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2019年全球正极材料技术现状、动力电池需求、全球正极材料行业格局及正极材料发展趋势分析[图]

2019年11月07日 13:33:51字号:T|T

    锂电池产业链中,市场规模最大、产值最高的环节当属正极材料,且其性能决定了电池的能量密度、寿命、安全性、使用领域等,正极材料成为锂电池的核心关键材料。

    一、正极材料技术现状

    目前动力电池正极材料技术路线主要有:钴酸锂、镍钴锰三元、改性锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴铝三元。其中磷酸铁锂作为正极材料的电池充放电循环寿命长,但其缺点是能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均存在较大差距,磷酸铁锂电池技术和应用已经遇到发展的瓶颈;钴酸锂主要用于对体积能量密度要求较高的消费类电池的正极材料;锰酸锂电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差,因而锰酸锂仅作为国际第1代动力锂电的正极材料;三元材料凭借其较高的能量密度,成为当下EV车型广泛采用的技术路线。

    二、全球正极材料

    在世界汽车电动化的大浪潮下,国际主流整车企业纷纷加大新能源汽车战略布局。不论以Tesla为代表的全球造车新势力,还是A(奥迪)B(奔驰)B(宝马)、福特、通用、丰田、本田等传统汽车厂商,都在以实际行动加速在新能源汽车产业的布局。

海外车企新能源汽车规划

区域
车企
全球规划
中国规划
车型/平台规划(2019-2021建成平台)
欧洲
大众
到2025年,每年生产200-300万辆电动
汽车,EV占总销量的20%~25%
2020、2025年计划在华新能源车分别销售
40万、150万辆,2025年大众品牌EV达
65万辆
电动车MEB平台预计2020年开始量产,
生命周期8年,总销量超650万(奥迪保
时捷PPE平台)
宝马
19年累计50万辆,到2025年,新能源车
销量占公司总销量的15-25%
将投放5个系列共9款EV及PHEV,19
年与长城汽车合资投放MINI品牌EV
CLAR/FSAR平台(i5、ix3、iNEXT)到
2025年,提供25款电动车型(含12款
EV)
奔驰
到2022年,所有车型都提供电动款,2025
年全球产销10万辆,占比15%-25%
投资100亿欧元,2020年国产EQ,到2025
年推出的10款电动车型多数将采用国产化
MEA、EVA平台(EQA、EQC、EQS、
EQE、EQGLB等)
沃尔沃
2019年全部车型配电动机并发布首款
EV,2025年电动车销量累计超100万辆
2019年开始生产纯电动车型以及搭载全新
48V电气系统的混动车型
拥有SPA和CMA(V40、S40、XC40)
平台,正在研发电动车专属平台MEP,
覆盖全系车型
美国
特斯拉
2020年销售规划为100万辆
2019年将在上海建厂
Model3、ModelX、ModelS、ModelY
通用
2026年全球纯电动汽车销量规划为100
万辆
2020年前,在中国市场至少推出10款新能
源车,销量每年将超过10万辆
2021年推出专门的电动汽车新架构,支
持20款以上新能源车型的开发
福特
2020年新能源车(含HV)销量占总销量
的10~25%
2016-2020年会在华投放20款新车,并加
速新能源布局与技术创新
Ford'sglobalC-carplatform:FocusEV计
划5年投资310亿元研发13款电动车
日韩
日产
到2020年,日产旗下有超过20%的车辆
将实现零排放的目标
- 
2022年前将发布12款纯电动车;日产与
雷诺、东风成立合资公司易捷特
丰田
2030年新能源车(含HV)年总销量达到
550万辆,其中EV/FCV合计100万辆
当前车型以HEV为主,2017年开始推出
PHEV,2020年推出EV车型
2020年初之前推出超过10款纯电动车;
2025年燃油车车型全部电动化
起亚
2020年前累计推9款新能源产品,新能源
车(含HV)销量占比超过10%
2030年2/3的车为电动车(包括PHEV,BEV
和FCEV);2020年达20万辆
到2020年累计推28款新能源车型,包括
18款PHV,8款EV和2款FCV
本田
2030年实现15%为零排放(EV及FCV)
车辆,混动车(HV与PHEV)占50%
2018年投放首款电动汽车,新车将基于本
田紧凑型SUV平台打造
 -

