新能源汽车专题：探讨新能源动力电池在有色金属需求中的潜力.pdf

研究院 原油与商品策略组 潘翔 能源策略总监兼首席原油研究员 0755-82767160 panxianghtfc 从业资格号： F3023104 投资咨询号： Z0013188 联系人： 宋晨阳 商品策略 研究员 0755-23887993 songchenyanghtfc 从业资格号： F3042880 研究院 基本金属部 李苏横 有色金属 研究员 0755-23614607 lisuhenghtfc 从业资格号： F3027812 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 探讨新能源动力电池在有色金属需求中的潜力 随着新能源汽车的快速发展，同时在政策倾向下，越来越多的消费者选择新能源汽车，新能源汽车在近十年保有量成倍增长，作为新能源汽车“心脏”的动力 电池配套量自然也逐年增加，但一些新能源行业“隐患”也渐渐浮出水面，首先要面临的是新能源汽车的动力蓄电池的更换。通常来说，目前市场上流通的新能源汽车的质保期多以 5 年或 8 万公里为标准，照此标准计算， 2009 年至 2012 年推广的新能源汽车或行驶里程接近 8 万公里车辆的动力电池已经到了需要更换的标准，在 2018 年 2020 年，将会迎来新能源车的第一轮动力电池更换的高峰，这其中不仅包括了乘用车，也包括了新能源客车等。 电动汽车的电池当前有两个主流设计。一种是以特斯拉车为代表的，采用三元锂电池 +高科技的电池管理系统，充分 发挥三元锂电能量密度大的优势；一种是很多车为代表的，采用磷酸铁锂电池 +相对简单的电池管理系统，充分利用磷酸铁锂电池耐用的优势 ，另外 根据国家工信部汽车产业中长期发展规划，要求 2020 年动力电池单体能量密度达到300Wh kg， 2025年，电池能量密度达到 400Wh/kg； 2030年，电池能量密度达到 500Wh/kg。 以金属锂为例，例如 2018 年预计新能源汽车产量及进口量下限为 70 万辆，根据比亚迪目前具备的条件， 2018 年三元锂电池能量密度可达到 200Wh/kg，假设每辆新能源车的最低电池重量为 250kg，单位金属锂消耗量为 0.22kg/KWh，我们预估 2018 年动力电池金属锂总消耗量为 7700 吨，到了 2020 年金属锂总消耗量可达 1.73 万吨，为 2018 年的 2 倍多。对于镍而言， 随着国家对工业生产的环保要求逐渐加码，国内的硫酸镍企业都面临着向金属镍制备硫酸镍的转型。而作为电池原料的硫酸镍需求上升，将推动金属镍的需求上升。因此虽然增幅较为有限，但由于其对于钴的可替代性，未来动力电池行业对于镍的需求仍然是一个亮点。 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 2 / 16 工信部加快 新能源汽车动力蓄电池回收利用 动力电池迎来回收高峰 随着 新能源汽车的快速发展， 同时在政策倾向下，越来越多的消费者选择新能源汽车，新能源汽车在近十年保有量成倍增长， 作为新能源汽车“心脏”的动力电池配套量自然也逐年增加， 但一些新能源行业“隐患”也渐渐浮出水面，首先要面临的是新能源汽车的动力蓄电池的更换。 通常来说， 目前市场上流通的新能源汽车的质保期多以 5 年或 8 万公里为标准 ， 照此标准计算， 2009 年至 2012 年推广的新能源汽车或行驶里程接近 8 万公里车辆的动力电池已经到了需要更换的标准 ， 在 2018 年 2020 年， 将会 迎来 新能源车的 第一轮动力电池更换的高峰 ，这其中不仅包括了乘用车，也包括了新能源客车等。 业内人士估计， 2018 年累计废旧动力电池报废量将超 17 万吨，动力电池退役数量每年将以几何级的数量增长，在巨大商机的背后也隐藏着一场新的环保隐患。 据中国汽车技术研究中心预测，到 2020 年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到 12 万辆，与此同时 中国电动汽车百人会研究咨询部张健也指出： “ 我国车用动力电池绝大多数为锂离子电池，其中虽然不含汞、镉、铅等毒害性较大的重金属元素，但如果处理不当仍会对环境造成极大污染。 ” 比如废旧锂离子电池的电极材料进入环境中，可与其他物质发 生化学反应，造成重金属污染、碱污染和粉尘污染；电解质进入环境中，经过化学反应，可能造成氟污染和砷污染。 