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【深度】特斯拉產業鏈梳理及鋰離子電池材料全解

【深度】特斯拉產業鏈梳理及鋰離子電池材料全解

鋰離子電池簡析:特斯拉所使用的松下電池屬於鋰離子電池的一種。鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li

在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li

從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處於富鋰狀態;放電時則相反。電池一般採用含有鋰元素的材料作為電極。

其主要優點有輸出電壓高(3.6V)、能量密度大、自放電小、循環壽命長無記憶效應、可快速充放電無有毒有害物質等。缺點是溫度影響電池容量以及安全性能不好。目前主要應用領域為消費電子、電動交通工具、大型動力電源以及二次充電及儲能領域。

特斯拉Model S專用的松下18650電池

18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準性的鋰離子電池型號,其中18表示直徑為18mm,65表示長度為65mm,0表示為圓柱形電池。

Model S所用18650電池是松下產的型號為NCR18650B三元材料電池,電容量約3.3mA,電壓達到3.6V,能量密度高達243Wh/kg。

在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的鈷酸鋰電池比能量高出三成,區別來源於結構的不同,它以鎳鈷鋁三元材料為正極材料,以石墨為負極材料,以六氟磷酸鋰為電解液。最終達到比能量更大,穩定性、一致性更好的效果。此外,單體電池尺寸小但可控性高,可降低單個電池發生故障帶來的影響,即使電池組的某個單元發生故障,也不會對電池整體性能產生影響。

鋰電池的構造多種多樣,松下三元電池只是其中的一種,以下我們將主要從鋰電池的五大核心部件詳細解析鋰電池。

正極材料

正極材料決定了鋰離子電池的主要性質,如能量密度、循環穩定性、安全性等。正極材料目前主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。目前來看,鋰電池正極遵循著從二元材料向三元材料的發展趨勢。松下NRC18650B的正極材料是鎳鈷鋁三元材料,俗稱NCA。

通過引入Ni含量可提高材料的容量,而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩爾分數80%)從而使電池從原來的2.9Ah提高到了3.3Ah左右,能量密度大大提升。同時受益於三元協同效應,NCA正極材料綜合了LiNiO2諸多優點,性能比使用單一材料優越。而且,該材料用鈷量較少,成本較低。

從目前市場角度上看,磷酸鐵鋰和三元材料為國內最主流的兩種正極材料,由於新能源客車對磷酸鐵鋰電池的需求量較大,磷酸鐵鋰的市場佔有率更高一些,但三元材料以較為迅猛的勢頭逐漸發展,成為未來的趨勢。

無論是磷酸鐵鋰正極材料還是三元正極材料,都離不開碳酸鋰。以特斯拉Model S為例測算一輛新能源汽車的碳酸鋰當量需求:松下NCR18650電池單體重量44g,松下官網說明18650電池中正極材料重量佔比20~35%,假設其正極材料在30%左右,則重量為15克左右。NCA化學式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO223,分子量為74。按鋰元素一比一,兩者重量比是74:(87.5×2)=0.423:1。

可知其中1克鋰鈷鎳鋁三元正極材料需要0.423克碳酸鋰。則生產一節18650NCA三元電池正極材料需要15*0.423=6.345g碳酸鋰。一輛ModelS使用了7104節18650電池,摺合碳酸鋰當量=7104*6.345g=45.1kg,再加上電解液六氟磷酸鋰對碳酸鋰的需求和工業耗損,預計一輛ModelS對碳酸鋰當量需求在60kg左右,摺合耗用量為0.73kg/kWh。

按照同樣的思路進行計算,我們估計松下三元電池的鎳元素耗用量約為0.53kg/kWh。

此外,鈷元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料,隨著三元材料對碳酸鐵鋰的替代趨勢越來越明朗,鈷需求也隨之水漲船高。NCA三元材料中鈷元素需求量約為0.14kg/kWh。

負極材料

石墨仍為負極材料首選

鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合製成糊狀膠合劑均勻塗抹在銅箔兩側,經乾燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體,使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。

負極材料主要分為以下三類:碳材料(石墨類)、金屬氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B電池的負極材料採用石墨材料。

