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【深度报告】角力与共生:全方位剖析全球动力电池竞争格局

2018-12-06

全球新能源汽车销量持续高增长。全球新能源汽车销售量从2011年的5.1万辆增长至 2017年的162.1万辆,CAGR接近80%。随着电池成本下降推动性价比逐步提高、消费者习惯改变、配套设施普及等因素影响不断深入,全球新能源车需求仍将持续高增长。Marklines预测到2025年,全球新能源车销量将达到1200万辆。预计到2040年,新能源车将占全球轻型车销量的50%左右,其中欧洲的销量占比将达60%左右,中国将达50%左右。


新能源汽车产销的高速增长带来巨大的动力电池需求。2014-2017 年中国汽车动力锂电池出货量分别为4.4/15.8/28.6/37.9GWh,预计2018年将超过50GWh, 2020年将达到100 GWh,2025年将达到430GWh。海外方面,2014-2017年新能源汽车动力电池出货量分别为6/7.7/13.5/18.5GWh,2020年动力电池需求量预计将达约65GWh,2025年预计达400GWh。整体来看,全球动力电池需求将在较长时间内保持高速增长,预计2017-2025年间需求CAGR将达到38%以上。


全球动力电池竞争将主要为中日韩电池之间的竞争。中国、日本、韩国相比欧洲、美国都有自己完整的动力电池产业链,其中中国产业链最为完善,日本产业链技术最为先进但较为封闭,韩国产业链比较全球化。电池企业布局方面,日本有松下、索尼、NEC、Maxell、PEVE、YUASA等电池企业;韩国具有三星SDI、LG化学、SKI、Kokam等电池企业;中国具有CATL、BYD、力神、国轩高科、比克、孚能、卡耐、万向A123等众多电池企业,全球市场份额超过50%;欧洲具有SAFT、FIAMM、BOLLORE以及三星SDI、LG化学分公司;美国具有松下和特斯拉合资的超级工厂、江森自控、LG化学分部等。



综观全球动力电池格局,未来将主要由中日韩三国的电池企业竞争为主,其中主要有LG化学、三星SDI、松下、CATL这四家的竞争最为激烈。我们预计LG化学、三星SDI将主要深耕欧美市场;松下主要深度合作特斯拉;CATL则立足中国市场的情况下,进一步开拓欧洲市场。


锂电池技术壁垒高,同时兼具劳动密集和资本密集等行业属性,产品技术迭代速度快,企业间的技术路线既有相同之处,亦有各自的特殊优势,竞争异常激烈。目前全球动力锂电池的竞争主要是中日韩电池企业之间的竞争。针对全球动力锂电企业未来的竞争格局演变,我们从车企的核心利益点、动力电池发展方向、中日韩主要动力电池企业全方面比较等三大领域,尝试着回答了投资者关注的以下12个问题。


全球新能源汽车发展展望


2.1

 政策助推,全球汽车工业聚焦新能源

发展新能源已成全球共识。随着全球能源危机和环境污染问题日益突出,节能、环保有关行业的发展被高度重视,发展新能源汽车已经在全球范围内形成共识。近年来,主要经济体纷纷加大对新能源汽车的政策支持力度,制定发展规划、给予补贴甚至明确燃油车退出时间表以推动新能源汽车产业的发展。传统汽车工业强国德国计划到2020年电动汽车保有量突破100万辆,并于2016年推出新车购置补贴、减免税款、扩大公共充电桩数量、鼓励公务用车电动化等举措推动新能源汽车发展。美国同样也推行了购车补贴、税收减免、零排放计划、基础设施与优先路权等支持政策。

各国相继出台禁售燃油车时间表,倒逼整车企业转型升级。德国、法国、英国等国分别公布了禁售燃油车时间表,欧洲第一强国也是全球最重要的汽车强国德国,将于2030年起禁售燃油车,法国与英国则将从2040年起开始禁售。另外,挪威的四个主要政党一致同意从2025年起禁售燃油汽车,荷兰劳工党提案要求从2025年开始禁售传统的汽油车和柴油车。多国相继公布禁售燃油车日程表,表明了发展新能源汽车产业、致力解决环保问题的决心。2018年11月9日,CATL董事长曾毓群在政协会议上提出从建设汽车强国的目标出发,中国必须拥有核心技术和品牌,应尽快推出禁售燃油车时间表,释放明确信号,推动企业转型升级。

海外整车企业未来电动车的全球战略布局。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。福特和雷诺日产联盟2020年新能源车规划销量均超百万辆,大众及沃尔沃2025年销量规划分别约250万与100万辆。


海外整车企业全面开启在华电动战略。为了迎接中国市场的爆发性增长以及国家产业政策,合资车企加速卡位中国市场,纷纷开启在中国市场的电动车战略规划。大众规划到2020年实现在华销售新能源汽车40万辆,2025年实现150万辆的目标。通用汽车计划到2020年在中国市场推出10余款新能源车,上汽通用销量每年将超过10万辆,累计占总销量的5%。现代汽车计划2030年2/3的车为电动车(包括PHEV、BEV和FCEV),2020年销量达20万辆。

自主品牌发力新能源车,未来供应端进一步多元化。新能源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。在传统车企方面,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。

2.2

全球新能源车销量持续高增长

全球新能源汽车销量持续高增长。全球新能源汽车销售量从2011年的5.1万辆增长至 2017年的162.1万辆,6年时间销量增长30.8倍,CAGR接近80%。在主要需求市场新能源政策的大力扶持下,随着电池成本下降推动性价比逐步提高、消费者习惯改变、配套设施普及等因素影响不断深入,大型传统车企也开始加大对电动车的布局。

美国市场:特斯拉Model 3销量大幅领先,占比近36%。美国2017年总销量为19.98万辆,相比于2016年增长26%;2018年1-10月销量达26.87万辆,同比增长72%,特斯拉Model 3销量贡献显著,占总销量近36%,Model3、Model S、Model X合计销量达13.44万辆,占总销量的50%。预计随着Model 3产能的释放,美国电动汽车市场将继续保持高增长态势。


欧洲市场:新能源车的渗透度正在逐步提升。2017年欧洲新能源汽车实现27.02万辆的销量,同比增长36%;2018 H1实现销量14.78万辆,同比增长24%。其中,2018H1德国新能源汽车销量达3.25万辆,挪威新能源汽车销量达2.96万辆,英国新能源汽车销量达2.62万辆,法国新能源汽车销量达2.55万辆,均较去年同期有大幅提升。随着大众、戴姆勒、宝马等欧洲国际车企在2020年纯电动车平台化车型的集中上市,预计预计欧洲市场将会迎来新能源汽车需求的快速释放。


日韩市场:混合动力汽车是日本新能源汽车市场的销售重点。日本车企新能源汽车发展技术路线主要以燃料电池汽车和混合动力汽车为主,2017年日本新能源汽车销量达4.98万辆,同比增长130%;2018H1实现销量2.5万辆,同比下滑7%,增速较2017年大幅下滑。韩国新能源汽车市场规模较小,2017年实现销量1.41万辆,同比增长130%,2018H1实现销量1.28万辆,同比增长175%,增长幅度较2017年有所提升。


中国市场:在财政补贴和牌照因素推动下,新能源车产销量增长迅猛。2017年国内新能源汽车销量达77.7万,同比增长53.3%,其中新能源乘用车销量达57.8万辆,同比增长110.3%,新能源商用车销量达19.8万辆,同比增长13.0%。2018年1-10月,中国新能源车型产销量累计分别达到87.9万辆和86.0万辆,同比增速分别为70.0%和75.6%,在整体车市冷淡的情况下新能源汽车成为行业的增长亮点。预计2018年,中国市场的新能源车销量将超过110万辆,2020年将达220-230万辆。


计到2025年,全球新能源乘用车产销将达到1,200万辆。根据Marklines预测,到2025年全球新能源车销量将达到1200万辆,2017-2025年间的CAGR将达到34.8%。预计到2040年,新能源车将占全球轻型车销量的50%左右,其中欧洲的销量占比将达60%左右,中国将达50%左右。

2.3

全球动力电池需求复合增速将保持在38%以上

动力电池需求亦呈现高速增长态势。动力电池是新能源汽车的心脏,是新能源车产业链条上附加值最高的环节。伴随全球新能源汽车产业驶入高速发展轨道,动力电池也迎来了前所未有的增长浪潮。


预计2017-2025年间全球动力电池需求CAGR将达到38%以上。2014-2017 年中国汽车动力锂电池出货量分别为4.4GWh、15.8GWh、28.6GWh、37.9GWh,2017年较2016年同比增长44.5%。预计2018年国内市场动力电池出货量将超过50GWh, 2020年将达到100 GWh,2025年将达到430GWh。海外动力电池需求方面,2014-2017年新能源汽车动力电池出货量分别为6GWh、7.7GWh、13.5GWh、18.5GWh,2020年动力电池需求量预计将达约65GWh,2025年预计达400GWh。整体来看,全球动力电池需求将在较长时间内保持高速增长,预计2017-2025年间需求CAGR将达到38%以上。

动力电池正呈现中日韩三足鼎立的格局。受益于国内政策与市场的驱动,2014年起中国动力电池企业规模持续扩张,到2017年占全球60%以上。受日韩国内新能源汽车市场的规模限制,松下、LG化学、三星SDI等锂电企业均积极实施国际化合作路线。

各国也在积极推进对于动力电池技术的不断深入研究。动力电池行业发展存在持续技术迭代,核心技术、成本控制和投资规模成为动力电池发展的关键因素。

03

全球动力电池企业概况


3.1

LG化学:以化学材料为基础的电池龙头

LG集团于1947年成立于韩国首尔,是领导世界产业发展的国际性企业集团,仅次于三星为韩国的第二大企业集团。LG集团目前在171个国家与地区建立了300多家海外办事机构,事业领域覆盖化学能源、电子电器、通讯与服务等领域。


3.1.1. LG化学介绍

LG化学1947年创立,1969年公开募股,2003年收购现代石油化学,2007年收购LG石油化学,2010年开建美国密西根动力电池工厂,2011年梧仓汽车动力电池第一工厂完工,2013年在中国南京扩大聚合物电池产能 (1000万电芯/月),2016年波兰开始建设动力电池工厂,经过70余年的不断发展,成为名副其实的韩国最具代表性的化学企业,全球范围内跻身Top 5的化学企业。

LG化学不仅在韩国,还在世界各主要地区建立了生产、销售和研发的全球化网络,向全球提供ABS、偏光板、汽车电池等具备全球竞争力的产品,提高其作为“全球性材料企业”的权威。目前,以石油化学产业的基础材料为中心,提高电池、信息电子材料、材料事业的市场占有率,向生命科学领域扩大事业,构筑面向未来的事业资产组合。

3.1.2. LG电池业务

LG化学1995年开始锂电池研发,1999年量产消费类产品,2001年量产具有LG专利的锂聚合物电池,2005年世界首创三元圆柱形电池,2010年生产世界首批PHEV软包电芯LMO/NCM111,2011年生产BEV软包电芯,2013年PHEV电芯升级为LMO/NCM523,2016年BEV电芯升级为NCM 622,开始全球首批48V软包电芯,2017年设立德国法兰克福技术中心。经过23年的发展,LG化学以覆盖低压到高压的全系列创新产品及10年的汽车领域量产经验成功发展为全球汽车电池供应商的领头羊。


