锂电池技术分析

锂电池技术分析材料比较锂电池的市场将会爆发性增长，已经无需置疑。电动汽车产量的快速扩张必将带动对锂电池材料的需求。锂电池主要由4部分构成，即电极、电解液、隔膜和包装材料。其中，包装材料和石墨负极技术相对成熟，成本占比不高。锂离子电池的核心材料主要是正极材料、电解液和隔膜。其中，正极材料是锂离子电池电化学性能的决定性因素。正极材料占锂电池成本的比例超过40%，是最主要的构成部分。电解液和隔膜，成本占比分别为10%和20%。由于目前锂电池核心材料仍处于研发阶段，离大规模成熟应用于电动汽车仍有一定距离，国内企业仍需要持续研发，改进工艺，以满足电动汽车对材料的更高要求。综合技术、产品盈利能力和需求增长幅度，对各子行业排序如下：从技术成熟度考虑，电解液>磷酸铁锂=六氟磷酸锂>隔膜。电解液主要是复配技术，技术最为成熟，不存在新产品替代的风险，风险因而最低；与之相对，磷酸铁锂的技术路线风险最高，日韩企业基本采取三元材料和高端锰酸锂的技术路线。另一方面，国内磷酸铁锂的生产取得一定突破，但一致性目前仍未得到有效解决，国内绝大多数生产企业都还处于小量送样阶段，未实现工业化量产；六氟磷酸锂的技术路线风险相对较低，但产品要求严格，工业化生产难度很高；隔膜的难点不在合成而在于工艺，国内相对落后的应用研究，导致隔膜成为锂电池核心材料中，国产化率最低，也是生产难度最大的材料。从产品收益率考虑，隔膜>六氟磷酸锂>磷酸铁锂>电解液。技术门槛的高低，决定了产品盈利的高低。因此，佛塑股份的隔膜虽然质量落后于国际巨头，定位中端，仍然具有60%以上的毛利率。而江苏国泰的电解液，定位高端，毛利率预计在30%-40%左右。六氟磷酸锂和磷酸铁锂，预计盈利能力介于两者之间。从动力电池带来的需求增长幅度考虑，磷酸铁锂>隔膜>电解液=六氟磷酸锂。由于磷酸铁锂不能用于传统小型锂电池，因此动力电池对其的需求拉动最为显著；动力电池对隔膜安全性要求很高，目前主要使用3层复合隔膜，因此大大提升了隔膜的需求量。而传统锂电池领域的约1.5亿平米左右的需求量，决定了其需求弹性略低于磷酸铁锂；六氟磷酸锂与电解液基本保持1：10的比例，因此两者的需求弹性相同。存在问题磷酸铁锂的一致性问题有待解决。国内目前对于锂离子电池的研究，大多数集中于正极材料。各种正极材料都有各自的优缺点，因此都需要通过工艺改进提高其性能。目前，通过掺混技术、碳包覆、纳米制程以及一些其它工艺，改善正极材料的循环寿命、提高电化学性能成为研究热点。对企业而言，掌握合成工艺仅仅是第一步，大批量供货的情况下，如何保证产品质量的批次稳定性是更为重要的环节。由于磷酸铁锂对合成工艺条件的要求更为苛刻，这就对企业从原料采购、工艺控制、现场管理、产品检验等各方面都提出更高要求。六氟磷酸锂质量难控制，合成难度高。锂电池的电解质主要是六氟磷酸锂，其生产的主要原料为无水氢氟酸和五氟化磷，均为氟化工产品。生产过程中，反应流程长，工艺条件严苛，产品纯度要求高。目前行业标准要求水分小于30ppm，游离酸小于10ppm，要求极为苛刻。因此生产企业若没有重化工生产经验，尤其是氟化工的技术积累，很难做到稳定高效的生产出合格产品。隔膜生产工艺极难掌握，技术壁垒很高。生产隔膜的原理并不复杂，主要难点在于提高隔膜孔隙率、降低隔膜厚度的同时还要保证隔膜的机械强度。由于原理简单，理论研究很少。而生产工艺难度极高，核心技术掌握在少数几家手中，因此应用经验也很少。正极材料发展分析钴酸锂：目前最成熟的，唯一商品化的锂离子电池正极材料，主要应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式数码产品以及电动玩具等。