电池投资三大逻辑之聚合物锂电池进入爆发期

格隆在最新一期的港股那点事中提到,未来中国经济整体放缓,局部加速的定向式宽松与局部刺激会成为经济抓手的新常态。从投资角度看,铁路、特高压、核电、军工、环保、新能源等都会大概率成为新常态中加速的“局部”。新能源汽车解决了人类两大制约问题:环境污染问题、对石油等化学能源的依赖问题,未来会是一个持续加速的“局部”,从研究角度,除了整车企业,最受益,弹性最大的应该还是充电设施、电池等配套领域。


因此我们隆重推出格隆汇成员小小微微一笑《电池投资三大逻辑》的深度研究报告,供广大会员参考。作者新能源领域和新技术方面资深专家,也是美股“深圳比克”版主。他在报告中提出了消费电子,动力电池,储能电池的行业特点投资逻辑各不相同。锂电行业这些年技术进步不大,最大的趋势是软包聚合物电池爆发性的增长。

电池投资三大逻辑——软包聚合物锂电池的爆发时代
目录
前言
第一部  便携电池——聚合物的爆发时代
1.1   消费电子产品的流行趋势-智能机,平板电脑,超级本三大动力源
1.2   为什么是聚合物锂离子电池
1.3   我们就站在爆发时代的起点——4 年复合增长50%以上
1.4   到底谁受益了——期待能够出现中国的铝塑膜公司
1.5   聚合物锂离子电池的核心技术在哪里——凝胶聚合物隔膜
1.6   聚合物锂离子电池的基础知识
第二部  三国杀时代的储能电池——成本决定未来
第三部  动力电池——安全第一
附录    各地的一些产业政策


前言:
我将电池根据应用不同,分成了三块:便携电池,储能电池,动力电池。三块的市场容量目前是便携电池是最大的,储能电池和动力电池目前都还比较小。三块的终端不太一样所以三块的逻辑也不一样。现总结如下:

1. 便携电池主要用在手机,笔记本电脑,数码相机等,这些目前存在电池续航时间太短的问题,因为电池在整个机器中间成本占比5%左右,价格不是下游的核心问题,比能量和消费电子的薄形(能做得更薄)成为便携电池最重要的因素,也是未来的投资逻辑。

2. 储能电池的应用非常广泛,电网,通讯基站,风电光伏等均有应用。储能电站正负极等材料用量都非常大,现在一个光伏电站,如果加上储能,储能就要占到总成本的一半。在电网跟通讯基站以及军工上面的主要对手还是铅酸电池,价格昂贵还是目前的主要问题,不过锂电替代铅酸还有更多的优势,这些场合都有不同的特点,从现在看储能最大的问题是成本。随着分布式能源的发展,未来储能电池是仅次于动力电池的第二大市场,因此储能还有投资实点的选择问题,与技术成本相关。从目前来看储能电池未来主要为三大技术,磷酸亚铁锂电池,钠硫电池,液流电池,三个有着不同的特点适用于不同场合的应用。

3. 动力电池主要是在汽车电动自行车的应用,由于条件比较苛刻,目前存在的问题还很多,比容量的问题,安全性问题,成本问题都非常重要,动力电池是最复杂的。目前已经发生过10多起电动车起火的时间,电动车目前最重要的还是安全性问题需要解决。能够看得到的最优的技术是锰酸锂电池,在中国磷酸铁锂和锰酸锂都会有发展前途。储能电池和动力电池都是大电池,一般公司都是两个电池都做,两个电池的启动时间点虽然会不一样,但是对于投资公司的选择来说,是需将两个结合起来一起看公司的。

下面分开对三块进行说明。

第一部 便携电池

1.1 消费电子产品的流行趋势-智能机,平板电脑,超级本三大动力源

便携电池,主要就是锂离子电池。消费电子产品占锂离子电池下游的90%以上,其中手机占比38%左右,PC占比32%。因此研究便携电池首先要把握消费趋势,我认为在未来几年中智能手机,平板电脑,超级本将迎来高速的发展。下面是该行业的一些主要的数据:
 
