锂电池系列专题：后补贴时代，看LFP电池发展趋势.pdf

1 后补贴时代，看 LFP电池发展趋势 锂电池 系列专题 2020年 6月 中泰证券 电力设备新能源 分析师： 苏 晨 ， S0740519050003， suchenr.qlzq 分析师：邹玲玲， S0740517040001， zoullr.qlzq 证券研究报告 引言：从宁德时代推出 CTP电池方案，比亚迪推“刀片电池”（ LFP），特斯拉采用 CATL的 LFP电池，引起大家广泛讨论： 1）成本压力下， Tesla选用 LFP电池，是否会引领行业内车企转向 LFP电池？ 2） LFP电池是否比例会提升？ LFP电池是否会回潮？成本 电解液：新宙邦、天赐材料；关注 :碳纳米管（天奈科技）等 ； 3）锂电设备： 先导智能、赢合科技； 风险提示：全球新能源汽车政策不及预期，下游需求不及预期 2 报告要点 目 录 一、电池技术路径：不同电池技术对比 二、 LFP电池是否回潮？ LFP电池需求测算 三、投资机会 3 4 电池发展趋势 资料来源： 锂电池发展简史 _黄彦瑜 ，中泰证券研究所 锂电池发展历史 ： 自 1962年锂电池开始使用以来，从锂金属电池、锂原电池、阴极物质发生变化，嵌入化合物化学 锂金属蓄电池 阳极物质发生变化， Li变为锂离子（ 1980年） 锂离子电池得到广泛使用。 1996年磷酸盐相较于传统正极更优异，如 LFP电池开始被应用； 从电解质变化看： 一次电池 ： 从 液体 -凝胶 锂金属聚合物原电池 二次 电池： 从 液体 凝胶 固体聚合物 电池 图表：电池技术发展历史沿革 图表：不同正极材料性能对比：高比能量电池大势所趋 5 主流的正极材料性能对比 5 来源：锂离子电池三元材料工艺技术及生产应用 王伟东 编著 2015年，中泰证券研究所 整理 对比不同正极材料性能、商业化进展： LFP正极，材料容量达到极限 ；提升能量密度，仍有赖于发展高镍三元材料。 短期看， 对于 LFP正极材料，由于 LFP电池成本大幅下降，且凭借 CTP电池方案提升体积能量密度，短期在某些成本敏感应用领域（运营类）占比或提升需求增大；对于三元正极材料， 在NCM811/NCA技术 应用 成熟度 不足下 ，市场或将以单晶系列NCM523/NCM622+高电压材料作为过渡的电池材料 ； 中期看 ： 从材料战略性角度，考虑钴元素成本占比较高，在钴价格持续高位的情况下，产业加速开发高镍低钴化三元材料产品。 高镍 NCM811/NCA将逐步大规模推广； 长期看 ： 富锂锰基 是最理想的正极材料，具有两倍于目前三元材料的理论容量，且原材料成本非常廉价，目前已有少数企业在开展相关技术的研究并取得国家专利 。 项目 磷酸铁锂 锰酸锂 钴酸锂 三元镍钴锰化学式 L i F e PO4L i Mn2O4L i C o O2L i (N ixCoyMnz)O2晶体结构 橄榄石结构 尖晶石 层状 层状锂离子表观扩散系数cm 2 / s1 . 8 0 . 1 1 6 -2 . 2 0 . 1 1 4 0 . 1 1 4 -0 . 1 1 2 0 . 1 1 2 -0 . 1 1 1 0 . 1 1 1 -0 . 1 1 0理论密度 g / cm 3 3 . 6 4 . 2 5 . 1振实密度 g / cm 3 0 . 8 0 -1 . 1 0 2 . 2 0 -2 . 4 0 2 . 8 0 -3 . 0 0 2 . 6 0 -2 . 8 0压实密度 g / cm 3 2 . 2 0 -2 . 3 0 3 . 0 0 3 . 6 0 -4 . 2 0 3 . 4 0理论比容量 m A h / g 170 148 274 2 7 3 -2 8 5实际比容量 m A h / g 1 3 0 -1 4 0 1 0 0 -1 2 0 1 3 5 -1 5 0 1 5 5 -2 2 0相应电池电芯的质量比能量 W h / kg1 3 0 -1 6 0 1 3 0 -1 8 0 1 8 0 -2 4 0 1 8 0 -2 4 0平均电压 V 3 . 