优点：材料的加工性能很好，密度高，比容量相对较高，材料的结构稳定，循环性能好，材料的电压平台较高且比较稳定缺点：价格昂贵、容量几乎发挥到了极限、资源紧缺、安全性差。未来方向：在传统锂离子电池领域，镍钴锂和镍钴锰锂三元材料是最有希望代替。钴酸锂的正极材料。安全性差和过高的成本，限制了其在动力电池领域的大规模应用。传统电池领域，钴酸锂也面临成本更低的三元材料和锰酸锂的挑战。由于钴酸锂工艺成熟，基数较大，因此未来数年内仍将占有正极材料大部分市场份额。根据IIT报告的预测，到2012年，全球对正极材料的需求量约为7.67万吨，其中钴酸锂需求量约3万吨，占比约40%，仍旧是第一大消费品种。09年到2012年，钴酸锂复合增长率9.32%，多元材料复合增长率37.05%，锰酸锂复合增长率79.56%，磷酸铁锂复合增长率114.72%。磷酸铁锂和锰酸锂的增速明显高于其它产品，主要得益于其在动力电池中的应用。锰酸锂和三元材料锰酸锂是除钴酸锂外研究最早的正极材料，适合于电动工具、矿灯电池和手机电池等对容量要求不高的领域。优点：安全性较高，尤其是高温下的稳定性较好。电解锰目前价格仅1.8万元，具有明显成本优势。缺点：比容量较低，高温循环性能目前还没有得到较好的解决，未来方向：小型锂电池市场，日本研发的高端锰酸锂材料可用于动力电池。镍钴锰三元材料同样也是非常有前途的正极材料，有望在小型锂电池领域替代钴酸锂。优点：高容量的正极材料，比容量可以达到180mAh/g以上，安全性较好，成本低，与电解液的相容性好，循环性能优异，缺点：合成困难、合成条件苛刻、合成材料的稳定性差；电压平台相对较低，只有3.55v左右；密度相对较低；充电电压较高，达到了4.5v左右。未来方向：主要是小型锂离子电池市场，也有望进入动力电池市场。磷酸铁锂：磷铁酸锂材料是最近两年才快速发展起来的正极材料，其低廉的价格，较高的安全性能，较好的结构稳定性，优越的循环性能使得其作为动力电池和备用电源领域有广阔的应用前景。高安全性和热稳定性是磷酸铁锂的突出优点。在针刺和挤压实验中，磷酸铁锂电池不发热、不冒烟、不起火。在过充实验中，将电池过充到4.5V，过放至0V，电池循环100次，外观无任何异常，容量保持率达到84%，表现堪称优异。对于动力电池领域，安全性是首要考虑的因素。正是凭借磷酸铁锂在安全性方面的优势，基本确立了其现阶段汽车动力锂电池的正极材料首选的地位。磷酸铁锂的主要缺点是振实密度低，体积比容量低，电导率低，低温放电性能差，倍率放电差等问题。其中，振实密度和体积比容量低对动力电池来说，问题并不严重。目前，磷酸铁锂已经成为我国动力锂电池行业的主流选择，比亚迪的电动汽车正是采用这种材料。全球供给高度集中。由于磷酸铁锂能量密度较低，需要采用碳包覆等技术对其进行改性，提高了磷酸铁锂的生产难度和成本。目前，国际上磷酸铁锂的生产商主要有美国的A123、Valence和加拿大的phostech公司。据估计，A123和威能公司产能合计约1000吨，phostech公司产能约750吨。由于A123和威能的磷酸铁锂全部自用，不对外销售原料，因此国内磷酸铁锂的供应主要靠phostech、天津斯特兰公司和北大先行等极少数几家。phostech、天津斯特兰产能均为500吨，北大先行宣称产能2000吨，实际产量大大低于产能。国内市场群雄并起，行业格局有待规范。合成难度大，产品供不应求，导致全球磷酸铁锂价格居高不下。磷酸铁锂目前国内厂家的产品一般在15-18万/吨，美国A123系统公司和Valence公司报价在20-30万/吨。目前，由于磷酸铁锂尚处于市场导入期，前期研发和市场开拓费用较高，行业内公司，无论是国际巨头如A123和valence还是国内企业如天津斯特兰和北大先行，普遍亏损。磷酸铁锂未来广阔的前景，吸引众多资本热情投入。