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磷酸铁锂动力电池研究

作者: 磷酸铁锂 磷酸亚铁锂 磷酸铁锂材料磷酸铁锂电池 磷酸铁锂窑炉 推板窑 箱式炉 网带炉    来源: 中国实验马弗电炉网    发布日期: 2010-01-31 20:09:25.0

提要:

□   推广新能源汽车是经济转型和碳减排的战略选择

 

□   电动汽车尤其是插电式混和动力和纯电动汽车很有可能成为中长期内(2015-2030 年)最重要的技术路径。镍氢电池由于技术成熟和安全性好,是目前混和动力汽车电池的主要选择,但难以满足更高电动化程度需求;锂电池是下一代电动车电池的最佳选择,预计未来3 年左右将替代镍氢成为电动汽车电池的主流。

 

□   由于磷酸铁锂平衡了安全性与续航能力的考量,锂离子电池将在PHEV、EV 上获得大规模应用,但有赖于磷酸铁锂成品率及产品间批次稳定性提升所带来的成本降低,以及全国范围的充电站网络的建立,3~5 年之后才会大规模商业化生产。

 

□   目前A股设计锂电池产业链的上市公司有:子公司生产正负极材料的中国宝安,国内电解液龙头江苏国泰,和立志打造全球锂电材料龙头的杉杉股份, 目前新能源电池业务10年估值普遍在30倍以上

 

 

 

 

 

一、产业前景:

碳减排的重要一环。我国是全球第二大CO2 排放国,原油对外依存度高达48%,原油消费中60%是交通用油,中国必须降低对进口原油的依赖,减少碳排放。奥巴马新能源政策的实施,将使“减排壁垒”成为欧美约束发展中国家的又一有力武器;哥本哈根谈判的临近,使中国碳减排压力极为迫切。

推广使用新能源汽车,是我国经济转型的战略选择。据麦肯锡测算,中国可以通过在2015 年以后大力采用电动汽车技术,将其2030年的汽油需求减少70%,从而减少30-40%的石油进口,并将中国的石油自给率从20%提到到将近三分之一。同时,使用动力汽车还可以带来每年1.65 亿吨二氧化碳的减排潜力。

   电池是目前新能源汽车技术和成本上的最大瓶颈,也是产业链中技术最核心,利润最丰厚的一环,拥有动力电池技术和核心原材料的企业将最先受益。在产业化初期,先进的动力电池厂商,将成为汽车厂商争夺的焦点;

动力电池行业从无到有,市场容量从目前的十几亿到2012 年的约325 亿元,未来几年是十几倍的增长,增长空间巨大。

 

二、新能源汽车分类;

    新能源汽车是指采用汽油、柴油之外的动力作为动力源的汽车的总称,按动力源的不同,主要有三种:混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)和燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)。按照电池种类的不同,又可以分为镍氢电池动力汽车、锂电池动力汽车和燃料电池动力汽车。

虽然普通的混和动力车已具备明显市场竞争力,但其25%-30%的节能减排效果仍不能满足中、长期需要(我们估计10-15 年内,仅中国、印度两国的新增汽车保有量就可能达到目前全球保有量的约30%),因此发展电动化程度更高的插电式混和动力及纯电动汽车就非常必要。2010-2011 年将是最新一代PHEV、EV 推出密集期、进入小批量生产阶段,预计到2015 年全球PHEV、EV 销量有望达到数十万甚至百万辆级别、正式进入规模生产阶段。

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三、新能源汽车的核心-电池及正极材料磷酸铁锂

电动汽车发展的关键在电池。普通混和动力汽车竞争力的进一步提升以及插电式混和动力汽车和纯电动汽车的成功商用都面临着降低电池成本和提高电池安全性、寿命、性能的挑战,这四个指标的平衡也将决定不同电池技术的选择。

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1)镍氢电池是目前主流

镍氢电池具有可大电流快速充放电、耐过充放电能力强、低温性能好、比功率高等优点,技术最成熟,购置和使用成本较低,且不改变人们的驾驶习惯,是目前HEV 市场的主流产品,全球各种品牌的HEV 至07年底累计销量约有150 万辆,占全球所有新能源汽车销量的99%以上。长达10 多年的成功商业化运行,已充分证明镍氢HEV 是目前技术最成熟、使用最安全的车型。未来3-5 年仍将是新能源车的主流,将和PHEV、EV共存10 年左右。由于镍氢电池自放电率高、比能量较小,只能用在HEV 上,因而限制了镍氢在PHEV 和EV 上的应用。更重要的是,镍氢电池技术发展基本成熟,电池性能提高和成本降低的空间有限。

 