4 3 . 8 3 . 7 3 . 6电压范围 V 3 . 2 -3 . 7 3 . 0 -4 . 3 3 . 0 -4 . 5 2 . 5 -4 . 6循环性 / 次 2 0 0 0 -6 0 0 0 5 0 0 -2 0 0 0 5 0 0 -1 0 0 0 8 0 0 -2 0 0 0环保性 无毒 无毒 钴有放射性 镍、钴有毒安全性能 好 良好 差 尚好热稳定性 优秀 良好 差 高镍较差；普通 NCM 较好；适用温度 / -9 5 50 快速衰退 -7 5 -7 5优点 循环性能好，成本低 成本低 能量密度高 能量密度高，成本相对较低缺点 能量密度低高温循环性差，能量密度低成本高高温易胀气，循环性、安全性较差原料来源 丰富 锰丰富 钴贫乏 钴贫乏成本 低廉 低廉 很高 较高主要应用领域 电动汽车及大规模储能电动工具、电动自行车、电动汽车及储能传统 3C 电子产品3C 电子产品、电动工具、电动自行车、电动汽车及大规模储能 磷酸铁锂电池，最早发展于北美： 1996年 Padhi和 Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（ LiFePO4），比传统的正极材料更具优越性，目前已成为当前主流的正极材料。 1） LFP电池最先于北美产业化，初期市场不及预期，成本因素逐步退出： LFP电池最早发展于北美，中国、台湾等在 LFP电池上走在世界前列，而日韩企业在钴酸锂、三元材料等领域处于全球领先，在 LFP电池领域落后于美国和中国。美国 LFP电池厂商，由于下游需求不振及生产成本高情况下，难以摆脱亏损，规模整体偏下，大部分退出市场。美国 A123,2009年 Nasdaq上市，曾是北美最大的LFP电池厂商，凭“离子掺杂改磷酸铁锂”专利技术，获美国能源部 HEV电池发展合约，但由于市场不及预期，后被万向收购；美国 Valence公司于 2001年开始 LFP电池产业化布局，曾在中国设立生产基地，后 2012年申请重组 ,后退出中国。 2） LFP电池在中国规模化发展，成本具备显著优势： 自 2001年起，国内企业开发 LFP材料相关工艺，以北大先行、湖南瑞翔、比亚迪、天津斯特兰等率先突破LFP产业化。随着 2014年国内 新能源汽车市场大力发展，以比亚迪、 CATL、国轩、力神、亿纬、沃特玛等纷纷入局 LFP电池。目前国内电池级材料厂商通过积累近 20年经验，在产品性能，安全性等大幅提升，研发水平与国际同步 ； 6 磷酸铁锂电池 发展历程 7 LFP电池优劣势分析 优势： LiFePO4安全性好，循环寿命长，曾被认为是动力锂电池首选正极材料。早期美国和中国将其作为主流的正极材料。代表企业包括美国 A123（被万向集团收购）；国内 BYD、 CATL、万向、国轩等； 劣势： 1）导电性差（需要包覆碳）； 2）电池能量密度低： LFP正极材料压实密度低，电压平台低，容量低，因此能量密度较低； 3）倍率性能较低，低温性能较差； LFP电池未来技术发展趋势 1）开发高压实密度 LFP材料：目前 LFP材料压实密度约 2.2-2.3g/cm3，未来要去达到 2.5g/cm3以上； 2）开发高倍率快充 LFP材料； 3） LFP材料能量密度已达极限；未来需要开发新的磷酸盐系材料，如磷酸锰铁锂材料，电压平台高于 LFP15%以上； 4）开发低温型 LFP材料： -2040C下，放电容量只有室温容量的 60%-70%；北方寒冷地区使用受限； 磷酸铁锂电池性能分析 磷酸铁锂电池： 生产工艺： 磷酸铁前驱体 +碳酸锂 -磷酸铁锂；目前主流的工艺为高温固相法生产工艺和液相法（见图表 2） LFP前驱体（磷酸铁）发展路线： 从前期草酸亚铁路线 -氧化铁红路线 -磷酸铁路线。 