鋰電池技術(shù)分析

鋰電池技術(shù)分析材料比較鋰電池的市場(chǎng)將會(huì)爆發(fā)性增長(zhǎng)，已經(jīng)無(wú)需置疑。電動(dòng)汽車產(chǎn)量的快速擴(kuò)張必將帶動(dòng)對(duì)鋰電池材料的需求。鋰電池主要由4部分構(gòu)成，即電極、電解液、隔膜和包裝材料。其中，包裝材料和石墨負(fù)極技術(shù)相對(duì)成熟，成本占比不高。鋰離子電池的核心材料主要是正極材料、電解液和隔膜。其中，正極材料是鋰離子電池電化學(xué)性能的決定性因素。正極材料占鋰電池成本的比例超過40%，是最主要的構(gòu)成部分。電解液和隔膜，成本占比分別為10%和20%。由于目前鋰電池核心材料仍處于研發(fā)階段，離大規(guī)模成熟應(yīng)用于電動(dòng)汽車仍有一定距離，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需要持續(xù)研發(fā)，改進(jìn)工藝，以滿足電動(dòng)汽車對(duì)材料的更高要求。綜合技術(shù)、產(chǎn)品盈利能力和需求增長(zhǎng)幅度，對(duì)各子行業(yè)排序如下：從技術(shù)成熟度考慮，電解液>磷酸鐵鋰=六氟磷酸鋰>隔膜。電解液主要是復(fù)配技術(shù)，技術(shù)最為成熟，不存在新產(chǎn)品替代的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)因而最低；與之相對(duì)，磷酸鐵鋰的技術(shù)路線風(fēng)險(xiǎn)最高，日韓企業(yè)基本采取三元材料和高端錳酸鋰的技術(shù)路線。另一方面，國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰的生產(chǎn)取得一定突破，但一致性目前仍未得到有效解決，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都還處于小量送樣階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)；六氟磷酸鋰的技術(shù)路線風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，但產(chǎn)品要求嚴(yán)格，工業(yè)化生產(chǎn)難度很高；隔膜的難點(diǎn)不在合成而在于工藝，國(guó)內(nèi)相對(duì)落后的應(yīng)用研究，導(dǎo)致隔膜成為鋰電池核心材料中，國(guó)產(chǎn)化率最低，也是生產(chǎn)難度最大的材料。從產(chǎn)品收益率考慮，隔膜>六氟磷酸鋰>磷酸鐵鋰>電解液。技術(shù)門檻的高低，決定了產(chǎn)品盈利的高低。因此，佛塑股份的隔膜雖然質(zhì)量落后于國(guó)際巨頭，定位中端，仍然具有60%以上的毛利率。而江蘇國(guó)泰的電解液，定位高端，毛利率預(yù)計(jì)在30%-40%左右。六氟磷酸鋰和磷酸鐵鋰，預(yù)計(jì)盈利能力介于兩者之間。從動(dòng)力電池帶來(lái)的需求增長(zhǎng)幅度考慮，磷酸鐵鋰>隔膜>電解液=六氟磷酸鋰。由于磷酸鐵鋰不能用于傳統(tǒng)小型鋰電池，因此動(dòng)力電池對(duì)其的需求拉動(dòng)最為顯著；動(dòng)力電池對(duì)隔膜安全性要求很高，目前主要使用3層復(fù)合隔膜，因此大大提升了隔膜的需求量。而傳統(tǒng)鋰電池領(lǐng)域的約1.5億平米左右的需求量，決定了其需求彈性略低于磷酸鐵鋰；六氟磷酸鋰與電解液基本保持1：10的比例，因此兩者的需求彈性相同。存在問題磷酸鐵鋰的一致性問題有待解決。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于鋰離子電池的研究，大多數(shù)集中于正極材料。各種正極材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此都需要通過工藝改進(jìn)提高其性能。目前，通過摻混技術(shù)、碳包覆、納米制程以及一些其它工藝，改善正極材料的循環(huán)壽命、提高電化學(xué)性能成為研究熱點(diǎn)。對(duì)企業(yè)而言，掌握合成工藝僅僅是第一步，大批量供貨的情況下，如何保證產(chǎn)品質(zhì)量的批次穩(wěn)定性是更為重要的環(huán)節(jié)。由于磷酸鐵鋰對(duì)合成工藝條件的要求更為苛刻，這就對(duì)企業(yè)從原料采購(gòu)、工藝控制、現(xiàn)場(chǎng)管理、產(chǎn)品檢驗(yàn)等各方面都提出更高要求。六氟磷酸鋰質(zhì)量難控制，合成難度高。