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颢筐凤
7 years ago
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1 电动汽车及锂电池行业研究上篇电动汽车 1 石油的边际成本越来越高在世界经济的规模不严重收缩的情况下, 原油的价格已经无法再回到 30 美元的位置, 原因是未来满足原油增量需求的供应主要来自页岩油和深海石油, 而页岩油的平均成本在 60 美元, 边际成本 90 美元, 深海石油的开采成本是陆地的 6~10 倍石油供应增量的边际成本大幅提高, 决定着未来石油的价格在高位运行 2 中国的大气污染已经非常严重事实上, 可以把 2012 年看成一个临界点, 是一个大气环境无法正常消纳人们活动排放的大气污染物的临界点, 在这之后如果中国治理减排的速度无法超过新增排放的速度, 那么冬春季节,PM2.5 爆表将成为未来的常态在这样的情况下, 电动汽车的发展就应运而生原油价格的高企, 导致电动汽车的使用成本相对燃油汽车具有极大优势, 这是电动汽车能够发展的充分条件的最大支柱 ; 而减排压力是其必要条件, 有一种观点是, 从能量提供的起点到能量消耗完成, 电动汽车的排放不比燃油车少我觉得这样的认识还是过于简单化的 : 两者排放的方式和地域是不同的燃油汽车是分散排放的, 基本上是极难减排的, 而电动汽车的排放是集中到电厂排放的, 治理起来相对容易, 而且再生能源和核能以及天然气发电对煤炭发电的替代, 也会使得排放大幅降低 ; 燃油汽车的排放主要集中在经济发达人口密集地区, 减排压力本身就很大, 在西电东送大

2 行的情况下, 电动汽车的发展就使得排放从东部移到西部, 而西部对排放的大气消纳能力还是强的电动汽车能否发展, 现在主要的问题还是在其内部只有电动汽车的安全性经济性便利性上能够与燃油汽车接近的情况下, 电动汽车才能极快地取代燃油汽车, 成为私家车的主流现在的问题是, 在安全性上, 还需要时间验证 ; 在经济性上还需要政府补贴 ; 在便利性上则是最大的软肋 1 安全性虽然最近几次特斯拉电动车的事故和去年比亚迪 E6 的事故最终结论是事故原因不是电动车电池的安全性不够造成的, 而是正常的交通事故但是, 电动车作为一种新事物, 人们对其还是有怀疑的眼光, 媒体也会给予重点关注, 对其安全性的讨论会一直持续这需要时间来验证 2 经济性

3 目前, 电动汽车的制造成本比燃油车还要高多美元, 主要是由于电池成本过高造成而电池成本过高主要是由于现在的动力电池的能量容量还不够高上表可以看出, 虽然锂电池的能量容量相比铅酸蓄电池和镍氢电池有较大提升, 但这种提升还只是线性增长, 而非级数式增长, 所以就用作动力电池而言, 锂电池的能量容量还太低,1 千克锂电池充电后能提供的能量只有 1 千克汽油燃烧提高能量的 1% 当然, 电动汽车的能量转换效率要比燃油汽车高得多以下是根据经验估算的转换效率对比 : 比亚迪 E6 公布的百公里耗电为 21.5 度 ; 整备质量 2.3 吨 ; 君越, 整备质量 1.77 吨, 百公里耗油 9.8 升, 相当于 94 度电所以, 燃油汽车的能量转换效率差不多只有同级电动汽车的 1/4.5 据此, 我们可以估算,1 千克锂电池充满电后能给汽车提供的动能是 1 千克汽油燃烧提供动能的 4.5% 这几乎决定了现在的技术状态下, 电动汽车要取代燃油汽车是不可能的在行使 300 公里的条件下, 一般燃油汽车只需加油 30 升, 即 22 千克 ; 而电动汽车需携带 500 公斤的锂电池, 才能一次充电行使 300 公里这造成电动汽车的