磷酸铁生产工艺： 磷酸铁的合成有一步法和二步法，二步法生成的磷酸铁杂质含量更低，是主要趋势。目前德方纳米采用液相法，贝特瑞采用碳热还原法 8 磷酸铁锂电池及其正极材料生产工艺 来源 ：公司公告，公开 资料，中泰证券研究所 三大路线 时期 代表公司 草酸亚铁路线 早期 天津斯特兰、烟台卓能 氧化铁红路线 早期 美国 VALENCE、台湾长园 磷酸铁路线 现今 主流 图表 1： LFP三大合成路线历史概况 图表 2： LFP的磷酸铁路线制造工艺 三元正极材料： 占电池成本约 30%-40%； 直接材料：硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰、碳酸锂 /氢氧化锂 9 三 元电池 VS LFP电池：成本差异 钴矿 钴中间品氢氧化镍硫酸钴硫酸锰硫酸镍 N C M 前驱体 N C M 正极材料碳酸锂 /氢氧化锂金属盐 前驱体 正极材料 LFP正极材料： 占电池成本约 13%-15%； 直接材料： 直接材料成本：碳酸锂、铁源（价格稳定）、磷源（总体稳定） 资源端： 全球铁、磷资源丰富；核心在锂资源 ； 资源端： 核心在镍、钴、锂资源 ； 图表： NCM三元正极材料生产工艺 图表： LFP正极材料主流生产工艺 来源：中泰证券研究所绘制 LFP成本已实现大幅下降： 根据我们专题 动力电池成本下降之道 测算， LFP电池成本在 2019年实现大规模下降。对于三元电池，三元正极度电成本极限约 0.2元 /wh，再下降较难（主要是钴、镍、锂处于低位位置）。 LFP正极度电成本，在 LFP外采情况下约 0.09元 /wh，而国轩自供 LFP正极前提下披露约 0.06元 /wh；二者成本差异主要在正极 材料。未来电池降本除了核心原材料外，可通过采用 CTP无模组实现大幅降本。 10 三元电池 VS LFP电池：未来成本下降空间 成本构成 2019年 (LFP正极 ) 度电成本（元 /kwh） 电池成本下降空间 度 电成本（元 /kwh） 直接材料 LFP正极 95.58 60.18 负极 33.31 29.37 隔膜 47.26 31.40 电解液 39.29 34.44 铜箔 65.87 45.90 铝箔 /铝壳及盖帽 46.90 32.83 甲基 28.20 19.74 合计 356.41 253.86 pack环节 BMS 44.90 29.19 电池箱 28.60 18.59 其他（结构件、 连接线件 等） 178.10 89.05 合计 251.60 136.83 直接材料 (上述之和 ） 573.40 390.68 人工 费用 51.00 19.39 制造 费用 99.60 59.29 合计 724.00 469.37 毛利率 20% 20% 售价（不含税）（元 /kwh） 868.80 563.24 成本构成 2019年 NCM523电池 电池成本下降空间 度电成本（元 /kwh） 度电成本 （元 /kwh） 直接材料 三元 正极 243.64 173.63 负极 33.31 20.54 隔膜 47.26 28.93 电解液 40.88 30.11 铜箔 65.87 46.80 铝箔 17.48 13.49 铝壳及盖帽 29.42 17.65 NMP 0.14 0.10 甲基 28.20 16.92 合计 506.20 348.16 pack环节 BMS 44.90 31.43 电池箱 28.60 20.02 其他（结构件、连接线等） 177.96 88.98 合计 251.46 140.43 直接材料 (上述之和） 757.66 488.59 人工费用 32.32 19.39 制造费用 107.81 59.29 合计 897.78 567.28 毛利率 25% 20% 售价（不含税） 1122.23 709.10 图表： LFP电池成本未来成本下降空间测算 图表：三元电池未来成本下降空间测算 来源 ：中 泰证券 研究所测算