鋰電池的電解質(zhì)主要是六氟磷酸鋰，其生產(chǎn)的主要原料為無(wú)水氫氟酸和五氟化磷，均為氟化工產(chǎn)品。生產(chǎn)過程中，反應(yīng)流程長(zhǎng)，工藝條件嚴(yán)苛，產(chǎn)品純度要求高。目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求水分小于30ppm，游離酸小于10ppm，要求極為苛刻。因此生產(chǎn)企業(yè)若沒有重化工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，尤其是氟化工的技術(shù)積累，很難做到穩(wěn)定高效的生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。隔膜生產(chǎn)工藝極難掌握，技術(shù)壁壘很高。生產(chǎn)隔膜的原理并不復(fù)雜，主要難點(diǎn)在于提高隔膜孔隙率、降低隔膜厚度的同時(shí)還要保證隔膜的機(jī)械強(qiáng)度。由于原理簡(jiǎn)單，理論研究很少。而生產(chǎn)工藝難度極高，核心技術(shù)掌握在少數(shù)幾家手中，因此應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也很少。正極材料發(fā)展分析鈷酸鋰：目前最成熟的，唯一商品化的鋰離子電池正極材料，主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式數(shù)碼產(chǎn)品以及電動(dòng)玩具等。優(yōu)點(diǎn)：材料的加工性能很好，密度高，比容量相對(duì)較高，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性能好，材料的電壓平臺(tái)較高且比較穩(wěn)定缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴、容量幾乎發(fā)揮到了極限、資源緊缺、安全性差。未來(lái)方向：在傳統(tǒng)鋰離子電池領(lǐng)域，鎳鈷鋰和鎳鈷錳鋰三元材料是最有希望代替。鈷酸鋰的正極材料。安全性差和過高的成本，限制了其在動(dòng)力電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)電池領(lǐng)域，鈷酸鋰也面臨成本更低的三元材料和錳酸鋰的挑戰(zhàn)。由于鈷酸鋰工藝成熟，基數(shù)較大，因此未來(lái)數(shù)年內(nèi)仍將占有正極材料大部分市場(chǎng)份額。根據(jù)IIT報(bào)告的預(yù)測(cè)，到2012年，全球?qū)φ龢O材料的需求量約為7.67萬(wàn)噸，其中鈷酸鋰需求量約3萬(wàn)噸，占比約40%，仍舊是第一大消費(fèi)品種。09年到2012年，鈷酸鋰復(fù)合增長(zhǎng)率9.32%，多元材料復(fù)合增長(zhǎng)率37.05%，錳酸鋰復(fù)合增長(zhǎng)率79.56%，磷酸鐵鋰復(fù)合增長(zhǎng)率114.72%。磷酸鐵鋰和錳酸鋰的增速明顯高于其它產(chǎn)品，主要得益于其在動(dòng)力電池中的應(yīng)用。錳酸鋰和三元材料錳酸鋰是除鈷酸鋰外研究最早的正極材料，適合于電動(dòng)工具、礦燈電池和手機(jī)電池等對(duì)容量要求不高的領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：安全性較高，尤其是高溫下的穩(wěn)定性較好。電解錳目前價(jià)格僅1.8萬(wàn)元，具有明顯成本優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)：比容量較低，高溫循環(huán)性能目前還沒有得到較好的解決，未來(lái)方向：小型鋰電池市場(chǎng)，日本研發(fā)的高端錳酸鋰材料可用于動(dòng)力電池。鎳鈷錳三元材料同樣也是非常有前途的正極材料，有望在小型鋰電池領(lǐng)域替代鈷酸鋰。優(yōu)點(diǎn)：高容量的正極材料，比容量可以達(dá)到180mAh/g以上，安全性較好，成本低，與電解液的相容性好，循環(huán)性能優(yōu)異，缺點(diǎn)：合成困難、合成條件苛刻、合成材料的穩(wěn)定性差；電壓平臺(tái)相對(duì)較低，只有3.55v左右；密度相對(duì)較低；充電電壓較高，達(dá)到了4.5v左右。未來(lái)方向：主要是小型鋰離子電池市場(chǎng)，也有望進(jìn)入動(dòng)力電池市場(chǎng)。