数据来源:公开资料整理

    众多车企都提出了明确的销量占比目标:比亚迪、吉利均提出2020年新能源车销量占比达到90%;北汽2020年新能源车销量目标分别为50万;上汽计划到2020年新能源车销量达到60万辆,其中自主品牌20万辆;广汽及奇瑞2020年目标均为20万;一汽汽车计划到2020年,实现6个新能源整车平台、16款车型全系列产业化准备,市场份额15%以上;东风汽车规划到2020年公司新能源汽车市占率要达到18%,销量达到36万辆;长安汽车规划到2020年完成三大新能源专用平台的打造,2025年开始全面停止销售传统意义的燃油车,实现全谱系产品的电气化。

    2025年全球渗透率有望达16.11%。。全球新能源乘用车销售量从2011年的5.1万辆增长至2018年的184.05万辆,7年时间销量增长36.09倍,CAGR接近67%。未来随着支持政策持续推动、技术进步、消费者习惯改变和配套设施普及,预计2019年全球新能源乘用车销量将达209万辆,2025年全球新能源乘用车销量将达到1280.7万辆,渗透率将达16.11%左右,相比2018年增长6.1倍,2018-2025年复合增长率近30%。

2016-2025年全球新能源乘用车销量及渗透率预测(万辆)

数据来源:公开资料整理

2015-2025年全球新能源乘用车销量占比及预测(万辆)

数据来源:公开资料整理

    2025年中国渗透率有望达20%,年均复合增速近23%。中国2018年全年产销分别为127.0万辆和125.6万辆,同比增长分别为59.9%和61.7%,其中新能源乘用车的销量为105.3万辆,新能源商用车的销量为20.3万辆。2025年新能源汽车产销规模有望突破550万辆,市场渗透率有望达20%,2018-2025年复合增速近23%。

2015-2025年中国新能源汽车销量及预测(万辆)

数据来源:公开资料整理

2015-2025年中国新能源汽车销量及预测(万辆)

数据来源:公开资料整理

    三、动力电池需求量

    2025年海外动力电池需求近420GWh。2018年海外动力电池出货量预计在39.5GWh左右,预计2020年海外动力电池总需求量将达77.6GWh,2025年需求预计超420GWh。2025近年中国动力电池需求近330GWh。2018年动力电池装机量约为57GWh,出货量约为65GWh。预计2020年动力电池总需求量将达86GWh,其中NCM三元电池需求将在66.2GWh左右,占比约77%,主要系使用NCM三元材料的乘用车销量占比大幅提升。2025年预计中国动力电池总需求量将近330GWh,其中乘用车动力电池需求将达305GWh,占比近92.3%。

海外动力电池需求量预测(按车型分类,GWh)

数据来源:公开资料整理

2015-2025年海外动力电池需求量及预测(按动力类型分类,GWh)

数据来源:公开资料整理

中国动力电池需求量预测(按车型分类,GWh)

数据来源:公开资料整理

中国动力电池需求量预测(按动力类型分类,GWh)

数据来源:公开资料整理

    四、全球正极材料企业行业格局

    1、全球正极材料竞争格局对比

    在市场份额方面:正极整体较为分散,三元正极大幅改善。根据调查数据显示,2017年从全球市场份额来看,正极材料市场整体较为分散,市场份额第一,市占率为10%,湖南杉杉、住友金属、日亚化学、GSEnergy市占率分别约为9%、7%、6%、3%,CR3和CR5分别约为26%、35%,市场集中度非常低。三元正极材料细分市场,全球市场份额最大的为住友金属,市占率约为16%,Umicore、日亚化学、湖南杉杉、GSEnergy市占率分别约为13%、9%、6%、6%,CR3和CR5分别为38%、50%,市场集中度有大幅提升,主要系三元正极材料技术门槛较高,具有一定的进入壁垒。未来随着高镍正极的应用,市场集中度将会进一步提升,极有可能走出全球龙头企业。