LG化学电池事业部主要有小型电池、动力电池、储能电池三种主营产品,其中动力电池解决方案涵盖Cell、模块、BMS、Pack开发到技术支持。


小型电池:LG化学在1999年成功研发出了首批锂离子电池,此后并取得了高速销售成长,并依靠卓越的技术力和革新性的的产品开发,具备了世界领先水平的竞争力。LG化学的小型电池包括圆形、方形、聚合物等3种形态,广泛应用于移动设备、电动工具、电动自行车、智能装备等产品上,客户主要有LG电子、苹果、戴尔、惠普、博世、华为等。LG化学还以领先的技术研发出阶梯式、线形、六角形等世界创新性异形电池,期望引领未来电池市场。


动力电池:2010年LG化学研制成功世上首批PHEV软包电芯,在美国建设综合制造中心,2011年开始生产BEV软包电芯。LG的动力电芯主要为软包形式,可以提供电芯、模组、PACK、BMS、技术支持等全部产品组合。LG化学凭借优秀的技术背景,向全球领先的优质汽车企业提供汽车用动力电池,并以软包世界第一的荣耀主导市场,深入合作的客户主要有:戴姆勒、现代、GM、奥迪、福特、沃尔沃、雷诺等。


ESS电池:储能设备(ESS: Energy Storage System)可实现对电力“取之平时,用之紧要”的理想,是提高能源使用效率、新再生能源品质及电力供给系统稳定性的设备。LG化学以优秀的锂离子电池技术和全球生产能力为基础,在电网、家庭、C&I、UPS等各种领域为ESS电池提供电池系统。主要客户包括:SoftBank、SIEMENS、SMA、ABB、DUKE Energy等。

3.2

三星SDI:全球领先的方形电池龙头企业

3.2.1. 三星集团介绍

三星集团是韩国最大的跨国企业集团,由李秉喆于1938年3月创立,经过近80年的发展最终成为影响世界诸多产业的家族性企业。三星集团业务范围涉及电子、重工业、金融、化学等众多领域,旗下主要的子公司有:三星电子、三星物产、三星航空、三星人寿保险等。截止2016年三星集团在全球范围内超过85个下属子公司,在近90个国家和地区建立了近600个法人及办事处,全球员工达到51.2万人。

3.2.2. 三星SDI电池

三星SDI作为三星集团在电子领域的附属企业,从1970年生产真空管开始,逐步发展到主要生产IT、汽车、ESS二次锂电池以及半导体、显示器、太阳能电池板等产品。1999年3月三星SDI完成电解液、Pilot技术开发,8月份开发出行业内最大容量1800mAh圆形锂离子电池,年底公司名正式变更为三星SDI株式公司。2003年公司开发出世界最高容量的圆形2400mAh(笔记本电脑用)。2005年7月份世界最早量产2600mAh锂电池,这款电池产品使得三星SDI在小型二次电池业务世界市场的占有率在2010年达到了第一。2008年9月份与博世成立动力电池合资公司SBLiMotive并于2010年竣工,业务模式为在韩国开发生产电芯,在德国与美国开发生产Pack并销售。在2012年三星SDI全资收购了SBLiMotive的博世股权并于2014年在西安开工建厂。2015年三星SDI收购了麦格纳的电池组业务部门,开始了从电芯到模组乃至PACK的全业务链,此时三星SDI在全球市场份额仅为第6名。2017年5月位于欧洲匈牙利的电池工厂也竣工投产,以满足欧洲电动汽车的市场需求。


三星SDI作为一家近50年历史的企业,主要有二次锂电池及电子材料两大主业务,其中二次锂电池业务包括小型消费类电池、汽车电池和储能电池三大板块。


小型电池:小型电池广泛应用于笔记本电脑、平板电脑、移动电话、移动电源、电动工具、电动自行车、穿戴式装置等设备上,三星SDI于2000年开始锂离子二次电池事业,并且一直为改善品质和确保产品稳定性而不断努力至今,在2014年小型二次电池事业达成了全球市场份额第一,按照B3标准,从2010年起连续五年排名第一,保持着坚实的市场支配力。同时,三星SDI在全球首推的柔性电池不仅“使用者可随心所欲弯曲(Bendable)”还可适用于“可卷曲(Rollable)”阶段,是最适合穿戴式设备时代的电池产品,三星SDI希望借此继引领市场的下一代技术,占据小型电池市场的领导地位。

动力电池:2008年三星SDI与博世合资成立SBLiMotor动力电池公司,从此进入电动汽车动力电池领域。2014年7月,三星SDI与BMW签订电动汽车电池扩大供货及共同开发新一代电池材料的谅解备忘录。通过此次MOU的签署,不仅巩固了三星SDI与BMW的伙伴关系,还将对未来确保电动汽车技术优势做出重大贡献。2015年5月, 三星SDI 100%收购Magna Steyr从事电池业务的子公司MSBS(Magna Steyr Battery Systems GmbH& Co OG)的股份,这使得三星SDI构建起从电池单元、模块到电池组完整的电动汽车电池业务体系。MSBS在电池组项目领域是具有世界最强竞争力的公司,三星SDI通过融入MSBS 的电池组技术,为在全球电动汽车电池市场上独占鳌头打下坚实的基础。


ESS电池:三星SDI以小型锂离子电池技术为基础,2011年正式推进了锂离子储能系统(ESS)业务,在业务开展后短短3年内跃升至业界第1,将供应给BMW电动汽车的同种电池用于ESS,提高了ESS的质量可靠度。此外,三星SDI还以适合各个国家的最优化解决方案为基础,在欧洲的电力和家用、美国的商用、日本的家用等市场上,比竞争对手更快地开拓了市场。2014年3Q三星SDI锂离子ESS的全球市场份额达到了23.6%,排名第1。同年,三星SDI与中国光伏逆变器第一企业阳光电源股份有限公司设立了合资公司,进行中国的事业合作,为进军中国ESS市场奠定了基础。另外,三星SDI在2015年与全球战略设备企业ABB公司签订了有关微电网ESS事业开发的MOU,为开拓新的ESS市场打下了基础。

3.3

松下电器:百年匠心,铸就全球领先优势

3.3.1. 松下集团介绍

松下集团(Panasonic)是世界著名的国际综合性电子技术企业集团,于1918年由 “经营之神”松下幸之助先生在日本大阪创建,到2018年松下创业百年。松下集团事业领域可分为四大板块:家电冷热设备领域经营范围包括家用空调、洗衣机、电冰箱、 数字视听和各类小家电。环境解决方案领域经营范围包括照明、开关插座、低压配电、电动工具、导轨;全热交换器、进气风机、风幕机、天埋扇、浴霸、空气净化器等装修材料。互联解决方案领域经营范围包括投影机、液晶显示器、监控摄像机、视频会议系统、音响、广播电视设备等视频影像系统。汽车电子和机电系统经营范围包括汽车电子、车载多媒体娱乐设备、电子元器件、电子材料、电池、工业自动化设备、工业生产设备等B2B解决方案事业。

3.3.2. 松下电池业务

百年匠心,风雨兼程。1923年,自松下电器开发投放由电池供电的炮弹型吊灯开始,松下电池展开了全新的篇章,至今为止松下在电池领域的积累近百年。在锂离子电池领域:90年代初索尼量产锂离子电池之后,松下于1994年开始研发生产圆柱型可充电锂离子电池,1998年量产笔记本电脑专用的圆柱形锂电池,1999年开始聚合物电池的生产,2004年开始量产福特Escape Hybrid汽车电池系统,Honda汽车电池组件。2008年12月,松下耗费64亿美元并购了实力强大的三洋电机进入动力电池领域,成为全球最大的锂电池供应商。2009年,凭借领先的电池技术,松下与特斯拉首次展开合作,成为特斯拉独家供应商,从此迅速崛起。2010年,HEV Suminoe工厂开始锂离子电池量产。2014年与特斯拉合资建造Gigafactory超级工厂,2015年建设大连工厂,2018年投产。

松下电池业务隶属于松下集团的汽车电子和机电系统事业领域的能源板块:包括一次性电池和二次电池。一次电池中包括锂电池、干电池,二次电池中包括锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、针形锂离子电池、阀控式铅酸蓄电池和电动汽车阀控铅酸蓄电池。

3.4

CATL:具备国际竞争力的中国锂电龙头

CATL身出ATL,技术积累深厚。消费类电池全球龙头ATL由曾毓群及其团队创立,开创性地解决了软包电池鼓包问题,借此机会在消费电子电池市场站稳脚跟,为苹果的四家核心供应商之一。

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL),成立于2011年,原为ATL的动力电池系统集成部,2014年CATL与ATL脱离资本关系,成为独立的纯中资民营企业,专注于汽车动力电池系统及储能电池系统的研发,制造生产与营销;为客户提供磷酸铁锂,三元材料,钛酸锂等不同化学体系的系统产品解决方案。公司的主要技术团队自2004年就开始汽车动力电池的相关产品的研发,具备从基础材料,电芯,模组,管理系统,热管理到电池包的垂直整合工程开发能力,同时具备了电池梯度利用和材料回收的全寿命价值管理服务。

CATL是全球领先的动力电池系统提供商,专注于新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售,公司致力于为全球新能源应用提供一流解决方案。公司在电池材料、电池系统、电池回收等关键领域拥有核心技术优势及可持续研发能力,形成了全面、完善的生产服务体系。公司的主要业务包括动力电池系统、储能系统和锂电材料。


动力电池系统:包括电芯、模组及电池包,产品以方形电池为主,应用领域涵盖电动乘用车、电动客车以及电动物流车等专用车。公司动力电池系统能够满足启停、快充、长寿命、长续航里程等多种功能需求,产品具有高能量密度、多循环次数、安全可靠等特点。公司根据客户要求及应用领域,通过定制或联合研发等方式设计个性化产品方案,以满足客户对产品性能的不同需求。


储能系统:包括电芯、模组、电箱和电池柜。公司储能系统主要采用LFP作为正极材料,产品以方形电池为主,产品用于发电、输配电和用电领域,涵盖大型太阳能或风能发电储能配套、工业企业储能、商业楼宇及数据中心储能、储能充电站、通信基站后备电池等,能够克服风能或太阳能发电不规则的输出特点、弥补线损功率补偿、跟踪计划削峰填谷,有效提高风力及光伏发电系统能源利用率以及用电领域峰谷电之间的平衡,有助于能源的最大化利用。


锂电材料业务:公司通过广东邦普开展锂离子电池材料业务,将废旧锂离子电池中的镍钴锰锂等有价金属通过加工、提纯、合成等工艺,生产出锂离子电池材料三元前驱体(镍钴锰氢氧化物)等,使镍钴锰锂资源在电池产业中实现循环利用。三元前驱体是制造三元锂离子电池正极材料的原材料,也是新能源汽车动力电池的关键材料之一。目前,广东邦普已成为全国领先的锂电池材料三元前驱体的供应商。

04

全球动力电池企业行业地位分析


4.1

全球主要动力电池企业经营状况

4.1.1. 整体营业状况分析

在营收及利润方面(以下均换算为人民币):

LG化学:2013-2017年,公司分别实现营收1,433亿、1,398亿、1,251亿、1,279亿、1,591亿元,在经历了3年下滑后,于2016年恢复增长。2017年,同比增速达到24.39%,4年复合增速2.6%。净利润方面,13-17年分别实现78.39亿、53.74亿、71.39亿、79.33亿、120.45亿元,净利润先于营收恢复增长且增速更高,体现了盈利能力的增强。


三星SDI:2013-2017年,公司分别实现营收311亿、339亿、469亿、322亿、391亿元,收入规模较小但复合增速相对更高,为5.9%。净利润方面,13-17年分别实现8.09亿、-5.19亿、3.33亿、13.59亿、40.70亿元,中间经历较大起伏,4年复合增速达到49.8%。


