鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。
當前,市場上主要使用的可充電電池按照材料可分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鉛酸電池、鎳鎘電池內含有大量鉛、鎘、汞等有害元素,廢棄后會產生大量有毒物質,對環境造成嚴重污染,在全球范圍內其生產、銷售和使用已逐步受到限制。相比之下,鋰離子電池具有體積小、重量輕、能量密度高、工作電壓高、循環壽命長、充電速度快、無記憶效應、環境污染小等優點,正在逐漸替代鉛酸電池。
近年來,鋰離子電池在消費類電子產品、電動汽車、儲能裝置等領域的應用逐漸加深,市場規模迅速擴大。根據高工產研(GGII)數據顯示,2020 年全球鋰電池出貨量 294.5GWh,同比增長 35.32%,2013-2020CAGR 達 26.13%。
EVTank 近期發布《中國鋰離子電池行業發展白皮書(2022 年)》表明,2021年全球鋰離子電池總體出貨量 562.4GWh,同比大幅增長 90.64%,預計 2030年之前全球鋰離子電池出貨量的復合增長率將達到 25.6%,到 2030 年總體出貨量或將接近 5TWh。從國內市場來看,受益于消費電子產品普及與新能源汽車的銷量提升,國內鋰電池迅速放量,產量由 2010 年的 26.87 億只提升至2021 年的 232.6 億只,其中 2021 年同比增長 22.4%,仍處于上升通道。GGII數據顯示,2021 年中國鋰電池出貨量為 327GWh,同比增長 130%,預計2022 年中國鋰電池出貨量有望超 600GWh,同比增速有望超 80%;2025 年中國鋰電池市場出貨量將超 1450GWh,21-25 年復合增長率超過 43%。
2. 鋰離子電池產業鏈:體系成熟完整,專業化程度高
經過近二十年的發展,鋰離子電池行業已經形成了一個專業化程度高、分工明晰的產業鏈體系,上游為基礎原料,中游涵蓋電池材料、鋰離子電芯、鋰電池模組及 PACK,下游包括三大應用領域與鋰電池回收利用。
1、上游:鈷、鋰、鎳、錳、石墨等是構成鋰離子電池的基礎原料。
2、中游:
1)正極材料、負極材料、電解液、隔膜四大材料與其他輔材正極材料:鋰離子電池通過正極出現的鋰離子在負極碳材中的嵌入與遷出來實現電池的充放電過程,正極材料在鋰離子電池四大材料中占據最為核心的地位,對電池的能量密度、循環壽命和倍率性能等綜合性能至關重要,其成本占鋰離子電池成本的 40%- 45%,決定了電池整體成本的高低。正極材料主要分為鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元(NCM/NCA)等。
正極材料出貨結構方面,受消費電池增速放緩影響,主要應用于 3C 數碼領域的鈷酸鋰市場占比逐步下滑;在電動車市場高速增長驅動下,磷酸鐵鋰與三元正極材料合計市場份額由 2020 年的 70%提升至 2021 年的 81%,其中磷酸鐵鋰市場占比由 24%上升到 43%,三元市場占比則略微下滑。
根據 GGII 預測,2022 年鐵鋰材料新產能投放將超 80 萬噸,在動力和儲能需求帶動下成為市場主流;三元正極材料新產能投放將超 40 萬噸,高鎳、無鈷以及高電壓化為技術演進方向。
負極材料:負極在電池中起儲鋰作用,對電池循環性能有直接影響,成本占比10%左右。目前的主流材料包括人造石墨、天然石墨等,其中人造石墨的綜合性能最優,占據負極材料的市場主流地位。硅碳負極在提升能量密度方面具備優勢,有望成為未來負極材料演變方向。
電解液:電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。電解液影響電池的能量密度、循環壽命、安全性等綜合性能,一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成。
