先企业一体化布局降本,格局有望进一步优化。从人造石墨的成本构成来看, 原材料成本占比约 40%-45%、石墨化加工费用占比约 50%、人工与制造费用占比 约 5%-10%。头部企业一方面在黑龙江、内蒙古等煤炭资源所在地建立工厂,致 力于原材料端的成本降低,同时抢先布局天然石墨在储能等领域的应用;另一方 面,通过自建石墨化、炭化工厂进行一体化布局,并依托规模化与高效生产实现 降本增效,进一步巩固领先优势。

  根据高工锂电预计,2019 年石墨化委外加工的市场均价在 1.8-2.2 万元/吨,而自 建石墨化加工的成本在 1.2-1.4 万元/吨,成本降幅可达到 30%。在产业链普遍面 临降本压力的情况下,领先企业通过一体化布局降本将进一步扩大优势,行业格 局有望持续优化。

  电解液在电池正负极之间发挥离子导电功能。电解液是锂电池四大关键材料之一, 作为离子导体在电池正负极之间发挥离子导电功能,对电极/电解液界面的性能具 有重要调控作用,通常成本约占电池成本的 7%,材料成本的 10-12%。电解液性 能直接影响锂电池的高电压特性、充放电倍率、循环寿命、安全性等关键性能。 一般而言,理想的电解液需要有高电导率、较宽的适应温度范围(-40℃ ~ +80℃)、 循环稳定性可达数千次、与正负极相容性好、无污染、低成本、安全性高等特性。

  国内电解液发展速度快,已基本实现完全国产化。全球锂电池电解液的供应商主 要集中在中、日、韩三国。日韩厂商主要供应本土企业和部分在华的日资和韩资 企业。国内电解液产业起步晚于日本和韩国,但随着技术突破与积累,当前国内 已经成为全球最大的锂离子电池电解液生产地。根据高工锂电数据,目前电解液 国产化率已超过 98%,只有少量依靠进口。

  电解液价格跌势趋缓,出货量同比高增长。2020 年国内电解液出货量为 25 万吨, 同比增长 36.6%,保持快速增长,其中动力电池电解液占比 35%,仍是下游最大应用领域。2020 年 Q4 以来,随着全球新能源车市场的进一步蓬勃发展,前期扩 产的六氟磷酸锂产能被逐步消化,电解液及上游原材料供需再次趋紧,产品价格 结束前几年的跌势迎来反弹。

  受目前技术限制,当前锂离子电池以液态电解液为主,主要由溶质、溶剂、添加 剂在一定条件下按照一定比例配置而成。

  溶质是电解液的关键组成,主要为锂盐,分为无机锂盐与有机锂盐。溶质主要作 用为提供锂离子在电极之间提供传输,其占比电解液成本约 50%。溶质的主要成 分为锂盐,按照阴离子种类不同可分为无机阴离子锂盐和有机阴离子锂盐两大类。 无机阴离子锂盐主要包括 LiClO4、LiBF4、LiAsF6和 LiPF6 等,有机阴离子锂盐主 要包括 LiCF3SO3、LiFSI、LiBOB 等。

  性能、安全与成本是溶质锂盐三大要求。一般来讲,锂盐作为溶质须满足在有机 溶剂中的离子迁移率和解离常数适中、电化学稳定性和热稳定性高、与其他电池 组件相容性高、抗氧化性能和铝箔钝化性能优异等要求。此外,在商业应用上, 价格也是溶质的重要评价指标。

  六氟磷酸锂为目前主流溶质。相比其他电解质,六氟磷酸锂由于在常用有机溶剂 中具有适中的离子迁移数和解离常数、较好的抗氧化性能和、铝箔钝化能力,又 与多种正负极材料具有较高相容性,同时相较于新型锂盐,六氟磷酸锂工艺成熟, 成本相对较低,因此是目前使用最广泛的电解质。

