风起云涌 全球动力电池产业六大风向

近年来,全球电动汽车发展趋势已蔚然成风,不仅中国制定了以纯电驱动为主的发展战略,德国也全面扶持电动汽车发展。特斯拉已是鼎鼎有名的电动汽车生产商,在特斯拉的成功感召下,国内涌现出一股造车新势力。

纵观全球知名的汽车企业,把电动汽车作为发展重点的不在少数,就连混动技术占有绝对优势的丰田汽车也加大了电动汽车的研发力度。经过多年不懈努力,全球电动汽车产业已风起云涌。

在电动汽车产销大幅度增长的带动下,动力电池迎来强劲的需求。在动力电池的全球竞争中,中日韩三国处于相对领先地位。尽管电池诞生已有上百年历史,只是近年来动力电池才得到飞速发展,被人们称为新生事物。动力电池还有很多不确定性因素,导致中日韩三国电池企业发展策略和技术路线有区别。大家都在朝着自己的既定目标奋勇前进,竞争趋于激烈。

高比能量是共识

我国制定的动力电池目标与日韩企业的目标大致相当,都追求高比能量电池。能量密度越高,续驶里程越长,大家的认识一致。

我国制定的《节能与新能源汽车技术路线图》绘制了动力电池技术发展蓝图,2020年,纯电动汽车动力电池单体比能量达到350Wh/kg,2025年达到400Wh/kg,2030年则要达到500Wh/kg。

我国动力电池领先企业宁德时代的三元电池单体能量密度达240Wh/kg,2019年推出单体能量密度达到280kWh/kg以上的NCM811电池,并计划在2020年之前将电芯能量密度提升到300Wh/kg。

目前三星SDI第3代动力电池的能量密度为550Wh/L,已经实现量产。据三星SDI的规划,预计在 2019年实现量产的第3.5代动力电池能量密度可以达到630Wh/L。同时,三星SDI还在加速第4代电池和第5代电池的研发,能量密度分别可以达到700Wh/L(相当于270—280Wh/kg)和800Wh/L(相当于300 Wh/kg),预计分别在2021——2022年和2023年以后量产。

2018年,LG化学实现NCM811电池小批量生产,2020年LG化学将推出第三代动力电池,单体电芯能量密度目标为270——280Wh/kg,比目前量产的能量密度高出50%。

目前松下生产的NCA材料18650电池单体能量密度最高达到250Wh/kg,特斯拉Model3使用的21700圆柱形电池单体能量密度达340Wh/kg,是目前市场中能量密度最高的电池。

各家企业在提高能量密度的路上,不约而同地把目光瞄向三元体系,NCM或者NCA成为提升能量密度的法宝,从523发展到622,如今811已量产,高镍化成为大家的共识。在动力电池论坛上,有专家说,有的国外企业打算不用钴元素进一步提升能量密度。

总体来看,尽管大家对高比能量的认识一致,在高比能量的竞赛中暂时分出了高低,松下凭借21700电池的高能量密度领先于其他企业,三星SDI落后于其他对手,处于垫底地位。

策略各有千秋

动力电池不是一种规格或者型式,方形、圆柱、软包分别被不同的企业采用。这种区别来自于企业的策略不同,没有一种型式的电池完胜对手,各有千秋。

LG化学和SKI以软包电池为主。软包电池有较好的安全性,软包电池发生安全问题时,一般会鼓气裂开,不会爆炸。软包电池的重量轻,比等容量铝壳锂电池轻10%-20%。软包电池的内阻小、循环性能好、设计比较灵活,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号。软包电池也有自身的缺点,一致性较差,成本较高,容易发生漏液,技术门槛高。

三星SDI和CATL的主打产品是方形电池。方形硬壳电池能够生产大容量单体电池,硬外壳对电芯的保护作用优于软包电池,电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。方形电池的成组效率达到88%,高于软包、圆柱电池的成组效率。方形电池的型号较多,工艺难以统一,这是难以克服的缺点。

与其他企业大多数采用NCM三元体系不同,松下电池采用NCA体系,并且主要生产圆柱电池。圆柱形电池的生产工艺成熟,良品率高,18650、21700等统一规格型号,整体显现出成本优势。NCA正极材料在充放电过程中容易产气,安全性较差,需要配备非常好的热管理系统,另外,模组以及PACK集成难度大,能量密度利用率较低。

