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谁在抢占锂电制高点——动力电池创新材料全景报告

第一财经 2022-09-06 16:21:29

作者:李泓霖    责编:黄宇

随着动力电池技术革新,传统材料逐渐不能满足电池降本、提升能量密度等需求。本报告从正极材料、负极材料、电解液用锂盐、导电剂领域入手,探讨新型材料如何为提升动力电池性能添砖加瓦,又将如何推动动力电池材料市场格局不断演变。

新能源汽车发展浪潮下,锂电池需求量持续攀升,也给上游原材料供应链带来前所未有的机遇。

2022年上半年,动力锂电池材料四大关键材料——正极材料、负极材料、隔膜、电解液出货量分别为76.4万吨、54万吨、54亿平方米、33万吨,同比增长61.05%、68%、59%、63%。

但是,随着动力电池技术的革新,传统材料逐渐不能满足电池降本、提升能量密度等需求,单晶三元、硅基负极等新材料应用加速。材料和化学体系创新越来越成为未来电池产业链企业的核心竞争力。

本报告将从正极材料、负极材料、电解液用锂盐、导电剂领域入手,探讨新型材料如何为提升动力电池性能添砖加瓦,又将如何推动动力电池材料市场格局不断演变。

全文篇幅较长,主要从以下方面展开:

一、正极材料

1.1锰基正级

1.2单晶三元

二、负极材料

2.1硅基负极

三、电解液用锂盐

3.1双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)

3.2小众锂盐:二氟磷酸锂

四、导电剂

4.1碳纳米管材料

五、结语

一、正极材料

正极材料是提高动力电池性能的关键。例如,正极材料的表面特性和机构稳定性很大程度上决定了动力电池的安全性能和循环次数;电压平台、克容量和压实密度等影响着动力电池的能量密度。

同时,正极材料也是动力电池所有环节中成本最大的部分,占比高达40%以上。随着上游原料价格的飞速增长,在提升电池性能的基础上,正极材料厂商对降本技术的研发也迫在眉睫。

目前,磷酸铁锂与三元材料仍为正极材料市场中的主流选择,而低成本、高电压的新型正极材料也接连出现。比如,升级领域涵盖磷酸铁锂、三元材料的锰基正级,以及渐成动力电池主流应用的单晶三元。

1.1 锰基正级

镍、钴、锂等新能源金属的价格上涨倒逼电池厂不断探寻新的电池材料和技术,锰在电池领域的应用正得到市场越来越多关注。其中,具备高电压特性的锰基电池材料有望成为电池能量密度的突破点。

目前常见的锰基电池材料包括磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基和锰酸锂。从能量密度来看,富锂锰基>磷酸锰铁锂>镍锰酸锂>锰酸锂。因此,磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基可用于动力电池,锰酸锂则多用于两轮车或消费领域。

相较于市面上主流的磷酸铁锂和三元动力电池,高电压、成本低、循环寿命短是锰基电池的共同特性。

1.1.1 磷酸锰铁锂:掺杂使用才是王道?

磷酸锰铁锂是磷酸铁锂的升级方向之一。与磷酸铁锂相比,磷酸锰铁锂电压平台可达3.8V-4.1V左右,高于磷酸铁锂的3.4V,在克容量几乎相同的情况下,能量密度可提升约20%。同时,磷酸锰铁锂的主要原材料为锰系化合物,锰含量约40%,并非稀缺资源,中银证券测算原料成本可较磷酸铁锂低约28%。

但是,磷酸锰铁锂目前仍存在“硬伤”。由于导电性差、电阻高,磷酸锰铁锂在充放电过程中的极化程度较大,电池的循环次数较磷酸铁锂减少了约1000次。为此,业界正在通过碳包覆、离子掺杂等材料改性技术努力弥补短板。