  2011 年之前,国内六氟磷酸锂产能有限,市场被日韩企业占据。早在 2004 年之 前,由于技术限制,六氟磷酸锂为日韩企业所垄断,包括日本的瑞星化工、森田 化学、关东电化、中央硝子等,韩国的蔚山等。国内六氟磷酸锂的突破始于 2005 年的天津金牛 80 吨装置投产并进入索尼供应商体系。但此后国内虽有多家企业进 行 3000-5000 吨级的布局,但直到 2011 年之前都无产业化产品,且不能满足下游 电解液厂商的要求,市场仍主要被日韩企业占据。

  2011 年开始,国内磷酸铁锂技术突破,产能扩张价格下滑。国内六氟磷酸锂厂商 从 2009 年开始逐步实现技术突破、自主生产,以多氟多、九九久为首的国内厂商 成功实现磷酸铁锂的量产。此外,海外厂商技术逐步完善,产能持续扩张,以当 时的全球龙头日本森田化学为例,其产能从2005年的200吨到2010年已突破1000 吨;到 2011 年,全球六氟磷酸锂产能约 8500 吨(同比+77%),产能大幅扩张带 动价格持续下滑,2008 年时六氟磷酸锂价格约 35 万元/吨,到 2015 年最低点时已 跌破 10 万元/吨。

  2015Q4-2016Q2,新能源车需求爆发带动六氟磷酸锂价格反弹,但随后国内大幅扩产,其价格进入下行期。2015 年开始,国内新能源车的快速发展带来强劲需求, 六氟磷酸锂过剩产能被逐渐消化,供需趋紧带动产品价格上涨,到 2016 年上半年 回升至 40 万元/吨。快速提升的价格驱动六氟磷酸锂厂商再次进入扩产周期,2016 年下半年,包括永太科技、九九久、石大胜华、比亚迪、杉杉股份等多家公司分 布新产能投产/规划公告。2017 年开始,六氟磷酸锂新增产能迎来释放,供给过剩 导致价格持续下滑,至 2020 年 8 月最低点时价格仅 7 万元/吨。

  国内六氟磷酸锂过剩产能被消化,价格已从底部反弹。2020 年以来,在中国、欧 洲和美国等市场的强劲需求支撑下,全球新能源车销量快速增长,对电解液需求 亦迎来上升。2020 年 9 月份以来,六氟磷酸锂再次陷入供不应求阶段,价格从底 部反弹并持续走高。

  高镍化趋势下锂盐性能要求提升。随着三元材料高镍化趋势到来,动力电池对电 解液的要求不断提高。传统锂盐六氟磷酸锂由于受热易分解以及遇水易潮解,在 高镍三元电池中的应用受到限制,需要开发高压、高安全性的新型锂盐方向发展。

  LiFSI 作为添加剂有效提升电解液性能,目前添加比例持续上升。LiFSI 作为新型 锂盐,可以提高电解液电导率、高低温性能和耐水解性,同时还具有抑制气胀、 安全性能高等优点,具有广泛应用前景。由于技术难度大、成本高,因此 LiFSI 尚未直接用作溶质锂盐,而是作为溶质添加剂与六氟磷酸锂混用,用于三元动力 电池电解液之中以改善性能。

  随着近年来 LiFSI 技术逐步成熟带来成本降低,同时早前对正极铝箔腐蚀等问题 得到解决,其用量已迎来显著增长。未来随着成本进一步降低,其有望取代六氟 磷酸锂成为新一代电解液溶质。LiFSI 的研发突破已成为目前电解液企业角逐的高 地,相关企业已经开始积极储备并导入 LiFSI 的应用,康鹏科技、天赐材料、新 宙邦等企业产能规模领先,永太科技、杉杉股份、氟特电池等企业亦有布局。

  溶剂占比电解液成本约 30%,占比质量约 80%。由于锂电池中负极使用高还原性 材料,正极使用高氧化性材料,因此溶剂需要极性非质子有机溶剂。此外,溶剂 还需要有较高的介电常数、较低的粘度、较高的电化学稳定性、低成本等特性。