松下电器:2013-2017财年,公司分别实现营收4,707亿、4,694亿、4,596亿、4,468亿、4,857亿元,由于体量较大,复合增速为0.8%。净利润方面,分别实现73.28亿、109.21亿、117.59亿、90.88亿、143.62亿元,4年实现翻倍增长。松下过去由于等离子业务的战略失误造成了业绩上的亏损,其后的业绩反转很大程度上得益于与特斯拉的动力电池合作。合作不仅改善了松下在消费电子失利情况下糟糕的财务状况,也给松下各业务部门的调整赢得了时间。


CATL:2013-2017年,公司分别实现营收1.95亿、8.67亿元、57.03亿、148.79亿、199.97亿元,受益于中国新能源车市场的快速发展,4年复合增速高达218%。净利润方面,14-17年公司分别完成0.56亿、9.51亿、29.18亿、41.94亿元,复合增速322%,发展势头迅猛。

综合对比:松下公司由于业务庞杂,营业收入包括4大业务:汽车电子和机电系统、家电冷热设备、环境解决方案、互联解决方案,电池业务属于汽车电子和机电系统下的能源板块,难以单独拆出电池业务的业绩数据。LG化学和三星SDI均为其集团的子公司,业务范围相对较少,CATL相对属于最纯粹的动力电池企业,故三家统计的营业收入较松下小很多。LG化学的规模约为三星SDI的3-4倍,且LG化学和三星SDI的规模较为平稳,CATL规模增长非常快速,与三星SDI在营收规模方面差距逐年减少,但在净利润方面领先于三星SDI,三星SDI在2017年净利润才得到明显改善。

 

在盈利能力方面:

LG化学:2013-2017年公司毛利率分别14.30%、13.30%、18.14%、19.67%、21.65%,净利率分别5.45%、3.91%、5.73%、6.20%、7.87%。在2014年与2015年这两年公司处于业绩低估,2014年净利率最低,净利率仅为3.91%,然后逐步回升,2017年净利率回到2011年水平。


三星SDI:公司在2013-2017年毛利率分别为15.08%、16.97%、18.27%、14.43%、18.49%;净利率分别为2.26%、-1.6%、1.08%、4.38%、10.17%。三星SDI近5年的毛利率较为平缓,2016年最低为14.43%,2017年为近五年最高18.49%。


松下电器:公司在2013-2017年的毛利率分别为27.11%、28.36%、29.31%、29.77%、29.31%;净利率分别为1.57%、2.25%、2.85%、2.35%、3.16%。松下近5年的毛利率较为平稳,基本处在27%-30%之间,且逐年小幅递增,2017年达到最高29.31%。


CATL:CATL在2016年毛利率最高达43.7%,后开始下降,2017年达36.29%,2018年半年报为31.28%,呈逐年下降趋势;净利率方面2014-2017年逐年增长,其中2015年增长幅度较大,后增长幅度趋缓,2018年半年度公司净利率为11.43%,下降幅度较大,随着2020年补贴退坡后,公司的净利率会继续下行。

综合对比:毛利率方面,三星SDI与LG化学较为接近,松下在2014年毛利率处于第1,后被CATL超越,但仍领先于低价抢占市场份额的三星SDI与LG化学。净利率方面,松下的净利率在几家企业中处于较低位置,在2.5%附近波动,落后于CATL、三星SDI、LG化学,主要是因为松下除了动力电池业务外,还包括了家电、互联解决方案等业务,低利润率的业务拉低了松下公司的整体净利率。最后,CATL的净利率近4年一直保持第1的位置,并且逐年递增,但在2018年出现大幅下滑。


4.1.2. 电池业务营业状况

LG化学营收利润均由基础材料贡献。LG化学共有5大业务:基础材料、电池、信息电子材料、材料(Display材料)、生命科学。2017年基础材料、电池、IT&E材料、生命科学的销售收入占比分别为67.8%、17.7%、11.9%、2.3%;营业利润占比分别为95.9%、1.0%、3.8%、1.8%。

LG化学营业利润主要由基础材料业务贡献,由于新能源汽车产业尚处于发展前期,电池成本压力巨大,也为了抢占市场,导致电池业务的净利率非常低,某些年份甚至为负。

LG化学电池业务营业收入2013年至2017年分别为25830亿韩元、28530亿韩元、31500亿韩元、35617亿韩元、45610亿韩元(折合人民币:159.9亿元、176.7亿元、195.0亿元、220.5亿元、282.4亿元)。营业利润分别为320亿韩元、650亿韩元、6亿韩元、-493亿韩元、289亿韩元(折合人民币:1.98亿元、4.02亿元、0.04亿元、-3.05亿元、1.79亿元)。利润率很低接近于0,甚至亏损。(换算汇率统一为:1元≈161.4987韩元)

三星SDI动力电池亏损严重。三星SDI共有2大业务:二次电池业务和电子材料业务。2017年二次电池营收266.2亿元,营业利润为7.2亿元。其中用于3C消费类电池的小型电池的营收为173.6亿元,占整体营收的44.4%的份额,营业利润为7.7亿元;动力电池收入为69.7亿元,占整体营收的18.8%的份额,营业利润亏损15.4亿元;储能电池收入为22.8亿元,占整体营收的5.8%的份额,营业利润亏损0.9亿元;电子材料收入为124.9亿元,占整体营收的31.9%的份额,营业利润亏损13.9亿元。

公司的营收和利润主要以小型电池和电子材料业务为主,动力电池目前处于尚亏损状态。经过分析,三星SDI动力电池占整体营收的比例近3年较为平稳,储能业务稳步增长,电子材料业务也相对稳定。2020年后,中国政策放开,三星SDI动力电池业务将会显著提升,同时随着规模经济的增长,三元高镍电池的应用,动力电池业务也将会迎来扭亏转盈的趋势。

松下业务庞杂,电池空间巨大。松下电器主要有4大业务:汽车电子和机电系统、家电冷热设备、环境解决方案、互联解决方案。2017财年,汽车电子和机电系统业务营收为26598亿日元(1618.36亿元),营业利润为914亿日元(55.61亿元);家电冷热设备业务的营收为23582亿日元(1434.85亿元),营业利润为1044亿日元(63.52亿元);环境解决方案业务营收为14156亿日元(861.32亿元),营业利润为725亿日元(44.11亿元);互联解决方案业务营收为10554亿日元(642.16亿元),营业利润为1057亿日元(64.31亿元)。

从业务分类结构来看营收:2017财年松下的营业收入主要以汽车电子及机电系统和家电设备两大业务为主,分别占比32.7%,29.0%。近5年来,汽车电子及机电系统营收占比基本稳定,在2015财年的占比从34.2%小幅下降为32.2%,随后稳定在32.5%附近。家电设备营收近5年来,占比份额逐年增加,但是增速逐步放缓。


从业务分类结构来看利润:从近5年的发展趋势来看,环境解决方案业务利润贡献占比保持逐年递减趋势,汽车电子及机电系统业务、家电设备业务、互联解决方案业务的利润贡献占比波动幅度较大,2017财年汽车电子及机电系统业务贡献占比由34.8%降至23.7%,降幅较大,可能因为动力电池上游原材料价格上涨导致其利润空间受到挤压。

动力电池高增长,业绩贡献空间大。动力电池归属于松下高速增长业务板块。2017财年松下汽车电子及机电系统业务,销售由上一年24,166亿日元增加到28,035亿日元,增幅16%,然而营业利润缺由上一年的930亿日元下降到914亿日元,利润率由3.8%下降至3.3%。在其能源子板块,小型可充电锂电池转移到新的市场,并为利润做出了贡献,另外内华达工厂的销售增长(汽车圆柱型电池)落后一个财政年度。随着内华达工厂开始大规模生产特斯拉、大连工厂开始大规模生产汽车动力电池、汽车方形电池扩展到姬路工厂、开始与丰田汽车合资生产方形动力电池,松下的动力业务增长空间巨大。(IR Day数据与Bloomberg数据存在细微差异)。

未来松下将专注于汽车电子及机电系统业务市场,并以其销售和利润增长引领松下。展望2018年财年松下将开始收获前期投资的回报和成绩:汽车电子、能源业务、工业领域三个板块都将实现销售额和利润的增长(排除汇率的影响),整体营收预计增长至30,000亿日元,增幅7%;营业利润预计增长至1,360亿日元,利润率升至4.5%。其中由于内达华Gigafactory超级工厂和大连动力电池工厂的陆续投产,以及重组可充电电池业务部门加强业务基础,能源业务板块将成为主要业绩贡献点:能源业务板块在2016-2017财政年营收分别为4,936亿日元、5,625亿日元,预计2018财年将达到7,580亿日元;营业利润将预计将从111亿日元增长至291亿日元。

CATL动力电池异军突起,锂电材料业务占比提升。公司共有4大业务:动力电池系统、锂电池材料、储能系统、其它业务。动力电池系统2014-2018H1的营业收入分别为7.15亿、49.81亿、139.76亿、166.57亿、71.88亿元,作为公司的主营业务,增长迅猛;毛利润分别为1.70亿、20.62亿、62.66亿、58.72亿、23.48亿元。CATL收购邦普,布局锂电材料业务,实现2015-2018H1的营业收入分别为5.91亿、6.11亿、24.71亿、17.47亿元;毛利润分别为0.96亿、1.64亿、6.67亿、3.84亿元。

CATL的4项业务中,动力电池系统营收占比最大,2018H1达到76.79%,锂电材料业务占比逐年递升,2018H1占比由2017年的12.36%升至19.1%。

综合对比:在二次电池营业收入方面,LG化学营业收入逐年递增,并在2016年超过三星SDI和松下;松下营业收入在2015年出现小幅下滑,但在2016年回升于2017年超过2014年水平;三星SDI营业收入在2014-2016年较为平缓,2017年出现大幅增长;CATL由于与日韩锂电企业相比只包括动力电池和储能电池业务,并不包括消费类电池业务,整体的营业收入较日韩企业落后,但增幅较大,差距逐渐缩小。在二次电池营业利润方面,LG化学保持微弱盈利,在2016年甚至亏损;三星SDI亏损较大,亏损金额从2015年开始逐年减少;松下在2014年营业利润较大,2015年和2017年出现较大幅度亏损;CATL近几年来一直保持正的营业收入,并在2016年达到最高峰,2017年稍有降低。

4.2

全球动力电池企业市场份额

受补贴政策推动及中国新能源汽车市场的庞大,国内动力电池企业近年来出货量呈现爆发式的增长,LG化学、三星SDI等动力电池企业出货量虽有增长,但未能和国内车企合作,全球市场份额有所下滑。


LG布局欧美高端车企,市场份额有所下滑。据GGII统计,LG化学2014-2017年动力电池出货量分别为:1GWh、1.4GWh、1.6GWh和4.5GWh,全球出货量排名为第3/7/6/5 名。2017年全球动力电池出货量为69GWh,以此测算LG的全球市占率为6.5%,低于CATL的17.4%,也低于松下的14.5%。


三星SDI深度绑定宝马大众,市场份额稳定。据B3统计,三星SDI的动力电池全球市场份额变化不大,近三年都在基本在7%,储能电池市场份额持续提升,2015年为16%,2016年为21%,2017年为30.5%。小型电池由于市场成熟,市场份额2017年有所下滑,从2016年的24%下滑为21%。另据GGII统计,三星SDI在2014-2017年动力电池出货量分别为: 0.3GWh、0.5GWh、1.2GWh和2.8GWh,2017年全球出货量排名为第7名。