据粗略统计，国内目前从事磷酸铁锂合成的公司多达100家左右。由于正极材料规模效应显著，未来行业必将进行整合，仅有少数技术和产品质量领先的公司能够笑到最后。电解液发展分析电解液主要原材料为六氟磷酸锂，占电解液成本的50%左右，其生产成本为10万元/吨，售价为40万元/吨，毛利率高达75%。六氟磷酸锂合成难度较高，整个生产过程涉及高温、低温、真空、高压、腐蚀性强、易燃易爆和剧毒化学品，对设备和人员要求高、工艺难度极大。森田化工在张家港的建设年产300吨六氟磷酸锂的工厂，照搬日本工厂的成熟设备和工艺，仍然历时3年才稳定达产，可见工艺难度之高。难点在于杂质控制。电解液对六氟磷酸锂的纯度要求极高，行业标准要求水分小于30ppm，游离酸小于10ppm。由于六氟磷酸锂本身具有吸潮性，因此高纯原料的获取和生产过程中杂质控制和产品提纯都是关键因素。较高的技术门槛，导致极高的市场集中度，市场主要被关东电化学工业、STELLA、森田化学等几家日本企业垄断。国内目前仅有天津金牛能实现工业化生产，产量约80吨，产品全部自用不对外销售。江苏国泰和多氟多正在进行中试生产。发展趋势：长期看，新电解质体系的开发将是大势所趋。六氟磷酸锂材料的热稳定性较差，从60℃开始就有少量分解，在较高温度或恶劣的环境下，分解的比例大大增加，产生氢氟酸等游离酸，会使电解液酸化，最终导致电极材料的损坏以及电池性能的急剧恶化。同时六氟磷酸锂易潮解，而水分是电解液的大敌。近些年，草酸硼酸锂盐在电解液中的应用逐渐引起关注。用草酸硼酸锂盐配制成的电解液有抗过充、阻燃等功能，形成的SEI膜非常稳定，满足动力电池高安全性的要求。更长远看，聚合物锂电池可能成为锂电池未来的发展方向。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此外壳材质可以更轻，从而可以提高整个电池的比容量。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比普通锂离子电池有所提高。隔膜发展分析隔膜生产难度最高，盈利最丰厚。在锂电池中主要作用是防止正负极短路，同时在充放电过程中提供离子运输的电通道。由于锂离子电池具有工作电压高，隔膜材料与高电化学活性的正负极材料应具备优良的相容性，同时还应具备优良的稳定性、耐溶剂性、离子导电性、电子绝缘性、较好的机械强度、较高的耐热性及熔断隔离性。满足锂电池的特殊需求的同时，还要满足制膜工艺的可行性，涉及多学科领域，因此隔膜研发进展缓慢。目前一般采用聚丙烯、聚乙烯单层微孔膜，以及由两者复合制成多层微孔膜作为隔膜。以聚丙烯为例，原料成本仅8千元/吨，而加工制成隔膜后，价格可达300万元/吨，升值数百倍。锂电池隔膜供给高度集中，严重依赖进口。隔膜的主要技术掌握在少数企业手中，集中度很高。国外的隔膜生产主要集中在美国的celgard公司和日本的旭化成、东燃和宇部。由于技术壁垒较高，投资风险大，国内企业的投资热情并不高。国内能够生产锂电池隔膜的，仅有佛山金辉高科（佛塑股份的子公司）、新乡格瑞恩、桂林新时代和深圳星源材质4家公司，产品质量与国外同类相比，仍存在较大差距。其中，佛山金辉的产品质量相对较好，供应中低端市场。国内中高端市场，主要由东燃、旭化成和celgard公司垄断。根据国内锂离子电池产量估算，国内隔膜的年需求量约2亿平米左右。国内龙头佛山金辉的产量仅1200万平米，即使考虑其它几家公司有限的产量，供给也远低于需求。佛山金辉的产品虽然主要用于中低端市场，毛利率仍然高达60%以上。未来发展方向：更薄、更安全。锂离子电池隔膜的发展，是随着电池需求的不断变化而不断发展的。从需求看，锂电池正朝着更安全和更轻薄两个方向发展。数码产品电池方面，为迎合美观和便携