    NCA量产厂商较少,行业格局高度集中。NCA由于其较高的技术壁垒,全球能够规模量产的企业较少,全球市场占有率排在第一位的是住友金属,独家供应给松下,最终使用在特斯拉电动汽车上,全球市场占有率2016年达54%,2017年达59.6%。ECOPRO是韩国唯一的NCA正极材料生产商,主要客户为三星SDI和索尼,全球市场占有率2016年达33%,2017年达17.1%,位居全球第二。

    2、国内正极材料竞争格局对比

    根据调查数据,2018年全国正极材料出货量约为27.52万吨,同比增长32.3%,其中三元材料/磷酸铁锂/钴酸锂/锰酸锂出货量分别为13.68/5.84/5.445/2.554万吨,同比增长分别为61.32%、6%、18.9%、14.5%,三元材料市场份额为49.7%。另外,中国正极材料总产能2016/2017/2018年分别为39.4/80/97.8万吨,其中三元正极材料产能分别为13.3/31/41.5万吨,出现低端产能过剩,高端产能紧张的局面。随着高镍三元正极的推广应用,这种结构性产能过剩将会更加严重,当升科技、容百科技等企业依靠自身的技术储备以及稳定的产品质量,将会在高端正极产品细分领域持续提升其市场份额。

2014-2018年中国正极材料产能统计(吨)

数据来源:公开资料整理

2014-2018年中国正极材料出货量(吨)

数据来源:公开资料整理

    2017年杉杉股份/厦门钨业/天津巴莫/容百科技/北大先行/长远锂科/当升科技的总出货量分别为17400吨/17100吨/13900吨/10900吨/10600吨/9810吨/9500吨,CR3为22.7%,CR5为32.8%;2018年厦门钨业/杉杉股份/天津巴莫/当升科技/长远锂科/容百科技的总出货量分别为25700吨/21100吨/15500吨/15800吨/16000吨/14000吨,CR3为22.82%,CR5为34.19%,市场集中度稍有提升,但是头部企业出货份额均较为接近,尚未出现行业龙头企业。造成这种分散格局的主要原因为为了降本提效产业链上下游均积极布局延伸布局正极材料环节,包括上游的华友钴业和下游的CATL、BYD等企业。

2018年国内正极材料市场格局

数据来源:公开资料整理

    2018年当升科技/容百科技/长远锂科/湖南杉杉/振华新材的NCM出来量分别为13600吨/14000吨/14150吨/10700吨/12000吨,CR3为30.51%,CR5为47.1%,市场集中度较正极材料总体有较大改善,但是市场竞争依然激烈,头部企业份额依然较为分散,当升科技NCM出货量成为第一,随着未来产能的顺利投产,市场份额将会进一步提升,有望成为NCM细分领域的龙头企业。

2018年国内NCM正极材料市场格局

数据来源:公开资料整理

    五、四大锂电材料竞争格局对比

    正极材料与负极材料、电解液、隔膜等进行横向比较,市场集中度最差,尚无绝对龙头企业出现,正极材料细分市场NCM市场集中度稍有改善,但是较其它环节材料而言差距仍然较大。通过比较CR3和CR5发现各环节集中度排名大约为:负极>电解液>隔膜>正极,负极材料、电解液的市场集中度最高,主要因为龙头企业在资源获取、价格方面的优势导致二线企业逆袭难度较高,再加上生产资质门槛,新企业进入的性价比较低。

2018年锂电材料集中度分析(CR3)

数据来源:公开资料整理

2018年锂电材料集中度分析(CR5)

数据来源:公开资料整理

    高镍多元材料技术门槛大幅提升,高品质性能的高镍多元材料制备难度极大,掺杂包覆的参数控制,产线的工艺管控难度和杂质含量的控制难度等都有大于LFP、NCM333、NCM523,产品附加值较高,产业竞争格局有望重塑,市场集中度有望提升,企业有可能出现分化,出现真正的龙头企业。