“锰基电池只会适当占有市场,是辅助产品,不会成为主流。”有新能源分析师认为,比如磷酸锰铁锂具有与三元5系相近的能量密度,二者混合后在提升电池安全性和使用寿命的同时,还能进一步优化成本,在未来2-3年更多会以复配三元材料的方式加以应用。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高表示,当时比亚迪舍弃磷酸锰铁锂技术的原因之一就是单独使用会面临一些难题。磷酸锰铁锂电池的材料粒径需要做到50纳米,粒径小就易吸水,压实密度也会降低,但与三元锂电池配合使用有不错的效果。

2022年7月,容百科技在战略新品发布会上展示了4种磷酸锰铁锂和高镍三元混合使用的产品。

具体来看,不同的掺杂比例所达到的能量密度也不同。当磷酸锰铁锂占比95%时,电池能量密度为210Wh/kg,主要的竞争对手是磷酸铁锂市场;当磷酸锰铁锂占比仅5%时,电池能量密度高达270Wh/kg,主要应用市场为高镍三元迭代产品。

民生证券测算,中性、乐观情景下,2025年全球动力电池和两轮车领域复配方案的磷酸锰铁锂需求量分别为11.43万、15.41万吨,对应市场空间分别为75.45亿、101.67亿元,2022-2025年CAGR分别为229.39%、264.82%。

1.1.2 富锂锰基:最具前景的动力电池用正极材料之一

富锂锰基在2V-4.8V电压平台基础上的比容量可超200mA·h/g,是目前所用正极材料实际容量的两倍左右,被认为是继磷酸铁锂和三元材料之后最具前景的动力电池用正极材料。

但富锂锰基充放电效率低、循环稳定性差,使用过程中还会出现持续的电压衰减,且4.8V高压电解液是一项极具挑战性的研发工作,这在一定程度上降低了其高比容量带来的优越性。

目前,富锂锰基整体还处在研发阶段。

中信建投数据显示,截至2022年4月,富锂锰基处于有效、实质审查和公开状态的专利数共有1000余个,主要集中在中国。其中,中南大学、福建师范大学、湖南妙胜汽车电源有限公司专利规模位居前三位。申请专利的年份自2010年起,集中爆发于2017年之后。

中信建投认为,若高性能的富锂锰基材料能够得以应用,理论上可以替代三元正极和部分铁锂正极,甚至创造出更多增量。同时,富锂正极搭配高锂含量负极也是材料应用方面的亮点之一。

1.1.3 产业链相关企业布局一览

中信证券认为,率先发力新型锰基材料研发生产的正极企业和向下游电池材料延伸的锰产品制造商将受益,并建议围绕这两条主线进行投资。

从最上游的锰资源开采来看,青岛中程(300208.SZ)持有东帝汶锰矿约476公顷,目前勘探面积为103.47公顷,储量约34万吨,锰含量约为45%-60%;三峡水利(600116.SH)则拥有锰矿开采、电解锰生产加工及销售的完整产业链。

原料加工企业方面,五矿资本(600390)拥有亚洲最大的四氧化三锰厂和国内最大的电解金属锰生产基地,市场占有率超50%;红星发展(600367)子公司大龙锰业主要生产一次电池和锂电池用的电解二氧化锰(锰酸锂的主要原材料)、三元正极材料使用的高纯硫酸锰等产品;中钢天源(002057)则是全球最大的四氧化三锰制造商。

另有锰产品制造商已开始积极向下游拓展电池材料业务。

湘潭电化(002125)是国内规模最大的电解二氧化锰生产企业,电解二氧化锰年产12.2万吨。公司正在布局锰酸锂、四氧化三锰等锰系新能源电池材料。为了节约资本,公司正在湖南、广西等地寻找低成本、安全性高的优质锰矿资源,现已取得湘潭楠木冲锰业有限公司51%的控股权、广西靖西市爱屯锰矿普查探矿权,楠木冲锰矿复产后,有望为公司提供资源保障。

