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1、1/12 新能源策略研究團隊王稹 韓若冰王成桑永亮張赟本報告導讀：主要內容包括：電池的歷史發展，工作機理，參數對比，性能對比，應用領域，工藝流程，中日美在技術和制造上的差距，中國電池企業的發展。投資要點：究竟是什么力量推動了電池產業的發展？我們認為，每次新材料的應用讓電池性能有了質的飛躍，每次正負極材料或電解液的改進也促使電池質量會有一定幅度的提升。z 電池的發展史，正是一部材料科技的進步史。工藝的改進使電池量變，新材料的發明促使電池質變。可以預見的是，采用含有鋰元素的導體材料 離子化合物、聚合物）作為電極材料是高能電池的最佳選擇，只是，多元素鋰離子化合物的發現需要材料技術的繼續進步。z 提升2、儲能潛力，提高能量密度，這始終是電池技術不斷發展的最直接的理念之一。但是，十全十美者尚不存在，特別是高功率與高能量是難以兼得的。而且，我們也會發現，不同產品對電池具有多樣化需求。因而，電池材料的開發也是多樣化的。z 對比各項表象性能，安全、價格、壽命都是必須要考慮的指標，這決定了某類電池能否廣泛應用。由于，鋰離子電池的性能優越，不同正極材料的鋰離子電池的性價比差異滿足不同應用的市場需求，因而，鋰離子電池形成了對其他各類電池的幾乎全面替代趨勢。z 盡管，我們對電池制造的印象是勞動密集，但是，從電池產業鏈來看，同樣是技術密集的，特別是資源開采加工與電池材料制備更多地涉及材料學科。通過圖示鉛酸電池、3、鎳氫電池、鋰離子電池制造的主要工藝流程環節，我們指出了國內電池產業的發展方向與技術瓶頸。z 在電池的產業化方面，中國與日本、美國存在相當大的差距，而這些歸根結底都可以體現在材料技術產業化的國內外差距上。我們認為，依靠電池材料進口，小型單體電池的制造是成熟的；但是，即便解決了電池材料問題，大容量大功率的電池組的設計和制造仍然面臨諸多問題，這也正是電動車用動力電池技術需要突破的關鍵技術難點。z 從中國電池企業轉型發展來看，鋰離子電池行業的市場競爭力很大程度依賴于長期發展的技術積累，而非單純的資金投資，同樣，鋰電池電池材料具有較高的技術壁壘，各細分行業領先企業大多為較早進入行業者。但是，小型鋰離子電4、池業務的技術門檻是很低的，大量中小參與者的涌入導致行業利潤率迅速下降。2/12 1.材料技術的進步，電池工業的發展電池的歷史可以追溯到 1799 年，兩百多年來，始終朝著高容量、高功率、低污染、長壽命、高可靠性的方向發展，應用范圍也隨之擴大。我們在思考，究竟是什么力量推動了電池產業的發展？圖 1：電池發展史大事回顧資料來源：國泰君安證券研究所電池是能量的物質載體，這個載體的基礎實質便是制備所需材料和相關工藝技術。工藝的改進使電池量變，新材料的發明促使電池質變。從鉛酸電池的發明，到鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池的依次出現，新材料的應用讓電池性能有了質的飛躍。就單看某一類電池，每次正負極材料或電解5、液的改進也促使電池質量會有一定幅度的提升。圖 2：電池的發展史，正是一部材料技術的進步史，電池的儲能密度與化石能源相比，仍有巨大差距3/12 是否存在下一代 X 離子電池超越鋰離子電池的性能呢？很難！鋰元素是最輕的一種金屬元素，在金屬元素中化學性能最活潑，電位最負。可以預見的是，采用含有鋰元素的導體材料離子化合物、聚合物）作為電極材料是高能電池的最佳選擇，只是，多元素鋰離子化合物的發現需要材料技術的繼續進步。圖 3：由化學元素周期表來看，似乎再難以找到超越鋰離子化合物/聚合物的正極材料了2.不同的工作機理，不同的電池特性，不同的應用市場這里，我們將從各類電池的工作機理談起，這會涉及一些電化學的6、常識。我們認為，表 1 的內容可以關注幾點：z 電極反應的效率、密度與溫度特性；z 電極反應是否有水 H2O）或者氫氧基 OH-）參與；z 電極反應是否存在產生氣體的可能性；4/12 z 電池材料是否存在污染、腐蝕的可能性；z 電解液中電解質、隔膜的溫度特性。表 1：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池的工作機理人們對于“寶葫蘆”的暢想源自對移動能源的神秘力量的憧憬。