4 成本高居不下假设在规模化生产的条件下, 电动汽车的制造成本要比同级燃油汽车高 7 万元 ; 同时, 由于电动汽车的使用成本远低于燃油汽车, 我们估算比较一下两者的综合成本燃油汽车电动汽车百公里耗油汽油价格百公里油费百公里耗电度电价格百公里电费百公里成本差车辆成本差价差平衡行使里程 8 升 7 元 / 升 56 元 21.5 度 0.52 元 / 度元元元公里行使 15.6 万公里才能弥补车辆成本差, 对私家车而言这绝对是不经济的因为私家车年行使里程也就 1.5 万公里左右, 成本回收的时间太长,10 年已经超出了电动汽车电池的寿命和电动机的寿命只有在出租车和公交车上, 因为年行使里程大, 所以在经济性上用电动汽车替代燃油车具有一定可行性出租车一般日行使 300 公里,1.5 年就可以回收车辆成本差但是, 由于电动汽车的市场还很小, 无法实现大规模的生产模式, 导致电动汽车实际的制造成本与同级燃油汽车的成本差远高于元从而使得即使在出租车和公交车上推广电动汽车也需要政府的大幅补贴现在,E6 的指导价是 33 万元, 政府补贴 12 万元, 这就是现在电动车发展困难的体现靠政府补贴是无法实现电动汽车对燃油汽车的取代的, 因为这个数字太大其作用是让电动汽车能在实际使用上得到可靠性上的验证, 让制造商能维持并继

5 续投入研发 3 便利性电动汽车在便利性上非常缺乏, 主要是充电的基础设施不完善, 建充电站的成本高昂, 充电时间太长以 E6 为例 : 出租车版 E6 一般都是在充电站充电, 其充电位置上只有一种插口, 而 E6 先行者版则有两个充电插口可使用三种充电模式, 一种是在充电站快速充电, 1 小时左右即可充满 ; 第二种是随车赠送的充电柜, 可安装在家里的固定车位上, 通过充电柜 5 6 小时可充满电 ; 第三种是依靠随车的 220 伏交流充电器使用家用电 10 小时可充满电第一个商用充电站由国家电网在上海新建,10 个充电位置, 建造成本 510 万元如果这个充电站 24 小时持续不断无间隙的为车辆充电,1 年可以销售 520 万度电 ; 如果度电盈利分别是 0.2 元 0.1 元 0.05 元, 建造成本的静态回收期分别是 5 年 10 年 20 年如果产能利用率只有 60%, 回收期还要长 0.66 倍经济性明显是不足的如果销售电价明显高于 0.52 元的水平, 电动汽车的经济性就会大幅降低, 也是不可取的对使用者而言, 充电时间太长应该没有家庭用户会为充电在充电站等上 1 小时 ; 但是, 也不是所有私家车都有车库, 没有车库的是大多数, 所以要想在家里晚上充电也是不容易实现的对出租车而言,1 小时的充电时间也是明显降低营业时间的综上所述, 从电动汽车最终会取代燃油汽车的长期判断来说, 现在的主要结症在于动力电池上面, 主要集中在电池的能量容量和充电时间上, 只有电池的能量容量提高 2~3 倍时, 电动汽车的经济性会超过燃油汽车, 充电站也能适当提

6 高电价增强盈利能力, 只有电池的充电时间缩小到 1/6~1/5 时, 电动汽车的便利性能与燃油汽车相当如果只是为了发展电动汽车而去研发新一代的锂电池, 这个研发周期可能让人觉得没有盼头 ; 但是, 其实在消费电子产品行业, 锂电池的能量容量和充电效率也遇到了瓶颈随着智能手机的超速发展和无线通讯技术的升级, 手机越来越具有电脑替代品的倾向, 在手机硬件性能不断提升, 应用软件不断丰富, 手机上网越来越便宜, 网速越来越快的现实情况下, 电池容量不足的短板效应越来越明显, 现在很多频繁使用智能手机的群体一天充一次电两次电已经成为常态在这种情况下, 锂电池技术的突破有着看得见的巨大经济利益, 我相信, 智能手机的飞速发展和 G4 通讯技术的普及, 会极力推动新一代电池领域的研发投资, 更高性能的新一代电池出现的时间不会太遥远下篇锂电池虽然无法确信下一代高性能电池到底是不是锂电池, 但是通过对锂电池行业的研究可以帮助我们在下一代电池出现端倪之时能快速反应, 也能帮我们判断锂电池行业的最新发展方向的前景会如何据此, 做以下梳理锂电池主要包含四个部分 : 正极负极隔膜和电解液锂电池正极材料的要求是 : 1 高电压: 正极材料要有较高的氧化还原电位 ; 2 高容量: 容量是锂离子电池相对与传统电池的核心优势, 工作时, 要有足够数量的锂离子能够在正极材料中嵌入和脱嵌, 以保持高容量 ;