磷酸锰铁锂正极材料方面,德方纳米(300769.SZ)进度较为领先。公司现具有百吨级别的中试线,相关产品已经送样电池厂,电池端测试已基本完成,现已进入车端验证阶段。当升科技(300073.SZ)、厦钨新能(688778.SH)则仍处于小试阶段。有业内人士称,磷酸锰铁锂目前没有规模化应用,但应该很快会提上议程。

值得一提的是,2021年“宁王”也已悄然布局磷酸锰铁锂材料业务。

富锂锰基方面,国内已有多家公司储备了相关生产技术。容百科技、当升科技目前已进入小试阶段。多氟多、振华新材等企业据悉也开展了富锂锰基相关研发工作。

1.2 单晶三元

单晶化路线作为提升动力电池正极材料能量密度的主要方式之一,市场渗透率逐步提升。

据鑫椤咨询,中国单晶三元在三元正极材料市场中的占比从2019年的20%左右,上升至2022年前四个月的42.7%,预计2022全年的市占率将保持在40%以上。

渤海证券等多家研究机构认为,三元材料的单晶化与高镍化路线将殊途同归,长远来看,高镍低钴乃至高镍无钴的单晶三元材料体系将会成为国内动力电池主流应用品种。

1.2.1 单晶中镍:当前性价比突出

从国内各型号电池单晶材料占比来看,单晶中镍占比较高。其中,5系占比最高,6系排名第二但占比逐渐增加,主要代表产品为Ni55(55/15/30)和Ni65(65/7/28)。

为什么中镍成为当前主流?

首先,从能量密度来看,通过提高电压平台,单晶中镍6系能量密度与多晶镍8系产品基本持平。厦钨新能此前发布公告称,公司6系高电压对标8系高镍,7系高电压对标9系超高镍。

其次,从成本来看,Ni65高电压三元与Ni8系高镍三元相比,用22%的锰替代了18%的镍和4%的钴。而锰价远低于镍价和钴价,wind数据显示,2022年7月底,锰、镍、钴价格分别为7126元/吨、18.01万元/吨、33.7万元/吨。华安证券表示,由于单晶中镍产品镍钴用量较少,在近期镍钴价格扰动下具备一定成本优势。当前,单晶6系毛利率已接近高镍三元,体现较强的定价能力和盈利水平。

最后,从安全性来看,上文提到了单晶材料内部没有晶界,在多次循环后几乎不会出现粉碎情况。据天风证券,Ni55电芯即便在持续充放电过程中被针刺穿也仅仅是发烟、发热而不会起火燃烧。欣旺达相关负责人透露,欣旺达采用单晶高电压镍5X体系材料,产热较其它体系低至少18%,热失控温度则比其它体系高30%以上。

1.2.2 单晶高镍:市场份额逐步提升

由于单晶高镍层状正极具有独特的一体化单晶结构,机械强度高、比表面积小,相较于多晶高镍层状正极具有更好的循环稳定性。同时,单晶高镍层状正极还具备更好的倍率性能、安全性以及机械稳定性和压实密度。

但是,单晶高镍层状正极的合成路线还不够成熟,存在能耗高、合成成本高等问题。

中南大学纪效波教授课题组在针对单晶高镍正极的研究中指出,单晶高镍层状正极的发展仍处于早期阶段,需要进一步优化和探究,但其在高性能锂离子电池方面仍有前景。

当前,高镍8系三元材料目前仍以多晶体系为主,随着宁德时代等头部企业加速局,单晶高镍在8系领域的市场渗透率逐步提升,渗透率已从2019年的0.8%增长至2022年一季度的13.5%。

1.2.3 市场竞争格局集中,头部企业单晶中镍、高镍齐发力

由于单晶材料制备需进行多次高温烧结,同时,在合成的过程中还要克服大单晶对容量及功率性能的负面影响,遇到高端产品还需要包覆、掺杂、水洗等工序,工艺相对复杂。

高技术门槛带来了行业的高集中度。据鑫椤资讯,2021、2022年前4月国内单晶三元厂商CR3分别为60%、61%。其中,振华新材、长远锂科、厦钨新能凭借技术优势快速抢占市场份额,2022年前四月分别占比20%、20%、15%。