2)锂电池替代镍氢电池是大势所趋

目前锂离子电池的制造成本约900-1000 美元/kWh,高于镍氢电池的近800 美元/kWh,PHEV-40 和EV商用化要求的300 美元/kWh、150 美元/kWh,锂电池制造成本需大幅下降2/3 到4/5。锂离子电池相对镍氢电池的增量成本来自电池部件、单体和模块的制造环节,而原材料成本低于镍氢电池

制造成本偏高主要因锂离子电池大规模、自动化制造的工艺技术未完全成熟,尤其是将电池单体集成为模块、将模块集成为电池组两个环节(镍氢电池也有同样问题),成品率低拉高了很大一部分成本。

 

 

聚合物锂电池比能量密度大,可以实现电池薄形化,更易大规模工业化生产,因而能够承载更长的续航能力、减少电池的重量和体积,有望在纯电动车时代担当重要角色,是未来发展方向之一。我们预计2015 年开始,电动车步入早期商业化阶段。

 

燃料电池受制于制氢、储氢技术的高额成本,在短期内没有商业化的可能。未来大规模应用有赖于低成本制氢技术的突破,预计在2025 年左右才会大规模商业化生产。

 

3)磷酸铁锂是目前最理想的正极材料

液态锂离子电池包括正极、负极、隔膜及电解液等四大材料。正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料,直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化,约占锂离子电池电芯材料成本的30%左右。目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。

 

磷酸铁锂是目前最理想的正极材料。相比较而言,钴酸锂最大的问题是安全性差(150 度高温时易爆炸)、成本高(钴价约50 万元/吨,含钴60%的钴酸锂超过40 万元/吨)、循环寿命短;锰酸锂安全性比钴酸锂好很多,但高温环境的循环寿命更差(500 次)。磷酸铁锂因为高放电功率、成本低(约18~30 万元/吨)、可快速充电且循环寿命長(1000 次以上),在高温高热环境下的稳定性高(300 度高温以上才有安全隐患),具有很好的安全性能,因而是目前最理想的动力汽车用锂电正极材料。

 

存在问题:

1、专利隐患、目前我国只有清华大学核能与新能源技术研究所拥有几项磷酸铁锂技术专利,国内大部分生产厂商只掌握磷酸铁锂技术和加工工艺,没有国际专利。

2、低导电率低电容、低温性能差

3、最关键的成品率低;,国内外企业提高成品率是一个逐渐摸索的过程,如果磷酸铁锂电池成品率能够提高到90%,成本会降低50%左右,成本下降将带来下游需求的迅速膨胀。

4、全国充电站网络建立至少需要3~5 年(充电站网络建设依赖于国家政策的推动),限制了PHEV 和EV 的迅速普及;PHEV 和EV 在国内迅速发展的先决条件是,有方便的充电站网络,或者有方便的可更换电池的网络。按目前的电池技术,在专用充电站15-20 分钟即可充电70%,在家用220 伏电源约需10 小时充满。国内建站成本约在25 万~30 万元。

 

4)磷酸铁锂混合动力汽车成本比较

配置其他部件后的磷酸铁锂混合动力汽车总成本比同级别传统汽车高出约8 万元(比亚迪F3DM 与F3 比较);以此为例,下图对基于磷酸铁锂电池的PHEV 和传统汽车的成本差额进行分析,正极材料、隔膜、电机控制系统均有较大的成本下降空间,预计3-5 年磷酸铁锂PHEV 与传统汽车的成本差可下降至约5.9 万元,5-8 年内可下降至4.6 万元。

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补贴政策是目前为止最直接、最有效的政策

 

补贴基本消除价差,经济性条件已基本具备。申万对目前几款国产新能源车,按照年行驶里程2.5 万公里、93#油价6 元/升、电价0.6 元/度,对补贴前、后的经济性做了测算。在没有补贴之前,一辆新能源汽车要比同级别的汽油车初始购置成本高出2~7 万元,通过节油来回收成本的时间,少则3 年,长则超出车辆寿命周期仍然无法收回。而进行补贴之后,已经基本弥补了初始购置差价,略微超过的部分,最短9 个月,最长4.3 年即可通过节油来收回。从经济性来说,财政补贴使新能源车的初始购置成本大幅降低,新能源车不再是价格高企,而是基本具备了和汽油车在同一价格水平竞争的能力。考虑到新能源车在大规模量产后,成本还可以进一步降低、节油率还可以有较大提升空间,新能源车的使用成本优势将会逐渐显现。

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四、锂电池产业链情况

 

    锂电池产业链由三部分组成:上游锂矿资源、制作电芯的原材料(包括正级材料、隔膜、电解液、负极材料、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等等)以及电芯制造和Pack 封装。