作為儲能能源，人們最為關注的電池參數指標是“能量密度”能量比體積）。二十年前，人們不可能想象可以手里拿著卡片一樣的電話機行走全球，這正是電池能量密度提高給人帶來的便利。二十年后，我們可能依然感慨筆記本待機時間的尷尬，這還是電池能量密度造成的7、瓶頸。提升儲能潛力，提高能量密度，這始終是電池技術不斷發展的最直接的理念之一。但是，十全十美者尚不存在，特別是高功率與高能量是難以兼得的。而且，不同產品對電池具有多樣化需求。智能手機關注高能量，電動工具關注高功率，混合動力汽車更在意高功率，純電動汽車更關注高能量，但是，如果都換成“山寨版”呢？因而，電池材料的開發也是多樣化的。圖 4：鋰離子電池的各項參數最為優越，鋰離子電池的不同電極材料的參數差異較大資料來源：國泰君安證券研究所注：我們對各種參數進行了適當的歸一化處理。5/12 圖 5：對于同類電池，高功率與高能量的性能不易兼得，這就形成針對不同應用市場的電池材料的研究對比各項表象性能，安全、8、價格、壽命都是必須要考慮的指標，這決定了某類電池能否廣泛應用。由于，鋰離子電池的性能優越，不同正極材料的鋰離子電池的性價比差異滿足不同應用的市場需求，因而，鋰離子電池形成了對其他各類電池的幾乎全面替代趨勢。我們認為，安全性因素決定了“能還是不能”，性價比因素決定了“換還是不換”。圖 6：表象性能的差異表現了各類電池的優缺點圖 7：鋰離子電池的性能優越，不同正極材料電池的性價比差異，這些注定鋰離子電池的應用趨勢6/12 3.電池制造工藝，關鍵環節與瓶頸簡單的說，電池產業鏈包括：資源開采加工、電池材料制備、電池組裝生產環節，前兩個環節更多地涉及材料學科。我們將鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池制造的主9、要的工藝流程環節圖示出來，是為了指出其中的關鍵環節。表 2：鉛酸電池 維護性、高功率、輕便性是鉛酸電池的發展方向圖 8：鉛酸電池工藝流程示意圖7/12 表 3：鎳氫電池 減少金屬鎳用量、開發高性能貯氫合金是發展方向圖 9：鎳氫電池工藝流程示意圖8/12 圖 10：鋰離子電池工藝流程示意圖表 4：鋰離子電池 高端鋰電池制造的的技術瓶頸依然突出9/12 4.我們的差距，我們的未來上節我們描述了產業鏈的關鍵環節，指出了國內電池產業的發展方向與技術瓶頸。顯然，在電池的產業化方面，中國與日本、美國存在相當大的差距，而這些歸根結底都可以體現在材料技術產業化的國內外差距上。我們對比了中、日、美的鎳氫電池、鋰10、離子電池的材料技術和制造技術。我們認為，依靠電池材料進口，小型單體電池的制造是成熟的；但是，即便解決了電池材料問題，大容量大功率的電池組的設計和制造仍然面臨諸多問題，這也正是電動車用動力電池技術需要突破的關鍵技術難點。圖 11：中國與日本、美國在電池材料方面的對比10/12 圖 12：中國與日本、美國在電池制造技術方面的對比5.技術積累中的中國電池企業我們對國內電池相關企業的主營業務方向的轉移情況進行分析，不完全統計的轉型路線如圖 6 所示。據此，我們注意到：z 鋰離子電池行業的市場競爭力很大程度依賴于長期發展的技術積累，而非單純資金投資統計顯示，鋰離子電池行業前十位的企業幾乎全部為2000 11、年之前進入鋰電領域。對于鎳電池與鉛酸電池行業也有類似情況。z 鋰電池電池材料具有較高的技術壁壘，需要較高的技術支持與積累，以及大量固定資產與技術研發投資，各細分行業領先企業大多為較早進入行業者。鋰離子電池、鎳氫電池成為眾多企業轉型的主流目標產業符合技術發展趨勢，產品性能優秀，應用范圍廣，市場預期好。z 小型鋰離子電池業務門檻較低大量中小型參與者的涌入導致行業利潤率下降，并普遍缺乏技術競爭力。圖 13：電池企業的業務轉型或擴展路線11/12 表 5：國內鋰離子電池前列企業新設或者轉型的高峰期是2000 年附近，符合下游市場需求的變化資料來源：國泰君安證券研究所注：收入單位為億元表 6：國內鉛酸蓄電池行業前列企業的歷史普遍較長12/12 資料來源：國泰君安證券研究所注：收入單位為億元表 7：國內鎳電池行業前列企業的業務轉型或擴展普遍在2000 年前完成資料來源：國泰君安證券研究所注：收入單位為億元表 8：國內鋰離子電池材料行業前列企業的業務的不完全統計資料來源：國泰君安證券研究所注：收入單位為億元資料來源：國泰君安證券研究所