那么，废旧动力电池如何再利用？谁来操作执行呢？ 动力电池回收相关政策陆续出台 为了能够使新能源车行业更好更稳地发展 ，工信部、商务部、科技部等 部门 自 2017 年 就新能源车动力电池回收问题，联合 发布了一系列政策 。 2017 年年初 工信部、商务部、科技部三部委下发了关于加快推进再生资源产业发展的指导意见， 其中将新能源汽车动力电池回收利用专列为重点项目 ，并明确了 “电池回收利用主体责任 “这一关键问题，即新能源车主机厂和电池制造厂负主要责任，但在回收利用技术标准方面还没有更详细的规划 。 2018 年年初 为加强新能源汽车动力蓄电池回收利用管理，规范行业发展，推进资源综合利用，保护环境和人体健康，保障安全，促进新能源汽车行业持续健康发展 ， 工业和信息化部 、 科技部 、 环境保护部 、 交通运输部 、 商务部 、 质检总局 、 能源局 七部委联合发布了 新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法 。在本次发布的办法中 强调落实生产者责任延华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 3 / 16 伸制度，要求汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任，而相 关企业在动力蓄电池回收利用各环节履行相应责任 。 2018 年 6 月 21 24 日，工业和信息化部节能与综合利用司司长高云虎带队前往江苏省、浙江省开展新能源汽车动力蓄电池回收利用工作调研 。调研组在无锡市、衢州市实地调研了格林美（无锡）、华友钴业等综合利用企业，听取了企业关于开展新能源汽车动力蓄电池回收利用工作汇报，详细了解了企业开展废旧动力蓄电池综合利用工作现状及目前遇到的问题和困难。座谈会上，上海市、江苏省、浙江省三地工业和信息化主管部门分别介绍了工作进展情况，并就下一步加快区域合作提出了思路和建议。 综合利用司司长 高云虎指出， 加快推进新能源汽车动力蓄电池回收利用，对于保障我国新能源汽车产业健康持续发展、推进生态文明建设具有重要意义 。当前要统筹谋划，加快推进试点方案制定及实施各项工作。一是加强区域协作，打破区域和行业界限，加强跨区域产业合作，将动力蓄电池回收利用工作打造成为长江经济带绿色发展工作的亮点。二是 加快构建回收体系，充分发挥政府引导和监督作用，促进汽车生产企业全面落实生产者责任 ，建立回收渠道，加强与电池生产、综合利用等企业合作，通过多种形式构建跨行业联合共同体。三是加强产业布局，重点抓好“两头”，即前端回收和后端再利用及无害化处置，鼓励梯次利用企业创新发展，严格控制湿法冶炼企业的规模和布点。四是加强政策引导，充分利用现有财税等支持政策，鼓励企业持续加强技术研发与创新，做好技术储备，进一步提升企业环保水平，从全生命周期角度实现产业绿色发展。 深圳计划建立较为完备的电池监管回收示范体系 此外在 2018 年 4 月，深圳市发改委发布深圳市开展国家新能源汽车动力电池监管回收利用体系建设试点 工作方案 (2018-2020 年 )， 深圳将在全市范围内开展动力电池生产者责任延伸制度探索和实践 。 深圳计划到 2020 年，实现对纳入国家和地方购置补贴范围新能源汽车动力电池的全生命周期监管，动力电池生产、使用、贮运、回收、利用各环节规范有序 ，建立起较为完备的动力电池监管回收利用示范体系，形成在全国可复制、可推广的动力电池监管回收利用经验。主要工作任务包括：建立动力电池信息管理平台、实施动力电池信息登记制度、完善动力电池回收押金机制、强化维保网点动力电池回收管理、加强报废新能源汽车动力电池回收监管、严格废旧动力 电池贮运管理、规范梯级利用和再生利用企业行为、支持梯级利用和再生利用产业化八大方面。 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 4 / 16 我国新能源车发展 势头迅猛 新能源车的起步 国内开始有新能源汽车相关的科研计划 是 从 20 世纪 90 年代初 开始的， 2001 年启动电动汽车重大科技专项，中国以燃料电池、混合动力和纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为“三横”，形成了“三纵三横”的开发格局。随着 2007 年新能源汽车生产准入管理规则出台，正式把新能源汽车划为一个独立的类别来规范生产，也由此从科研进入投产阶段。 