7 3 长寿命: 在锂离子嵌入 / 脱嵌中, 正极材料结构能够不发生或者较小发生变化, 保证电池长期使用, 赋予电池长寿命特征 ; 4 大电流充放电: 正极材料须有较好的导电性能 ; 5 安全性锂电池正极材料的要求是 : 1 尽可能低的电极电位; 2 离子在负极固态结构中有较高的扩散率; 3 高的脱嵌可逆性; 4 良好的电导率和热力学稳定性; 5 安全性好隔膜的作用 : 1 分隔电池正负极, 阻止电子传导, 避免发生自放电以及短路问题 ; 2 在正负极间传导离子, 作为离子传输通道电解液的作用 : 在正负极之间起到输送锂离子传导电流的作用, 主要由电解质溶剂和添加剂三部分组成现在锂电池的成本构成大致如下 : 40% 10% 10% 20% 20% 电解液隔膜负极正极其他

8 锂电池行业已经相对成熟, 锂电池产能也已经非常充裕, 行业竞争主要集中在价格上面 ; 由于现在的锂电池负极都是石墨, 而要想开发出比石墨便宜, 性能又优于石墨的负极材料相当困难, 还看不到商业化前景, 所以锂电池企业为适应商业竞争需要对锂电池的改良主要集中在正极材料上面现在锂电池的分类也是按照正极材料的不同而做的 ; 主要有四类 : 钴酸锂电池三元材料锂电池锰酸锂电池磷酸铁锂电池正极材料 ( 这一部分摘自申万研究报告 ) 目前钴酸锂依然是小型锂电领域正极材料的主力 ; 三元材料和锰酸锂主要在小型锂电中应用, 在日本与韩国其作为动力电池的技术较为成熟 ; 磷酸铁锂在国内在动力电池领域应用, 并且是未来储能电池发展的方向钴酸锂由于具有生产工艺简单和电化学性能稳定等优势, 最先实现商品化钴酸锂具有放电电压高充放电电压平稳比能量高等优点, 在小型消费品电池领域中具有重要应用, 由于消费类电子产品市场的迅速发展, 钴酸锂是锂电池正极材料中销售量占比最大的材料钴酸锂正极材料的缺点主要是 :(1) 成本高, 且不利于环保钴资源短缺价

9 格昂贵, 并且钴有放射性, 不利于环保 ;(2) 比容量利用率低电池正极实际利用比容量仅为其理论容量 274mAh/g 的 50% 左右 ;(3) 电池寿命短钴酸锂的循环寿命一般只有 500 次左右, 因为其抗过充电性能较差, 轻微过充即可引起电池循环寿命迅速降低, 不适合用于电池组 ;(4) 安全性差钴酸锂电池剧烈过充可能发生锂枝晶短路, 引起安全事故三元材料综合了钴酸锂镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点, 形成了 LiCoO2/LiNiO2/LiMnO2 三相的共熔体系, 由于存在明显的三元协同效应, 使其综合性能优于单组合化合物与钴酸锂正极材料相比, 三元材料具有价格优势, 同时在循环稳定性热稳定性和安全性能上有所改善, 具有广阔的市场前景但其应用主要受到钴价格的影响, 当钴价格处于高位时, 三元材料价格较钴酸锂低, 具有较强的市场竞争力 ; 但当钴价格处于低位时, 三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小锰酸锂具有原料锰资源丰富价格低廉及无毒性等优点层状锰酸锂 LiMnO2 用作锂离子电池正极材料的缺点是虽然容量很高, 但在高温下不稳定, 而且在充放电过程中易向尖晶石结构转变, 导致容量衰减过快目前国内大型的正极材料生产企业都在积极的开发高温循环改善的锰酸锂材料锰酸锂材料的应用集中在消费类电池市场, 主要与钴酸锂掺混使用于低端的钢壳电池上, 或者单独用于动力电池, 动力电池以电动自行车电池为主目前, 钴酸锂材料存在被三元材料替代的发展大趋势中国钴酸锂材料产量 2011 年 1.5 万吨,2012 年 2.08 万吨, 增速 39.67%, 低于三元材料 76.36% 的增速以及锰酸锂材料 % 的增速

