铅酸蓄电池_蓄电池生产厂家一文成为动力电池“达人” ——动力电池行业系列研究第一篇（基础篇）
时间：2019-05-25 22:45:14 阅读：9873
动力电池行业属于新兴行业，2014年以来在政策扶持下以年均27%的增速飞快发展。巨大的市场潜力吸引了大量产业投资，市场参与者包括传统锂电池企业、铅酸电池企业、产业链上下游企业和通过并购等方式进入动力电池行业的其他行业从业者，投资逐步出现过热现象。动力电池行业对技术水平、资金实力和对政策掌控程度要求较高。随着竞争的加重，动力电池行业出现明显分化，既产生了如宁德时期这样的“常胜将军”，又出现了如沃特马这样的昔日大佬因资金链断裂而“败走麦城”，同时又有若干后起之秀时刻扰动着动力电池前10大企业的榜单。究竟甚么样的电池企业更具竞争力？政策对行业发展带来哪些影响？行业产能多余程度如何？行业内企业如何分化？当前企业盈利空间如何？
本篇为动力电池系列研究的第1篇（基础篇），为您梳理动力电池行业发展史、动力电池行业产业链及地位、动力电池行业主要产品、动力电池结构及生产流程、动力电池单位GWh投资、动力电池主要性能指标、动力电池分类和不同技术线路单体理论能量密度，让您1文成为动力电池“达人”，并为研究上述问题打下基础。
1、动力电池发展史
锂离子电池是1种2次电池（充电电池），它主要依托锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电进程中，Li+在两个电极之间来回嵌入和脱嵌（充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，放电时则相反）。相对传统铅酸电池和镍铬电池等，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、充放电性能好、使用电压高、无记忆效应、污染较小和安全性高等优势。
锂电池按下游利用主要分为消费类锂电池、动力电池和储能电池。从其发展脉络来看，锂离子电池最早主要利用于3C领域，既消费类锂电池。随着技术的发展和电池性能的不断提高，锂离子电池逐步被利用在为电开工具、电动汽车等交通工具提供动力，既动力电池。2015年以来，储能领域的发展使得锂离子电池又产生1片全新的市场需求；但由于储能领域对电池技术水平要求较低，因此所用电池主要为动力电池企业淘汰和剩余产能或回收再利用的动力电池。
从市场发展速度看，由于3C行业市场范围增速在2010年左右到达峰值后延续下滑，市场逐步趋于饱和，消费类锂离子电池增速延续下滑，虽然2017年略有反弹，但整体增速仍低于10%。2014年以来，全球新能源汽车行业的迅速发展，使得锂电池行业出货量近4年以每一年27%的速度高速增长。截至2017年末，动力电池出货量到达62.35GWh，占锂离子电池出货量比例已提高到42%。另外，2015~2017年，储能电池保持40%左右的增速，但在锂电池出货量中占比依然较小。
2、动力电池基础知识
1、产业链
动力电池行业处于新能源动力产业链的中游。上游主要为生产电池所需原材料（正极、负极、电解液、隔膜、包装物、其他零部件）等产业链环节和再上游的金属材料生产和矿产资源开采环节（锂、钴、猛金属化合物的冶炼和钴矿、锰矿、镍矿、石墨矿开采等）。下游主要为新能源汽车企业[按汽车种类分为乘用车、商用车和专用车，按动力来源分为纯电动车和混动车]。动力电池企业主要产品为电芯、电池模组和电池包（详见表1）。另外，由于部份电池企业仅生产电芯并将电池包（PACK）业务外包，因此在电池企业和车企之间，还派生出1些专门做模组和PACK的细分行业。
产业链地位方面，由于电池企业最上游资源主要为有色金属大宗商品，价格受行业供需及资金面影响较大。中游电池和正负极材料企业仅为价格的被动接受者。在锂、钴等原材料价格大幅波动且动力电池行业产能快速扩大的背景下，电池企业较难完全将本钱的增长完全传导至下游（后篇研究将详述企业加工费及盈利情况），存在较大的本钱控制压力。同时，在补贴退坡、“3万千米”等政策影响下，下游车企盈利和获现能力有所减弱。运营压力由车企逐渐向电池企业传导，致使动力电池企业产品延续降价，应收帐款范围不断上升，盈利和获现表现普遍弱化。整体看，动力电池企业对上下游的议价能力均较弱，盈利空间及现金流情况较易受上下游行业影响，产业链地位较低。
2、动力电池的结构和生产流程
锂离子电池的结构主要包括正极、负极、电解液、隔膜和外壳。生产流程1般可以分为前段、中段和后段3个部份。其中，前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等，中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等，后段主要为化成、分容、PACK等。
