锂电池正极材料国金.docx
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锂电池正极材料国金
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2010年07月05日
研究报告
电池行业深度研究系列报告之一
评级:
增持
首次评级行业研究
长期竞争力评级:
高于行业均值市场数据(人民币)
市场优化平均市盈率国金动力电池指数沪深300指数上证指数深证成指中小板指数29.70820.632534.112382.909227.895091.66
锂离子电池正极材料深度研究:
关注优化材料性能的核心竞争力
行业观点
动力电池和传统电池需求高速增长,推动正极材料需求:
锂电是最符合新应用发展趋势的储能技术;动力电池是锂电最新且最高端的下游应用,即将随电动汽车市场的打开而迅速增长;动力电池用正极材料近5年复合增速将达130%,电子产品电池用正极材料同期增速将达21%,三元材料逐步成为主流。
1021971921871821
100531
国金行业
沪深300
正极材料必须通过改性才能用于动力电池:
电池材料原始性能无法平衡,或电导率过低,或循环寿命有限,或能量密度过低,单纯通过传统工艺和思路生产出的正极材料难以满足动力电池的高性能要求。
?
改性技术通过材料工程,结合纳米技术和传统正极材料制备工艺,能够通过优选材料配比、掺杂、包覆、原位生长纳米线等手段,提高能量密度,延长循环寿命,增强安全性能,让初看无用的材料发挥潜力。
?
长期积累改性能力和经验才能发现更优正极材料或将某种已知正极材料的综合性能最大化。
?
正极材料市场重在竞争改性能力和一致性控制能力:
不管是通过自主研发或合作研发,胜出的正极材料供应商必须具有丰富的改性技术积累和迅速的系统性材料研究能力,才能迅速满足用户对性能改进及个性化的需要、扩张产能并占领市场;从研发伊始和整个生产流程控制产品一致性才能保证客户的产品安全,并赢得市场份额。
?
正极材料单位储能容量成本的降低空间为48%~66%:
通过降低生产成本、提高材料性能、以及在电池层面降低正极材料用量,正极材料的单位容量生产成本将能够降低48%甚至更多。
投资建议
?
行业策略:
关注企业改性能力的积累以及满足高端需求的能力,产品线宽度、客户要求高低、成功应用案例均为改性能力和产品一致性的佐证。
推荐正极材料组合:
杉杉股份、当升科技、中信国安、中国宝安
图表1:
锂电正极材料相关公司及业务简述
代码000839.SZ公司?
中信国安EPSP/E2010‐6‐25日收盘价20092010E2011E20092010E2011E12.5917.620.390.230.250.710.330.85327750253821相关业务生产锰酸锂正极材料及动力锂电池生产钴酸锂、三元素、锰酸锂、磷酸铁锂等正极材料生产钴酸锂和三元素正极材料,即将量产锰酸锂生产三元素正极材料磷酸铁锂正极材料完成研发投资纳米磷酸铁锂正极材料初创公司联营公司生产钴酸锂及锂电池量产电动自行车用动力电池,合作研发正负极材料及电解液
600884.SH?
杉杉股份
300073.SZ000009.SZ
当升科技中国宝安横店东磁拓邦股份风华高科华芳纺织
66.989.6416.6716.4010.9415.44
0.500.230.400.320.09‐0.13
0.870.400.550.540.210.35
1.450.480.700.740.400.59
134424251122‐119
772430305244
462024222726
张帅
分析师SAC执业编号:
S1130210010307(8621)61038279zhangshuai@
002056.SZ002139.SZ000636.SZ600273.SH
姚罡
联系人(8621)61038200yaogang@
注:
EPS及市盈率来自公司年报及朝阳永续一致预期-1来源:
朝阳永续,国金证券研究所敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
锂电,优势明显的移动储能技术,助力可持续发展……5
储能技术,可持续发展所必需……5锂电性能卓著,契合需求变化,解放劳动与娱乐,推动汽车电动化……7
正极材料远未定型,拥有性能优化能力才能赢得市场……10
从性能看各种正极材料:
近期锰酸锂、三元素与磷酸铁锂争锋,中期富锰层状材料或超越前辈,长期富锂材料称王……10
正极材料候选成分多种多样,结构和成分是决定能量密度的根本因素……10各种正极材料的原始性能各有千秋,但还不够好……13
正极材料的合成方法:
固相烧结法仍为主流,固-液结合地位提升……16优化材料性能的改性技术:
核心竞争力所在……18
为什么要优化性能?
