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全球视野下锂电池未来将迎来“高镍时代”

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发布日期:2017-08-18   我要评论(0)
核心提示:日前,招商证券发布了《新能源汽车将迎全球放量,上游供需持续吃紧》的分析报告。在该报告中,招商证券分析认为,三元短期地位不

日前,招商证券发布了《新能源汽车将迎全球放量,上游供需持续吃紧》的分析报告。在该报告中,招商证券分析认为,三元短期地位不改,811技术全面普及仍需时日,未来或将成为动力电池的主流;2019年后,金属锂和钴将持续吃紧,由于原材料的价格上涨,倒逼锂电池将向811技术迈进。

三元短期地位不改,811技术全面普及仍需时日


常见锂离子电池正极材料及性能参数

三元材料目前是动力电池最优之选。自锂离子电池技术普及以来,学术界出现了各种各样的电池体系,但是从实际应用来看,目前负极材料多选择石墨,而正极材料主流为钴酸锂、磷酸铁锂、三元、锰酸锂等材料。动力电池要求材料具有较高的能量密度(对应高续航里程)和高安全性,而钴酸锂由于其本身热稳定性最差(安全性差),不适用于动力电池领域(但凭借高压实密度和能量密度目前是3C 领域主流),而锰酸锂能量密度较低应用受限,磷酸铁锂作为较早研发的技术,优点是安全性极好、环保、循环寿命高,但缺点在于能量密度较低且已经接近达到天花板,而三元本身有着高能量密度上限的优势,未来随着技术继续进步,安全性问题逐步改善,在其他电池技术未实现重大突破之前,三元目前仍然是动力电池领域最优之选。

高镍三元短期普及仍有瓶颈,未来或成为动力电池主流。三元材料指是层状镍钴锰酸复合材料(锰也可替换为铝,松下NCA 技术),三元材料经过Ni-Co-Mn 的协同作用(Ni 提升比容量,Co 提升离子导电性和倍率性能,Mn 稳定结构),结合了三种材料的优点:LiCoO2 的良好循环性能,LiNiO2 高比容量和LiMnO2 的高安全性及低成本。

钴主要起到提升导电性和倍率性能的作用,并在高电压下提供部分容量,在三元材料体系中起到关键作用。按照镍钴锰的比例,三元可以分为111、523、622、811等,由于镍主要作用提升能量密度,故高镍三元材料(如622/811)的研发成为目前热点。分厂商来看,目前国内普遍在研发三元622和811技术,还未大规模量产,从国外来看,仅松下等几家技术最领先公司有高镍三元量产技术(松下NCA给特斯拉供货,NCA比例8:1.5:0.5)。从技术角度来看,随着三元中镍含量的提升,Ni+2/Li+1 离子混排加剧,材料的结构稳定性降低,导致循环寿命和安全性大幅降低。

招商证券总结了国内高镍三元难以短期大规模普及原因如下:


2016 年中国动力电池出货量分电池比例

从技术角度:高镍三元随着镍比例提升,镍锂离子混排加剧,Ni+2混排在Li层,降低了放电比容量,阻碍了锂离子的扩散;同时由于镍在脱嵌锂过程中相变导致明显的体积变化,从而使材料结构稳定性变差,循环寿命下降;高镍正极表面更容易形成碳酸锂等杂质(镍含量超过60%后明显增多),从而与电解液发生副反应降低循环寿命,高温严重会导致胀气;随着镍增加,正极材料热稳定性降低,且放热增加,材料热稳定性变差;不同材料体系需要匹配不同电解液配方,而高镍三元由于表面杂质增多,其需要更为优化的电解液配方,而从国内技术来看电解液匹配问题也是一大难题。从应用角度:高镍三元材料由于其固有属性如结构不稳定,热稳定性和循环寿命都较差,从目前国内厂家研发进度来看,目前还没有完全解决高镍材料实际应用时的安全性问题;由于高镍三元材料在电池组装时不能接触空气,需要纯氧氛围,而由于国内电池企业都是从三元NCM111开始起步,NCM111组装并不需要纯氧氛围,所以国内电池厂几乎没有氧烧工艺,而为了量产NCM811就必须重新设计厂房和设备,而装备制造工艺的落后也是制约NCM811量产的一大难题。

