沉汇仪器凭借在新能源汽车行业多年的工作经验,和与多家国际顶级动力电池厂家合作的基础上,为各位对该行业感兴趣,但又不足够了解的仁人志士朋友介绍一下“新能源汽车动力电池未来发展方向 - 中国动力电池行业分析”。(以下内容仅代表沉汇观点)
在了解未来发展方向和行业分析之前,首先需要明确新能源汽车与动力电池之间的关系及定义。
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。其中为新能源汽车提供动力的电池称为动力蓄电池(简称动力电池,但不包括启动蓄电池,启动蓄电池一般是富式的。动力蓄电池一般是免藕式的。启动蓄电池的工作性质是霎间大电流放电,大的要400--500A,而动力蓄电池是小电流放电,大的才30A。)
(停车库或者马路上等看见正在充电的汽车即为新能源汽车,也叫动力电池汽车)
(为新能源汽车提供提供动力的电池即为动力电池,也叫新能源电池)
希望以上信息能够为你了解新能源汽车与动力电池的关系。然后再来简单介绍一下新能源汽车的在国际上的发展情况,和中国新能源汽车的发展。
为实现《巴黎协定》目标,欧洲多国先后表态将在不久的将来全面禁售燃油车,并为淘汰燃油车订下明确时间表,目前已有英国、法国、德国、荷兰、挪威、印度等国已经公布或计划公布燃油车禁售时间。汽车巨头们早已闻风而动,为求未来生存发展,目前几乎所有主流车企在全球都已有所行动,大众、奔驰、宝马、奥迪等传统车企都在进行电动汽车的布局,动力电池的市场需求量有望急速增长。
第三阶段是继续扶持、逐渐进入收获阶段(2012至今)。各国维持新能源汽车战略,仍然以锂电池为主,维持消费补贴,加大对汽车二氧化碳排放控制力度。美国等国家规定每个汽车制造商至少每年出售一定零排放车辆,否则要缴纳碳税。TESLA等企业开始实现盈利。中国加大投入。全球新能源汽车将逐步进入收获期。
从上诉历程可以看出,从2011年开始,中国新能源汽车市场有了一个初步的发展,随着补贴政策的大力支持,新能源汽车也出现了爆发式的增长,2014至2015年新能源汽车销量的增速都在300%以上,后续几年的增长率也在不断提高。因此,动力电池也理所当然的迎来了一个新的发展阶段,自2014年开始,动力电池的装机量相比于2013年也出现了一个急速的上升,2014至2015年每年的动力电池装机增长率也都在300%以上,之后从2016年到2018年,中国的动力电池的装机量也都在随着新能源汽车的销量不断增长。可以说,新能源汽车市场的蓬勃发展造就了动力电池市场的繁荣。
随着新能源汽车行业的发展,动力电池行业也在逐渐走向风口,2013-2016年动力电池企业出现了井喷式的发展,但自从2016年补贴政策开始变化,随之而来导致一些中小型的动力电池企业无法维持正常经营,从而被市场所淘汰,截止2018年6月动力电池企业已经下降到105家,预计2018年底还会进一步减少。与此同时动力电池市场份额也逐渐在向头部企业聚集,2016年-2017年动力电池行业集中度不断提升,龙头企业开始凸显自身的市场地位,动力电池是电动汽车的动力来源,其技术水平直接关系到电动汽车的续航能力,因此市场上的需求越来越转向为高端产品,低端产品的竞争力较低,需求的高端化加剧了动力电池市场的淘汰速度,使得行业集中度进一步提高。
新能源汽车主要由电池驱动系统、电机系统和电控系统及组装等部分组成。其中电机、电控及组装和传统汽车基本相同,差价的原因在于电池驱动系统。从新能源汽车的成本构成看,电池驱动系统占据了新能源汽车成本的30-45%,而动力锂电池又占据电池驱动系统约75-85%的成本构成。
动力电池包括:传统的铅酸电池、镍氢电池、燃料电池、和新兴的锂离子动力电锂电池,分为功率型动力电池(混合动力汽车)以及能量型动力电池(纯电动汽车) 。
铅酸蓄电池的应用历史最长,技术最为成熟,是成本、售价最低廉的蓄电池,已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)一度成为重要的车用动力电池,应用在众多欧美汽车公司开发的EV和HEV上,例如通用在20世纪80年代和90年代分别开发出的Saturn和EVI电动汽车等。但是,铅酸电池的比能量较低,续航时间短,自放电率高,循环寿命低;其主要原料铅的重量大,而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所以,目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置,以及电动自行车等小型设备。