原始性能不够好……18怎样改性?
改性效果如何?
各项性能都有较大提升空间……18
一致性——考验将技术批量化的能力和质量管理内功,决定市场份额……25
正极材料成本降低路径:
单位储能容量成本下降空间48%~66%……25
正极材料的成本构成……25运用纳米技术,提高能量密度,自制关键原料,降低工艺能耗,单位容量成本下降超40%……26优化电池层面正极材料用量,单位容量成本再降3%~5%……28产业链规模化及产业转移,生产成本降低10%……29成本降低路径参照物——光伏电池……30
正极材料市场格局:
三元材料走向主流,优势企业有望超车……30
预计未来5年正极材料总体需求的年均复合增速将超30%……30钴酸锂份额降低趋势不可逆转,三元材料逐步转为主流……31“中国制造”正极材料份额提升:
有望弯道超车……32存在名义产能过剩,但价格说明产量并不过剩……33
投资逻辑及投资标的……34
图表2:
原油价格走势……5图表3:
2005年相对于1750年的大气净辐射吸收,其影响区域及认识水平..5图表4:
传统能源与清洁能源可开发时间对比……6图表5:
二次电池的发展历程……7图表6:
能源利用效率对比:
锂离子电池汽车BEV与燃料电池汽车FCV……7图表7:
主流电池质量-体积能量密度对比……8图表8:
主流电池功率-能量密度对比……8图表9:
主流电池效率-寿命对比……8图表10:
主流电池功率-能量单位投资成本对比……8图表11:
锂电池电芯传统领域需求量发展趋势……8图表12:
电动汽车分类……9图表13:
电动汽车全球销量预测……9
-2敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
图表14:
锂离子动力电池成本结构样本之一(各种电池情况不同)……10图表15:
已应用锂离子电池正极材料性能定性比较……10图表16:
部分正极材料的的晶格结构示意图……11图表17:
理论计算出的上千种正极材料的能量密度和输出电压……12图表18:
多种正极材料的能量密度比较……14图表19:
不同材料的本征电导率比较……14图表20:
多种锂离子电池正极材料热稳定性比较……15图表21:
正极材料平均质量能量密度与锂离子摩尔质量比之间的关系……16图表22:
固-液结合——共沉淀法工艺示意图……17图表23:
镍、钴、锰元素给正极材料带来的优点……19图表24:
掺杂比例优选过程示意图……19图表25:
不同物质浓度与热稳定性间的关系……20图表26:
LVP电导率随成分变化而变化……20图表27:
进行碳包覆后正极材料的微观形貌……21图表28:
正极材料之间的碳纳米线互联……21图表29:
碳包覆(b)和高速球磨(c)对原始Li2MnSiO4(a)能量密度的影响……22图表30:
材料尺寸和形貌随元素含量变化示意图……23图表31:
能量密度随元素含量变化示意图……23图表32:
颗粒形貌和尺寸可通过实验条件调控……23图表33:
材料形貌和尺寸对振实密度的改进……24图表34:
氟掺杂对某种正极材料循环性能的改进……24图表35:
某种三元素正极材料的循环性能和大功率放电性能随包覆材料的变化……25图表36:
锰酸锂正极材料生产的成本构成……26图表37:
自制氧化钴使原料成本降低40%……27图表38:
自制氧化镍使原料成本降低30%……27图表39:
我国平均吨钢能耗降低历程……27图表40:
装料量与正极材料厚度之间的关系……28图表41:
0.1C放电条件下的电量-质量密度……28图表42:
不同厚度正极在不同倍率下的放电容量(1微米=10-3毫米)……29图表43:
日本光伏系统价格:
17年下降87%……30图表44:
动力电池市场对正极材料的需求预测……30图表45:
其他下游对正极材料的需求前景……31图表46:
正极材料价格比较……31图表47:
正极材料产量细分……32图表48:
正极材料份额细分……32图表49:
各国生产电池的市场份额……32图表50:
2009正极材料市场份额:
中国制造占39%……33
-3敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
图表51:
2009锂电市场份额:
中国制造占17%……33图表52:
正极材料产能产量对比……33图表53:
锂电正极材料相关公司……35
-4敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
锂电,优势明显的移动储能技术,助力可持续发展
储能技术,可持续发展所必需
能源消费需求主要来自四个部分:
发电、工业、交通运输,以及民用和商用。
工业能耗以及发电能耗都较为集中,便于集中资本和技术进行能效的提高或污染的治理。
民用和商用能量主要来自公共或自建电站、气站的集中供电或供暖,因此其能量的源头也属于集中型供应,同样便于管理和集约化。
交通运输的能耗特点不同于其他三种能源需求。