    全球正极材料企业产能扩张:随着海外整车企业全面开启新能源汽车战略,预计2025全球新能源乘用车销量将达1755万辆,渗透率将达15.5%。届时海外动力电池需求近550GWh,三元材料需求超80万吨,市场规模近1500亿;中国动力电池需求近400GWh,三元材料需要近52万吨,市场规模近930亿元。为了满足强劲的市场需求,抢占市场份额,全球各大正极材料企业纷纷开始扩张产能:(1)Umicore计划未来三年内投资6.6亿欧元新建工厂,目标是满足中国、韩国和欧洲的需求,产能建设将在2018年至2020年间进行,第一条生产线预计将于2019年下半年投产,2021年总产能将提升至17.5万吨,为2015年的10倍,预计2019年将出货约10万吨正极材料。(2)L&F作为成熟的材料供应商正在与许多电池企业签订中长期供应合同,预计L&F产能将从2018年底的17000吨大幅增加到2019年底的29000吨和2023年底的65000吨。(3)LG化学2020年总产能目标达到4.5万吨等。粗略估算,2020年底之前海外主流的正极材料企业将至少新增34.9万吨。

    2019年当升科技总产能将达28000吨,杉杉能源总产能有望达60000吨,厦门钨业总产能将达39400吨,长远锂科总产能将达45000吨,容百科技产能将达60000吨。正极材料高镍化趋势确定,2019年主流正极材料企业新增产能主要以高镍为主,初步核算,新增至少超过12万吨。

    六、全球正极材料企业竞争优势对比

    顶尖的正极材料企业首先应该在知识产权(IP)和生产技术方面具有强大的实力,其次还需要其产品链丰富全面并且客户结构稳定高端,市场占有率名列前茅。

    1、高镍技术

    在正极材料商用化方面,国外正极厂商由于布局较早积累深厚具备一定先发优势。目前日本企业在NCA高镍正极领域领先世界,中韩侧重NCM811技术路线。
三元正极材料中的镍元素有利于提高正极材料的可逆嵌锂容量,提高电池能量密度;钴元素有利于稳定层状结构,提高材料电导率,改善放电循环性能;锰元素可以降低材料成本,稳定结构,提高安全性和稳定性。从目前的技术路线来看,三元电池凭借其能量密度高的优点,赢得众多新能源乘用车企业的青睐。目前配套TeslaModel3的松下主要采用NCA正极体系,能量密度高达260Wh/kg,LG化学、三星SDI、SKI主要采用NCM622正极体系,国内的CATL、BYD、国轩高科、力神等电池企业主要采用NCM523正极体系,CATL、BYD预计2019年底开始量产NCM811正极体系电芯,国内外龙头电池企业在正极体系以及相关性能方面均较为接近,差距较小,甚至赶超。

    国内当升科技、杉杉股份、容百科技、长远锂科、天津巴莫、振华新材等企业均已成功推出NCM622、NCM811正极材料,但是由于安全性问题的顾虑以及其认证难度高,新能源车企国内暂未规模使用。海外的Umicore、L&F、户田工业、LG化学等企业均已实现NCM622的规模化量产应用,住友金属、ECOPRO等企业也已实现NCA的规模化量产应用。鉴于NCM811强大的市场潜力,国内企业也力求通过工艺及材料改进来解决811材料存在的问题。

    2、研发实力

    正极材料经历LCO、LMO、LFP、NCM333、NCM523、NCM622、NCM811等发展阶段,NCM622和NCM811在2019年底2020年初将会开始大规模商业化应用,NCA材料松下已经在特斯拉Model3上实现量产,单体能量密度最高可达300Wh/kg。未来正极材料还会继续往富锂锰基、固态电池方向发展,预计在2025年实现商业化应用,更远周期来看,锂空气电池以及锂硫电池也会进一步得到发展。

    目前国内只有当升科技、容百科技、天津巴莫、杉杉能源等少数几家正极材料企业能够实现NCM811的量产并供货,但是总体出货有限。限制国内正极材料企业规模量产的原因,除技术、资源、配套材料未成熟外,专利也是影响在各大正极材料企业之间的一道门槛。