图1.全球锂离子电池细分市场占比  数据来源   台湾工研院IEK

据IDC统计,全球智能手机的增长2010年为75.7%,2011年为61.3%,Gartner最新预测全球智能手机的2012年出货量将保持39%的增速。DCCI 互联网数据中心统计显示,2012 年国内智能手机出货量将近1 亿部,渗透率将达35.3%,同比增长53.6%。国内平板电脑2011-2014年增长幅度分别为284.5%,57.4%,35.6%,27.7%。

到2016年美国三分之二的年轻人将拥有平板电脑。从去年开始戴尔,因特尔,三星都推出了超级本,而苹果是08年推出的MAC air。IHS预测Ultrabook笔记本电脑将迅速增长。这种笔记本电脑在2010年占全球笔记本电脑出货量的不到1%,预计今年的市场份额将不到2%。但是,到2012年,Ultrabook将占笔记本电脑出货量的将近12%。到2013年,Ultrabook的市场份额将猛增至28%,到2014年将增长到38%,并且在2015年达到大约43%。市场研究公司IC Insights预计,由于平板电脑已成为消费者市场上的主要驱动力,平板电脑市场的规模将会出现进一步增长。在2010年到2015年之间,全球超级本销量的年复合增长率有望达到81%。超级本和平板电脑的对普通笔记本电脑的替代,未来将会带动方形聚合物锂电池替代传统的圆柱形18650电池。

皮尤研究中心表示,截至2012 年2 月,在所有美国成年人手机用户当中,53%属于智能手机用户,这一比例较2011 年5 月时的35%有所提升。鉴于美国有88%成年人拥有手机,这意味着46%的美国成年人属于智能手机用户。IDC 最新发布报告称,中国2012 年将取代美国,成为全球手机出货量最大的市场。到2016年,印度和巴西两大新兴市场的智能手机出货量也将跻身全球前五。强劲的需求正在推动新兴市场成为全球智能手机的发展引擎。IHS 公司的资深首席分析师Steve Mather 认为,2015 年全球手机销量将达17 亿部,其中10 亿部将是智能手机。这意味着2015 年超过70 亿的人口中,14%将购买智能手机,如图2所示
 
图2 智能手机的增长预测图 数据来源IHS
 
图3 日本3G手机和2G手机过去10年发展趋势图 数据来源 Bloomberg

其它机构的预测:DCCI 互联网数据中心统计显示,2012 年国内智能手机出货量将近1 亿部,渗透率将达35.3%,同比增长53.6%,高于全球增长速度。这一预测再次印证了2012 年智能手机发展前景广阔。图反应的是日本3G手机完全替代2G手机。而中国目前还只有1.2亿的3G用户,发展空间非常大。

从目前这几个行业的发展来看智能机和平板电脑发展的短板的最核心的因素是电池的续航问题。这三种高速增长的电子产品都有一个共同特点就是都是薄形电子产品,而且都非常的耗电,因此对锂离子电池提出了更高的要求。从全球锂电需求来看铝壳电池已经产能过剩,而聚合物电池却高速增长,10年比09年翻5.4倍,11年比2010年翻倍增长。
 
图4.全球锂电不同领域的需求情况图 数据来源IIT

聚合物电池主要应用于手机、笔记本电脑以及其他数码产品领域。从图5可知,从2010-2011 年整个聚合物锂离子电池市场需求是增加的,除了2011 年第一季度,平均每季度增长6.5%左右。到2011 年第四季度整个聚合物锂离子电池市场需求量达到大约87 百万支/月。聚合物锂离子电池主要用于手机和笔记本电脑上,占据整个需求量的50%以上。预计到2011 年整个聚合物锂离子电池市场的需求量将达到9 亿只左右。从图6 可知,整个聚合物锂离子电池市场基本上被ATL、LGC,SDI,SONY 占据。从图7 可知,在2010 年第三季度之前,整个全球聚合物锂离子电池市场供求平衡,但到了第四季度以后供不应求,并缺口呈上升态势。比较圆柱和方形的供过于求,聚合物的供不应求缺口呈增大趋势。由于去年以来10 年四季度之后IPAD,IPHONE4,以及智能手机的高速增长带来聚合物锂电池的高速增长。
 