交通运输是人类生活不可或缺的部分,人流和物流是社会运转的基本流动,而由于人流和物流的路线众多、时间各异,仅有长距离大宗运输可以实现一定程度的集约化管理,大部分日常的运输仍是一个分散的复杂体系。
支持交运系统的主要能源目前以石油为基础。
随着俄罗斯、中东以及亚非拉等地区的人均国内生产总值的提升,家用汽车的数量将不断增多,交通运输能耗将不断提高,带来的是分散的温室气体排放和较低的能效。
显而易见,不可再生能源无法支持人类社会永续发展。
图表2:
原油价格走势
图表3:
2005年相对于1750年的大气净辐射吸收,其影响区域及认识水平
布伦特原油价格走势单位:
美元/桶
1601401201008060402001988198919901991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009
来源:
Bloomberg,国金证券研究所
来源:
IPCC,国金证券研究所
?
?
除了资源稀缺性及其价格波动给经济带来的问题之外,温室气体(主要是CO2)和其他有害物质的排放引发的灾难性气候现象也已触目惊心。
气候变化对人类社会的破坏作用加剧,气候恶化的后果无人能幸免,因此节能减排是每个人的共同责任和一致福祉。
近期看,储能技术的发展是实现移动用电的唯一路径,长远看,是能源管理和智能电网的基础,是新能源成为主力能源所需的关键技术之一。
与化石能源以及部分需要消耗资源的能源不同,风电和太阳能等新能源分布广泛且用之不竭,可以消除可持续发展的能源瓶颈。
-5敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
图表4:
传统能源与清洁能源可开发时间对比
来源:
IEA,国金证券研究所
?
?
但是,风电和光伏等新能源所发电能存在间歇性,需要有传统能源与之配合,进行调峰,因此限制了其更加迅速的推广和应用。
限制清洁电能在交通等方面应用的是移动蓄电和移动供电问题。
储能技术可分为集中储能和分散储能两种:
集中储能装置储能起点容量大,总投资高,且不能移动;分散储能单位容量不大,可以采用大量单元阵列实现大容量储能,且分散储能设备的容量适合移动供能,投入门槛适中,非常适合商用和民用。
实际上,最为智能的电能消费方式是分布式发电与分布式消耗相结合,各个子单元基本实现内部自给,同时可以通过电网互联互济。
这种分布式发电与用电方式可以最大限度地采用新能源、避免长距离传输的线路损耗,同时将子单元内部的电路问题限制在小范围之内。
只要采用分散储能技术,解决发电和用电时间差的问题,以家庭为单位的能源自给系统将会真正实现发电用电的个性化,从而节约大量电源和电网投资,使人类的能源消费方式从根本上改变。
分散储能中的主流技术是通过电化学方法储存和释放电能的电池技术。
电池技术可以通过材料工程的方法,在一定范围内改变正负极材料以及电解液的性质,使得其能量密度、功率密度、充放电时间等性能可控,可适应多种用途的需要。
因此,先进电池将是实现新世纪能源供应智能化和扩大用电系统对低碳新能源接纳能力的关键设备。
电化学电池的结构基本一致,主要部件包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液、集流材料,包装材料,安保装置,添加剂等。
按照其技术以及材料分类,多条电池产业链并存。
按照其是否能够充电,电池产品可分为一次电池(不可充电)和二次电池(可充电)。
出于各个应用领域对使用成本和便利程度的考虑,一次电池将长期存在于某些细分市场,但总体增长有限。
二次电池是进一步研发和商业化的重点,目前已经问世的二次电池主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂系电池。
铅酸电池是第一种商业化的二次电池,历史久,技术成熟,铅酸电池使汽车点火装置、电动自行车、不间断电源和消防应急灯成为可能。
其主要缺点有:
能量密度较低,使用寿命有限,成分铅和硫酸均不环保。
铅酸电池相对较低的成本使得铅酸电池在未来的电池市场中仍将有一席之地,但其缺点改进空间有限,中长期市场增长前景有限。
-6敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
图表5:
二次电池的发展历程
更高功率
更高能量
来源:
国金证券研究所
镍系电池主要包含两大类,镍氢电池和镍镉电池,性能好于铅酸电池,但是,镍镉电池中的金属镉具有强致癌性,其生产和使用受到环保要求的限制。
镍氢电池技术已较为成熟,正迅速替代镍镉电池,在轻度混合动力车市场中也将得到持续应用,其性能仍有一定提升空间,但已较为有限,长期来看将被锂电池取代。
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换为电能的装置,当前主要存在以下主要问题:
1、成本高;2、整体能源效率低;3、氢气充气体系基础设施建设投入大、难度高。
尽管如此,燃料电池能量密度高,只要解决制氢效率和功率成本问题,将真正市场化,迎来发展高峰。
图表6:
能源利用效率对比:
锂离子电池汽车BEV与燃料电池汽车FCV
来源:
国金证券研究所
?