振华新材早在2009年就完成了大单晶三元正极材料的研发及生产,2021年市占率第一。据国泰君安,目前该公司已批量销售多款一次颗粒大单晶5系、6系和8系产品,在研镍9系、低钴无钴等进一步提高能量密度及性价比的单晶三元产品也在向下游主要动力企业送样认证中,有望充分保证其产品端竞争力。

产能方面,振华新材沙文二期2.6万吨高镍三元及钴酸锂项目(含技改,主要投向单晶)、义龙二期2万吨高镍三元正极项目(主要投向单晶)预计2022年投产。2022年6月,该公司发布公告称,拟募资不超60亿元用于义龙三期10万吨高镍产能,预计2025年分阶段投产。

长远锂科目前绝大部分产品均采用单晶技术。该公司NCM523单晶镍含量50%-58%系列产品、NCM622单晶镍含量60%-65%系列产品实现量产;NCM811已实现量产,第二代单晶产品已经完成中试开发验证;9系NCM单晶产品率先完成设计开发,客户进入吨级试产阶段。

长远锂科高新一期4万吨高镍三元正极(可兼容单晶高电压)已建成投产;高新二期4万吨高镍三元正极项目(可兼容单晶高电压),预计2022年建成。当前,该公司产品已进入宁德时代、比亚迪供应链。

厦钨新能主打单晶中镍高电压,产品涵盖4.40V、4.45V、4.48V、45V等高电压系列,4.55V系列产品也正处于研发进程中。

2020年,该公司为中创新航的高电压Ni5系提供材料,最终量产的590模组电池搭载于国内首款续航里程超过600公里的SUV广汽埃安AionLX。

厦钨新能最新开发的Ni68系产品在安全性与成本方面具备综合优势,且在能量密度方面与NCM811材料持平。该材料目前已成功应用到续航里程超过1000公里的电动车上并实现大批量供货。

在技术和成本优势的加持下,厦钨新能高电压三元材料收入占比快速提升,从2019年的不足25%,上升至2022年一季度的81.14%。

二、负极

负极是锂电材料中最成熟的环节,在锂电池中起主要起到储存和释放能量的作用,主要影响锂电池的电池效率、循环性能等。

负极材料分为碳系材料和非碳系材料,目前市场应用主流材料为碳系材料中的石墨类。而石墨类材料又可分为石墨为人造石墨、天然石墨、中间相炭微球。由于人造石墨循环性能、安全性能相对突出,已广泛应用于动力电池和储能电池;能量密度高、循环性能差的天然石墨则多适用于数码电池。若要如需进一步提升动力电池能量密度,就不得不提到负极的新材料应用——硅基负极。

2.1 硅基负极

随着正极比容量的不断上升,负极的比容量也收到了挑战。

由于市场主流石墨负极在实际应用中,石墨比容量达到了约330—370mAh/g,已触及理论比容量372mAh/g的天花板;但硅的比容量超石墨10倍,能达4200mAh/g。

从技术路线来看,硅碳复合材料、硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。

硅碳复合材料是由指纳米硅与石墨材料混合而成,拥有克容量高、充放电效率高等特点;硅氧复合材料制备较为复杂,但循环性能和倍率性能优于其他硅基负极材料。东方证券认为,近年来,硅氧负极的首次效率经过材料厂家的努力已经提升显著,其更优的综合性能为未来硅基负极的发展指明方向。

2.1.1 两大领域加速硅基负极放量

动力电池尤其是4680圆柱电池的需求上量,逐渐打开了硅基负极的市场空间。

其中,特斯拉早在2017年搭载21700电池时就已经引入了“掺硅”技术,大约掺了5%—6%的硅合金,占比较小。由于4680的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收硅在充放电过程中的膨胀力,未来硅的掺杂比例或超10%。