松下独家供应特斯拉,出货量全球领先。松下凭借其全球领先的锂电技术和产品一致性,深度绑定特斯拉,成为其18650/21700圆柱电芯的独家供应商。随着特斯拉在全球范围的持续热销,松下电池的出货量也逐年高速增长。据GGII统计,在2014年松下实现了2.73GWh的动力电池出货量,全球市场份额达到41%;2015年松下的出货量上升至4.55GWh,全球市场份额维持在40%;2016年松下的出货量达到7.2GWh,同年CATL异军突起达到6.8GWh,BYD出货量为7.1GWh,三家出货量基本持平;2017年松下的出货量为10GWh,全球出货量排名为第2名,首次被CATL的12GWh出货量超越。


CATL出货量全球第一,海外市场潜力巨大。其中2017年CATL出货量为12GWh,首次超过松下的10GWh,成为全球第1,2017年中国的出货量总额为44.5GWh,CATL国内市占率高达26.6%。2017年CATL出货量为12GWh,首次超过松下的10GWh,成为全球第1,2017年中国的出货量总额为44.5GWh,CATL国内市占率高达26.6%。根据B3统计三星SDI的市场份额为7%,远远低于松下、CATL、LG等企业。

4.3

全球动力电池企业产能规划

LG化学全球四大基地扩张迅猛,誓在引领全球。为了更深入了解客户的需求以及提供更密切的服务,LG化学在全球范围内建立了4个动力电池生产基地,分别为韩国梧仓工厂、中国南京工厂、美国霍兰德工厂、波兰弗罗茨瓦夫工厂。

LG化学2017年全球产能大约18.5GWh,预计到2022年全球产能将扩张至105GWh左右,原计划2020年全球产能规划为70GWh左右。据报道,LG化学将其2020年产量目标从原来的70GWh增加至90GWh,增长约29%。

三星SDI深耕欧洲,布局全球。为了更深入了解客户的需求以及提供更密切的服务,三星SDI在全球范围内主要有3大动力电池生产基地,分别为韩国蔚山工厂、中国西安工厂、匈牙利工厂。

三星SDI深度绑定BMW,为BMW的核心战略供应商,三星SDI客户主要集中在欧洲市场,国内由于补贴政策影响,合作案例较少,公司未来将会深耕欧洲,布局全球,2020年后将会重返中国市场,目前三星SDI在2017年的产能约7.7GWh,2018年预计将达到10.85GWh,2019年预计将达到18.4GWh。

松下深度绑定特斯拉,布局中日美。松下目前的动力电池工厂主要布局在日本、美国和中国三个国家。在日本,松下主要有住之江工厂、加西工厂、姬路工厂和洲本工厂等四大工厂。在美国,松下与特斯拉在内达华州合资建立Gigafactory超级工厂,投资50亿美元,其中松下出资16亿美元,2017年开始投产,2018-2019年总产能达到35GWh,可以满足特斯拉50万辆纯电动汽车的生产需求。在中国,2015年,松下与大连辽无二电器有限公司合资成立了大连松下汽车能源有限公司,并投入27亿元在大连兴建方形锂电池工厂,用于电动汽车和插电混动汽车。随着该工厂在2018年逐步投产,可以满足20万辆新能源汽车的动力电池配套,后续还会在此基础上继续投资扩建,预计完成后产能翻番。随着特斯拉在上海临港国产化的临近,松下选址苏州与苏州捷星合资建厂,生产特斯拉使用的18650型锂离子电池,已于2017年下半年投入生产,并在当年实现1亿支电芯的年产能。2018年9月27日,日本松下电池合资企业联动天翼新能源顺利落户无锡江阴,根据规划,本项目投资总额达200亿元,规划用地1000亩,年生产能力达30GWh,产值约1000亿,将分期分批建设完成新能源动力电池及系统生产基地,本期为一期项目占地约200亩,产能5GWh,预计2019年9月投产。

整体来看,松下在2017年产能为22.5GWh(特斯拉专属产能14GWh),2018年预计33GWh(特斯拉专属产能22GWh),2019年预计49GWh(特斯拉专属产能35GWh),2020年松下产能将达到52GWh。


SKI受限于客户结构,产能规模相对较小:SKI目前全球产能在4.7GWh左右,匈牙利的科马隆工厂2020年建成投产,总产能在7.5GWh左右,另外SKI在常州投资建电池厂,产能规划在7.5GWh,预计在2020年后建成投产。整体来看,SKI在2019年全球产能预计在10GWh,2020年全球产能预计在24GWh,2022年全球规划产能45GWh,2025年全球规划产能达到60GWh。

CATL依靠中国市场,未来产能全球领先:CATL未来将有宁德、溧阳、青海西宁、时代上汽、德国时代、时代上汽等几大生产基地。


海外方面,CATL将在德国图林根州埃尔福特市设立电池生产基地及智能制造技术研发中心,生产基地将分两期建设,计划于2021年投产,预计将有7GWh产能,2022年后将达14GWh的产能,届时将为宝马、大众、戴姆勒、捷豹路虎、PSA等全球知名车企配套。


国内方面,福建宁德工厂2021年新增产能24GWh,分三期达产,各期达产率分别为33.33%、66.67%和100%,2019-2021年产能分别为8、16、24GWh。时代上汽一期产能规划18GWh,2019年预计将投产8GWh左右,2020年预计将达18-20GWh,二期产能规划18GWh,一二期共计达36GWh。江苏时代总产能在10GWh,已于2018年6月建成投产,产能在1-2GWh,2019年产能将根据市场需求来投产,预计2019年产能最少将达5GWh,2020年产能将达到10GWh。


根据市场需求和公司扩产计划,我们对CATL未来产能进行保守预测:CATL 2017年总产能为17.1GWh,2018年产能预计在23GWh左右,2019年CATL自有产能预计有37GWh,算上合资企业将有45GWh,2020年自有产能将达50GWh,算上合资企业将有70GWh,2021年自有产能预计将达58GWh,全部产能估计在100GWh左右。

锂电产能高度集中,竞争格局趋于稳定:综合对比下来,三星SDI产能扩张速度较缓,LG与松下、CATL整体基本处于同一个数量级,未来的竞争格局趋于稳定,淘汰落后过剩产能,龙头企业通过扩张产能地位将得到进一步提升和巩固。未来的竞争格局将演变为松下进一步深度合作特斯拉,LG深度合作欧美主流传统整车企业,三星SDI可能走高端车企路线,CATL将深耕中国国内市场,牢牢占据国内第1位置。

05

全球动力电池企业竞争优势对比


这里主要通过核心技术、研发实力、工艺制造、客户资源、供应体系、成本管控等几个方面综合对比中日韩几家主流锂电池企业之间的竞争优势。

5.1

核心技术:松下最为领先,LG材料优势明显

5.1.1. LG化学电池材料领先

材料是动力电池的性能的关键因素之一,LG化学作为唯一一家以化学品和材料为基础的电池公司,经过数十年的深入研究、建立配料和发展化学品的经验,在材料领域具备领先于其他企业的的显著优势。

在正极、负极、电解液、隔膜四大关键材料领域,LG化学都具备全面的技术储备。在实现规模化和降低材料成本的同时,LG化学还兼顾对材料特性的改善,使电芯具有更强的竞争力。

5.1.2. 三星SDI独创的方形电芯技术

为了提高锂离子电池领域的技术竞争力,三星SDI研发中心开发了锂离子电池的核心材料,并且根据研究成果获得了众多相关专利。三星SDI在方形电池针刺安全保护装置(NSD=Nail Safety Device)、过充安全保护装置(OSD=Overcharge Safety Device)、安全功能层(SFL=Safety Functional Layer)、泄压装置均拥有核心专利,是其超越同行企业的核心竞争优势。


针刺安全保护装置(NSD,Nail Safety Device):这是在卷芯的最外面加上了金属层,例如铜薄片。当针刺发生时,在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低,这样可以防止针刺位置局部过热,缓减电池热失控发生。


过充安全保护装置(OSD,Overcharge Safety Device):目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片,配合fuse使用,fuse可以设计到正极集流体上,过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路,产生瞬间大电流,从而使Fuse熔断,从而切断电池内部电流回路。

5.1.3. 松下NCA+硅碳技术全球领先

松下采用高镍硅碳,能量密度全球最高。特斯拉Model S和Model X采用的均为松下的18650型NCA电池,Model 3采用的是松下的21700型NCA电池。21700型NCA电池通过进一步提高NCA的镍含量、采用硅碳负极、加大单体尺寸,单体的能量密度可以达到300Wh/kg(目前Model 3电芯单体实测为260Wh/kg),比原来18650电池的250Wh/kg提高约20%以上。这一水平,不但远远高出国内使用率最高的NCM 523体系单体200Wh/kg的能量密度水平,而且也明显高出国内刚刚出现且最为领先的NCM 811体系单体250Wh/kg的能量密度水平,是世界上能量密度最高的量产锂离子电池。


三元材料主要分为NCM和NCA两种类型,随着人们对电动车续航里程的要求越来越高,容量更高的NCM 811和NCA材料的研发也越来越迫切。目前国内和韩国企业尚未大规模量产NCM 811体系动力锂电池,而且NCM 811体系主要应用在圆柱形电池,在方形和软包领域电池企业还处在内部安全测试阶段。

NCA技术松下全球领先,国内尚无相关产业链。NCA材料综合了LiNiO2和LiCoO2的优点,不仅可逆比容量高,材料成本较低,同时掺铝后增强了材料的结构稳定性和安全性,进而提高了材料的循环稳定性,但是在制作过程中,由于Al为两性金属,不易沉淀,因此NCA材料制作工艺上存在门槛。其次,从电池生产过程来看,NCA电池的生产难度也更大。全球能够大规模生产NCA电池的主要是松下,松下从电池、NCA正极材料、到前驱体的开发都较早,技术更加成熟先进,并且上下游之间已经形成了相互配套的产业链和相对稳定成熟的供应链。而中国国内主要的电池厂家以NCM正极材料为主,在NCA方面整体上尚处于开发起步阶段,除了前驱体之外,全产业链技术上均存在一定的差距,产业链尚未真正形成,暂时生产不出一致性、稳定性高的NCA材料。


NCA产业化难点主要有以下几个方面:NCA制备技术难度较大、生产设备要求特殊、材料生产成本较高、NCA电池单体设计制造难度较高等。目前NCA材料的主要供应商有日本化学产业株式会社、户田化学(Toda)、住友金属(Sumitomo),韩国的Ecopro和GSEM也有产品销售。户田化学主要供应给韩国LG,住友金属主要供应给松下和PEVE,韩国的Ecopro主要供应给三星SDI,应用场合主要为电动工具和充电宝使用的圆柱形电池。


松下规模化应用硅碳负极,国内尚处于探索产业化阶段。特斯拉Model 3搭载的NCA21700圆柱电池,能量密度全球领先除了采用高镍正极材料的缘故,在负极上松下还使用了碳硅复合材料,在传统石墨负极材料中加入了10%的硅,其能量密度至少在550mAh/g以上。硅的克容量为4200mAh/g,而纯石墨负极克容量仅为372mAh/g,掺入了硅的碳硅负极材料克容量能够达到400-650mAh/g的水平,可以通过提升电池中活性物质含量来提升单体电芯的容量,从而进一步推高了电池的能量密度。


相比于石墨负极材料,硅碳负极材料目前在中国锂电池产业中应用案例还较少,国内大多数材料企业在硅基负极材料领域的应用还处于初级阶段,正在探索商业化之路。宁德时代的NCM 811配合碳硅负极动力锂电池预计2020年推出,预计能量密度可以达到300Wh/kg。总的来说,松下在高镍硅碳动力锂电池的产业化、规模化应用的节奏上,领先中国动力电池龙头企业至少2-3年,在技术层面上,仍然是公认的世界第一。