图5.不同应用领域的聚合物锂离子电池市场需求情况图 数据来源 IIT
 
图6.不同企业聚合物锂离子电池出货量情况图 数据来源IIT
 
图7.全球聚合物锂电池市场供求关系图 数据来源IIT


1.2 为什么是聚合物锂离子电池——比容量是成长的核心动力

一般而言,电池主要的构造包括正极、负极与电解质等三项要素。聚合物锂离子电池是指在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用了高分子材料的电池系统.而目前所开发的聚合物锂离子电池系统中,高分子材料主要是被应用于正极及电解质。市场上面的聚合物锂电池一般是在隔膜表面涂覆了一层凝胶聚合物,凝胶聚合物吸附了电解质。聚合物电池与传统电池相比有如下的优点:

1. 聚合物电池采用的是软包包装,所以可以做成各种形状,有非常高的灵活性。液态锂离子电池很难做到4mm 以下的电池,即使生产出来容量和成本相对聚合物锂电也没有什么优势,而聚合物锂电池可以做到0.5mm的厚度,刚好适应薄形电子产品的发展趋势.
2. 体积利用率更高,比传统电池提高10%-20%。
3. 电池容量提高50%以上。
4. 软包电池比传统的电池有更高的循环寿命,同种材料电池,聚合物电池100 次循环之后的衰减要比电解液的铝壳电池小4-7%个点。
5. 聚合物电池现在主要有两种,凝胶聚合物形态的和全固态的,液态电解液很少甚至没有,因此不会有漏液发生,安全性能会更高。
6. 由于采用了软包包装,一般电池发生短路也不会像铝壳电池一样发生爆炸,而只会发生软包的鼓胀,安全性能更高。
7. 与陶瓷电解质或者无机玻璃电解质相比,聚合物电解质具有更好的适应电极体积变化的能力,可以保证充放电过程中电极具有良好的接触。
8. 不需要串联就可以做成大电池。现在聚合物锂电池已经可以做成电动自行车的电池了。
9. 更适合大规模工业化生产。

1.3 我们就站在爆发时代的起点——未来4 年复合增长50%以上
• 聚合物锂电池的薄形,更高的比容量和循环寿命,更高的安全性使得聚合物锂离子在薄形便携电子产品中间取代液态电池成为必然趋势。尤其是智能手机,平板电脑的高速增长,以及随着手机和平板电脑的娱乐化产品越来愈多,电池续航问题日益严重,使用聚合物锂电池成为当前解决问题的关键。从目前的情况来看手机和平板电脑的电池较小,材料用量也比较小,在一个智能手机中间电池占成本的比重3-10%,因此电池的成本对总成本影响不大,但是对用户体验却是至关重要。2011 年聚合物锂电池在锂电池中占比18%,根据电子产品的消费预测,未来两三年聚合物锂电池在消费锂离子电池中占比要达到50%的比重。除了在便携电子产品的替代之外,现在聚合物锂电池已经应用在电动自行车上面了,开始替
代传统的铝壳池和铅酸电池。过去10 年锂电池的产量翻了9 倍,2011 年全球锂电增速10%,市场容量约为170 亿美金,预测全球消费电子锂电池的行业到2015 年复合增速在8%,到2015 锂离子电池的年市场容量达到230 亿美金,到2015 年聚合物锂电池市场容量将达到90 亿美金左右的市场容量,年复合增长约为50%。
 