镍氢(Ni/MH)电池具有良好的耐过充、过放能力,不存在重金属污染问题,而且在工作过程中不会出现电解液增减现象,可以实现密封设计、免维护。与铅酸电池和镍镉电池相比,镍氢电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。其缺点是电池具有的记忆效应较差,而且随着充放电循环的进行,贮氢合金逐渐失去催化能力,电池内压会逐渐升高,影响到电池的使用。此外,镍金属昂贵的价格,也导致成本较高。在关键材料上,镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成,正极为镍电极(Ni(OH)2);负极一般采用金属氢化物(MH);电解质主要为液体,主要成份是氢氧化钾(KOH)。目前镍氢电池的研究重点主要在正、负极材料上,其技术研发相比较成熟。车用镍氢电池已实现了批量生产和使用,是混合动力汽车研制中应用最多的车载电池类型。最典型的代表即目前混合动力汽车量产规模最大的丰田Prius。丰田与松下合资成立的PEVE公司是目前世界最大的镍氢动力电池制造商。如今镍氢电池现阶段已经退出主流动力电池行列,那么为何丰田还会固执己见的坚守镍氢电池的阵营呢?这就不得不说到镍氢电池最大的优势:超强的耐用性!曾经美国著名的汽车媒体对一台使用了十年后的第一代普锐斯进行了对比测试。测试结果显示,采用镍氢电池的第一代普锐斯车型在经过了10年行驶33万公里之后,将其与新车时的数据对比,无论是在油耗性能还是在动力性能都保持在同一水平,说明混动系统和镍氢电池组仍然工作正常。此外,即便在使用十年跑了33万公里之后,这辆第一代普锐斯其镍氢电池组从未发生过问题,人们十年前所质疑因电池容量衰减将大幅影响油耗和动力性能的情况也没有出现。由此看来,一向严谨保守的日本人对于镍氢电池的钟爱确实有其独到的原因。
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。和普通化学电池相比,燃料电池可以补充燃料,通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料,但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。氢燃料电池基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水蒸气带走,就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源!
动力锂电池市场上目前已经商业化的主要包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元材料电池等,中国市场以磷酸铁锂为主,韩系大多选择锰酸锂和三元材料的混合电池体系(沉汇仪器提供的恒温恒湿箱、高低温湿热试验箱、高低温交变试验箱、冷热冲击试验箱、海拔模拟试验箱、鼓风干燥箱、真空干燥箱、恒温箱、和其它各类定制试验箱,主要服务国际名称动力电池企业,例如:西安三星SDI、三星(天津)电池、南京LG新能源、现代汽车研发中心的品质部门和研发部门,另外与国内吉利汽车-浙江衡远新能源、威马汽车-凌帕新能源、深圳市比亚迪锂电池、恒大新能源-上海卡耐新能源、贺迈新能源、江苏中兴派能电池、宁波容百新能源、赣州昶洧新能源汽车、芜湖永序新能源电控技术、陕西象牙电池、陕西株新兴动力电池、广州道动新能源、深圳市金科能源、深圳新恒业电池、金池能源材料有提供大量的品质检测设备与各类科学仪器设备)。
(以上为沉汇仪器部分仪器设备在不同动力电池工厂的品质部门和研发部门的现场图)
统计数据显示目前国内的磷酸铁锂电池售价约在3-4元/Wh,锰酸锂和三元材料电池约在4-5元/Wh。考虑不同类型新能源汽车的电池容量,插电式混合动力汽车的电池容量是10-16KWh,纯电动汽车的电池容量24-60KWh,纯电动大巴的电池容量一般是200-400Kwh,对应电池售价在3-5万元、7-18万元和60-120万元水平,如此高昂的电池价格是新能源汽车价格居高不下的主要原因。
