量变与质变《电池行业专题报告》之《技术篇》(.doc

新能源策略研究团队 王稹 韩若冰王成 桑永亮 张赟本报告导读：主要内容包括：电池的历史发展，工作机理，参数对比，性能对比，应用领域，工艺流程，中日美在技术和制造上的差距，中国电池企业的发展。投资要点：究竟是什么力量推动了电池产业的发展？我们认为，每次新材料的应用让电池性能有了质的飞跃，每次正负极材料或电解液的改进也促使电池质量会有一定幅度的提升。z 电池的发展史，正是一部材料科技的进步史。工艺的改进使电池量变，新材料的发明促使电池质变。可以预见的是，采用含有锂元素的导体材料（离子化合物、聚合物）作为电极材料是高能电池的最佳选择，只是，多元素锂离子化合物的发现需要材料技术的继续进步。z 提升储能潜力，提高能量密度，这始终是电池技术不断发展的最直接的理念之一。但是，十全十美者尚不存在，特别是高功率与高能量是难以兼得的。而且，我们也会发现，不同产品对电池具有多样化需求。因而，电池材料的开发也是多样化的。z 对比各项表象性能，安全、价格、寿命都是必须要考虑的指标，这决定了某类电池能否广泛应用。由于，锂离子电池的性能优越，不同正极材料的锂离子电池的性价比差异满足不同应用的市场需求，因而，锂离子电池形成了对其他各类电池的几乎全面替代趋势。z 尽管，我们对电池制造的印象是劳动密集，但是，从电池产业链来看，同样是技术密集的，特别是资源开采加工与电池材料制备更多地涉及材料学科。通过图示铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池制造的主要工艺流程环节，我们指出了国内电池产业的发展方向与技术瓶颈。z 在电池的产业化方面，中国与日本、美国存在相当大的差距，而这些归根结底都可以体现在材料技术产业化的国内外差距上。我们认为，依靠电池材料进口，小型单体电池的制造是成熟的；但是，即便解决了电池材料问题，大容量大功率的电池组的设计和制造仍然面临诸多问题，这也正是电动车用动力电池技术需要突破的关键技术难点。z 从中国电池企业转型发展来看，锂离子电池行业的市场竞争力很大程度依赖于长期发展的技术积累，而非单纯的资金投资，同样，锂电池电池材料具有较高的技术壁垒，各细分行业领先企业大多为较早进入行业者。但是，小型锂离子电池业务的技术门槛是很低的，大量中小参与者的涌入导致行业利润率迅速下降。1. 材料技术的进步，电池工业的发展 电池的历史可以追溯到 1799 年，两百多年来，始终朝着高容量、高功率、低污染、长寿命、高可靠性的方向发展，应用范围也随之扩大。我们在思考，究竟是什么力量推动了电池产业的发展？ 图 1：电池发展史大事回顾 资料来源：国泰君安证券研究所 电池是能量的物质载体，这个载体的基础实质便是制备所需材料和相关工艺技术。工艺的改进使电池量变，新材料的发明促使电池质变。从铅酸电池的发明，到镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池的依次出现，新材料的应用让电池性能有了质的飞跃。就单看某一类电池，每次正负极材料或电解液的改进也促使电池质量会有一定幅度的提升。图 2：电池的发展史，正是一部材料技术的进步史，电池的储能密度与化石能源相比，仍有巨大差距 是否存在下一代 X 离子电池超越锂离子电池的性能呢？很难！锂元素是最轻的一种金属元素，在金属元素中化学性能最活泼，电位最负。可以预见的是，采用含有锂元素的导体材料（离子化合物、聚合物）作为电极材料是高能电池的最佳选择，只是，多元素锂离子化合物的发现需要材料技术的继续进步。图3：由化学元素周期表来看，似乎再难以找到超越锂离子化合物/聚合物的正极材料了2. 不同的工作机理，不同的电池特性，不同的应用市场这里，我们将从各类电池的工作机理谈起，这会涉及一些电化学的常识。我们认为，表1 的内容可以关注几点：z 电极反应的效率、密度与温度特性；z 电极反应是否有水（H2O）或者氢氧基（OH-）参与；z 电极反应是否存在产生气体的可能性；z 电池材料是否存在污染、腐蚀的可能性；z 电解液中电解质、隔膜的温度特性。