最早生产出来的新能源汽车主要集中在公共领域的一些示范推广项目，例如 2008 年奥运会上接送运动员的电动客车，部分城市小规模采购电动出租车、电动公交车等。先期大多以政府、企事业单位为主导，示范意义多过实际应用。 图 1 2008 年奥运会时使用的电动客车 数据 来源： 公开资料 华泰期货研究院 在国家 政策 支持下高速增长 随着产业逐步发展， 2014 年开始有私人购买新能源汽车，由此也开启新能源汽车元年 ， 同时在国际政策补贴的大力支持 2015 年进入新能源汽车产业高速增长年 ， 中国也在这 一年 成华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 5 / 16 为全球最大的新能源汽车市场。 2013 年 9 月，国家相关部门出台了关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知，其中明确了在 2013 年 -2015 年，对消费者购买新能源汽车继续给予补贴。补助范围 为 纳入中央财政补贴范围的新能源汽车，车辆是符合要求的纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。 明确规定了新能源车的补贴是直接补给消费者，消费者 在购买新能源车时，消费者按销售价格扣减补贴后支付。 从 中国工汽协的 数据上 看也印证了在补贴政策的支撑下 ，我国 新能源汽车 从 2014 年开始进入较快发展期 ， 2010 年至 2013 年的新能源汽车全年销量为 1 万辆上下 ， 不超过 2 万辆 ， 而2014 年 -2015 年， 销量和增速都高速攀升，其中 销量成 3 倍增长 ， 2014 年全年新能源车销量为 7.4 万辆， 到了 2015 年全年新能源车销量则达到了 33 万辆 。 进入 2016 年，新能源车销量趋缓， 但依然 以每年约 50%的速度 高速 增长， 到了 2017 年的销量为 77.7 万辆 。 图 2 新能源汽车销量及增速 单位： 万 辆 ， % 图 3 纯电动汽车销量及增速 单位：万辆 ， % 数据 来源： Wind 华泰期货研究院 数据 来源： Wind 华泰期货研究院 双积分政策成为核心驱动力 自 2018 年 起国家对新能源汽车的补贴退坡， 根据成本变化等情况，调整优化新能源乘用车补贴标准，简单来说新的财政补贴政策更倾向于载有高性能电池的纯电动乘用车， 并且 纯电动客车、货车和专用车补贴退坡幅度较大，鼓励了技术水平高、安全可靠的产品推广应用。此外 2019 年 起面向车企的 双积分政策 将会 正式实施， 尽管国家对于新能源汽车的 补贴有所 减免 ， 但 双积分政策将成为新能源核心驱动力 ， 预计新能源汽车 销量会继续保持高速增长。 0%50%100%150%200%250%300%350%400%01000002000003000004000005000006000007000008000009000002010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017新能源汽车销量 销量增速0%50%100%150%200%250%300%350%400%450%500%01000002000003000004000005000006000007000002011 2012 2013 2014 2015 2016 2017纯电动汽车销量累计值 销量增速华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 6 / 16 新能源车产量 下限 预测 另外 根据 我们 研究，可以从 双积分政策中新能源积分的计算方法， 大致 可以推算出新能源车在生产（进口）多少辆时，其新能源积分正好为 0，此时的新能源车的产量（进口量）将会是新能源车产量（进口量）的下限。 首先 需要 对传统汽油汽车产量进行一个测算。 2016 年汽车产量约为 2819 万辆，其中新能源车的产量约为 52 万辆， 则 2016 年传统汽油汽车的产量 约为 1768 万辆， 以此类推 2017 年传统汽油汽车的产量为 2915 万辆 ，另外 假设 2018 年、 2019 年及 2020 年传统汽油汽车的产量为 2800 万辆。 另外根据办法中规定 新能源积分比例要求在 2019 年 、 2020 年分别为 10%和 12%， 2018年我们采用征求意见稿中规定的 8%。 