動力電池市場爆發以來,相比於其他材料而言,負極材料價格相對穩定,技術路線以石墨類為主,不存在很大的爭議。電池網數據顯示,以動力鋰電池為例,一輛新能源汽車大約需要40千克負極材料,摺合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負極材料主要以天然石墨和人造石墨為主,兩者性能有著各自的優缺點,應用領域也有所不同。

碳材料發展最前沿的產品就是石墨烯,它是目前為止發現的最薄的層狀材料,以石墨烯作為負極材料可以加大電池的容量。傳統石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g,較當前正極材料的能量密度還有相當的裕量。未來提高動力電池能量密度仍是新能源汽車動力方面的關鍵,儘管價格昂貴或技術尚不成熟,鈦酸鋰以及硅基複合材料等高端負極材料也逐漸步入負極材料的應用領域。

硅基負極:鋰電負極變革趨勢

Si基負極材料最大的優勢在於極高的理論能量密度(4200mAh/g),遠高於石墨。這也符合新能源汽車對電池的要求。從目前趨勢上看,未來負極材料的發展方向先向硅基+石墨,最後將由純硅/金屬鋰完全取代低能量密度的石墨。

硅基負極材料最大的不足就是膨脹問題,充電后易膨脹碎裂,無法復原,導致材料最終出現粉末化,大大縮短了電池壽命。

在充放電過程中會有300%的膨脹,而相同條件下石墨只有7%。目前松下最新研發的碳硅基複合材料負極中硅的含量達到了10%,可以看出隨著技術水平的進步還有很大的發展空間。

負極集流體:鋰電銅箔

按生產工藝不同,銅箔又分為壓延銅箔和電解銅箔,壓延銅箔一般用作建築裝飾材料。由於銅箔的導電性良好、質地較軟、延展性好易加工變形,它也是製作鋰電池負極集流體的首選材料。鋰離子電池集流體的功用是將電池活性物質產生的電流彙集起來,以便形成較大的電流輸出,因此集流體應有較低的比表面能從而易於與活性物質充分接觸,且有著優良的導電性。

目前,國內外大部分鋰電池生產廠家都採用電解銅箔作為鋰電池的負極集流體。近年來,新能源汽車快速發展,導致新能源汽車所需的鋰電池的需求量也快速增大,而銅箔是鋰電池的重要原材料,其需求量當然也隨之增大,所以新能源汽車的發展帶動了鋰電銅箔的發展,對整個銅箔產業產生了不可忽視的影響。

新能源產業的發展導致銅箔產品產銷結構的巨變,鋰電銅箔的產能由2015年的5.9萬噸上升至2016年的7.03萬噸;產量佔比從2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前,鋰電銅箔主要應用於數碼產品等消費性電子產品,而之後才慢慢應用於動力電池,佔比慢慢提高。

在鋰電池中,銅箔的耗用量大致為0.9kg/kWh。根據銅冠銅箔的數據,2016年的鋰電銅箔的產能為7.03萬噸,而2017年鋰電銅箔的需求將上升至8萬噸,供給缺口明顯。由於新建鋰電銅箔項目建設周期較長,約為24個月,想要彌補缺口的難度非常大,銅箔加工費在剛性需求的支撐下持續上漲。

電解液

電解液,是鋰離子電池中是作為帶動鋰離子流動的載體,對鋰電池的運行和安全性具有舉足輕重的作用。鋰離子電池的工作原理也就是其充放電的過程,表現為鋰離子在正負極之間的穿梭,而電解液正是鋰離子流動的介質。

根據電池網的推算,在電解液的成本構成中,溶劑約佔30%,添加劑約佔10%,最主要的成分溶質約佔60%。市場上的溶質以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主,松下NCR18650電池也選用了六氟磷酸鋰作為溶質,每kWh鋰電池需要0.15kg的六氟磷酸鋰。六氟磷酸鋰同樣可以通過碳酸鋰製備。

隔膜

隔膜的主要作用是保障正負極分開的情況下鋰離子自由流通,是保障電池安全的最重要部分之一。隔膜能夠浸潤在電解液中,而且表面上有大量允許鋰離子通過的微孔。微孔密度以及材料選擇、厚度等等特性都會影響鋰離子穿過隔膜的速率從而影響電池性能。產業信息網估計,鋰電池中隔膜的耗用量大致為20m2/kWh。