电芯只是基本单元,需要成组才能发挥效能。各种不同类型的电池成组效率有较大的区别。LG化学与SKI主打的软包电池单体能量密度比方形电芯高,但是在成组效率方面较低,目前能量密度转化率约为80%。

三星SDI与CATL主推的方形电芯成组效率最高,电芯至模组的能量密度转换效率可高达90%。松下为特斯拉供应电池,不同的车型采用不同的电池,成组效率也不同。

特斯拉Model 3有两种规格模组,能量密度转化效率高达84%。Model X(90kWh版本)能量集成效率为60.41%;Model 3能量集成效率为64.2%。总体来看,方形电池的成组效率最高,圆柱电池最低。

循环寿命是动力电池的一项重要指标。目前,LG化学的循环寿命能达到2000次循环,三星SDI的动力电池循环寿命可以达到1500次,松下的18650电芯循环寿命约500-1000次。CATL的523体系动力电池电芯循环寿命可以达到1800次,与韩国企业的寿命指标比较接近。总体来看,中韩电池的循环寿命处在一个层级上,松下电池的循环寿命显著偏低。

争抢整车配套

动力电池的竞争趋于激烈莫过于争夺配套用户。目前,全球领先的电池企业基本上把配套版图划分完毕。

松下动力电池的核心客户是特斯拉,凭借着特斯拉销量不断攀升,松下电池的产销量也不断增长。松下的客户名单中还有大众、通用、日产等,在全球用户版图划分中,松下有日本客户6家,欧洲客户4家,美国客户2家。松下在美国和中国大连都建立了电池生产工厂,就近为用户提供配套服务。

LG 化学曾与现代起亚达成战略合作关系,其核心客户包括通用、雷诺、现代起亚、沃尔沃、CT&T 等,主要配套车型有雪佛兰Bolt、Volt、雷诺Zoe。LG化学的生产工厂分别设在韩国吴仓,中国南京,美国密歇根和波兰。

设在韩国的工厂满足韩国企业需要并负责调控全球市场订单,在中国设厂瞄准了中国庞大的电池需求,在美国设厂主要供应美国车企通用、福特等,波兰是LG 化学在欧洲的首个大型动力电池生产基地。

三星SDI的合作伙伴比较多,成为30多种电动车型的核心电池供应商。三星SDI与BMW 结成战略合作伙伴,核心客户还包括大众、马恒达、Lucid Motors 等。三星SDI 在韩国、中国、美国、匈牙利及奥地利等地都布局了汽车动力电池的工厂,分别瞄向经济最发达,或者最有活力的地区。

在争夺配套企业的比赛中,宁德时代攒下了一长串名单。在去年的广州车展上,23个汽车品牌的40多款车搭载宁德时代电池。近年来,宁德时代加快了市场开拓的步伐,与上汽、东风、一汽等签订了战略合作协议,国内排名前列的汽车企业基本上都与宁德时代合作。宁德时代的核心客户不限于国内,宝马和大众也向宁德时代伸出了橄榄枝。

盈利能力有高有低

跑马圈地之后,动力电池企业最终要盈利,盈利能力反映出企业的生产管理水平,对未来的发展有一定的影响。

2月4日,松下发布2019财年三季报(日本财年从每年4月1日开始至次年3月31日),前三季度受益于动力电池业务快速增长,松下实现营收6.08万亿日元,同比增长2.9%,二次电池所在的能源业务部营收为5223亿日元,同比增长26.4%。松下预计能源业务整个财年营收将达到7150亿日元,同比增长27.1%。能源业务营业利润有望达到201亿日元,同比增长81.1%,营业利润率约为2.8%。

2018年,LG化学实现营收28.18亿韩元,同比增长9.67%,主要增量来自能源业务、化学与基础材料业务。除能源业务利润大幅度增长外,其他主营业务盈利水平有不同降,其中贡献公司利润95%的化学与基础材料业务营业利润减少24.1%,营业利润同比下滑4.3个百分点。

2018年LG化学实现净利润1.52亿韩元,同比减少24.88%。电池业务所属的能源解决方案分项实现营收6.52万亿韩元,同比增长42.95%,在总营收中达到23.1%。预计2019年LG化学能源解决方案业务营收将达到10万亿韩元,占比提升至31%。

能源解决方案业务是LG化学财报的亮点,2018年该项业务营业利润达到2090亿韩元,同比增长6.2倍。

三星SDI的业务主要包括锂电池和材料业务。2018年三星SDI实现营收9.15亿韩元,同比增长44.31%,其中锂电池业务全年营收6.95万亿韩元,同比增长60.66%。