磷酸鐵鋰：磷鐵酸鋰材料是最近兩年才快速發(fā)展起來(lái)的正極材料，其低廉的價(jià)格，較高的安全性能，較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，優(yōu)越的循環(huán)性能使得其作為動(dòng)力電池和備用電源領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。高安全性和熱穩(wěn)定性是磷酸鐵鋰的突出優(yōu)點(diǎn)。在針刺和擠壓實(shí)驗(yàn)中，磷酸鐵鋰電池不發(fā)熱、不冒煙、不起火。在過充實(shí)驗(yàn)中，將電池過充到4.5V，過放至0V，電池循環(huán)100次，外觀無(wú)任何異常，容量保持率達(dá)到84%，表現(xiàn)堪稱優(yōu)異。對(duì)于動(dòng)力電池領(lǐng)域，安全性是首要考慮的因素。正是憑借磷酸鐵鋰在安全性方面的優(yōu)勢(shì)，基本確立了其現(xiàn)階段汽車動(dòng)力鋰電池的正極材料首選的地位。磷酸鐵鋰的主要缺點(diǎn)是振實(shí)密度低，體積比容量低，電導(dǎo)率低，低溫放電性能差，倍率放電差等問題。其中，振實(shí)密度和體積比容量低對(duì)動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，問題并不嚴(yán)重。目前，磷酸鐵鋰已經(jīng)成為我國(guó)動(dòng)力鋰電池行業(yè)的主流選擇，比亞迪的電動(dòng)汽車正是采用這種材料。全球供給高度集中。由于磷酸鐵鋰能量密度較低，需要采用碳包覆等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改性，提高了磷酸鐵鋰的生產(chǎn)難度和成本。目前，國(guó)際上磷酸鐵鋰的生產(chǎn)商主要有美國(guó)的A123、Valence和加拿大的phostech公司。據(jù)估計(jì)，A123和威能公司產(chǎn)能合計(jì)約1000噸，phostech公司產(chǎn)能約750噸。由于A123和威能的磷酸鐵鋰全部自用，不對(duì)外銷售原料，因此國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰的供應(yīng)主要靠phostech、天津斯特蘭公司和北大先行等極少數(shù)幾家。phostech、天津斯特蘭產(chǎn)能均為500噸，北大先行宣稱產(chǎn)能2000噸，實(shí)際產(chǎn)量大大低于產(chǎn)能。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)群雄并起，行業(yè)格局有待規(guī)范。合成難度大，產(chǎn)品供不應(yīng)求，導(dǎo)致全球磷酸鐵鋰價(jià)格居高不下。磷酸鐵鋰目前國(guó)內(nèi)廠家的產(chǎn)品一般在15-18萬(wàn)/噸，美國(guó)A123系統(tǒng)公司和Valence公司報(bào)價(jià)在20-30萬(wàn)/噸。目前，由于磷酸鐵鋰尚處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，前期研發(fā)和市場(chǎng)開拓費(fèi)用較高，行業(yè)內(nèi)公司，無(wú)論是國(guó)際巨頭如A123和valence還是國(guó)內(nèi)企業(yè)如天津斯特蘭和北大先行，普遍虧損。磷酸鐵鋰未來(lái)廣闊的前景，吸引眾多資本熱情投入。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)目前從事磷酸鐵鋰合成的公司多達(dá)100家左右。由于正極材料規(guī)模效應(yīng)顯著，未來(lái)行業(yè)必將進(jìn)行整合，僅有少數(shù)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量領(lǐng)先的公司能夠笑到最后。電解液發(fā)展分析電解液主要原材料為六氟磷酸鋰，占電解液成本的50%左右，其生產(chǎn)成本為10萬(wàn)元/噸，售價(jià)為40萬(wàn)元/噸，毛利率高達(dá)75%。六氟磷酸鋰合成難度較高，整個(gè)生產(chǎn)過程涉及高溫、低溫、真空、高壓、腐蝕性強(qiáng)、易燃易爆和劇毒化學(xué)品，對(duì)設(shè)備和人員要求高、工藝難度極大。森田化工在張家港的建設(shè)年產(chǎn)300噸六氟磷酸鋰的工廠，照搬日本工廠的成熟設(shè)備和工藝，仍然歷時(shí)3年才穩(wěn)定達(dá)產(chǎn)，可見工藝難度之高。難點(diǎn)在于雜質(zhì)控制。電解液對(duì)六氟磷酸鋰的純度要求極高，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求水分小于30ppm，游離酸小于10ppm。