5.1.4. CATL快充技术独具特色,安全性媲美日韩

CATL凭借其丰富的研发资源、技术实力、智能制造、完善的测试认证体系,已取得多项先进的研究成果。


15分钟快充技术:在动力电池的快充方面,CATL遥遥领先,已经在开发出能量密度190Wh/kg,15分钟可以满充的快充三元电池,主要应用于乘用车领域。CATL研发的正极“超电子网”和负极“快离子环”技术双剑合璧,开发出来磷酸铁锂快充电芯成组后拥有最高5.2C的高倍率快充,12分钟内可完成纯电动客车100%充电。


超高能量密度以及持久寿命:公司E-car三元材料电芯能量密度最高可达270Wh/kg,并且推出了长寿命电芯,为电动乘用车电池包及系统承诺不低于5年或10万公里的质保,与整车同寿命;同时,E-bus磷酸铁锂电芯能量密度已提高至150Wh/kg以上,其在电动大巴上应用的标准使用寿命长达8年,长寿命电芯使用寿命长达15年15000次循环。


多重安全可靠:CATL电芯、模组、电池包均通过多项滥用测试,电池管理系统主动安全保护与被动安全保护相结合,充分保障其安全。电池包的防尘防水级别达到IP67超高水平,电芯的使用温度范围很广,可以在-30℃至60℃环境中使用,具有超强的环境适应能力。

5.2

 研发实力:日韩企业较强,CATL异军突起

5.2.1. 研发投入,LG全球领先

2017年CATL、LG、三星SDI、松下、SKI等日韩主要电池企业在锂电池方面的研发投入分别为16.3亿、35亿元、28亿元、20亿元、10亿元。LG研发费用最高,高额研发投入助推了企业发展。CATL也在高研发投入之下得到质的改变:强大的研发团队、国家重点实验室、雄厚的技术专利、丰富的科研项目和科学的研发体系。让CATL作为一家仅仅成立6年的本土企业创造了中国锂电行业的一个奇迹,成为国内唯一家可与松下、三星、LG等国际电池巨头直接竞争的动力电池制造商。

5.2.2. 以人为本,人才是核心竞争力

LG化学研发人员2013年-2017年人数逐年增多,2017年达到4800人,占全部员工29573人的16.23%,占比很高。LG化学的电池事业部员工相比其它企业也具有相当优势,2017年韩国梧仓工厂总共接近4000人,其中管理层2%,技术人员60%,办公室人员38%;韩国技术院总共近2800人,其中管理层2%,技术人员70%,办公室人员28%;南京工厂2016年近350人,2017年近520人,2018年预计870人,2019年预计达到1000人。


三星SDI :2017年拥有2215名研发人员,其中硕士博士占比达到40%,研发人员占比整体员工比例高达24.2%。三星SDI有超过400名汽车电池研究人员和工程师正在开发新一代锂离子电池,为汽车制造商和他们的客户提供更好的动力驱动性能和更长的行车距离。三星材料研究所(Samsung Material Research Complex,SMRC)是韩国第一个电子材料研发机构,拥有超过530名科学家和研究人员进行合作研究,推进突破性材料的开发。其中,有380名研究人员特别关注未来电池材料,三星SDI希望通过这样的合作产生协同作用,取得了很多研究成果,专利数量遥遥领先。


松下公司:松下幸之助先生曾经说过:“没有人就没有企业”。松下公司2018年3月份拥有274,143名工作人员,连续3年增长,其中AIS业务员工占比高达37.7%,AP业务员工占比23.6%,ES业务员工占比18.8%,CNS员工占比11.6%,员工数量庞大,AIS员工占比最多,表明了公司侧重于AIS业务。


CATL:CATL已建立起一支涵盖产品研发、工程设计、测试验证、制造等领域的强大研发团队,共有来自全球各地著名高校及著名实验室的3700多名高端科研人员,其中包括2名国家“千人计划”专家、7名福建省百人计划专家及创新人才,博士逾130名,硕士近1000名,以及海归专家40余名。从事电动汽车电芯材料、机理、可靠性研究与仿真模拟等岗位的技术人才达720余人,专业从事材料研发人员200余人,仿真计算人员40余人。

5.2.3. 研发模式各具特色,松下最为先进

LG:作为唯一一家以化学品和材料为基础的电池公司,经过数十年的深入研究、建立配料和发展化学品的经验,在正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电材料、粘接剂等领域均有布局。LG化学在正极材料自供方面具有一定的成本优势,同时也与外部优质的供应商进行合作开发供应,保证原材料的稳定供应,降低成本,另外LG化学的材料也对外进行销售。


三星SDI:采用协同性的研发结构不但可以提升现有产品的性能,同时通过开发颠覆性的技术超越极限。三星综合技术研究院(SAIT)负责前沿研究,与国内外大学研究机构共同合作,一同设立重要技术课题,一道解决商品化开发,共同推进研究项目创造协同效应;Samsung Material R&D负责下一代材料、产品及技术平台开发;Samsung SDI R&D Teams进行短期的产品渐进改善,实现产品的商业化。

松下:研发智能化、数字化,缩短材料开发周期。在新一代锂电池的研发中,比如固态电池和新型电池,新材料的开发至关重要。同样,通过原子/分子水平的分析来了解锂电池在使用过程中锂离子的具体运动特性也及其重要。在开发新材料过程中,花费太多时间在强调经验的试错试验上一直是个有问题的开发方式。松下推广“材料信息技术”开发理念,这是一种基于人工智能和数据科学的全新材料搜索方法。松下努力发挥公司内部电池材料专家和信息技术专家的人才优势,利用AI对电池材料的合成过程进行合理预测,可以将电池新材料的开发周期缩短一半。“材料信息技术”至关重要的是人工智能所必需的信息数量以及其质量。松下与外部机构合作,正在构建一个包含文献报告、仿真数据和材料信息的庞大数据库。同时,松下最大限度地使用公司50多年来在电池研究上所积累的庞大技术数据。通过在原子水平上自己独特的先进材料分析方法和其“材料信息技术”,已经成功地全球首次可视化研究了固态电池的锂离子特性。所以,松下将在全球领导电池新材料及其下一代电池的开发。

CATL:CATL具有完整的动力电池研发体系,掌握包括:纳米级别材料开发、工艺研发、电芯研发、模组研发、电池管理系统(BMS)、电池包开发的核心技术,并遥遥领先于国内动力电池企业。CATL的研发链条环环相扣,在可靠性设计、寿命模型、产品安全等各方面都具备很强的实力,确保其能够打造出完美的安全产品。CATL的产品开发周期一般需要3年,分为A样、B样、C样、D样阶段。各阶段部件的工艺产线、研发投入、产能规划、研发阶段周期都需要在前期规划完整,并且能够顺利推进规划。同时在整个产品开发周期过程中,需要重复不断地对产品进行需求分析、设计完善、测试认证、优化方案、验证可行性。


校企合作,全球智库。2015年CATL设立宁德博士后工作站,并成立院士工作站,以陈立泉院士为学术委员会主席,主要成员包括欧阳明高教授、吴峰教授等世界级专家学者二十余人,为CATL的成功提供了巨大的支持和帮助。除了中科院、清华、中国电子技术标准化研究院、中汽研、台湾工业技术研究院,CATL还与德国MEET国家实验室、美国汽车工业协会、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、美国Argonne实验室、美国AVL、法国国家研究中心等国际知名研究中心建立了合作伙伴关系。全面构建多领域、多层次的动力电池研发体系,相继在上海、美国、德国、日本建立研发院,加强与先进技术的融合,强化产品优势。

5.2.4. 日韩企业专利积累深厚,国内落后差距较大

日韩企业由于进入锂电池领域较早,因此在专利方面较国内占有一定的优势。截止2017年12月31日,CATL及其子公司共拥有907项专利及17项境外专利,正在申请的境内和境外专利合计1440项。在智慧牙全球专利库数据库中检索Lithium Battery关键字,截止2018年11月,CATL共拥有专利达1900项。LG化学检索的结果为8134项,三星SDI检索的结果为8792项,丰田检索结果为7551项,松下检索结果为5361项,BYD检索结果为1209项。

在全固态电池领域,相关专利申请量排名靠前的均为日韩企业,其中绝大多数为日本企业,韩国公司有1家,排名第一的丰田专利申请数达218件,占据总数的20.15%,松下34件,LG 18件,充分说明日本和韩国,尤其是日本公司在全固态锂电池方面具有较雄厚的实力。


丰田在全固态锂电池方面,投入了大量研发精力,推出了原型固态锂离子电池:正极、负极和固体电解质层分别采用钴酸锂、石墨和硫化物类电解质,开发的电池组平均电压为14.40V,充电后输出电压高达16.26V,这种电池预计在2020年可小批量实现商业化示范应用,到2025年得到实质性改善。


全球全固态聚合物电解质专利申请量排名前12位的专利权人排名前4名的专利数量较多,均达到了30件。前10名专利权人全部来自日本与韩国,并且都为全球知名企业,可见日本、韩国在全固态聚合物电解质这一领域处于国际领先优势,国内锂电企业尚存在巨大差距。

5.3

工艺制造:全程可视化制造,CPK值尚存差距

LG化学电芯层压工艺,优化模组PACK热管理。

电芯层面:LG化学的动力电池电芯目前生产工艺主要为Stack&Folding堆叠工艺,复合电极材料置于一张隔膜上以折叠的工序完成组装,可以减少了电极开裂的可能性,并有助于制作更加轻薄的电池,另外拥有高容量和高密度,发热面积较大可以调节最适当的温度,有利于保持长寿命与高性能。下一代电芯将采用新型的生产工艺:层压工艺。能够更适于生产高能量密度和电芯,同时通过简化生产工艺,缩短电芯的单产时间。LG在这种工艺方面具有独家专利,层压工艺能够将Cell内部的死角空间最小化,保障电芯的长循环寿命,同时通过LG高可靠性隔膜让电芯具有较好的热稳定性。


模组层面:鉴于软包电芯的导热性较差,硬度较软的缺点,LG化学的电芯传统的成组工艺需要一片薄铝板来进行导热以及固定结构,导致软包电池的模组能量密度转换率比方形电芯低。为了提高电芯的能量密度转化率,在模组成组工艺方面LG采用灌封胶通过电芯边缘来散热的方式,能够提高模组的空间利用率,删除薄铝板后减少了零部件数量,提高模组的能量密度,整体的模组散热效率也得到相当提升,从而保障了电池的安全性和使用寿命。

三星100%自动化生产,质量管控严格:通过生产自动化等技术的变革,可以从整体上降低电池的生产成本,增加产量和生产速度。三星SDI有15年锂离子电池大规模生产的经验,在过去的15年间售出70亿块电池, 目前每年销售超过10亿块电池。三星SDI的生产线自动化程度达到100%。此外,三星SDI供应的汽车用方形锂离子电池的生产准备时间相对较短,工艺稳定性高,相比其他类型的电池生产效率更高,成本更低。此外,IT产品电池使用的原材料大约80%可以用于汽车电池,通过大量采购形成规模经济效应,利用综合价值链的优势。


三星SDI在设计及生产阶段由于严格遵守规范,没有出现过任何质量相关事故。除了标准的汽车质量管理工具,如FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)和次级供应商管理系统等以外,三星SDI已经开发并设置了先进的内部流程,如Manufacturing Executing System (MES)等,以保证生产出最高品质的产品和100%的可追溯性。因此, 由三星SDI生产的每一块电池,通过数以百计的测量检查点进行检查,可以分别跟踪。以此确保客户在汽车的整个使用寿命期间,电池有最为稳定的高性能表现。