2025年渗透率15%-25%

锂供给曲线:通过前期统计,2016年全球用于动力电池的碳酸锂为4.26万吨,折合锂当量为0.40万吨,而未来五年内预计新增碳酸锂产量为5万吨/年,折合锂当量0.38万吨,我们做极端假设认为未来锂供给增量全部应用在动力电池领域(其他应用领域增量为0),最后得到锂供给曲线。

钴供给曲线:通过前期统计,2016年全球精炼钴产量10.17万吨,而应用在动力电池领域的钴约为6000 吨,而考虑到钴作为伴生矿的现有情况,在现有条件下,每年新增钴产量极限约为1万吨,同样做极端假设认为未来钴供给增量全部应用在动力电池领域,假设钴产量每年新增0.8万吨和2019年开始每年新增1 万吨两种情况,即为钴供给1和钴供给2两条供给曲线。


不同组分三元材料比容量、热稳定性和容量保持率的关系
 

弹性需求曲线:弹性需求曲线统计了世界10大汽车厂商在2025年新能源汽车占当时乘用车总销量比例的15-25%,分别取值15%、17%、19%、21%、23%、25%作为弹性值(作为比较还取了增速0弹性15%极端情况,即以2016年各个厂商总销量作为2025 销量),从而测算出2025年各个厂商新能源汽车销量(2025总销量根据各厂商实际增速情况估计),然后根据各个厂商实际销量情况估算出2016-2025 新能源汽车销量增速,得到每一年的销量预计,最后以2016年各个厂商生产EV、PHEV 的比例和单车电池量(没有的取平均值)为标准,并且假定2025年EV占比达到80%,从而推算出从2017-2025年在不同弹性条件下总电池需求量,进而根据1kWh 电池对应锂、钴的含量测算对应锂、钴的需求。

电池假设全为三元622或811:考虑到国际厂商乘用车大多走三元路线,未来进一步提升电池能量密度,未来存在从三元622到811技术路径的转移,所以对总需求假设了全部为三元622和三元811两个极端,即以10大厂商2017-2025 电池总需求量乘单位电池对应的锂、钴的含量得到2017-2025年不同弹性下对锂和钴的需求曲线。

钴和锂供给未来将有较大缺口

锂资源将在2019-2021年间供不应求 根据前面的假设,随着世界十大汽车厂商新能源汽车在2019 年开始加速增长,对锂资源的需求也成爆发式增长,而对应15%、25%需求弹性,锂供给在2019、2021 年即开始供不应求,而考虑到上游资源的滞后性(从锂资源开采新能源汽车制造需要一段时间),供不应求的时间或会提前。同时该需求仅为世界10大传统汽车厂商新能源汽车对原材料的需求,并未考虑特斯拉、比亚迪等企业,故锂资源会在2019年以前开始短缺。

钴资源供给不足倒逼三元向811路径发展 从钴的弹性供给曲线可以明显看出,三元622路径跟三元811路径钴的供需情况完全相反,假设需求全为三元622时,钴在2019-2021年区间内即会出现供不应求的状态,而如果需求全为三元811时,钴供给可以满足需求。通过测算,对钴供给1 情况,当三元811:622达到8:2的比例时,钴能够达到供给平衡。


十大集团2017-2025 年总电池需求量测算(GWh) 

招商证券认为,由于钴本身供给弹性小,而如果主流厂商选择三元622路线,则将在2019-2021年面临钴供给严重不足的情况,因此钴的供给情况会倒逼新能源车企未来向三元811路径发展。

通过钴、锂弹性供需平衡表分析,仅以世界10大传统汽车厂商新能源汽车对原材料的需求(不含特斯拉、比亚迪等企业),2019-2021年将会供给紧缺,虽然目前国内存在上游钴、锂资源过剩的说法,但随着世界十大传统车企新能源汽车的逐步上量,钴、锂等资源未来仍有较大缺口。

 
 
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