锂系电池充放电的基本原理是锂离子在电极间移动并反复嵌入和脱出。
锂系电池技术尚未完全成熟,仍存在丰富性能提升的可能性,产业链各段的研发活动活跃,我们将在下文结合性能、市场和材料科学对锂系电池进行详细分析。
锂电性能卓著,契合需求变化,解放劳动与娱乐,推动汽车电动化
通过对比可知,锂离子电池无论在体积比能量、质量比能量、质量比功率、循环寿命、充放电效率方面均领先于大部分其他二次电池和储能技术。
-7敬请参阅最后一页特别声明
行业研究
图表7:
主流电池质量-体积能量密度对比
1000
图表8:
主流电池功率-能量密度对比
更轻300
金属-空气(不可充电)锂离子
质量比能量
kWh/ton100
纳硫镍氢镍镉
30
液流电池电化学电容
铅酸
更小100体积比能量kWh/m33001000
10
飞轮
锌-空气
10
30
来源:
国金证券研究所
来源:
国金证券研究所
图表9:
主流电池效率-寿命对比
100
锂离子电化学电容飞轮纳硫抽水蓄能
图表10:
主流电池功率-能量单位投资成本对比
10000
高能电化学电容高能飞轮
效率%
铅酸镍镉
液流电池
$/outputkWh1000
输出能量输入能量/
压缩空气
60
镍氢
100
单位输出能量成本
锂离子镍氢镍镉铅酸长效电化学电容压缩空气液流电池抽水蓄能金属-空气(不可充电)
长效飞轮
80
锌-空气纳硫
锌-空气
40
10
100
300
100
100010000循环次数(80%DoD情况下)
100000
10003000单位功率投资成本$/kW
10000
注:
含电池成本与做功系统投资,未考虑使用寿命
来源:
国金证券研究所
来源:
国金证券研究所
纤薄锂电池的诞生推动了电子产品的推广,而更轻巧、单次充电使用时间更持久的电动工具也会让劳动者更加灵巧。
预计传统下游对锂电池需求量的中期增速将保持在15%以上。
图表11:
锂电池电芯传统领域需求量发展趋势
10090807060504030201000%20%10%其他电子产品电动工具通信、娱乐、摄像笔记本电芯总销量CAGR40%60%50%
锂电芯销量(亿支)
同比增速
30%
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010E
2011E
2012E
2013E
2014E
来源:
国金证券研究所
锂电池的新兴市场——EV、PHEV及HEV的动力电池市场将进入快速增长期,而锂离子电池在其中的份额也将不断扩大,未来5年市场总额年均增速将达35%,且超预期可能性很大。
-8敬请参阅最后一页特别声明
2015E
行业研究?