  碳酸酯类为当下主要电解液溶剂主要产品。锂电池电解液溶剂主要为醚和酯两类, 其中醚类溶剂虽然粘度低、导电性好,但其电化学稳定性较弱,所占比例极小, 目前主要使用的溶剂主要以碳酸酯类为代表,包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯 (DMC) 、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)等。

  溶剂需进行多元复配以提升电池性能。由于单一溶剂体系不能满足电解液的性能 要求,因此实际生产中通常将环状碳酸酯(EC、PC)和链状碳酸酯(DMC、DEC、 EMC)按一定比例进行混合形成多元溶剂体系,从而与电池正负极进行更好的相容,提升电池性能。具体来看,不同电解液的使用条件、与电池正负极的相容性、 分解电压也不同。以三元体系 EC+DMC+EMC、EC+DMC+DEC 等为例,其循环 寿命、低温性能和安全性能方面更具优势;主流的 LiPF6/EC+DMC 二元体系与碳 负极相容性好、使用温度范围广、安全指数高、循环寿命和放点特性较好。 当前主流电解液溶剂为电池级 DMC,其由工业级 DMC 精馏得来,产品纯度要求 高、工艺难度较大、客户验证周期长,导致现阶段产能较为紧缺。当前国内电解 液溶剂 DMC 龙头企业为石大胜华。2020 年 Q2 以来,由于短期内供给紧张,DMC 价格一度大幅上涨至近十年新高。当前国内华鲁恒升、奥克股份等厂家也通过研 发突破布局切入电池级溶剂 DMC 领域。

  添加剂含量虽少,但是电池性能的重要影响因素。在锂电池中,电解液的作用除 了实现锂离子的传输外,也需要对电池的安全性、循环寿命等性能进行改善,其 中加入合适的添加剂是主要的途径。而添加剂因用量少(质量占比约 5%)、成本 低(成本占比约 10%)又能显著提高电池的某些宏观性能,受到企业的较高关注。溶质、溶剂和添加剂的差异化配方与产品质量为企业核心竞争力之一。电解液中 溶质和溶剂具有较高的趋同性,而溶质、溶剂和添加剂的三者的差异化配方则成 为了电解液厂商核心竞争力之一。另一方面,锂电池电解液添加剂种类众多,包 括SEI 成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂等。目前市场上 常用添加剂应用较为广泛,产品制备工艺相对公开,但是电解液添加剂对产品纯 度的要求较高,因此厂商的提纯工艺和品质管控能力亦为核心竞争力。

  传统液态电池性能,理论上固态电解质优势明显,是未来突破方向。传统液态电 池由于使用有机碳酸酯类作为溶剂,具有高活性、易燃烧等特性,而在充电过充、 过热和短路时极易发生自燃和爆炸。目前固态电池已经被公认为是发展下一代高 安全、高比能量的锂(离子)电池的关键技术。相比于液态电解质,固态电解具 有良好的安全性、优异的灵活性和可加工性,还可使电池具有更高的能量密度、 更好的安全性能;此外,固态电解质可实现隔膜与电解液一体化,降低成本。 从固态电池的发展路线来看,从传统液态电池到最终全固态电池的发展可以分为五大阶段:

  (2)凝胶态电池:电芯中液态电解质以凝胶电解质形式存在,实际仍属于液态电池范畴;

  (3)半固 态电池:一半是固体电解质,另一半是液体电解质;或者一端电极是全固态,另 一端电极中含有液体;

  (4)准固态电池:电芯中含有固体电解质和液体电解质, 液体电解质比例小于固体电解质;