随着圆柱电池技术的不断成熟,宁德时代、亿纬锂能等各大厂商已开始加速布局,光大证券预计2025年全球4680电池装机量将达264GWh。

除圆柱电池外,使用硅基负极的方形电池应用范围也在逐步扩大。

2022年1月,智己汽车首次提出使用“掺硅补锂”技术,电池单体能量密度可实现300Wh/kg 。与此同时,戴姆勒G-Class、蔚来ET7、广汽埃安等车型都将搭载含有硅基负极的动力电池。

与此同时,快充的快速到来也对硅基负极市场起到了催化作用。

据天风证券,目前主流的动力电池包已能支持2C充电倍率,往上提升类似木桶效应,短板在负极,负极析锂问题还待解决。由于硅的析锂风险小,且相较于碳所能接受的0.1V电压,硅可忍受0.4V,采用硅负极成为解决负极短板的方法之一。

在动力电池与快充等因素的加持下,高工锂电数据显示,我国硅基负极出货量由2015 年的0.03万吨增长至2020年的0.6万吨,年复合增速达到了82%,已达到稳定批量生产状态。信达证券则表示,在具体应用方面,硅基负极搭配高镍三元使用效果更加突出,预计硅基负极掺杂比例将逐年提升,2025年全球硅基负极需求量将达23.1 万吨。

2.1.2 量产企业较为有限

当前,布局硅基负极的企业大体可分为三类:一是自身从事负极研发生产的企业,如贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等;二是科研院校的创始团队,如天目先导等;三是跨界布局的电池企业或,如国轩高科等。

虽然参与企业众多,但是可实现量产的企业有限,因此目前市场集中度较高。

行业代表企业贝特瑞硅碳负极材料的技术已更新至第三代产品,比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g,更高容量的第四代硅碳负极材料产品也正在开发中。同时,硅氧负极材料部分产品的比容量达到1,600mAh/g以上。

公司在2022年2月发布公告称,拟在深圳市光明区内投资建设年产4万吨硅基负极材料项目,项目预计总投资50亿元。

杉杉股份则在硅氧负极布局上较为领先,公司第三代硅氧产品(克容量1350mAh/g)首次效率已达到90%,2021年硅氧负极出货量实现百吨级。

2022年6月,公司发布公告称,拟50亿元投建年产4万吨锂离子电池硅基负极材料一体化基地项目。其中,一期规划年产能1万吨,预计2022年底开工;二期项目规划年产能3万吨,预计2024年底开工。

客户方面,杉杉股份的高容量硅基负极在2017年就实现了量产并供货,并于2018年为宁德时代供货测试。

三、电解液用锂盐

作为电解液的核心材料,溶质锂盐在很大程度上决定着电池的功率密度、能量密度、循环及安全性能等。

目前成本相对较低的六氟磷酸锂仍为电解液溶质锂盐主流选择。但是,在动力锂电池高电压和高镍化的趋势下,各大电池企业似乎已达成共识,即通过添加新型锂盐优化电解液配方,为电池综合性能表现赋能。因此,以双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂等为代表的下一代新型有机锂盐备受市场关注。

3.1 双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)

LiPF6(六氟磷酸锂)化学性质并不稳定,但由于成本较低,常年占据市场主流。而拥有高离子电导率、高电化学稳定性和热稳定性的LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)却因为收率低、价格较高等原因仍未得到大规模应用。但长期来看,LiFSI或逐步得到下游认可,有望从新型添加剂进化为主流锂盐。

3.1.1 成本有望降至与六氟相当

溶质锂盐作为电解液的核心组分,在电解液中的质量占比仅约13%,但在制造成本方面占比高达60%以上。因此,LiFSI虽然性能更加优越,但高昂的生产成本在一定程度上阻碍了其市场的扩展。

造成LiFSI成本较高的原因主要有两方面,首先是技术壁垒高,制备工艺复杂、收率低、不易量产,康鹏科技招股书显示,LiFSI制造费用在总成本中的占比高达5-6成,人工占1成,而六氟磷酸锂人工制造合计成本仅占总成的约2成;其次是污染较大,天赐材料的调研显示,生产双氟的污染物每吨处理费高达1万元,若不能实现资源循环再利用,将会抬高生产成本。