前段生产工艺是决定电池性能的关键。例如在相同的配料下，充分且高质量的真空搅拌是后续涂布、辊压工艺高质量完成的基础，也是提高电池能量密度和稳定性的条件；高质量的辊压使单位面积内镍含量提高，亦可以提高电池的能量密度。同时，涂布和辊压的均匀程度高亦会提高电池的稳定和安全性。因此，锂电池生产的前端装备（搅拌机、涂布机、辊压机等）是关乎整条生产线的质量的核心装备，技术含量最高，装备价值也最高（约占整条生产线价值的40%~50%）。中段装备（模切机、卷绕机、叠片机、注液机等）占比约为30%（叠片模式装备价格高于卷绕模式），后段装备（化成机、分容检测装备、进程仓储物流自动化等）占比20%。目前，前段装备对进口依赖依然很大，中后端装备基本可以实现进口替换，但对装备1体化要求较高的企业来讲，全生产线仍完全依赖进口。
3、动力电池单位GWh投资
动力电池项目投资主要包括土建、装备及安装、活动资金等。其中，土地方面，据统计，1般建设1GWh产能约需用地100~150亩，购地本钱差别较大，但普遍处于2000~3000万之间；建筑工程费约6600~15000万元。生产装备方面，根据装备是不是进口、装备技术线路和装备自动化程度，价值差异较大。1般来讲，国外先进生产线价格明显高于国内生产线价格（国产装备价格区间3.6~5万元、进口装备7~10万元）；1体化生产线明显高于组装生产线价格；软包叠片技术生产线价格明显高于硬包卷绕式生产线。另外，活动资金和其他税费约1.7~1.9亿元。整体看，国内主活动力电池厂商单位GWh投资约6.5~9亿元。
4、电池性能的主要性能指标
动力电池的核心技术指标包括能量、能量密度、充放电倍率、循环寿命、安全性、1致性、可靠性等多项指标。其中，在整车重量给定、正常工况行驶的情况下，主要由电池的能量决定新能源汽车的续航里程。电池能量（Wh）等于能量密度（Wh/L）乘以电池体积（L），或比能量（Wh/kg）乘以电池质量（kg）。由于新能源汽车生产商在某特定车型中要严格控制电池在车身中所占空间，因此在动力电池体积1定的情况下，能量密度越高的电芯，电池的能量越大，续航里程也就越长。因此，国家从2017年开始将动力电池能量密度[电芯的能量密度称为单体能量密度，在电芯PACK成组后，整体的能量密度会有明显降落，该能量密度称为系统能量密度，国家政策考核的为系统能量密度]指标纳入补贴考核范围（详见系列研究第2篇），用以推动动力新能源汽车及电池行业技术发展。综上所述，能量密度是动力电池设计时考量的最重要指标。
动力电池的1致性是另外一个重要指标。单只电池的性能指标包括能量、内阻、开路电压等。电池系统中串并联的单体电芯个数很多（1辆特斯拉用到的圆柱18650电芯多达5000~7000只）。如果众多单体电池的内阻等方面不能保持高度1致，在相同电流流过时，内阻大的电芯就会发热，进而产生爆炸等安全事故。另外一方面，由于电池系统的能量和寿命存在短板效应（由系统中能量最小、寿命最短的电池决定）。因此，对动力电池生产企业来讲，不但要在实验室生产出高能量密度的电池，还要保证生产电池的1致性较强，才能满足车企对电池的要求。保证电池的1致性需要有较为先进的电池生产装备、严格的流程管控和相干配套技术。
寻求动力电池的各种性能指标的目标常常存在矛盾。如提高电池能量密度常常下降电池1致性，提高快速充电性能常常下降电池寿命，提高功率常常牺牲电池能量密度。想要同时提升多个方面的性能指标，需要企业提高本身装备、技术、管理水平，同时在设计产品时对多个目标进行取舍。
5、分类
锂离子电池按正极材料不同，可以分为钴酸锂电池、3元电池（镍钴锰酸锂NCM或镍钴铝酸锂NCA）、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。其中3元电池NCM又可以按3种金属配比不同进行分类，如NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。
虽然钴酸锂电池能量密度高，但本钱高、安全性差，因此主要被利用于3C领域。3元电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池虽然能量密度方面不及钴酸锂电池，但因在安全性、循环性等方面优势明显，因此被广泛利用于动力电池领域。2017年，动力电池市场中磷酸铁锂和3元电池出货量几近各占1半，锰酸锂电池占比较小。3元材料在电池能量密度、比功率、大倍率充电、耐低温性能等方面占据优势，但本钱、循环性、安全性上弱于磷酸铁锂电池。加上政策引导因素（详见系列研究第2篇政策部份），因此新能源汽车市场中，客车采取的电池以磷酸铁锂为主，轿车以3元电池为主。