由于六氟磷酸鋰本身具有吸潮性，因此高純?cè)系墨@取和生產(chǎn)過程中雜質(zhì)控制和產(chǎn)品提純都是關(guān)鍵因素。較高的技術(shù)門檻，導(dǎo)致極高的市場(chǎng)集中度，市場(chǎng)主要被關(guān)東電化學(xué)工業(yè)、STELLA、森田化學(xué)等幾家日本企業(yè)壟斷。國(guó)內(nèi)目前僅有天津金牛能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量約80噸，產(chǎn)品全部自用不對(duì)外銷售。江蘇國(guó)泰和多氟多正在進(jìn)行中試生產(chǎn)。發(fā)展趨勢(shì)：長(zhǎng)期看，新電解質(zhì)體系的開發(fā)將是大勢(shì)所趨。六氟磷酸鋰材料的熱穩(wěn)定性較差，從60℃開始就有少量分解，在較高溫度或惡劣的環(huán)境下，分解的比例大大增加，產(chǎn)生氫氟酸等游離酸，會(huì)使電解液酸化，最終導(dǎo)致電極材料的損壞以及電池性能的急劇惡化。同時(shí)六氟磷酸鋰易潮解，而水分是電解液的大敵。近些年，草酸硼酸鋰鹽在電解液中的應(yīng)用逐漸引起關(guān)注。用草酸硼酸鋰鹽配制成的電解液有抗過充、阻燃等功能，形成的SEI膜非常穩(wěn)定，滿足動(dòng)力電池高安全性的要求。更長(zhǎng)遠(yuǎn)看，聚合物鋰電池可能成為鋰電池未來(lái)的發(fā)展方向。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此外殼材質(zhì)可以更輕，從而可以提高整個(gè)電池的比容量。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比普通鋰離子電池有所提高。隔膜發(fā)展分析隔膜生產(chǎn)難度最高，盈利最豐厚。在鋰電池中主要作用是防止正負(fù)極短路，同時(shí)在充放電過程中提供離子運(yùn)輸?shù)碾娡ǖ?。由于鋰離子電池具有工作電壓高，隔膜材料與高電化學(xué)活性的正負(fù)極材料應(yīng)具備優(yōu)良的相容性，同時(shí)還應(yīng)具備優(yōu)良的穩(wěn)定性、耐溶劑性、離子導(dǎo)電性、電子絕緣性、較好的機(jī)械強(qiáng)度、較高的耐熱性及熔斷隔離性。滿足鋰電池的特殊需求的同時(shí)，還要滿足制膜工藝的可行性，涉及多學(xué)科領(lǐng)域，因此隔膜研發(fā)進(jìn)展緩慢。目前一般采用聚丙烯、聚乙烯單層微孔膜，以及由兩者復(fù)合制成多層微孔膜作為隔膜。以聚丙烯為例，原料成本僅8千元/噸，而加工制成隔膜后，價(jià)格可達(dá)300萬(wàn)元/噸，升值數(shù)百倍。鋰電池隔膜供給高度集中，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。隔膜的主要技術(shù)掌握在少數(shù)企業(yè)手中，集中度很高。國(guó)外的隔膜生產(chǎn)主要集中在美國(guó)的celgard公司和日本的旭化成、東燃和宇部。由于技術(shù)壁壘較高，投資風(fēng)險(xiǎn)大，國(guó)內(nèi)企業(yè)的投資熱情并不高。國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)鋰電池隔膜的，僅有佛山金輝高科（佛塑股份的子公司）、新鄉(xiāng)格瑞恩、桂林新時(shí)代和深圳星源材質(zhì)4家公司，產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外同類相比，仍存在較大差距。其中，佛山金輝的產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)較好，供應(yīng)中低端市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)中高端市場(chǎng)，主要由東燃、旭化成和celgard公司壟斷。根據(jù)國(guó)內(nèi)鋰離子電池產(chǎn)量估算，國(guó)內(nèi)隔膜的年需求量約2億平米左右。國(guó)內(nèi)龍頭佛山金輝的產(chǎn)量?jī)H1200萬(wàn)平米，即使考慮其它幾家公司有限的產(chǎn)量，供給也遠(yuǎn)低于需求。佛山金輝的產(chǎn)品雖然主要用于中低端市場(chǎng)，毛利率仍然高達(dá)60%以上。未來(lái)發(fā)展方向：更薄、更安全。鋰離子電池隔膜的發(fā)展，是隨著電池需求的不斷變化而不斷發(fā)展的。從需求看，鋰電池正朝著更安全和更輕薄兩個(gè)方向發(fā)展。數(shù)碼產(chǎn)品電池方面，為迎合美觀和便攜