松下可视化制造,全过程保证质量:在新一代可充电电池的研发中,除了开发新材料外,追求新的制造工艺和客户的满意度同样极其重要的。通过与制造工程部门合作推进产品的快速原型设计,松下相信自己能够通过下一代可充电电池的开发来领导锂电池这个行业。不管在前期开发阶段,还是在质量生产阶段,确保质量对电池来说都是至关重要的,松下积极地监控整个生产过程中材料的物理特性以及加工状态。除了材料的加工外,松下还致力于自己开发设备和生产线,以保证设备的百分之百质量,从而避免发生任何大规模的生产缺陷。这方面,松下还制造了能够感知其物理特性和性能的设备。另外,松下努力通过可视化所有工厂信息来确保质量的可追溯性,所有的现场信息被数字化,相关的数据被快速地处理和积累,以便可以在数据库中进行处理,必要的信息也会被提取出来,整个过程质量是可以进行实时可视化分析的。松下的目标是从简单的“控制质量”转变为“保证零缺陷”。

CATL制造智能化,人机互动性强。目前,CATL投资数十亿元建立智能化、自动化产线,该产线在“智慧工厂”和工业4.0信息物理融合系统CPS的指导下,实现了高度的自动化。厂区内使用了大量的高科技机器人、中控系统、在线检测设备和信息追溯系统,以做到“生产数据可视化”、“生产过程透明化”、“生产现场无人化”。而且CATL根据离散型制造的特点,将其组织结构设计、经营管理流程、生产制造、仓储物流设计、产线设备自动化都采用系统化管理。所建成的智能化车间,具有较强的技术成果可复制性和可扩展性。

CATL通过物联系统,对人、机、料、法、环等生产数据进行监控、采集、分析、处理,实现对突发事件的快速反应和产品全制成可追溯性;并在大数据基础上,实现统计、测评、管理、考核以及报表自动生成等活动。制造执行系统(MES)对产线上每台设备的进行数据自动采集,通过中央专家系统与分布式控制系统对设备异常进行预警,并对产品制造信息进行数据挖掘分析,实现产品制造全过程管控。保证只有正确的物料、有资质的人员、正确的机器设备和正确的工艺参数被用来生产产品。

颠覆传统任重道远,电池CPK提升为关键。对于动力电池而言,单体能量密度仅仅是性能优越的一方面,更重要的是所有单体电池的高度一致性,然而锂电池的工艺非常复杂,工序非常繁多,每道工序对电池的性能都会有很大影响,因此整个制造过程都需要对环境进行控制。采取高精度和稳定性高的自动化设备,可以减少电池的差异性,从而提升电池的质量。据统计,LG化学、三星SDI、松下采用的多是日韩先进设备,电芯及模组的自动化率大于85%,对电池产品的一致性和良品率有一定的保障,而国内的CATL在83%左右。


全球的动力电池之争是中日韩之争,而中日韩各有特色,虽然使用的化学体系以及材料等大同小异,但由于制造能力和管理水平的差距,产品合格率及一致性存在较大差异,传统汽车要求核心零部件企业的CPK值为1.67,而我国动力电池企业大部分在1.5以下。CPK值反映的是电池的品质,直接影响的是电池的安全和成本。目前CATL的CPK值最高可达1.67,三星、LG、松下的CPK值则以1.67为基础的,甚至可达2.0,意味着100万只电池里面几乎没有次品,电池性能几乎完全一致的。

5.4

客户资源:日韩深耕欧美,CATL立足本土

LG化学客户遍布全球,客户资源优质。LG化学的电动汽车客户遍布美国、欧洲、中国、韩国,分布较广,且均为国际知名车企,客户资源远远优于国内企业。在全球20大汽车品牌中,LG化学已与其中13家展开合作,且不论产能,单从合作厂家数目来看,LG化学已成为全球“最大”车用锂电池供应商。另外LG化学在EV、PHEV、HEV、48V等领域均有布局,产品类型多样,拥有电动汽车行业最优质的客户群。LG化学也凭此积累了10年多的量产配套经验,实车数据库庞大,遥遥领先于其它同行。


在EV领域,LG配套的量产车型主要有雷诺的Twizy、ZOE、Fluence,福特Focus、通用的Spark、Bolt,HMC IONIC等国际热销车型,累计销量近29万辆。在PHEV领域,LG配套的量产车型主要有沃尔沃的V60、S60L、XC90,凯迪拉克ELR、雪佛兰Volt、荣威e950、荣威e550等全球热销车型,累计销量近24万辆。在HEV领域,LG配套的量产车型主要有HMC的Sonata、Grandeur、IONIC,KMC的K5、K7、Niro等热销车型。48V主要为奥迪的SQ7车型。

三星SDI深度绑定BMW,客户偏向高端。三星SDI被选为30多个汽车电气化项目的核心的电池供应商,并且项目数量还在不断的增加。三星SDI已经证明其商业、安全性和技术竞争力。首次安装三星SDI电池的汽车有Fiat 500 e(纯电动汽车),宝马i3(纯电动汽车),宝马i8(插电式混合动力车)。另外Audi Q7,保时捷Cayenne S,Panamera S,Panamera Turbo S,BMW X5 XDrive40e、大众e-Golf等高端车型均配套的三星SDI动力电池。在销量方面,BMW的销量占比约60%左右,大众的销量占比约34%左右,其它的如菲亚特550EV占比约6%。


目前三星SDI的深度合作客户主要集中在欧洲,中国由于政策特殊性合作的案例较少,美国Tesla采用松下的动力电池,GM采用LG的软包路线,三星SDI合作项目较少,在2016年三星SDI与美国新兴电动汽车企业Lucid Motors签约了电动汽车电池战略合作伙伴协议。另外,欧洲、美国和亚洲的许多主要汽车制造商已经开始与三星SDI开展合作项目,在未来几年,将会推出由三星SDI电池驱动的车辆。

松下深度绑定特斯拉,同时寻求更多合作。松下的整车客户主要为特斯拉,是特斯拉的独家战略供应商。2008年12月,松下耗费64亿美元并购了实力强大的三洋电机进入动力电池领域,三洋电机在动力电池和储能电池领域均有先进的技术储备,松下并购三洋强强联合,成为全球最大的锂电池供应商。2009年,凭借顶级的电池技术,松下与特斯拉首次展开合作,成为特斯拉独家供应商,从此迅速崛起。目前特斯拉主要车型有Roadster、Model S、Model X、Model 3。

特斯拉销量凭借其创新性,引领全球新能源汽车发展,销量不断创新高,随着Model 3产能的释放以及国产化进程的推进,将会给松下的动力电池业务提供更大的业绩贡献。

除了和特斯拉的深度合作外,松下为了扩展业务同样寻求了更多的其它合作伙伴。截止2018年3月底,松下已供货车型/已取得订单车型/在洽谈车型分别为58款/16款/74款,客户遍布日本、美国、欧洲,其中已供货日本/美国/欧洲分别为6家/2家/4家车企,日本有29款车型交付、美国有14款车型交付、欧洲有15款车型交付。

其中具有代表性的车企主要有大众集团、福特集团、丰田集团、戴姆勒,大众集团旗下品牌大众e-UP、e-Golf、奥迪 A3 e-tron、福特最畅销的C-MAX、Fusion、丰田普锐斯等多款新能源车型均使用松下动力电池。同时,松下还在积极扩展市场,以期未来诸多中国厂商提供其先进的动力电池。

CATL国内首家国际化配套企业,深度绑定国内龙头。CATL虽然成立仅7年,但是背靠ATL深厚的技术积累,凭借其产品过硬的品质赢得了BMW的认可,是国内第一家给国际车厂配套的动力电池企业,目前华晨宝马X1电池包已经下线。与BMW的合作为其在新能源汽车领域的推广建立了一种强有力的品牌效应。法国雪铁龙(PSA)、韩国现代、奔驰、上汽大众均已与CATL签署采购协议。


由于国内电池企业目录的存在,新能源车型推荐目录与其相捆绑,除了比亚迪这种垂直一体化的车企,国内进入电动车领域的车企都会选择一个或多个本土电池供应商进行合作,强强联合是最好的选择。在乘用车领域,一汽、北汽、吉利、上汽、上汽通用五菱、长安汽车、蔚来、广汽、奇瑞、长城、东风和江淮等国内主流整车企业均与CATL建立了深厚的合作关系。在客车领域,CATL更是获得了宇通的高度认可,成为其独家供应商,其它的海格汽车、金龙汽车、福田汽车、东风商用车等客车企业也与CATL建立了合作关系。

5.5

供应体系:日韩技术先进,中国产业完整

LG化学深度绑定锂钴资源,正极自产为主外部为辅。LG化学为满足未来锂离子电池市场需求,与很多全球知名原材料供应商建立战略合作关系。另外,LG化学作为唯一一家以化学品和材料为基础的电池公司,经过数十年的深入研究、建立配料和发展化学品的经验,在正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电材料、粘接剂等领域均有布局。LG化学在正极材料自供方面具有一定的成本优势,同时也与外部优质的供应商进行合作开发供应,保证原材料的稳定供应,降低成本,另外LG化学的材料也对外进行销售。

三星SDI供应体系开放,国际化采购。与日本封闭的锂离子电池供应体系相比,三星SDI的供应体系较为开放,积极地与众多全球知名材料供应商建立战略合作关系,以满足未来锂离子电池市场需求。正极材料供应商主要有浦项制铁、ECOPRO、L&F、格林美等;负极材料供应商主要有三菱化学、日立化学、贝特瑞;电解液供应商主要有三菱化学、新宙邦等;隔膜供应商主要有旭化成、日本东丽、恩捷等。


松下供应体系封闭,但技术先进。松下电池原材料供应商主要来自日本本土,这是因为松下对电池性能和品质的完美追求,日本电池供应商技术更为成熟和先进,不过也有中国厂商小部分供货,未来随中国厂商技术和工艺的成熟,凭借成本优势,有可能会占据更多的份额。其中供货给特斯拉的NCA电池,正极材料全部来自住友金属,中国的芳源环保小批量供应NCA前驱体;负极主要来自日立化学和日本碳素,同时中国厂商贝特瑞提供部分硅碳负极材料;隔膜主要由住友化学供应;电解液主要由三菱化学供应。


CATL国产化率高,培育本土供应体系。CATL除了拥有极其优质的下游客户结构,在上游供应体系方面,也极力扶持本土企业,为中国电池产业贡献力量:从其核心供应链可以看出,CATL并没有盲目采用进口设备和材料,而是鼓励大规模的国产化,带动国内锂电产业的发展。在电动汽车百人会论坛中,曾毓群明确指出:“我们的理念是引领国产化,所以设备国产化率是86%,材料是88%,带动了相当多的电池企业上市。”


CATL垂直整合能力强,布局锂电回收业务。公司通过广东邦普开展锂离子电池材料业务, 将废旧锂离子电池中的镍钴锰锂等有价金属通过加工、提纯、合成等工艺,生产出锂离子电池材料三元前驱体(镍钴锰氢氧化物)等,使镍钴锰锂资源在电池产业中实现循环利用。三元前驱体是制造三元锂离子电池正极材料的原材料,也是新能源汽车动力电池的关键材料之一。目前,广东邦普已成为全国领先的锂电池材料三元前驱体的供应商。

综合对比:LG化学、三星SDI、松下的动力电池供应商主要以日韩系为主,部分消费类电池和储能类电池采用国内供应商,在供应商产品品质方面优于国内企业,CATL主要采用国内供应商,凭借自身在锂电材料方面积累的丰富经验,电芯产品品质与日韩企业差距较小,产品成本具有优势,未来随着国内中游材料企业的技术不断提升,LG化学、三星SDI、松下国产化后,国内企业极有可能成为其B点供应商,达到降低电池成本的目的。