随着技术的不断成熟,叠加产品规模化带来的边际效应,LiFSI的经济性开始显现。

“目前LiFSI工艺处于快速发展阶段,更新较快,氯磺酸法LiFSI的制造成本已可控制在12万元/吨左右,LiFSI制造工艺中,部分核心原料使用效率偏低,后续仍有较大提升空间,随着工艺进步和产业规模化效应的推动,未来氯磺酸法每吨LiFSI成本预计可以降至10万左右,基本接近头部企业六氟的生产成本。”此前有基金经理在接受第一财经采访时表示。

LiFSI的价格也证明了成本确实在逐步优化。2017-2021年,LiFSI的单吨价格分别为70万、55万、49万、45万、40万元,而六氟磷酸锂的价格在2021年最高涨至56.5万元吨,一度超过了LiFSI。

随着价格的下降,多家研究机构认为,LiFSI有望从目前的添加剂角色升级为单独使用。高工锂电数据显示,头部电池企业的LiFSI添加比例约为0.5%-3%,部分企业添加LiFSI的主流配方已经提升至3%-6%。高工锂电预测,将LiFSI作为通用锂盐添加剂的情况下,2025年需求量将达到13万吨,市场规模约105亿元;如果作为溶质来替代现有的锂盐,2025年需求量将达到21万吨,市场规模高达170亿元。

3.1.2 全球产能看中国

“目前国内企业纷纷加码布局LiFSI,根据已披露的企业规划统计,LiFSI产能有望在2023-2024年迅速增长,加速LiFSI在锂盐领域的渗透。”上述基金经理称。据中信证券统计,未来5年全球LiFSI规划新增产能中98%来自中国企业。

从具体企业来看,天赐材料(002709.SZ)的LiFSI产能2020年已占全球总产能的32%,2025年预计可达43%。

多氟多(002407.SZ)2020年的LiFSI产能位居全球第三,截至2022年4月,公司已具备1600吨LiFSI产能。

相较于其他企业,天赐材料和多氟多成本优势突出。据中信证券测算,若LiFSI市场价格为45万元/吨,则LiFSI的毛利率普遍在40%以上,天赐材料和多氟多目前披露的工艺路线多个环节转化效率超95%,毛利率可超70%。

永太科技(002326.SZ)的LiFSI产能2020年仅占全球3%,中信证券预测其2025年将跃增至15%,与新宙邦(300073.SZ)并列第二。

从目前下游市场情况看,永太科技表示,下游接受度比较高。当前市场对电池能量密度、热稳定性、安全性的要求越来越高,LiFSI相对于六氟磷酸锂具有明显的性能优势,需求也越来越明显。短期来看,LiFSI与六氟磷酸锂是并存的局面,但LiFSI作为六氟磷酸锂的升级替代产品,未来在极端情况下也可能出现全部使用LiFSI的情况,这也需要整个行业的产能逐步放量形成坚实的保障。

3.2 小众锂盐:二氟磷酸锂(LiDFP)

二氟磷酸锂最初是被用于提高石墨||NMC电池倍率性能的添加剂,可以提高电池的低温性能。这是因为单独添加二氟磷酸锂或与其他添加剂时界面阻抗降低。业界相关研究报告还显示,使用二氟磷酸锂作为电解液添加剂可以使得富镍正极在4.8V超高截止电压下稳定循环200次。

2021年9月,特斯拉申请了“用于储能设备的二氟磷酸盐添加剂化合物及其方法”的专利。特斯拉的目标旨在改变电池单元性能,同时降低其生产成本。

据公开资料显示,当前布局二氟磷酸锂的企业并不多。

高工锂电显示,宏氟锂业是国内最早实现二氟磷酸锂产业化的企业之一,也是国内仅有的几家在二氟磷酸锂领域具备百吨以上产能规模的企业。2019年2月,公司首条300吨二氟磷酸锂生产线正式量产。