新能源计分的目标值计算方法为：汽油汽车产量 *比例要求，因此 新能源积分目标值在 2018 年为 224 分， 2019 年为 280 分， 2020 年为 336 分。 每辆新能源车积分的计算方法为 0.012*R+0.8， 我们假设 R=3.2， 用新能源积分的目标值除以每辆新能源车的积分 R， 可以得到年度新能源车的产量（进口量）的下限值。 根据表格 1 所示，我们认为， 2018 年新能源车的产量（进口量）至少为 70 万辆， 2019 年为87.5 万辆， 2020 年为 105 万辆。 表格 1 新能源汽车产量（进口量）下限的推算 数据 来源 ：公开资料整理 华泰期货研究院 2018 2019 2020 新能源积分比例 8% 10% 12% 传统汽油汽车产量 2800 万辆 /年 目标值 224.0 280.0 336.0 每辆新能源车积分 R=3.2 新能源汽车产量（进口量）下限 （万辆） 70.0 87.5 105.0 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 7 / 16 新能源电动车 的 主流 动力 电池简介 电动汽车与燃油汽车的区别 电动汽车与燃油汽车在结构上的最大区别在于动力系统和能源供应系统，电动汽车采用蓄电池、电动机、控制器及相关设备替代了原有的内燃机和油箱。电动汽车没有发动机，所以不需要传统燃油汽车上与燃油发动机相关的零件。在电动汽车中，不需要发动机、变速器、油箱、燃油供给装置、燃油喷射装置、火花塞、进气管、排气管、三元催化转化器以及消声器等零件，甚至连车头上的进气格栅都不需要。而电动汽车上配置的电气部件主要有蓄电池、电动机、控制器等。电动汽车用电动机代替了发动机，用控制器控制电机驱动车辆运行。 电动汽车与燃油汽车在外观上看不出区 别 (除排气管 )，但电动汽车内部结构相对简单，零件也比燃油汽车少得多，维护 起来较为 方便。 图 4 电池为 新能源汽车的核心部件 之一 数据 来源： 公开资料 华泰期货研究院 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 8 / 16 图 5 电动汽车系统运行原理 数据 来源： 公开资料 华泰期货研究院 目前市场上主流的电动车电池为 磷酸铁锂电池 和三元锂电池 ，下面我们就两种电池的优点和缺点进行详细说明。 磷酸铁锂电池 磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。 国内现在普遍选择磷酸铁锂作为动力型锂离子电池的正极材料， 各界人士 都看好这一材料，将其作为动力型锂离子电池的发展方向。 代表企业或车型：比亚迪纯电动汽车（秦、秦 EV、唐等），宇通新能源客车、厦门金龙新能源客车等。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池。比亚迪新能源就采用磷酸铁锂电池。它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和 PHEV 动力电池首选。 我们总结了 磷酸铁锂电池 的 优势与缺点。其 优势在于： 1. 安全性能较高 磷酸铁锂晶体中的 P-O 键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。 2. 寿命较长 ，耐热性好，性价比高 磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到 2000 次以上，标准充电 (5 小时率 )使用，可达到 2000 次 ，磷酸铁锂电池 的 理论寿命将达到 78年 ；耐高温上看， 磷酸铁锂电热峰值可达 350 -500 ，甚至 有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达 350 -500 ，整体上看性价比较高。 蓄电池组 （提供电能） 驱动控制器 （ 调速控制 ） 驱动电动机 传动系统 （驱动车轮） 汽车行驶 华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 9 / 16 3. 容量 大 充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。 4. 