06

全球动力电池企业技术路线对比


鉴于动力电池在电动汽车产业中的重要地位,中、日、美、德等汽车强国纷纷制定车用动力电池的国家级规划,对动力电池的研发及产业化给予大力支持,以推动动力电池技术的快速进步和市场应用,如中国的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》和《节能与新能源汽车技术路线图》、美国的《电动汽车普及大挑战蓝图》、日本的《动力电池技术路线图》、德国的《锂离子电池技术路线图2030》等。

6.1

全球各国电池技术路线规划

6.1.1. 中国二次电池技术路线图

根据新能源汽车经济性和使用便利性的需求,中国动力电池发展以成本、关键性能(如比能量等)作为主要指标,实现现有锂离子电池的的性能升级。综合分析新能源汽车需求和动力电池技术发展趋势,中国动力电池发展大致分为三个阶段:


(1)到2020年,动力电池技术提升阶段。新型锂离子电池实现产业化,能量型锂离子电池单体能量密度达到350Wh/kg,单体成本达到0.6元/Wh,系统循环寿命3000次/10年。功率型锂离子电池单体能量密度达到200Wh/kg,单体成本达到1.0元/Wh,系统循环寿命3000次/10年。动力电池实现智能化制造,产品性能、质量大幅度提升,成本显著降低。


(2)到2025年,动力电池产业发展阶段。新体系电池技术取得显著进展,能量型锂离子电池单体能量密度达到400Wh/kg,单体成本达到0.5元/Wh,系统循环寿命3500次/12年。功率型锂离子电池单体能量密度达到250Wh/kg,单体成本达到0.9元/Wh,系统循环寿命4000次/12年。动力电池产业发展与国际先进水平接轨。


3)到2030年,动力电池产业成熟阶段。新体系电池实现实用化,能量型锂离子电池单体能量密度达到500Wh/kg,单体成本达到0.4元/Wh,系统循环寿命4000次/15年。功率型锂离子电池单体能量密度达到300Wh/kg,单体成本达到0.8元/Wh,系统循环寿命5000次/15年。动力电池技术及产业发展处于国际领先水平。

正极材料: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。高镍化、高压化、富锂化是正极材料的发展方向。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。


负极材料:目前商用化最广泛的是石墨类材料(天然石墨和人造石墨)。石墨类材料的发展趋势是进一步提升可逆容量和压实密度,并降低成本。中国石墨类材料在性价比方面已经较日立化成、三菱化学、日本碳素、JFE、昭和电工等具有优势,日本企业在材料改性方法和品质控制方面具有优势。预计在2020年比容量将达360mAh/g,2025年达360mAh/g。硅碳负极国内大部分处于研究和小批量生产阶段,主要是纳米化技术、材料结构构筑等关键工艺需要进一步提高。预计2020年比容量达850-900mAh/g,2025年达1000-1100mAh/g。

隔膜:由于原料、技术、制备技术和生产制备的差异,国产隔膜在闭孔温度、孔径一致性和厚度一致性等方面较差。2020年的发展目标是高品质PE隔膜、PP隔膜的规模化生产,高品质陶瓷涂层隔膜的规模化生产及相关制备的国产化。安全使用温度达到180℃,孔隙率30%-45%,热收缩率<2%,机械强度>150MPa。


电解液:2020年仍以单一锂盐(LiPF6)为主,电化学窗口<4.5V,电导率≥10-2S/m;2025年采用复合锂盐,电化学窗口>5V,电导率≥10-2S/m,可燃性降低,安全性提高;2030年达到固体电解质目前,电化学窗口>6V,电导率≥10-2S/m,无安全隐患,更长的使用寿命。

6.1.2. 日本二次电池技术路线图

日本汽车用二次锂电池分为功率型和能量型两类。按照二次锂电池的用途,将HEV和PHEV用二次锂电池归类为“比功率重视型二次电池”,将EV用二次电池归类为“能量密度重视型二次电池”。日本汽车用二次电池路线图以电池包为单位设定技术目标值(包括成本、能量密度和功率密度等)。这些目标值根据评价对象为单体、模组或者电池包的不同而存在较大差异,在实际使用中,以电池包(含BMS)为单位进行评价更能全面反映出二次锂电池的性能。


日本技术路线图将下一代汽车尚未完全普及的时期划分为普及初期和普及期,PHEV和EV将在2020年前后进入普及期。届时,高功率密度二次锂电池能量密度将达到200Wh/kg,功率密度将达到2500W/kg,成本下降至2万日元/kWh(约1200元/kWh)以下,日历寿命10-15年,循环寿命4000-6000次。高能量密度二次锂电池能量密度将达到250Wh/kg,功率密度将达到1500W/kg,成本下降至2万日元/kWh(约1200元/kWh)以下,日历寿命10-15年,循环寿命1000-1500次。

正极材料:正极材料朝高容量、大功率、低成本、高安全性方向发展。为实现正极材料的高容量化,需要选择化学式含锂量较多的化合物,拥有更高容量密度的硫系正极具有较大的研究空间。为实现正极材料的大功率化,需要从材料微粒化、电极合剂层的设计、提高活性物质导电性、活性物质与导电材料的连接技术等方面进行研究。为了降低正极材料的成本,需要开发无钴正极材料,开发可以最大限度利用铁、锰等资源丰富又廉价元素的正极材料。为了提高寿命与安全性,需要抑制正极表面电解液的分解反应。


负极材料:硅碳复合材料、硅金属合金、硅氧化物材料、锡基合金、过渡金属氧化物等是未来负极材料的研究开发方向。目前,锂离子电池负极主要使用有较大理论容量和良好寿命特性的碳、石墨类材料。合金系负极电位比锂、碳、石墨高,但容量密度高,有利于实现负极高容量化。合金系负极也存在很多待解决的问题,如体积膨胀、不可逆容量等。为实现大功率化,需要研究纳米级的活性物质与导电材料的连接技术。为提高安全性,需要研究抑制负极表面电解液分解反应的表面修饰方法。

电解液:离子液体电解质、有机固体(聚合物)电解质、无机固体电解质等成为电解液研发方向。电解液是与二次电池的输入输出特性、寿命、安全性、电压直接相关的材料。新型电解液需具备以下优势,在较宽的温度范围内呈现较高的电导率、较高的电气稳定性(耐氧化性、耐还原性,宽电位窗口)、较高的化学稳定性(热稳定性、不与活性物质和其他物质发生反应),对环境友好,价格低廉。

新型电池:目前实用化的电池系列中,锂离子电池相比铅蓄电池和镍氢电池具有更高的能量密度,但是锂离子电池也存在能量密度上限,因此,需要研究具有更高能量密度的二次电池。日本二次电池技术路线图将2030年前后可能达到当前电池种类无法达到的高性能电池称为创新型电池,如固态电池、金属-空气电池、锂硫电池、金属负极电池等。


Hidetaka ishikoori在ABAA 11上发布的日本乘用车市场计划则显示,2020年日本希望插电式混合动力和纯电动能占据15-20%的市场,氢燃料电池车只有1%;2030年,插电式混合动力和纯电动能占据20-30%市场,氢燃料电池为3%。

6.1.3. 美国二次电池技术路线图

美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)于2013年发布《电动汽车普及大挑战蓝图》(EV EveryWhere Grand Challenge Blueprint),提出2022年电动汽车发展目标,力图使美国成为世界上第一个能够生产每户家庭都能负担得起的电动汽车的国家。


该蓝图提出的技术目标包括:电池方面,2022年成本要求降低到125美元/kWh,能量密度要求达到250Wh/kg,体积能量密度要求达到400Wh/L,功率密度要求达到2000W/kg。轻量化方面,通过轻量化技术使汽车重量降低30%。电驱系统方面,2022年成本要求降低到8美元/kW,功率重量密度要求达到1.4kW/kg,功率体积密度要求达到4kW/kg,能量转换效率要求达到94%。


2016年7月,当时的奥巴马政府宣布发起了Battery500计划,用五年、投资额5000万美元,打造能量密度500wh/kg,循环寿命1000次的电芯。这一电池的技术路线是高比能锂离子正极(镍钴锰)和锂金属负极。2017年这一项目已经实现了309wh/kg,但循环次数只有275次;2018年,已经实现350wh/kg,循环次数150次。

6.1.4. 德国二次电池技术路线图

为了推动动力电池产业发展,德国国家电驱动平台发布《锂离子电池技术路线图2030》。在正极材料方面,近期将推进尖晶石和磷酸盐等材料,中期预计到2020年之前的亚硫酸盐和2020年后的氟硫酸盐将会得到发展。金属氟化物和空气预计在2030年左右得到应用。负极材料方面,目前通常采用纳米结构石墨,软碳,硅合金以及Li钛酸盐。石墨金属复合材料,非硅基合金以及锂金属负极应该在2020年之前实现中期样品创新。电解质方面,短期采用LiPF6的电解质以及凝胶聚合物电解质。中期采用5V电压平台电解质,并且与5V电池的发展相关。目标2020年电池系统的能量密度达到130Wh/kg,价格达到0.25-0.3欧元/Wh,落后于其它国家要求。

另外,德国联邦政府教科部发展关键技术副总监Herbert Zeisel在第11届国际电动车用新型锂电池会议(ABAA11)上表示德国2015年电芯能量密度在90-235Wh/kg,体积能量密度在200-630Wh/L,日历寿命在8-10年,成本180-285欧元/kWh;未来的发展目标为2020年能量密度达到350Wh/kg,体积能量密度750Wh/L,循环寿命1000次,日历寿命15年,成本90欧元/kWh;2030年能量密度大于400Wh/kg,体积能量密度大于750Wh/L,循环寿命2000次,日历寿命20年,成本75欧元/kWh。为了达成目标,将会支持锂离子技术、全固态电池和新概念电池。

6.1.5. 二次电池技术路线图对比

综合对比来看,中、日、美、德四国在锂离子电池的未来规划上,德国稍落后于其它国家,国内也未有大规模生产锂离子电池的企业及其相应供应链。美国的未来规划也没有中日两国的规划具体,未来主要的锂电产业链将主要集中在中日韩三国。中日动力电池技术路线的发展方向基本一致,但日本整体规划目标高于中国。在PHEV用动力电池方面,日本只规划到了2020年,而中国规划到了2025年和2030年。对比中日2020年发展目标,日本在能量密度、比功率、循环寿命方面的规划目标值均远高于中国,在成本指标方面,日本2020年PHEV用动力电池成本约1200元/kWh,比中国目标值低300元。在EV用动力电池方面,日本在能量密度、比功率和成本方面规划目标高于中国,中国则对动力电池循环寿命有较高的要求。能量密度方面,中日2020年目标均为250Wh/kg,但2030年日本的目标达到500Wh/kg,高于中国350Wh/kg的目标。比功率方面,日本目标值是中国目标的两倍多,日本未来目标值均为1500W/kg,中国未来的目标值均为700W/kg。循环寿命方面,日本未来目标值均为1000~1500次,而中国目标值逐年增长,2020年、2025年、2030年依次达到3000次、3500次、4000次。成本方面,日本2020年目标降到1200元/kWh,中国为1000元/kWh,日本2030年目标降到600元/kWh,中国为800元/kWh。

6.2

全球动力电池企业当前技术现状

6.2.1. 电池形态:形态各异,各有优势

LG化学和SKI:在动力电池在封装方面,都采用叠片式软包设计。软包锂电池与圆柱、方形电池之间的最大区别之处在于铝塑膜,这是软包锂电池比较关键、技术难度较高的一个环节。软包电池主要有安全性能好(软包电池在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,不会爆炸)、重量轻(软包电池重量较同等容量铝壳锂电池轻10%-20%)、内阻小、循环性能好、设计灵活(外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号)等诸多优点。软包电池的缺点主要是一致性较差,成本较高,容易发生漏液,技术门槛高。