上市公司方面,天赐材料到2022年6月二氟磷酸锂产能规划为0.72万吨;2021年7月,石大胜华公告新增一万吨二氟磷酸锂产能;另有新宙邦、天际股份等在二氟磷酸锂领域也有所布局。

四、导电剂

导电剂是锂电池材料的重要组成部分,可以增加活性物质之间的导电接触、提升电子在电极中的传输速率,从而增强锂电池的倍率性能、改善循环寿命。

常用导电剂包括炭黑类、导电石墨类、VGCF(气相生长碳纤维)、碳纳米管以及石墨烯等。其中,碳纳米管和石墨烯为新型导电剂材料,石墨烯由于高倍率性能不理想,尚未得到广泛应用,而碳纳米管材料凭借突出的性能优势,市场关注度不断提升。

4.1 碳纳米管材料

作为提升锂电池性能的关键辅材,新型碳纳米管材料正悄然搅动导电剂市场格局。

天奈科技(688116.SH)、道氏技术(300409.SZ)、黑猫股份(002068.SZ)等纷纷公告加码相关产能,宁德时代(300750.SZ)、比亚迪(002594.SZ)也已将触角伸到这一新兴领域。

高工锂电表示,未来几年新型导电剂特别是碳纳米管导电剂将逐步代替传统导电剂,中国碳纳米管导电浆料出货量预计将从2022年的12万吨增至2025年的32万吨,成为锂电池导电剂领域成长性最高的种类。

4.1.1 性能优势突出,经济性逐渐显现

碳纳米管(CNT)又称巴基管,是一种力学、电学、热学等性能突出纤维状导电剂,主要应用在动力锂电池领域。“相比其他导电材料,碳纳米管的最大优势在于添加量少、对材料的冲击强度影响小、不会脱碳、综合性价比高等。”泰信现代服务业混合基金经理黄潜轶表示。

除性能优势贴合下游需求,碳纳米管的经济性开始逐步显现。

由于原料及能源价格不断上涨,2021年底炭黑报价涨至约10万元/吨;碳纳米管则伴随规模化的到来快速降本,根据天奈科技公告,2021年前三季度碳纳米管粉体均价已降至22.2万元/吨,同比下降38.6%。国信证券中性预测,2022年单吨正极材料添加3%炭黑SP的成本为0.21万元,添加0.5%/1.0%/1.5%碳纳米管成本为0.11万/0.21万/0.32万元,两者基本相当。

4.1.2 三元、铁锂应用市场预计超200亿元

事实上,由于导电剂仅占电池成本约1%,成本敏感度低,下游电池厂商接受度较高。

当前,碳纳米管在动力电池领域开始加速渗透,主要应用领域包括磷酸铁锂、高镍三元以及硅基负极。

其中,磷酸铁锂电池添加的碳纳米管导电剂比例更高。据悉,石墨烯复合导电浆料与碳纳米管粉体等以7:3的配比混合搅拌,适配磷酸铁锂电池性能更好。

伴随磷酸铁锂电池装机占比提升,碳纳米管出货量有望快速增长。高工锂电数据显示,2021年全球磷酸铁锂电池碳纳米管浆料需求量为5万吨,市场规模达到18亿元,预计到2025年需求量将达到39万吨,市场规模达到150亿元。

与此同时,在4680等高能量密度电池带动下,高镍正极有望持续放量。高能量密度电池所使用的导电剂主要为碳纳米管导电浆料,以此来弥补高镍正极导电性差的问题。

高工锂电数据显示,2021年全球三元电池碳纳米管浆料需求量为3.2万吨,市场规模达到13亿元,预计到2025年需求量将达到16.6万吨,市场规模达到63亿元。

硅基负极中碳纳米管尚未开始大规模应用。碳纳米管分为单壁管和多壁管,硅基负极所使用的碳纳米管为单壁管,全球目前仅俄罗斯的OCSiAl可以量产90吨/年的单壁碳纳米管,价格较高。