目前市场的主流电动汽车产品是HEV,也可称之为中度电能动力汽车。
HEV通过内燃机和电动机驱动,电池容量一般为0.5~2kWh。
电池在低速行驶情况下向汽车提供部分动力或完全动力。
目前问世的HEV主要电能来源是收集内燃机的部分能量以及刹车时的废能。
纯电动汽车(EV)的应用可以基本实现零排放、零污染,同时噪声很低,其经济方面也具有一定优势:
目前的电动单位里程电耗成本已经低于当前油价和正常油耗下的油费。
插拔式电动汽车(PHEV)的电动力份额介于HEV和EV之间,能量不仅由汽车内部的充电系统提供,也可通过插座充电,是近期的重要发展技术,因为实现5~16kWh的储存容量意味着汽车可以在纯电驱动下行驶25~80km,整辆车可以更多地使用电动机而少用内燃机。
25~80km的电动里程具有商业化意义,因为世界范围内,相当份额的日常行驶里程在此范围内。
例如,在英国,97%的单次汽车行程小于80km;在主要欧元区国家,50%的单次汽车行程小于10km,80%的单次汽车行程小于25km;在美国,60%的汽车每天行驶里程小于50km,而85%的汽车每天行驶小于100km。
因此,PHEV车辆的市场化已经箭在弦上,将迎来超速增长期。
图表12:
电动汽车分类
HEV0.5~2kWh轻微HEVEV和HEV市场PHEV5~16kWh轻度HEV中度HEVEV>20kWh完全HEV
短时完全电驱辅助电驱刹车充电暂停发动机供电>144V
图表13:
电动汽车全球销量预测
功能范围
辅助电驱刹车充电暂停发动机供电0~14V暂停发动机供电14~42V刹车充电暂停发动机供电42~144V
电压范围
来源:
国金证券研究所
来源:
国金证券研究所
当前,各国政府已将发展电动汽车上升到了需要优先进行国际间合作和共同发展领域的高度,因为发展新能源汽车是一项既减轻政府相对财政负担、又提高政府政绩的事业。
我国政府自2009年初以来已出台了一系列政策支持电动汽车发展,近期更是私人购买新能源车补贴细则,给予购买电动车的全球最高补贴。
新能源汽车试点省市也纷纷出台相应地方政策,为短期地方新能源汽车产业发展建立平台,并将任务和计划层层落实。
电动汽车的配套基础设施建设正在迅速进行,为电动汽车的销售做好准备。
国家电网宣布2010年将在27个城市建设充电站,各地区试点项目几乎均有充电站或充电桩的建设计划。
南方电网也已经迅速开展充电站建设计划,其在深圳的规划是从2009年至2012年,完成250个充电站以及12500个充电桩建设。
我们保守预计2015年全球EV/PHEV/HEV的销售总量将达到近380万辆,而到2020年其年总销量将突破1200万辆,但电动汽车市场的发展很可能超我们预期:
国际能源署预测2015年HEV/PHEV/EV总销量达1100万辆,2020年达到近2400万辆。
由于应用条件和功能不同,EV和HEV对电池的性能要求有所不同:
相同成本情况下,HEV更倾向于采用大功率密度电池系统,而EV更倾向于兼顾大能量密度和大功率密度电池系统。
总体而言,动力电池的要求主要有:
1、安全可靠;2、高能量、功率密度;3、工作范围宽;4、耐受深循环、高倍率放电;5、循环次数多,容量损失小,能源效率高;6、成本与价格适中;
-9敬请参阅最后一页特别声明
行业研究?
锂电池在动力电池中的市场份额必将逐渐上升。
我们预计其在HEV中的市场份额将由目前的0%上升至2020年的近30%。
PHEV和EV中将主要采用锂离子电池。
由于EV用锂电的容量大、价值高,因此EV动力锂电收入份额将更高。
正极材料远未定型,拥有性能优化能力才能赢得市场
?
?
锂电池的主要功能性部件有正极材料、负极材料、电解液、隔膜、集流体和外壳。
可以认为正极材料是电池中锂离子之源,其性能直接关系到电池性能,是锂电能量密度的基础,是锂电池中最关键的功能材料。
同时,虽然各电池企业的折旧和人工成本在其产品总成本中的占比因各自情况不同而各异,但正极材料在电池用材料成本中占比最大,约占材料成本的近30%,总成本的20%。
图表14:
锂离子动力电池成本结构样本之一(各种电池情况不同)
电极11%正极20%
折旧20%
负极5%铝外壳3%
人工10%电解液13%
来源:
国金证券研究所
隔膜14%集流体4%
下文将深入研究正极材料的种类、性能、工艺、改性及成本降低路径。
从性能看各种正极材料:
近期锰酸锂、三元素与磷酸铁锂争锋,中期富锰层状材料或超越前辈
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- 关 键 词:
- 锂电池 正极 材料
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