三元锂电池全称是“三元材料电池”,一般是指采用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2,NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元正极材料的锂电池,把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整,所以称之为“三元”,包含了许多不同比例类型的电池。从形状上来区分,可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6-3.8V,能量密度比较高,电压平台高,振实密度高,续航里程长,输出功率较大,高温稳定性差,但低温性能优异,造价也比较高。
磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料,用铁来做电池原料一来成本低廉,二不含重金属,对环境污染较小,工作电压为3.2V。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,因此在零电压存放时并不会有泄漏,高温条件下或过充时安全性非常高,可快速充电,高放电功率,无记忆效应,循环寿命高,缺点为低温性能差,正极材料振实密度小,能量密度较低,产品的成品率和一致性也饱受质疑。
这两类电池各有所长高温条件下,三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解,产生剧烈的化学反应,释放出氧原子,并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象,因此基于安全的考虑,我国工信部在2016年1月,通过特殊发文规定将三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。而磷酸锂电池的分解温度在800℃,更不容易着火,安全性相对较高。
低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,基本与寒冷地区的使用绝缘了;而三元锂电池的低温性能优异,在-30℃条件下可保持正常电池容量,更适应北方低温地区的使用条件。从制造成本上来看,三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少,大部分靠海外进口,受到市场波动影响非常大,所以三元锂电池的成本必然居高不下,而磷酸铁锂电池所需原材料无需进口,供应充足,价格稳定,成本相对较低。
在实验条件下,磷酸铁锂电池循环5000次后,剩余容量为84%,1C(1C表示电池一小时完全放电时电流强度) 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量;三元锂电池循环3900次后,剩余容量只剩下66%,1C循环2500次后就下降到80%初始容量。相比起来磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。此外,磷酸铁锂电池能量密度为120Wh/kg,已经基本达到理论极致,而三元电池的能量密度180Wh/kg,今后还有很大的提升空间。
日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池的技术路线,比如新能源巨头特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池,就是所谓的NCA,在Model S和Model X上采用的是松下18650电池组,而最新的MODEL 3采用了更大容量的21700圆柱体电池组。
国内的新能源汽车企业在早期源于成本问题,大多采用磷酸铁锂电池作为能量来源,如比亚迪等企业则为磷酸铁锂电池的主力厂商,推出了秦、唐、宋等众多明星产品,而现如今由于国家对于续航里程等补贴标准的提升,三元锂电池市场份额在逐渐提升。
在与磷酸铁锂电池的竞争中,三元锂电池的安全问题有待提升,这始终是盘桓在汽车企业脑海中的阴影,连特斯拉Model X这样的技术领先产品,也曾在国内外多次发生电池组起火燃烧的事故。但从长远来看,三元锂电池有着磷酸铁锂电池不可比拟的高能量密度、耐低温等特性,在新能源汽车发展的未来,三元锂电池解决掉安全和成本问题之后,将彻底取代目前磷酸铁锂的市场地位,将成为新能源市场上的大势所趋。