    3M和ANL都在2001年申请了三元材料的相关专利,国际锂电池界普遍认同的化学计量比常规三元材料NMC专利由3M公司拥有,而层状富锂高锰材料专利则由ANL申请并拥有。尤其是3M公司,由于2012年其宣布退出三元材料生产,主要依靠技术研发和专利授权来实现企业发展。其他正极材料企业若要进行生产,首先需从3M和ANL购买技术专利资质。目前Umicore拥有3M的专利所有权,LG化学、SK、湖南瑞翔等企业同样拥有专利使用权。而ANL的三元专利主要转让给BASF、户田工业和LG化学。

    3、客户结构

    客户群体最为庞大,与全球主流锂电池客户均有合作关系;住友金属NCA独家供应给松下,客户结构较为单一,其它日本正极材料企业也以本土客户为主;L&F和ECOPRO主要供应给三星SDI和LG化学,3M专利授权给Umicore、LG化学、三星SDI、ATL、CATL等众多全球主流锂电企业。

海外正极材料企业配套情况

正极材料企业
技术路线
配套客户
Umicore
LCO、NCM
三星SDI、LG化学、松下、索尼、BYD、AESC、SKI
BASF
NCM
AESC、SDI、LGC、其它
3M
NCM核心专利
Umicore、LG化学、三星SDI、ATL、湖南瑞翔、CATL等
住友金属
NCA
松下
户田工业
NCA/NCM、LMO
AESC、SDI、LGC、其它
日亚化学
LCO、LMO、NCM
LG化学、松下、索尼、Maxell、LEJ、PEVE
田中化学
LCO、LMO、NCM
松下
L&F
LCO、LMO、NCM
三星SDI、LG化学
ECOPRO
NCM
三星SDI、SONY

数据来源:公开资料整理

    目前国内龙头企业宁德时代的正极材料供应商主要有振华新材、长远锂科、厦门钨业、三元前驱体供应商主要有格林美以及自产供应。BYD的三元正极材料供应商主要有当升科技、杉杉股份等。当升科技、容百科技还出口供应给三星SDI和LG化学。

中国正极材料企业配套

正极材料企业
技术路线
配套客户
当升科技
LCO、NCM
三洋、LG化学、三星SDI、比克、BYD、孚能、力神、CATL
杉杉能源
LCO、NCM
ATL、BYD、力神、松下
容百科技
NCM
孚能、力神、比克、三星SDI、CATL、亿纬锂能
格林美
LCO、NCM
捷威动力、远东福斯特、邦普、江苏天鹏、东风襄旅、ECOPRO
厦门钨业
LCO、LMO、NCM
CATL、天贸、松下、三星SDI
振华新材
LCO、NCM
CATL、ATL、BYD、力神
天津巴莫
LCO、NCM
比亚迪、力神电池、三星SDI、LG化学、哈光宇等
长远锂科
LCO、NCM
CATL、比亚迪、力神、亿纬锂能、卓能等

数据来源:公开资料整理

    4、资源获取

    正极材料价格受锂钴镍等金属价格的影响较大,为了减少金属价格涨跌对公司盈利能力的影响,正极材料企业纷纷布局上游金属资源,增强资源控制能力,保障钴、镍、锂等资源的稳定供应。主要方式有:电池回收资源、成立合资企业、控制/间接控制矿产冶炼和签署战略合作协议。优美科、住友金属作为以金属资源冶炼起家的企业,在正极材料的资源方面具有先天优势,对资源的控制能力最强,凭借着较强的供应能力奠定其在行业的领先地位。而当升科技、LG化学、杉杉股份、ECOPRO等中游制造企业通常采取合资建厂、参股或签署合作协议的方式向上游延伸,从而保障资源的供应能力。CATL、格林美、当升科技、容百科技等企业还积极布局锂电回升业务,从而改善锂电池金属资源的获取渠道。