松下供應給特斯拉的電池所使用的隔膜,由住友化學供應。住友化學隔膜採用單層PE作為基體材料,濕法工藝加工處理。與干法工藝相比,濕法工藝的投資成本較高,但可以提高膜表面微孔數量,且生產的隔膜更薄。這也是濕法工藝最大的優勢,其薄膜厚度可以低至9μm,而干法工藝製作的隔膜厚度通常在20-40μm。

鋰電池結構件

作為鋰電池和電池模組的重要組成部分,精密結構件主要包括鋁/鋼殼、蓋板、連接片等,對鋰電池的安全性、密閉性、能源使用效率等都具有直接影響。由於新能源汽車在使用過程中需要大量的電芯串、並聯在一起保證能量供應,導致需要使用大量的結構件產品以保證動力電池的安全。

鋰電池外殼保護電池在儲存和使用過程中免受外界損壞並維持電池內部穩定性,對電池的安全性、密封性和一致性等方面都有直接影響,是鋰電池重要組成部分之一。根據鋰電池形狀的不同,其所採用外殼材料各有差異:圓柱型電池外殼以鋼殼為主。方形電池外殼以鋁殼居多,軟包電池主要使用鋁塑膜和極耳來封裝。

電池接觸片是電池上的一個重要組成部分,採用銅,鐵,不鏽鋼等材料製成。電鍍鍍金、銀、鎳、錫。安裝在導電膜上的電池接觸片受到按壓時,接觸片中心點接觸電池形成迴路,電流通過。它具有導通性強、手感佳等特點。

目前來看,在保障電池結構件原有作用性能和安全性的前提下,電池包的輕量化是結構件生產最重要的目標,動力電池企業對鋰電池精密結構件製造企業在新產品、新技術等方面提出了更多的要求。同時更多的精密結構件製造企業通過優化電池系統的設置進一步實現輕量化。

特斯拉21700性能成本碾壓18650

回顧動力鋰電發展之初,特斯拉將廣泛應用於3C領域的18650引入到動力鋰電之中,開闢了一條新能源汽車動力的新道路。但18650受限於體積和關鍵組件限制,普遍在2.2-3.6Ah之間,而目前動力電池最大的瓶頸仍然在於提高比能量,才能對傳統的燃料汽車構成有力競爭。

因此,特斯拉新款Model3將採用21700電池全面替代之前成熟的NCR18650。

能量密度更大

21700電池的能量密度要優於18650電池。根據目前特斯拉披露的信息,在現有條件下,其生產的21700電池系統的能量密度在300Wh/kg左右,比其原來18650電池系統的250Wh/kg約提高20%,容量也將達到4.8Ah左右。

究其原因,21700在保有高鎳含量的NCA三元正極材料的同時,負極材料由原來的100%的碳基材料升級為摻有10%左右Si的碳硅複合材料。前文已述Si的理論能量密度要遠高於石墨,但存在容易膨脹的缺陷。21700也是首次將碳硅複合材料負極運用到動力電池中,具有里程碑意義。

同時因為能量密度的提升,相同容量的電池組需要的電芯數量會大幅減少,BMS更簡單,PACK所需要的附件更少,輕量化都會有大幅度提升。

成本不升反降

根據Tesla披露的電池價格信息,預計21700的動力鋰電池系統售價為170美元/Wh,相比18650的售價185美元/Wh,價格下降幅度可達8.1%左右。18650的系統的成本約為171美元/Wh,改用21700后,系統成本約能實現9%左右的降幅,達到155美元/Wh。

單體容量提升后,PACK所需配件數同比例減少帶動PACK成本下降。從18650型號切換至21700型號后,電池單體電池容量可以達到4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需電池的數量可減少約1/3,TeslaModels電動汽車使用7104節18650電池串並聯成電池組,預計在新款MODEL3電池節數將大幅減少。在降低系統管理難度的同時將同比例的減少電池包採用的金屬結構件及導電連接件等配件數量。