产业链通常分为上中下游,本身动力电池应当算新能源车的中游环节,上游是锂、钴锰镍、石墨等原材料,下游就需要组装电池成品了,在动力电池这个环节又可以分为正负极、电解液、隔膜、电芯、电池Pack以及BMS,动力锂电池电芯主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液构成。正极材料为电池提供锂离子,占电池总成本的30%-40%,其性能直接决定了动力锂电池容量上限,是产业链的核心部分。
动力电池行业目前处于中日韩三足鼎立的一个局面,各家动力电池企业都在大力布局本国市场的前提下开始对全球市场进行布局,老牌企业松下、三星、LG化学都在全球各地进行生产,目前我国也开始在全球布局。所以说动力电池产业全球化布局明显,且中国市场将成为竞争的重要区域,但中国电池生产企业国际化水平相对较低。随着产业规模的扩大,电池企业对上游资源需求激增,企业战火已从配套客户的争夺延伸至上游材料和资源,世界各地的锂矿、镍矿、钴矿资源炙手可热,抢先布局的动力电池企业将享有主动权。
比亚迪成立于1995年2月,成立之初主要专注于电池领域的发展, 1995年-2000年比亚迪都在进行高速的发展,低成本的优势在金融风暴期间显露无疑,并逐渐占据了国内外主要市场的电池供应。2003年,比亚迪已是全球第二大充电电池生产商,而在这一年,比亚迪正式收购西安秦川汽车,正式进军整车制造领域。2009年,比亚迪又收购了湖南美的客车制造有限公司,具备了制造电动大巴车的能力。近些年来随着国家政策对新能源汽车和动力电池的倾斜,比亚迪对电动车和动力电池市场也加大了投入,并一度占据了动力电池的行业龙头地位。比亚迪近年来在电动汽车市场大展拳脚,占据了新能源汽车市场很大的份额,然而由于电池研发方向和销售策略的原因,比亚迪动力电池在能量密度上和装机量上都开始落后于宁德时代,导致比亚迪电池的装机量在2016年达到顶峰之后,让出了动力电池行业第一的宝座。目前比亚迪也在不断扩大产能,从2018年6月开始分别在青海、重庆和西安等地进行扩产,又与长安汽车合作成立电池合资公司,经过此番布局,比亚迪动力电池规划总产能已达100GWh以上。
宁德时代新能源科技股份有限公司于2011年12月16日在福建省宁德市工商行政管理局登记成立,虽然进入行业不是很早,但发展速度异常迅猛,七年时间成就行业第一乃至世界第一,2018年6月11日深交所创业板上市,也以24天创造了IPO的最快过会记录。CATL的成长史,是站在前东家ATL肩膀上的进击史,ATL在电池领域十几年的技术积累,成为CATL迅速成长的基石,2011年总裁黄世霖发现新能源汽车的市场空间,决心做动力电池的研发、设计和生产,真正意义上的宁德时代拉开帷幕。经过与宝马的合作后,宁德时代开始崭露头角,陆续和众多国内外车企达成合作,稳坐动力电池供应体系第一宝座。宁德时代目前在技术研发上不断加大投入,在三元锂的方向继续进行优化,目前会专注于超高能量密度、长寿命、多重安全可靠技术、超强环境适应性、快充等五个方向,力争将技术做到世界第一。产能方面目前除了总部宁德的生产基地继续扩大之外,在江苏溧阳、青海西宁也都有新的生产基地建成,另外宁德时代在接下宝马集团10亿欧元的电池大单后,根据合约,宁德时代最终将在欧洲建立的第一家海外工厂地址选在了德国图林根州,该基地将分两期建设,主要从事锂离子电池的研发与生产,计划于2021年投产,2022年达产后将形成14Gwh的产能。
深圳市沃特玛电池有限公司成立于2002年,创始人李瑶曾就职于比亚迪,沃特玛也是国内最早成功研发磷酸铁锂动力电池并进行批量应用的企业。2012年,沃特玛入选国家“2012年新能源汽车产业技术创新工程项目”支持企业,2015年11月,入选工信部首批《汽车动力蓄电池行业规范条件》企业目录,2015年12月,在国内新能源汽车电池配套排名中位列第二,就在2017年国内动力电池装机量排行榜中,沃特玛排名位列第三,仅次于宁德时代、比亚迪两大企业。然而自从2017年9月开始,沃特玛订单逐渐减少,2018年上半年,由于公司内部的管理、战略以及现金流等问题的爆发,电池工厂几乎接近于停产,沃特玛危机敲响行业警钟。