三星SDI和CATL:在动力电池封装方面主要以方形为主。方形硬壳电池能够生产大容量单体电池。此外,方形电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于软包电池,电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。方形电池的不足之处在与型号较多,工艺难以统一。目前方形电池到模组的成组效率可达到88%,高于软包、圆柱电池的成组效率。三星SDI除了生产方形电池外,还生产18650和21700规格的圆柱电池,主要应用于消费类电池领域。同样,CATL除了主打的方形电芯,2018年也在小批量供应软包电池,CATL的单体容量规格较多,主要有37Ah、43Ah、51Ah、72Ah、148Ah、153Ah等。与三星SDI相比,CATL通过加大电芯厚度来提升电芯容量,从而在一定程度提高其能量密度,然而CATL在电芯的制造工艺、模组集成轻量化方面较三星SDI稍差。

松下动力电池:采用的是NCA正极材料,由于NCA正极材料在充放电过程中容易产气的特性,电芯封装以圆柱为主。圆柱形电池的优点主要有生产工艺成熟,产品良率高,有如18650、21700等统一规格型号,整体成本有优势。然而圆柱形电池缺点也比较明显,NCA圆柱形电池由于安全性较差,需要配备非常好的热管理系统,模组以及PACK集成难度大,能量密度利用率较低。另外,除了供应特斯拉的圆柱形电池外,松下还给其它车企供应方形电池,主要配套HV/PHV 车型,对于HV/PHV车型,主要向高输出功率/高容量进行突破,对于BEV车型,则向高能量密度进行突破。

总体来说,软包、圆柱、方形三种形态的电芯中,方形电芯在模组集成过程中难度最小,模组也便于电池PACK的布置集成,大容量电芯便于简化电池管理系统的复杂度,同样易于设计电池PACK的热管理系统。


6.2.2. 化学体系:高镍三元,大势所趋

LG化学:目前软包动力电池主要以正极采用NCM622掺杂LMO、负极采用石墨、涂覆隔膜的化学体系,以后正极材料会发展为712体系。NCM811体系的电池主要以圆柱为主,用于电动巴士上。

三星SDI:目前的动力电池同样以正极NCM 622+石墨负极的化学体系为主,也量产NCA+LMO的正极材料,目前三星SDI的单体锂离子电池产品系列比较齐全,标准产品包括高能量的BEV(纯电动)60Ah、94Ah电池,PHEV(插电式混合电动车)26Ah、37Ah电池(26Ah会逐渐被37Ah取代),HEV(混合电动车)5.2Ah、5.9Ah电池,以及与超级电容器结合应用于低压系统(LVS,low voltage system)的高功率电池(4.0Ah、11Ah)。

松下电池:松下目前的圆柱形动力电池主要为NCA+硅碳负极的化学体系。根据A2Mac1实测数据,特斯拉采用的松下圆柱形电池型号从Model S、Model X的18650逐步过渡到Model 3的21700,NCA正极材料配比由Ni:Co:Al=0.82:0.15:0.03升级为Ni:Co:Al=0.9:0.05:0.05,镍的含量进一步得到提升,钴的含量降至0.05%,极大地降低了电池的原材料成本,领先于NCM的811化学体系。

SKI电池:SKI目前的软包电池正极材料主要为NCM622为主,在2019年应该发展为NCM811混合体系,2020年发展为100%比例的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。

CATL:目前CATL的方形电池正极材料主要为NCM523为主,在2019年应该发展为NCM811体系。负极材料目前主要采用石墨,预计2020年后采用硅碳负极。


6.2.3. 成组效率:方形最优,圆柱最难

LG化学与SKI:目前软包电池虽然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预计在80%左右。


三星SDI与CATL:电芯由于采用的是方形电芯形态,成组效率较高,电芯至模组最高的能量密度转换效率可高达90%。


松下电池:单体能量密度高,但是由于单体数量众多,需要众多结构辅助件,系统集成难度较大,电芯至模组和电池包的集成效率较低。18650升级为21700,单体使用数量减少,一定程度上提高了集成效率。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)的电池包由7104个电芯96S74P组成,能量密度148.4Wh/kg,集成效率为60.41%;Model 3的电池包由4416个电芯组成,能量密度167Wh/kg,集成效率为64.2%。

6.2.4. 能量密度:松下领跑,三星较慢

LG化学:电芯能量密度在250Wh/kg左右,体积能量密度在530Wh/L左右,可以满足整车400km的续航里程需求。


三星SDI:在能量密度的提升上,和国内通用的以Wh/kg所不同,所采用的标准是Wh/L,三星认为对于乘用车来讲,Wh/L其实意义更重要。目前,三星的第3代动力电池能量密度是在550Wh/L,相当于210-230Wh/kg,已经实现量产。


松下:根据A2Mac1实测数据,在单体容量上,松下由NCR 18650B型号的3.2Ah提升至21700NCA型号的4.8Ah,电压平台由3.6V提升至3.7V。随着单体容量和单体电压的提升,能量密度由NCR 18650B的245.1Wh/kg提升至21700NCA的260Wh/kg,后续可以提升到300Wh/kg,在体积能量密度方面21700远高于18650,经计算可知松下的21700电芯体积能量密度高达732Wh/L。


SKI:在2018年量产的64Ah规格的软包电芯能量密度可达260Wh/kg,体积能量密度可达540Wh/L。


CATL:目前量产的153Ah规格电芯能量密度可达217Wh/kg,体积能量密度可达510Wh/L。

6.2.5. 循环寿命:圆柱电芯寿命低于软包方形电芯

LG化学具有较好的循环寿命,能到达到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较为接近,日本的电池循环寿命显著偏低。

国内外技术相近,CATL不惧竞争:从电池形态、化学体系、成组效率、能量密度和循环寿命等五个维度对LG化学、三星SDI、松下、SKI、CATL的动力电池进行综合对比,CATL以NCM523体系的正极材料做出与三星SDI能量密度相近的产品,某些产品甚至高于三星SDI,循环寿命同样具有一定的竞争优势。考虑电芯至模组的成组效率,CATL与LG化学、SKI、松下在模组层面的具有很强的技术竞争力。

6.3

全球动力电池企业未来技术规划

6.3.1. 电池技术的发展路径

LG化学:LG电芯依然为软包形态,在长度上会根据整车需求考虑加长,主要有两个好处:提供电芯到模组的能量密度转化率,提到能量密度(上升约13%)。模组形式采用VDA模组和长模组形式,减去散热铝板采用软包边缘导热胶形式,提升散热性能,简化模组结构,改善电芯至模组的能量密度转化率,提升模组能量密度。2020-2022年单体能量密度将达到300Wh/kg,体积能量密度将达到700Wh/L,可以满足整车500km的续航里程需求。2023-2024年能量密度将达330Wh/kg,可以满足整车600km的续航里程需求。

三星SDI:下一代3.5代产品能量密度可以达到630Wh/L,预计在2019年量产。同时,三星还在加大力度研发第4代电池,能量密度可以达到700Wh/L,相当于270-280Wh/kg,预计2021~2022年左右量产,此后第5代电池会达到800Wh/L 相当于300Wh/kg,这个产品会在2023年以后量产。300Wh/kg已经是锂电池储能的能量密度极限,2023-2025年就需要通过变革电池创新来进一步提升,目前,三星也在做新型电池的基础研发,样品可以做出来,但距离产业化量产还比较远:在2015年,三星SDI的全固态电池试制样品已经可以达到300Wh/kg(采用硫化物类的固态电解质),至于锂金属电池、锂空气电池,三星SDI现在只是实验室开发,真正应用可能要10年之后,届时能量密度有望达到900Wh/kg,一次充电可行驶700km的目标。

松下:松下的动力电池未来发展方向主要分为两大类,方形电池主要应用于高功率输出的HV和PHEV领域,圆柱电池主要应用于高能量密度的EV领域。并且会通过进一步优化镍钴含量比例,开发继续引领高能量密度优势的新型材料。发展新的结构电池单体以提高其安全性和容量。

SKI:SKI在2019年正极材料体系将由NCM 622升级为掺杂NCM 811的NCM 622体系,负极材料在2021-2022年将由石墨升级为硅碳负极。产品规格将包括63Ah、70Ah、75Ah、80Ah、86Ah、90Ah等,使用寿命方面将保证10年24万公里,快充方面将10min可满足100km的续航里程需求。2020年的能量密度目标为284Wh/kg,2021年的能量密度目标为294Wh/kg,2022年能量密度有望达到314Wh/kg,随着硅碳负极的使用在2023年能量密度将达到319Wh/kg。

CATL:CATL未来的技术发展趋势可以从材料体系、电芯、模组、PACK等几个方面分析。


材料体系方面:CATL目前的正极材料主要为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,CATL一直致力于高电压平台的正极材料研发,并有望在2020年后量产且改善电芯的能量密度;同时,在2020年左右CATL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。


电芯方面:CATL目前通过加厚电芯尺寸,将单体电芯的容量做到153Ah,显著改善其单体的能量密度,未来的发展方向可能将高度由当前的108mm做到100mm以内,利于扁平的电池PACK设计,更好地便于整车底盘设计,增强车身内部的空间体验。另外,CATL在快充电芯方面积累深厚,目前已有43Ah的三元快充产品量产,最大充电倍率可达4C,即最快可以25分钟充满电量,待成本改善后,将彻底解决电动车充电速度慢的痛点。2019年电芯的能量密度将达230Wh/kg,2020-2021年电芯的能量密度将达265Wh/kg。


模组方面:为了便于电池包PACK的集成,CATL在未来将会推出标准模组外的Combo 模组、Sandwich模组和低高度模组,能量密度以及转化率都将得到显著提升。集成效率在2019年将从2018年的83%提升至86%,2020年将会达到89%-90%,2021-2022年将会达到91%-92%。


PACK方面:CATL2018年电池PACK的能量密度在150-160Wh/kg,2019-2020年能量密度将达180Wh/kg,2021年以后能量密度将达210Wh/kg。冷却系统均采用水冷方式,冷却板为口琴管形式,在2019年将会与电池包托盘集成为一体,提高集成效率。集成效率2018年在72%左右,2019年有望提升至76%,2021年有望达到80%的目标。

6.3.2. 材料体系的发展趋势

LG化学未来从622做到70%的镍,10%的钴和20%的锰以达到712。而NCMA是LG的一个中长期目标,通过向NCM添加氧化铝,使镍含量接近90%,钴含量低于10%。目前的情况是622软包电芯正在量产,712型正在积极开发,会在两到三年内进行大规模生产。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,第三代电池主要的发展方向是增加能量密度(增加镍含量),降低成本(减少钴含量)和提高充电性能(引入人造石墨负极)。


三星SDI未来采用NCA材料,因为锂离子在循环往复的使用过程中,容易在NCA表面形成一些残留,会影响它的使用寿命。三星SDI通过在NCA表面做一层金属的涂布,减少残留,提高它的使用寿命。


松下已开发出的正极材料有镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等,并已经在规模化应用。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。


SKI目前的软包电池正极材料主要为NCM622为主,在2019年应该发展为NCM811混合体系,2020年发展为100%比例的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。


CATL目前的正极材料主要为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,CATL一直致力于高电压平台的正极材料研发,并有望在2020年后量产且改善电芯的能量密度;同时,在2020年左右CATL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。

来源:安信电新

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