  (5)全固态电池:电芯由固态电极和固态电解 质材料构成,在工作温度范围内,不含有任何液体电解质。

  固态电池体系中,隔膜将被取消,电解质可分三大体系。按照材料的不同,固态 电解质可分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系,其中氧化物体系和硫化物体系 为无机电解质体系。聚合物体系为目前技术较成熟的体系,但仍存在离子电导率 较低的问题;氧化物体系和硫化物体系技术难度较高,技术成熟度相对较低。

  正负极方面,全固态锂电池的正极材料与负极材料与传统液态锂电池基本相同。正极材料由电极活性物质、固体电解质和导电剂组成,其中活性材料发展与当下 正极材料高镍化、无钴化等路线基本一致。负极材料的研发突破目前主要集中在 金属锂负极、碳族负极和氧化物负极三大类,其中金属锂负极因其高容量和低电 位的优点是最为理想的全固态锂电池负极材料之一。

  固态电池当前仍有较多技术难题,产业化仍需等待。为应对新能源汽车越来越急 切的高性能需求,各国都已经开始布局高能量密度锂电池。在各国政策的引领下, 包括企业、高校、科研院所在内的众多机构都致力于实现固态电池的产业化。以 目前的技术进展来看,固态电池仍存在离子电导率低、界面阻抗大、制作成本高 等众多问题,因此我们认为短期内固态电池对于电解液和隔膜等电池材料的冲击 相对有限,产业化仍需等待。

  电解液行业格局持续优化。由于中低端电解液产能投资金额小、产能投建和复产 速度快,行业竞争较激烈。2017 年以来,电解液价格持续下滑,行业盈利恶化, 同质化的低端产能持续出清;领先企业凭借整体解决方案、自主生产关键原材料保障稳定的供给和优异的产品性能已进入宁德时代、比亚迪、LG 等海内外主要 电池企业供应链,实现市占率的提升与盈利能力的保持,行业格局持续优化。 具体来看,当前国内电解液主要厂商有新宙邦、广州天赐、江苏国泰、天津金牛、 东莞杉杉、珠海赛玮等,其中广州天赐、新宙邦与江苏国泰份额领先,且仍在持 续提升,CR3 从 2017 年的 43.9%提升至 2020 年的 61.4%,行业格局持续改善。

  隔膜是保障锂电池安全与性能发挥的重要材料。隔膜在锂电池中主要用于防止电 池短路,并提供锂离子传输通道,是保障锂电池安全与性能发挥的重要材料。

  目前隔膜主要基膜材料仍为 PE、PP。隔膜约占锂电池材料成本约 10-14%、完全 成本的 8%,主要材料为 PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯),具有高机械强度、优良的 电化学稳定性,且成本较低等特点,缺点是受热易收缩导致内部短路,因此需要 采用涂覆、浸渍、喷涂等方式改性,提升安全性、耐用性。

  一般而言,隔膜需要具有材料一致性好、厚度适宜、孔隙率与孔径分布合理、耐 热及耐电化学性好、机械强度高等特性,因此其工艺在四大材料中难度相对较大。 隔膜较高的技术门槛也造就了其在四大电池材料中较高的毛利率,对比行业主要 公司来看,相关上市公司隔膜业务的毛利率领先于其他三大电池材料。

  隔膜的生产工艺包括原材料配方和快速配方调整、微孔制备技术、成套设备自主 设计等。其中,微孔制备技术是锂离子电池隔膜制备工艺的核心,其分为干法单 向拉伸、干法双向拉伸和湿法工艺。

  干法单向拉伸:工艺成熟成本低,但产品性能略差。干法单向拉伸主要以 PP 为 原料,国外的干法单向拉伸原来由 Celgard 公司掌握,而后日本宇部公司向 Celgard 购买了该项技术;国内干法单向拉伸技术由星源材质在 2008 年成功突破。经过多 年发展,国内干法单向拉伸技术已非常成熟,国产化率较高,成本较低。但孔径 分布和孔隙率较难控制,隔膜也没法做薄。单向拉伸的隔膜在高温下易收缩甚至 熔化,威胁到电池安全。