环保 磷酸铁锂电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属，无毒 (SGS 认证通过 )，无污染，符合欧洲 RoHS 规定，为绝对的绿色环保电池证。所以锂电池之所以被业界看好，主要是环保考量，因此该电池又列入了“十五”期间的“ 863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。 磷酸铁锂电池 的缺点在于： 1. 在烧结过程中存在 安全隐患 在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性 ，而 单质铁会引起电池的微短路， 存在安全隐患。 2. 低温性能较差 磷酸铁锂电池低温下限约为 -20， 即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题 ， 在 低温情况下 ，设备根本就无法启动工作 ，因此在我国东北、内蒙古地区冬季可能会出现无法使用的情况。 3. 材料的制备成本与电池的制造成本较高。 尽管磷酸铁锂中的化学元素 Li、 Fe 与 P 很丰富，成本也较低，但是制备出的磷酸铁锂产品成本并不低，即使去掉前期的研发成本，该材料的工艺成本加上较高的制备电池的成本，会使得最终单位储能电量的成本较高。 4. 知识产权问题。 目前磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有，而碳包覆专利被加拿大人所申请。这两个基础性专利是无法 避免 的，如果成本中计算上专利使用费的话，那产品成本将会进一步提高。 三元锂电池 三锂电池就是正极材料使用镍钴锰酸锂三元正极材料的锂电池。据清华大学欧阳明高教授解释，所谓 “三元 “，指的是正极是三元，负极是石墨。三元锂电池具有能量密度高，循环华泰期货 |新能源汽车专题 2018-06-30 10 / 16 性能好于正常钴酸锂的优点。 代表汽车或车型：特斯拉、吉利帝豪、北汽 EV200、江淮 iEV5、艾瑞泽 7e、荣威 Erx5 等。 特斯拉公司生产的电动汽车 全部 选用的三元锂电池，特斯拉电池技术总监 Kurt Kelty 给出的选用理由是：能量密度更大且稳定性、一致性更好；可以有效降低电池系统的成本；尺寸小，可控性和安全性都能不断提高。 三元锂电池的优点在于： 1. 电压平台高 电压平台是电池能量密度的重要指标，决定着电池的基本效能和成本，因此对电池材料的选用，有重要的意义。电压平台越高，比容量越大，肯定同样体积、重量，甚至同样安时的电池，电压平台比较高的三元材料锂电池续航里程更远。三元材料的电压平台明显比磷酸铁锂高，高线可以达到 4.2 伏，放电平台可以达到 3.6 或者 3.7 伏。 2. 能量密度高 在现有材料体系的大框架下，无论技术如何改进，磷酸铁锂动力电池电芯的能量密度 基本为 90-120Wh/kg，而 三元锂电池最大的优势在于电池能量密度高，其储能密度通常在200Wh/kg 以上 ，这 对于轻量化 设计更加友好，也更适合现阶段新能源乘用车市场对续航里程的需求。 三元锂电池的缺点在于： 1. 耐高温性差、安全性差 有业内人士指出，“三元锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等，由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致高温安全性差，且 pH 值过高易使单体胀气，进而引发危险，目前造价较高。” 此外 现有三元锂电池如果内部短路或是正极材料遇水，都会有明火产生。所以一般三元锂电池都会有一层钢壳保护，但是在极端的碰撞事故中，起火隐患还是有的。 总的来看还是安全性上不是很稳定， 因此 在安全性能上，磷酸铁锂电池略胜一筹 。 2. 寿命差 三元锂电池的理论寿命约为 800 次循环，在商业化的可充电锂电池中属于中等 ，而 磷酸铁锂约为 2000 次。目前主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于 500 次（标准条件下充放电），但是电芯在配组做成电池包后，由于一致性问题，主要是电压和内阻不可能完全一样，其循环寿命大约为 400 次。 总结一下， 电动汽车的电池当前有 两 个主流设计。一种是以特斯拉车为代表的，采用三元锂电池 +高 科技 的电池管理系统，充分发挥三元锂电能量密度大的优势；一种是很多车为代表