道氏技术当前批量试产产品的G/D比等技术指标已处于国际领先水平,“目前公司的1-4代导电剂产品主要应用于磷酸铁锂和三元电池领域,我们正在组织第5代单壁管于2022第三季度实现量产。单壁管未来的使用方向主要是导电剂和硅碳负极中的应用。”道氏技术称。

4.1.3 头部厂商两月三度加码产能

随着碳纳米管市场的逐步放量,多家公司相继开展业务布局。

其中,行业龙头天奈科技分别于2022年5月、6月公告了三次碳纳米管项目投资。

高工产研锂电数据显示,最近两年天奈科技碳纳米管导电浆料产品销售额稳居行业首位,2021年市场份额占比43.4%。公司目前共有三代产品实现批量供货,第四代、第五代正处于中试阶段。东吴证券预计上述项目将于2024年起贡献产量,从而进一步加强公司在碳纳米管的领先优势。

另一行业领先者道氏技术则获得了比亚迪的“加持”。

道氏技术表示,比亚迪一直是公司核心客户,未来公司将和比亚迪在战略层面进行全方位的合作。除比亚迪外,公司产品也已小批量供货宁德时代等三元客户。

产能方面,目前公司规划青岛、江门、龙南、兰州四大生产基地,预计2022年底浆料产能达4万吨。

炭黑龙头黑猫股份也于2022年4月发布公告称布局碳纳米管领域。

此外,为完善产业链布局,锂电池巨头宁德时代也不甘示弱,于2021年12月快速步入碳纳米管行业。

4.1.4 碳纳米管和炭黑将呈并存格局

2021年国内碳纳米管导电剂渗透率约21%。“随着对电池高能量密度的追求提升,碳纳米管导电剂的性能优势不断凸显,市场接受度有望持续提升,碳纳米管渗透率2025年有望提升至61%。”黄潜轶称。

高工锂电则预计,2025年中国新型导电剂市场占比将达57%,其中碳纳米管导电剂占比将达55%。这意味着碳纳米管和炭黑等未来会是并存的格局。

华创证券认为,不同的导电剂在成本、导电性能、吸液性能等方面各具优势,综合考量下,未来导电剂体系逐步从单一化走向多元复合化将是大势所趋。

五、结语

动力电池的革新之路从未停止。

中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高曾公开表示,中国动力电池创新,要从电池结构创新逐步发展到材料体系创新。这是一个更加复杂、更需要时间积累的领域,也是全球动力电池创新的制高点。

当前,我国新能源企业在动力电池材料研发及扩产方面的努力有目共睹。动力电池性能的提升远未到终局,多元化应用场景带来动力电池的需求分化,未来材料体系创新仍值得期待。

参考资料:

20220823-民生证券-电动车行业深度报告:磷酸锰铁锂,锰将出征,后来居上

20220706-倪炼山-单晶高镍层状正极所面临的挑战及改善策略(Advanced Energy Materials)

20220706-国泰君安-三元正极行业系列之一:技术迭代探讨 三元正极的高镍化、高电压化和单晶化

20220630-信达证券-硅基负极材料应用有望加速

20220630-东方证券-硅基负极:新一代锂电材料,市场化进程加速

20220613-华安证券-新能源锂电池系列报告之十:性能成本经济性双轮驱动单晶三元优化选择放量高增

20220509-许康-添加剂促进富镍正极在4.8V下超高压循环(Nature Energy)

20220429-中信建投-电池科技前瞻系列报告之二十二:富锂锰基氧化物,层状结构正极寻梦

20220330-中信证券-金属行业锰行业深度报告:不容忽视的第四种电池金属

20211203-中信证券-新型锂盐 LiFSI:锂电中游材料的下一个风口

20210524-赵冲-电解液氟代锂盐“新势力”(高工锂电)


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