聚合物锂电池的预测

随着聚合物锂电的发展,国内的一些技术落后的公司会逐渐被淘汰。下游手机笔记本公司的集中度提高,大电池组的发展,电池一致性问题越来越关键,电池的质量也越来越重要,对于先进的锂电工厂的投资动则几十亿。现在国内的几家发展较好的电池公司均有大的财团在背后支撑,力神背靠中海油,精进能源背靠深圳立业集团,ATL 背后是日本TDK,力神的生产线也是国内最先进的。现在行业的依然十分分散,未来行业集中度会逐步提高。尤其是随着软包聚合物锂电池的发展,会使得手机,平板电脑,超级本的电池集中度提高。
 
三星,LGC,三洋,松下,sony,maxell,等公司的出货量增速超越行业增长速度。

1.4 投资标的选择,到底谁受益了——期待能够出现中国的铝塑膜公司

聚合物锂电池和液态锂电池就只有两点不一样,隔膜和外壳。隔膜采用的是凝胶聚合物隔膜,外壳采用的是铝塑膜而非铝壳。在聚合物锂电的爆发增长时期,受益最大的是铝塑膜的生产商和拥有凝胶聚合物隔膜技术的电芯生产公司。铝塑膜这块没有国内公司,目前铝塑膜生产主要还是日本公司:昭和电工,DNP,大仓,凸版,以及的韩国栗村。铝塑膜是一种三层膜,由塑料膜/铝/塑料膜组成的结构,一般塑料采用的是PET,或者PP,或者改性的聚乙烯。首个聚合物锂电是96 年研制成功的,而铝塑膜的出现比聚合物锂电还要晚的。聚合物锂电池用铝塑膜是普通的包装用铝塑膜对空气和水的阻隔性能要高10000 倍,本身铝塑膜还要能够耐电解液的溶胀,渗透,溶解,吸收以及电化学反应等。电解液的是一个混合的溶剂,是通用符合材料的良好溶剂,遇水可以产生强腐蚀性的氢氟酸。铝塑膜还必须要耐电极毛刺穿刺,以及高温压力下的热封避免与金属电极形成短路。铝塑膜的技术是软包电池的一个非常关键的技术,目前国产的铝塑膜都做的不好,目前还智能用在医药和食品的包装上面,几乎没有可以用在聚合物锂电池上面的。铝塑膜的成本大概占到电池成本的15%。

隔膜现在主流的做法是在传统的隔膜表面涂覆一层凝胶聚合物,一般电芯公司都会有生产自己的凝胶聚合物的技术。目前在这一块做的好的是日本TDK 的在华子公司ATL(东莞新能源),SDI,LGC,SONY,天津力神,以及佛山的精进能源等。目前许多国内的公司号称自己的聚合物锂电池,实际上都不是,当然广义上面来说,隔膜本身就是聚合物材质的,但是我这里所说的是凝胶聚合物电池或者全固态电池。ATL,SDI,LGC,SONY 目前是全球最强的聚合物锂电池公司,ATL 和力神是苹果公司的供货商,ATL 目前在国内基本是垄断地位。在A 股的上市公司中间德赛电池切入了ATL,SDI,SONY,LGC,力神的供货体系,为这几家公司生产电池管理芯片和PACK。德赛电池的PACK 技术是非常好的,德赛电池的41%的收入来源于ATL,SONY 和SDI 占比30%左右。从目前来看聚合物锂电池受益最大的A 股上市公司是德赛电池,随着这几家聚合物电池公司的高速增长将带来德赛电池的快速增长。德赛电池的主要优势在于不良品率只有1.5ppm,而6 西格玛管理要求是6ppm 的不良品。生产线非常先进,自动化水平高,率先对于管理系统做的微创新,如电量检测等。公司战略清晰,并未将电芯这种投资门槛要求非常高的作为重点发展,而主要做公司擅长的PACK 和保护板。
 