未来技术动向有区别

动力电池的竞争越来越激烈,各家企业为了保持自己的优势,朝着既定目标纷纷加大了研发力度,在未来的技术发展中,各家企业的策略也不相同。

LG化学未来将从622向70%的镍,10%的钴和20%的锰发展,既研发712电池。未来的发展目标是通过向NCM添加氧化铝,使镍含量接近90%,钴含量低于10%,即NCMA电池。LG化学712型正在积极开发,会在两到三年内进行大规模生产。LG化学研发生产的NCM811正极材料更适用于圆柱电池,会大量生产用于电动公交车。

三星SDI未来会采用NCA材料,锂离子在充放电过程中,容易在NCA表面形成一些残留,影响使用寿命。三星SDI通过在NCA表面做一层金属涂布,减少残留,提高它的使用寿命。

松下已开发出镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等锂电池,并已量产为企业配套。为了解决镍氧化物带来的热稳定性低和安全方面的问题,松下在正极材料表面进行了纳米涂层处理,特别注重通过“松下固溶液Panasonic Solid Solution”(PSS)等技术提高安全性,该技术在新的正极中采用“耐热层”(HRL)技术。

目前,SKI软包电池正极材料主要为NCM622,在2019年可能发展为NCM811混合体系,2020年发展为100%的NCM811体系,2021年以后预计Ni的含量将达90%。负极材料目前采用石墨,预计2021年后采用硅碳负极。

目前,宁德时代的正极材料主要为NCM 523,在2019年底有望量产NCM 811体系电池,正极材料除了往高镍方向发展,宁德时代还致力于高电压平台的正极材料研发,并有望在2020年后量产,量产后将改善电芯的能量密度。

在去年中国汽车动力电池产业创新联盟动力电池分会成立大会上,宁德时代副总裁、首席科学家吴凯介绍了宁德时代的发展思路。大约在2020年,宁德时代会采用硅碳负极材料以提升负极的理论能量密度,从而提高电芯的能量密度。电解液通过优化配方并添加新型添加剂,使其耐高压性能、热稳定性能更好,隔膜主要采用涂覆湿法隔膜。

整车企业杀入动力电池领域

多年来,整车企业除比亚迪生产电池外,全球著名的汽车企业都依靠中日韩的电池企业配套供货,这种局面将被打破。

2017年10月11日,欧盟在布鲁塞尔举行一次会议,商讨从欧盟层面来解决电池生产的问题,创建企业联盟将是该会议的重要内容之一。此前,欧盟能源机构发言人安娜-凯撒 伊特柯南(Anna-Kaisa Itkonen)曾表示,欧盟委员会将欧洲的电池生产看作是一个战略目标,大公司必须在电池投资上迅速作出决定。欧洲企业必须在供应链上展开合作,同时提高大众消费者对电动汽车的认识与接受度。

欧盟的倡议得到了德国政府的支持,德国汽车企业也积极响应。大众将在德国萨尔茨吉特(Salzgitter)建造新电池厂,投资100亿欧元(约合人民币784.4亿元),从投资规模和配套的车辆数量来看,大众新电池厂产能或许是特斯拉超级电池工厂的2倍。奔驰打算在Kamenz地区由旗下全资子公司ACCUMOTIVE投资约5亿欧元(约合人民币39.22亿元)建设新电池工厂。

宝马也建立了电池工厂,宝马在华首家高压电池工厂项目位于华晨宝马沈阳发动机工厂内。根据此前公布的消息,这一高压电池中心正式投产后,将为全新一代宝马530Le iPerformance提供高压电池配件,可生产3.3万套/年的高压电池组。

作为电动汽车的先行者,特斯拉原本由松下供应电池,如今,特斯拉也兴建了Gigafactory。Gigafactory是特斯拉第一座超级电池工厂,2014年6月开建,2018年投产后产能将达35GWh,这座工厂准确名称是Gigafactory 1,预示着特斯拉未来还将建造第2座超级电池工厂。有资料显示,特斯拉在必要时将把电池产能扩大到150 GWh。

动力电池作为新能源汽车的核心部件之一,各家企业都在积极投入资金研发,原有的电池企业与新进入者交织在一起,市场竞争趋于激烈,国内电池企业的洗牌在所难免。