  干法双向拉伸是单向拉伸的改进工艺,但成本较高。双向拉伸是单向拉伸的改进 工艺,其所制备的 PP/PE/PP(B-A-B 型)多层复合隔膜具有较高的机械强度和安 全性能。但双向拉伸技术难度较大,成本大幅提高,因此占比相对较低。湿法工艺难度大,产品性能更优。湿法工艺又称为热致相分离法,主要利用热致 相分离原理生产单层 PE 隔膜。湿法工艺最早由旭化成提出,与干法相比,湿法 工艺需要横纵双向拉伸,因而生产难度更高、工艺流程更长、且对设备要求精度 高,同时产品孔径也更加均匀、性能更出色,适用于大功率电池,在动力电池中 渗透率较高。但由于 PE 材料的低熔点特性,因此其容易受热收缩,需要进行涂 覆改性。国内恩捷股份率先突破湿法隔膜技术,目前具备成本与规模优势。

  国内隔膜出货量持续高增长。2020 年下半年以来,锂电隔膜出货伴随着终端新能 源车需求快速复苏实现快速增长。2020 年全年国内隔膜的出货量为 37.2 亿立方 米,同比增加 35.8%,近 5 年来出货量复合增速在 43.5%。

  湿法隔膜性能好于干法隔膜。早期锂电池主要用于消费电子领域,其对于隔膜的 性能要求较低,因此主要采用干法单向拉伸,但随着新能源车等下游领域的发展, 高倍率、高电压的动力电池需求持续增长,同时消费电池也趋向于具有高倍率等 快充特性,因此隔膜的选择倾向于孔隙率更高、透气性更好的湿法隔膜。

  随着湿法隔膜的成本持续下降,与干法隔膜的价格日益接近。近年来,隔膜国产 化进程不断推进,国内龙头厂商技术进步、良品率持续提升以及大幅扩产形成规 模优势,湿法隔膜成本不断降低。另一方面,目前国内 16μm 隔膜的干法和湿法 工艺价格已经分别降至 0.9 和 1.3 元/平方米,湿法隔膜与干法隔膜价差由 2017 年 的 2.5 元/平方米缩小至 0.4 元/平方米,干法隔膜的价格优势减弱。

  当前湿法隔膜为国内隔膜主流产品,并向薄层化以及功能化方向发展。2020 年湿法隔膜出货量达到 26.2 亿立方米,占比总出货量的 70.4%,占比同比下滑 2.2pcts, 主要系磷酸铁锂出货量增加带动干法隔膜需求量提升,预计未来湿法隔膜出货量占比将重回增长。此外,2020 年受锂电能量密度提升、三元动力以及钴酸锂数码电池出货量增长驱动,隔膜向薄层化以及功能化方向发展,7/9/12μm 隔膜占比提 升,其中 7μm 隔膜增长显著。

  隔膜行业格局较好,干法领域星源材质份额领先,湿法领域恩捷股份一家独大。干法隔膜领域主要是星源材质、沧州明珠、惠强能源、中兴新材四家份额较高, CR4 为 64%;其中星源材质份额领先,2019 年市场份额达到 31%。相比干法隔膜, 湿法隔膜集中度更高,2019 年 CR3 占比达 67%。

  2019 年国内隔膜龙头恩捷股份宣布收购苏州捷力 100%股权、中材科技收购湖南中锂 60%股权;2020 年龙头恩捷股份继续外延并购重庆纽米 76.3574%股权。行 业一超多强的竞争格局进一步巩固,恩捷股份成为隔膜领域绝对龙头,湿法隔膜 市占率近 60%。当前国内领先企业规划产能较多,随着新产能释放,公司规模化 效应进一步显现,成本优势扩大,与客户绑定进一步加深,行业线、相关企业分析(详见报告原文)

  新能源车推广不及预期;行业竞争加剧;锂电池技术出现重大变革。(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)