图中虚线内的部分为PACK 的部分

1.5 聚合物锂电的核心技术在哪里——凝胶聚合物隔膜

聚合物锂电池的核心技术是隔膜的不同,现在隔膜主要有两种,一种是全固态的隔膜,一种是凝胶聚合物隔膜,凝胶聚合物隔膜要求隔膜的吸胀性能特别好,能吸尽量多的电解液,一般是自身体积的7 倍以上。凝胶聚合物隔膜一般的制作工艺是在普通隔膜表面涂覆了一层凝胶聚合物。核心也就是凝胶聚合物的制备工艺,寻找与正负极,电解液匹配的凝胶聚合物,这块不是一般的公司短时间内可以掌握的技术,目前凝胶聚合物基本上掌握在电芯公司手中。

凝胶聚合物究竟是什么?按聚合物形态来分,可分为凝胶型聚合物电解质和全固态聚合物电解质,主要区别是前者含有增塑剂而后者没有。按聚合物主体来分,主要有如下几种类型:聚醚系(主要为聚氧化乙烯,PEO)、聚丙烯睛(PAN)系、聚甲基丙烯酸酷 (PMMA)系和PVDF 等。聚合物电解质的主要的技术指标是:
1、要有尽量高的离子电导率和离子迁移数。
2、良好的电化学稳定性,通常要求电化学稳定窗口在4.5 伏。
3、良好的热力学稳定性,在充放电发热的时候不会融化和分解。
4、良好的化学稳定性不会与电极反应。
5、具有良好的锂/聚合物电解质界面稳定性。
6、对电子传输绝缘并具有一定的机械强度。
7、无污染,成本低廉,以利于市场开发。

几种常用的凝胶聚合物结构与性质的对比
 


PVDF 目前是一些锂电池公司常用的凝胶聚合物材质,这块之前主要公司是苏威,现在已经被法国阿克玛切入,抢占了大量的市场,大金氟化工现在也开始做这块的市场。三爱富在10 年突破了PVDF 树脂的技术,也许未来三爱富也能够切入凝胶聚合物用树脂这块市场,不过这个市场不大。

1.5 锂电池的基础知识:
聚合物锂离子电池基本原理图,锂离子在可逆地穿过凝胶聚合物隔膜,在正负极嵌脱锂。聚合物锂电池与液态锂电的不同之处在于隔膜用的是凝胶聚合物,可能是纯粹的凝胶,也可能是隔膜两个表面有凝胶聚合物。外包装从铝壳换成软包装的铝塑膜。
 
图7.聚合物锂电池的原理图

在锂电池的正极材料,负极材料,隔膜,电解液,铝塑膜,以及其他的封装材料。这主要的四块的成本中间,正极材料占比30%,负极材料10%,凝胶聚合物隔膜25%,电解液10%,铝塑膜15%,其他的封装材料10%。这个成本不算PACK的成本。目前正极材料的比容量在120-210 mWh/g 之间。负极材料石墨的比容量是300mWh/g。因此目前对锂电池能量密度,成本,质量影响最关键的就是正极材料。隔膜对充放电速度,自放电,安全性,寿命的影响非常关键。电解液的耐电压以及电导率对电池的性能有关键的影响。
 
电芯的各部分成本占比

1.4.1 正极材料-提高能量比的关键
对于正极材料来说,目前在锂电池中间成本占比比较高,达到了30%,而且现在制约锂电池的续航时间的关键也是正极材料的比容量问题,提高正极材料的比容量,既可以提高电池的续航时间,还可以降低正极材料的用量。对于开发高压的正极材料也是可以提高电池的比容量的。目前市场上面的正极材料种类也比较多,各种不同的正极材料有着不同的性能和应用,下面对锂离子电池的正极材料详细介绍。

什么事正极材料?锂离子电池的正负极活性物质均为能够可逆的嵌入一脱出锂的化合物,其中至少有一种电极材料在组装前处于嵌锂状态。一般选择电势(相对金属锂电极)较高,且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物为正极材料,它是电池中锂离子的“贮存库”,主要有层状结构的LiM2O4 和尖晶石结构的LiMPO;以及橄榄石结构的LiMPO;化合物(M-Co、Ni、Mn 等过渡金属元素)。

几种主要正极材料的对比
 
 
*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

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