由於整個電池系統都相應簡化,帶動成本下降。特斯拉的電池佔到整車成本的三成以上,那麼我們預計整車的成本都相應的出現可觀的下降。

特斯拉電池產業鏈

根據seekingalpha的推算數據,以特斯拉ModelS為例,其電池系統價值占整車成本的33.23%。在特斯拉的電池系統里,價值最高的毫無疑問是單體電池,其成本可占整個動力電池系統的83%。

我們再繼續拆解單體電池的成本,由於沒有松下電池最精確的數據,就以業內估計的動力鋰電池數據作為參考。其中,佔比最高的是正極材料,一般在30%-40%之間;隔膜和電解液均在15%-20%之間。

由於特斯拉的電池系統可以分為兩個層次:單體電池以及電池組管理系統,那麼以特斯拉電池為原點、以這兩個層次為路徑向上游追溯,則可以梳理出其完整的產業鏈。

新能源汽車產業的飛速發展為最上游的原料供應商提供了超預期的需求增量,這也是鈷、鋰等金屬價格飛漲的核心原因。以特斯拉的松下NCA電池為例,我們匯總了前文分析的各類原料的耗用狀況。隨著未來新能源汽車的滲透率不斷提高,相關原料的需求增長將會非常可觀。

特斯拉電池產業鏈供應商全梳理

松下電器是特斯拉電池的唯一供應商,二者的合作從2011年就已經開始。2013年特斯拉和松下續簽4年合同,松下將在未來4年內向特斯拉提供約20億塊電池。由於松下電池的產能仍不足以滿足特斯拉的生產需求,二者又在2014年簽訂協議,合作建立Gigafactory電池超級工廠,計劃年產能35GWh,目前已於2016年開業,計劃在2018年生產出超過2013年全球產量總和的鋰離子電池。因此,未來特斯拉在單體電池這一塊將會逐步走向自給自足。

如果說松下電池為電動車的續航能力與快速加速提供了可能,那麼特斯拉自主研發的電池管理系統將這種可能變成了現實。特斯拉BMS能夠提供精確的電池健康狀態預估技術、電池平衡管理技術、電池殘電量管理技術、電池熱管理技術、診斷與預警技術。這是這個BMS使得電動車在續航里程、電池壽命、充電時間達到實用性的要求,從而開啟新能源汽車潮流的新時代。

由於松下電器是特斯拉單體電池的直接供應商,電池管理系統則是特斯拉自主研發的。因此要進入到特斯拉電池產業鏈之中,只能採取成為松下的供應商或者是特斯拉的認證供應商的方法。對此,我們進行了細緻的梳理:

電池管理系統

特斯拉的電池管理系統的技術來源於自主專利,而零配件採取了全球化採購策略,由全球最大車用線材廠日本矢崎以及台灣貿聯提供線束,世界上最大的模擬電路技術部件製造商德州儀器提供晶元處理器。

國內的均勝電子則為特斯拉的電池管理系統提供感測器原件。公司2015年的年報信息披露,公司在BMS方面是寶馬全球獨家供應商,而在報告期內也開始為特斯拉供應部分感測元器件。而到了2017年,在特斯拉最新下線的Model3上,公司旗下的普瑞(Preh)和百利得(KSS)分別為特斯拉的安全氣囊、方向盤和電池充電系統等多個系統和部件提供產品和技術。

常鋁股份7月10在投資者互動平台上披露動力電池散熱系統用鋁材通過特斯拉一級供應商已應用於特斯拉車輛的。

單體電池

松下電池的供應商比較固定,尤其是和住友財團的企業合作密切。比如,住友金屬礦山負責提供正極材料,住友化學提供隔膜。在其他方面,日立化成負責提供負極材料,三菱化學提供電解液。

與此同時,國內也有不少企業獲得了松下電器的供應商認證,藉此打入特斯拉供應鏈。根據各公司在公開平台上披露的信息,寶安旗下貝瑞特為松下提供鋰電池負極材料,新宙邦為松下提供電解液,長園集糰子公司江蘇華盛給松下供應電解液添加劑量。

由於Gigafactory的建立,也有部分企業也相當於是直接為特斯拉供應零部件,比如安潔科技與旗下新星控股為松下供應電子精密構件,科達利為特斯拉提供電池連接件。

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