10 全球钴酸锂材料产量 2011 年 3.9 万吨,2012 年 4.3 万吨, 增速 10.26%, 远低于三元材料 82.22% 的增速及锰酸锂材料 % 的增速而且可以看出, 这种替代趋势在技术更为先进的全球正极材料市场上更加明显据申万预测到 2015 年三元材料在正极材料中的占比将上升至 35%, 锰酸锂占比将上升至 30%, 而钴酸锂将下降至 25% 小结 : 这四种正极材料在现有的锂电池结构的条件下能量容量上都差不多, 他们之间的相互取代相互之间较小的性价比差异和安全性差异导致的此消彼长或者应用领域的相对优势 ; 在他们之上的工艺和技术的提升都无法实现能量容量的决

11 定性突破负极材料目前锂电池所用的负极材料是以石墨为主碳材料, 石墨具有资源易得较高比容量 ( 理论值 372mAH/g) 和锂电位接近循环效率高寿命长等特点, 十分适合作为负极材料但其最大的短处是能量容量的理论值太低, 在实际应用中越来越无法满足产品对其能量容量的要求现在, 研究比较热的负极材料是硅基负极, 其理论的能量容量达 4000 mah/g, 实际做出来的电池能量容量达 1000mAH/g, 是现有锂电池能量容量的 10 倍但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点, 主要是由于其膨胀性硅是半导体材料, 自身的电导率较低在电化学循环过程中, 锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生 300% 以上的膨胀与收缩, 产生的机械作用力会使材料逐渐粉化, 造成结构坍塌, 最终导致电极活性物质与集流体脱离, 丧失电接触, 导致电池循环性能大大降低为改善硅基负极循环性能, 提高材料在循环过程中的结构稳定性, 通常将硅材料纳米化和复合化目前, 硅材料纳米化的主要研究方向包括 : 硅纳米颗粒 ( 零维纳米化 ) 硅纳米线/ 管 ( 一维纳米化 ) 硅薄膜( 二维纳米化 ) 和 3D 多孔结构硅中空多孔硅 ( 三维纳米化 ); 硅材料复合化的主要研究方向包括 : 硅 / 金属型复合硅 / 碳型复合及三元型复合 ( 如硅 / 无定型碳 / 石墨三元复合体系 ) 但都还没有达到可以商业化的要求

12 其他研究方向钠离子电池 : 它是由熔融液态电极和固体电解质组成的, 构成其负极的活性物质是熔融金属钠, 正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐, 由于硫是绝缘体, 所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里, 固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为 Al2O3 的陶瓷材料, 外壳则一般用不锈钢等金属材料理论比能量为 760Wh/Kg, 实际已大于 150Wh/Kg, 与现有锂电池相当, 但材料成本是锂电池的 1/20, 目前从论文数量来看已经是动力电池的热点领域但随着时间的推移表明, 钠硫电池在移动场合下 ( 如电动汽车 ) 使用条件比较苛刻, 无论从使用可提供的空间电池本身的安全等方面均有一定的局限性主要优势在储能领域钠硫电池已经成功用于削峰填谷应急电源风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面在国外已经有上百座钠硫电池储能电站在运行, 是各种先进二次电池中最为成熟和最具潜力的一种锂硫电池 : 锂硫电池以硫为正极反应物质, 以锂为负极放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子, 正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物, 正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压在外加电压作用下, 锂硫电池的正极和负极反应逆向进行, 即为充电过程根据单位质量的单质硫完全变为 S2- 所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为 1675mAh/g, 是目前锂电池的 4 倍, 同时具有寿命长, 安全性好的特点锂硫电池主要存在三个主要问题 :1 锂多硫化合物溶于电解液;2 硫作为不导电的物质, 导电性非常差, 不利于电池的高倍率性能 ;3 硫在充放电过程中, 体积的扩大缩小非常大, 有可能导致电池损坏水热磷酸铁锂 : 就是用水热法合成磷酸铁锂, 具有易于连续化生产产品质

13 量稳定无污染低能耗的特点总结 : 我们应该对未来电池的能量容量提升 2~3 倍 ( 达到 300~500 mah/g) 充满信心, 只要满足这个要求, 电子消费品的性能将实现一次飞跃, 电动汽车取代燃油汽车的时代也将开启卧龙资本任岳均

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