3元电池可以看作是钴酸锂、锰酸锂和镍酸锂电池的混合升级版，中和了3种电池在能量密度和安全性、循环性方面的优缺点，成为动力电池领域主流技术线路之1。根据正极材料中镍钴锰3种金属比例不同，3元电池可以细分为NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。例如NCM532即为3元电池中镍、锰、钴的比例为5:3:2。1般来讲，3元电池中，镍的含量越高，电池能量密度越高（详见表6），但安全性越差。
目前动力电池行业最新技术为高镍3元锂电池，主要包括NCA和NCM811。其中，NCA为镍钴铝的混合，常见配比为8:1.5:0.5，单体能量密度可达300Wh/kg，高于目前能量上限约为280Wh/kg的NCM811电池，为目前世界上能量密度最高的锂离子电池。NCA生产环境极其严苛，生产本钱及技术要求高。目前，对最新的高镍3元锂电池技术，日韩主要选择NCA，但产量不高，主要的缘由为市场需求不足。国内在NCA技术上仍不成熟，因此在高镍3元领域主要选择了NCM811。部份正极材料企业和电池企业已小批量出货，但商业化程度依然较低。随着产业政策要求的不断升级、技术的不断成熟和下游中高端车需求量的不断上升，预计2020年以后高镍电池的市场份额将逐渐增长。2016年，上游3元正极材料出货量中NCM111、NCM523和NCM622占比分别为61%、34%和5%。但到2018年1季度，MCM111已退出市场，NCM523占比上升为78%，成为行业主流；同时NCM622上升为14%，高镍3元材料亦有少许出货。
生产线方面，NCM532与NCM622电池基本可以通过改变配比实现在同1生产线上的生产。但由于高镍3元（NCM811、NCA）正极材料的高温合成、组装均需在纯氧氛围进行，且湿度控制要求在10%以下，因此需要企业重新设计厂房和装备，难以与其他产品共用生产线。
动力电池依照形态和包装方法则分为圆柱电池、方型电池和软包电池。其中圆柱电池和方型电池属于硬包，外壳主要为钢壳或铝壳（价格低廉）。软包电池外壳主要为铝塑膜（价格昂贵）。
从发展历史看，圆柱电池为最早采取的电池封装形态，目前生产已标准化，主流型号为18650和21700[21700圆柱电池中“21”指电池直径为21mm，“70”指高度为70mm，“0”代表圆柱体型的电池]。以后出现的方型电池（1般采取铝壳），单体电池体积比圆柱电池更大，成组时缝隙更小，单位体积的电池包中结构件更少，重量更轻，因此，在单体电池在组成系统时能量密度降落幅度更小[根据美国阿贡实验室测算，圆柱型成组后能量密度降落约40%，方型电池成组后能量密度降落30%]。另外，方型电池的充放电倍率、循环寿命和安全性等方面也好过圆柱电池。因此在以磷酸铁锂和3元材料（NCM523和NCM611）为主流的背景下，目前市场上主要为方型电池，圆柱电池主要被用在微型车和电开工具上，在乘用车和商用车领域占比较低[2018年上半年，国内15.58GWh里电池装机中，方型占比76%，圆柱占比11.5%，软包占比12.5%]。但是，圆柱电池在新能源汽车也不是完全没有机会。圆柱电池虽然重量较大，成组后系统能量密度降落较多，但是该形态电池技术成熟、生产效力高、PACK本钱低、电池良品率和电池组1致性好、散热快，便于多种形态组合，因此已实现与NCA、NCM811等高镍材料的较好结合。目前，搭载了NCA正极材料的21700型号圆柱电池已利用于特斯拉Model3上，能量密度可达300Wh/kg。未来圆柱电池的发展方向或向对续航里程要求较高的高端乘用车用高镍3元锂电池发展，且型号由18650向体积和容量更大的21700发展。
软包电池重量轻，结构件空间占用更小，使得电池成组后能量密度降落更少（3元软包电池容量较同等尺寸规格的钢壳3元锂电池能量密度高10~15%、较铝壳3元锂电池高5~10%）；但由于铝塑膜本钱较高且依赖进口，度电本钱并未明显降落。不足方面，软包电池的机械强度和1致性较其他形态电池较差，因此1些高镍正极材料如NCA等较难使用软包形态。
另外，按电极片排布方式划分可以将动力电池分为卷绕式和叠片式。圆柱电池和方型电池都采取卷绕式，即电极片以中心为轴，环形或方型卷绕。软包电池主要采取叠片式，即电极片采取层叠的方式排列。按功能分，动力电池可以分为功率型和容量型。容量型锂电池重视电池容量，既耐力，对大电放逐电性能要求不高。相反，功率型锂电池对功率要求较高，既动力，而对电池耐力要求不高。
本篇为动力电池系列研究的基础篇，主要介绍了动力电池行业发展史、动力电池行业产业链及地位、动力电池行业主要产品、动力电池结构及生产流程、动力电池单位GWh投资、动力电池主要性能指标、动力电池分类和不同技术线路单体理论能量密度等知识。
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