表 1：铅酸电池、镍氢电池、锂电池的工作机理 人们对于“宝葫芦”的畅想源自对移动能源的神秘力量的憧憬。作为储能能源，人们最为关注的电池参数指标是“能量密度”（能量比体积）。二十年前，人们不可能想象可以手里拿着卡片一样的电话机行走全球，这正是电池能量密度提高给人带来的便利。二十年后，我们可能依然感慨笔记本待机时间的尴尬，这还是电池能量密度造成的瓶颈。 提升储能潜力，提高能量密度，这始终是电池技术不断发展的最直接的理念之一。但是，十全十美者尚不存在，特别是高功率与高能量是难以兼得的。而且，不同产品对电池具有多样化需求。智能手机关注高能量，电动工具关注高功率，混合动力汽车更在意高功率，纯电动汽车更关注高能量，但是，如果都换成“山寨版”呢？因而，电池材料的开发也是多样化的。图 4：锂离子电池的各项参数最为优越，锂离子电池的不同电极材料的参数差异较大 资料来源：国泰君安证券研究所 注：我们对各种参数进行了适当的归一化处理。图 5：对于同类电池，高功率与高能量的性能不易兼得，这就形成针对不同应用市场的电池材料的研究 对比各项表象性能，安全、价格、寿命都是必须要考虑的指标，这决定了某类电池能否广泛应用。由于，锂离子电池的性能优越，不同正极材料的锂离子电池的性价比差异满足不同应用的市场需求，因而，锂离子电池形成了对其他各类电池的几乎全面替代趋势。我们认为，安全性因素决定了“能还是不能”，性价比因素决定了“换还是不换”。图 6：表象性能的差异表现了各类电池的优缺点 图 7：锂离子电池的性能优越，不同正极材料电池的性价比差异，这些注定锂离子电池的应用趋势 3. 电池制造工艺，关键环节与瓶颈 简单的说，电池产业链包括：资源开采加工、电池材料制备、电池组装生产环节，前两个环节更多地涉及材料学科。我们将铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池制造的主要的工艺流程环节图示出来，是为了指出其中的关键环节。表2：铅酸电池维护性、高功率、轻便性是铅酸电池的发展方向 图 8：铅酸电池工艺流程示意图表 3：镍氢电池减少金属镍用量、开发高性能贮氢合金是发展方向图 9：镍氢电池工艺流程示意图图 10：锂离子电池工艺流程示意图 表 4：锂离子电池高端锂电池制造的的技术瓶颈依然突出 4. 我们的差距，我们的未来 上节我们描述了产业链的关键环节，指出了国内电池产业的发展方向与技术瓶颈。显然，在电池的产业化方面，中国与日本、美国存在相当大的差距，而这些归根结底都可以体现在材料技术产业化的国内外差距上。我们对比了中、日、美的镍氢电池、锂离子电池的材料技术和制造技术。我们认为，依靠电池材料进口，小型单体电池的制造是成熟的；但是，即便解决了电池材料问题，大容量大功率的电池组的设计和制造仍然面临诸多问题，这也正是电动车用动力电池技术需要突破的关键技术难点。 图11：中国与日本、美国在电池材料方面的对比图 12：中国与日本、美国在电池制造技术方面的对比5. 技术积累中的中国电池企业 我们对国内电池相关企业的主营业务方向的转移情况进行分析，不完全统计的转型路线如图6 所示。据此，我们注意到：z 锂离子电池行业的市场竞争力很大程度依赖于长期发展的技术积累，而非单纯资金投资统计显示，锂离子电池行业前十位的企业几乎全部为2000年之前进入锂电领域。对于镍电池与铅酸电池行业也有类似情况。z 锂电池电池材料具有较高的技术壁垒，需要较高的技术支持与积累，以及大量固定资产与技术研发投资，各细分行业领先企业大多为较早进入行业者。锂离子电池、镍氢电池成为众多企业转型的主流目标产业符合技术发展趋势，产品性能优秀，应用范围广，市场预期好。z 小型锂离子电池业务门槛较低大量中小型参与者的涌入导致行业利润率下降，并普遍缺乏技术竞争力。图 13：电池企业的业务转型或扩展路线表 5：国内锂离子电池前列企业新设或者转型的高峰期是2000 年附近，符合下游市场需求的变化 资料来源：国泰君安证券研究所 注：收入单位为亿元表 6：国