隔膜:隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來,防止兩極接觸而短路,此外還具有能使電解質離子通過的功能。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等,直接影響電池的容量、循環以及安全性能。鋰電池電解液為有機溶劑體系,因而需要有耐有機溶劑的隔膜材料,一般采用高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜。
2)鋰離子電芯:鋰離子電芯廠商使用上游材料廠商提供的正負極材料、電解液和隔膜,生產出不同規格、不同容量的鋰離子電芯產品。電芯在鋰電池模組成本構成中占比超過 60%,被視為鋰電池的“心臟”。
3)鋰電池模組:由鋰離子電芯、電源管理系統、精密結構件及輔料等構成,是手機、便攜式電腦、智能硬件等消費類電子產品和新能源汽車的必需基礎元器件之一。鋰電池模組及 PACK 是將電芯加工成電池的過程,電池模組廠商根據下游客戶產品的不同性能、使用要求選擇不同的鋰離子電芯、電源管理系統方案、精密結構件、制造工藝等,進行鋰電池模組的設計與生產。
3、下游:電池產品最終可應用于消費電子領域(智能手機、平板電腦、智能手環等)、動力領域(電動自行車、電動汽車等)、儲能領域(電網、數據中心、5G 基站等)。
鋰離子電池回收利用:在電池使用壽命屆滿或報廢后,可對廢舊電池中的三元材料、磷酸鐵鋰、石墨等材料進行加工再生,使上述材料在電池產業中實現循環。主要途徑包括火法、濕法冶金工藝以及固相電解還原技術等。
3. 動力電池和儲能電池市場為消費電池廠商打開廣闊成長空間
按應用領域不同,鋰離子電池主要分為消費型、動力型和儲能型三大類。其中,消費型鋰離子電池主要供應手機、筆記本電腦、智能硬件等消費電子產品,動力型鋰離子電池應用于混合動力汽車、純電動汽車、電動兩輪車等領域,而儲能型鋰離子電池則供太陽能發電設備、風力發電設備等可再生能源儲蓄使用。
三類鋰電池處于不同的發展階段。消費電池起步較早,已歷經相對完整的產業發展周期,目前步入成熟階段;動力電池近十年來異軍突起,當前出貨量規模已占據主導地位;隨各國清潔能源替代計劃逐步推進,儲能電池呈高速增長態勢,目前受限于成本與技術仍處于市場導入期,預計將逐步邁入規模化階段,未來放量可期。
根據工信部,2021 年我國消費、動力、儲能型鋰電池產量分別為 72GWh、220GWh、32GWh,分別同比增長 18%、165%、146%,動力、儲能型鋰電池增速較快,占比進一步提升。在消費電池漸趨飽和、動力電池方興未艾的背景下,轉換產品方向、進軍動力和儲能領域成為眾多傳統消費電池廠商的戰略選擇。動力領域,海外來看,三星 SDI、LG 化學、松下等大體量電池廠商均于 21 世紀初陸續投入動力電池研發,搶占市場獲取先發優勢。
國內來看,億緯鋰能、鵬輝能源較早切入動力電池業務,動力電池對營收的貢獻迅速增長,已成為公司業績的重要支撐,其中億緯鋰能 2021 年動力電池業務共實現營業收入 100.07 億元,占鋰離子電池業務營收的 59.21%。欣旺達于 2008 年開始布局動力電池領域,2021 年動力電池總出貨量 3.52GWH,實現收入 29.33 億元,同比增長 584.67%,占總營收比重為 8.98%,較 2020 年上漲 5.6 個百分點。珠海冠宇布局相對較晚,2021年動力電池業務占營收比重為 0.91%,未來提升空間較大。
另外,當前占據國內動力電池龍頭地位的寧德時代(CATL),亦脫胎于消費鋰電龍頭 ATL 的動力電池部門。儲能領域,當前全球儲能電池出貨量前四大廠商三星 SDI、LG 化學、寧德時代、松下均具備消費電池背景,鵬輝能源、欣旺達、德賽電池、億緯鋰能等二線廠商陸續切入。
歷經多年積累,消費電池廠商在產業鏈整合、技術儲備等方面綜合實力突出,有望在動力、儲能新領域積極卡位。鋰離子電池為資金、技術密集型行業,頭部企業站穩腳跟需具備生產工藝、資金投入、上游供應鏈整合、下游客戶認證等方面的綜合實力。自 20 世紀 90 年代以來,消費鋰電行業已歷經三十余年發展歷程,業內企業大多擁有長期技術積累與產品大規模生產經驗,許多廠商通過并購、合資等方式與上游材料供應商建立了穩定的合作關系,具備良好的成本管控能力。縱觀鋰電三大應用領域的市場格局,三星 SDI、LG 化學、松下等國際消費鋰電巨頭轉向動力與儲能領域后仍迅速占據龍頭地位,充分印證了傳統消費電池廠商的相對競爭力。