深圳比克电池有限公司成立于2001年,是一家集锂离子电芯研发、生产、销售为一体的高新技术企业。比克电池在锂电池领域经验丰富,动力电池主要方向是18650的圆柱形电池。随着三元材料在动力领域安全性逐步成熟,以及消费市场对于续航里程的需求提升和钴材料的高成本问题,在能量密度上具有显著优势的高镍三元材料电池被市场普遍看好,成为众多动力电池企业的研究热点,比克电池也是目前国内唯一实现批量供货高镍811材料体系的电池企业,能量密度方面可以做到近260Wh/kg。目前比克电池拥有深圳、郑州两大生产基地,现已发展成为集锂离子电池、电动汽车、储能电池回收三大核心业务为一体的国际领先的新能源企业。
孚能科技成立于2009年,是由赣州市与美国著名新能源材料开发公司——法拉塞斯能源公司合作项目,作为Farasis的全资子公司,孚能科技的技术完全脱胎于Farasis能源公司,仅仅一年时间到2010年便实现了新能源汽车锂离子动力电池大规模产业化。当年产能为150 MWh。2016年由外资独资转变为中外合资后,受到各路资本青睐,从2016年开始融资,目前C轮融资超过50亿人民币,业务覆盖海内外,孚能科技作为国内软包动力电池企业的代表,电池能量密度与高倍率循环方面有很大优势,2017年上半年孚能科技一反行业低迷局面,成为行业黑马,在整个2017年出货量进入全国前十,2018年5月孚能科技已进入全国前五,成绩斐然。但相比于头部企业,孚能科技的产能急需不断提高。
行业发展趋势一:新能源汽车市场的爆发带动动力电池行业成为又一个风口,在国家政策的引导下,新能源汽车的产销量不断提高,动力电池的规模也会持续扩大,一方面是产能总量的扩大,另一方面是行业集中度地不断提升,某一个或几个行业头部企业的规模扩大,成为像三星、松下一样的在国际上知名的企业。另外电池技术的发展也是一个重要趋势,首先是现阶段技术下电池能量密度的不断提升,政策层面对动力电池单体比能量和系统能量密度要求2020年不低于300wh/kg和220wh/kg的指标;其次是材料,钴价不断提升使得高镍电池成为趋势,例如高镍622、811等;最后一点,目前国内采用的基本都是三元锂电池或者磷酸铁锂电池,但不可忽视其他电池类型的研发,例如固态电池和燃料电池,日本在这方面已经走在了前面,现阶段的优势需要继续保持,然而也需要紧跟新技术的潮流。
行业发展趋势二:整车企业和动力电池企业已经不再是简简单单的供求关系,越来越多的企业选择深度合作,进行战略或者合资建厂等合作模式。一方面通过技术交流和研发合作,建立新的生态,另一方面是建立在资本基础上的合作,双方共同出资设立合资公司以寻求技术提升、降低成本及锁定市场份额的突破口。比亚迪自给自足的模式成本低、利润高,但劣势也很明显,面临了整车厂和电池企业双重竞争;而宁德时代只做动力电池,选择与其他整车企业合作,达到双赢。市场打破了比亚迪封闭的循环,使得比亚迪电池也开始对外销售,并且要分拆上市,专业化分工是提高效率的关键。
行业发展趋势三:退役动力电池的回收利用将是一个非常重要的领域,回收利用对于环境保护、电池全生命周期经济效益、资源再利用具有重要意义。目前,越来越多企业已经开始研究和布局动力电池回收和梯次利用。拆解回收和梯次利用是目前两种最主流的回收处理方式,由于动力电池拆解回收难度较大且成本较高,梯级利用是动力电池回收利用最具前景的细分市场。2018年8月1日起,《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》将会正式实施,政府鼓励汽车生产企业、电池生产企业、报废汽车回收拆解企业与综合利用企业等通过多种形式,合作共建、共用废旧动力蓄电池回收渠道,提升动力电池资源的使用效率。
我国的动力电池行业正在面临飞速的发展,要超越日韩等企业,通过研发获取自身发展的核心技术,以此继续进行全球化的拓展。另外目前我国新能源汽车保有量已经超过200万台,最先上市的一些电动汽车已经开始进入置换期,且前期的锂电池质量上和容量上都在一个初级阶段,大规模报废无法避免,动力电池大批量的回收利用是我国发展新能源汽车需要迈过去的一道坎。但现阶段我国动力电池回收仍处于初级阶段,国家政策在不断地引导新能源汽车市场和动力电池市场健康平稳的发展,作为企业方面来说,需要认清楚自身的责任,并通过合作来建立良好的回收渠道,用新的模式促进动力电池行业的良好发展。
沉汇仪器会根据在行业内积累的经验,把国内外合作过的方案统一整理,为中国的动力电池发展做出微薄的贡献。
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