目前已基本形成从矿产资源(碳酸锂)、电池材料和部件到(动力)锂电池的完整产业链条。国内企业已较成熟掌握锂电池正、负极材料、电解液的生产技术,国内市场占有率亦较高;比亚迪、深圳比克、天津力神在全球锂二次电池市场也处于前列,已具备足够规模效应;中国的碳酸锂资源储量丰富,可满足动力电池发展需求。

 

锂电池成本构成中,正极材料约占33%,隔膜约占25~30%,电解液约占12%,负级材料约占10%。各材料中,盈利能力最强的是隔膜,毛利率高达70%;其次是正极材料,其中磷酸铁锂毛利率约40~70%,锰酸锂毛利率约25%,钴酸锂毛利率约15%。

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磷酸铁锂全球供应商包括美国A123、Valence,加拿大Phostech,台湾长园能源、立凯电能、尚志精密和宏濑科技。2008 年全球供应量1500 吨左右,其中最大供应商美国A123 供应750 吨,国内厂商供应量500 吨左右,其中斯特兰几乎占一半份额。从公开资料统计来看,全国磷酸铁锂厂商产能约6400 吨,但实际量产数远低于产能数,不足产能的1/10。国内领先厂商包括天津斯特兰、北大先行、湖南杉杉、深圳贝特瑞以及天骄科技。

供需缺口巨大,2015 年市场容量超百亿元。仅从国内需求来看,我国08 年生产轿车504 万辆,客车140 万辆,预计2015 年以前轿车和客车的产量增速每年约10%和15%,2015-2020 年产量增速每年约8%和10%。假设PHEV 轿车、EV 轿车和EV 客车单车消耗磷酸铁锂分别为50 公斤、90 公斤和800 公斤,以此为基数测算,到2015 年国内电动车行业对磷酸铁锂需求约6.2 万吨,到2020 年需求约23 万吨。如果按15 万元/吨来计算,2015 年仅电动车带来的磷酸铁锂的市场容量约为93亿元,2020 年约345 亿元。需求相对目前的产能是10 倍的增长,未来10 年正极材

料厂商都将受益行业的高度景气。

 

五、锂电池A股涉及上市公司研究

 

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中国宝安:电池业务收入1.89 亿元,占比6.5%,毛利0.69 亿元,占比约6.5%。持股55%的深圳贝特瑞具有1500 吨磷酸铁锂产能和6000 吨碳负极材料(国内产能第一,全球第二),在国内已经拥有40 多项锂电池正负极材料专利,是“深圳市新型储能材料工程研究中心”和“深圳市博士后创新实践基地”。持股75%的天骄科技具有三元材料产能1000 吨,计划09 年中试生产150 吨磷酸铁锂。

 

杉杉股份:电池业务收入10.62 亿元,占比40%,净利润3414 万元,利润贡献约31%。是国内电池材料业务最完整,产业链分布最广的上市公司,持股75%的湖南杉杉主要产品钴酸锂,08年销量2000吨左右、锰酸锂产能800吨、磷酸铁锂产能500 吨,持股98.04%的上海杉杉碳负极材料产能1200 吨(08年供货1650吨),全资子公司东莞杉杉电解液产能4000 吨。公司正在着手研制磷酸铁锂电池,从而实现产业链的一体化。

    09-11 年EPS 0.25、0.33、0.45 元,目前股价12.19元,对应PE09年49X,10年37X,11年27X倍,拆分业绩,目前纺织服装的动态PE为25倍,10年纺织恭喜业绩0.19元,对应股价4.7,电池业务对应估值为(12.19-4.7)/0.14=50倍。

 

江苏国泰:08 年电解液收入2.93 亿元,收入占比9.37%,净利润0.48 亿元,净利润率16%,利润贡献占比近30%。持股78.895%国泰华荣化工,现有电解液产能2500 吨,是国内电解液龙头之一,预计 2009 年中扩产到5000 吨;持股71.5%亚源高新,在试做300 吨LiPF6,六氟磷酸锂是电解液最核心的原材料,其成本占到电解液生产成本的6成,投产后将大幅提升公司电解液业务的竞争力和盈利能力。

    09-10年EPS0.62 元和0.75 元,目前股价17.87元,对应PE09年28X,10年24X,其中10年每股收益0.45来自贸易,0.3来自电解液,贸易给予估值20倍(KGI给15倍),电解液业务目前估值为30倍。 

 

 

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技术成熟度较高的镍氢电池成本下降空间有限,而处于发展前期的锂电池还有较大成本下降空间,两种电池的经验成本曲线及目前所处位置如下图所示。

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