    七、发展趋势

    国内规模化应用的正极材料主要为NCM523,海外主要以NCM622和NCA为主,NCM811尚未大规模量产应用。三元体系的单体电芯很难突破300Wh/kg的能量密度瓶颈以及安全性等问题,然而富锂锰基容量可达250mAh/g,是锂离子电池突破300Wh/Kg,甚至400Wh/Kg的技术关键,很有可能成为下一代正极材料,固态电池很可能成为下一代电池体系。

    正极材料是锂离子电池锂源的提供者,从根本上决定了电池的比能量和能量密度。高镍材料主要包括镍钴锰和镍钴铝两个系列,未来的发展趋势是不断提高镍的含量(镍的摩尔含量≥80%),提高其比容量,同时通过掺杂、包覆和表面处理等技术手段,提高其循环性能。预计2020年比容量将突破215mAh/g,2025年降突破225mAh/g。通过提高电池充电截止电压是提升锂离子电池能量密度最为直接的有效手段和方法,高电压材料需要大幅提升热安全性能和循环稳定性能,预计2020年高电压材料比容量将≥180mAh/g(3.0-4.4V)。富锂氧化物固溶体材料是通过产品改性的手段在保持高容量的前提下,提高高电压使用条件下的循环性能,预计2020年比容量将达280mAh/g。

    富锂锰基材料(简称Li-rich,OLO)是由美国阿贡实验室THACKERAY小组于2001年系统研究并申请专利的正极材料,是由Li2MnO3和LiMO2(其中M=Ni、Co、Mn、Fe等)构成的固溶体,化学式为xLi2MnO3〃(1-x)LiMO2。与NCM类似,由于其M的多变性和Li2MnO3、LiMO2两种组成的变化,导致其主元素含量无法准确定位,只能采用很宽的范围界定。该正极材料相比NCM和NCA,富锂锰基正极材料的比容量、电压和比能量等特性进一步提高,但是在实用性方面还面临电化学性能不稳定的挑战,目前没有真正实现商业化应用。

    目前富锂锰基正极材料同样存在诸多缺陷,比如首次不可逆容量过高、倍率性能较差、循环过程中存在电压衰减、体积能量密度较低、常规碳酸酯基电解液难以与其匹配等,限制了其商业化应用。为了推动富锂锰基正极材料的产业化进程,一方面需要对其进行优化改性,如表面包覆、元素掺杂、表面脱锂处理、引入尖晶石相以及开发与其相匹配的高压电解液等;另一方面还需加强相关市场培育。

    全固态锂电池是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。从技术发展趋势来看,相比液态锂离子电池,全固态金属锂电池有可能具有安全性能好、能量密度高和循环寿命长等优点。近年来,固体电解质材料,特别是硫化物电解质材料在离子电导率方面取得了重大突破,因此全固态锂电池技术渐渐开始引起世界范围内的研发机构和大型企业的重视。我们认为固态电池是最有前途的下一代电池技术。固态电池可以是硫化物电池,也可以是氧化物电池,目前硫化物电池技术的可行性更高。

    固态面临的挑战主要包括降低成本,提高固体电解质的安全性,以及在充电和放电时保持电极和电解质之间的接触。日本已经启动了一项全国性的研发计划,最有希望的是丰田汽车和松下的联盟(丰田有近300名工程师参与研发固态电池),该联盟表示将在五年内将固态电池商业化。丰田和NEDO所制定的全固态电池的商业化普及方案,首先使用现有LIB的正负极材料开发全固态电池(第一代电芯)。之后再使用新的正负极材料以期进一步提高能量密度(下一代电芯),预计2022年丰田汽车生产固态电动汽车的样车,2025年在部分车型中使用固态电池。2030年实现大规模量产应用,能量密度可达500Wh/kg。

    大众汽车、宝马、戴姆勒、通用等欧美车企均积极布局下一代电池:固态电池。日本的丰田汽车、本田研发、日产汽车和雅马哈汽车甚至组织成立LIBTEC,计划共同开发固态电池的基础技术。LIBTEC固态电池的开发目标包括:体积能量密度达600Wh/L,成本达600元/kWh,快速充电时间为10分钟。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国三元正极材料行业市场前景分析及发展趋势预测报告

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