【干货】特斯拉产业链梳理及锂离子电池材料全解

导读

回顾动力锂电发展之初,特斯拉将广泛应用于3C领域的18650引入到动力锂电之中,开辟了一条新能源汽车动力的新道路。但18650受限于体积和关键组件限制,普遍在2.2-3.6Ah之间,而目前动力电池最大的瓶颈仍然在于提高比能量,才能对传统的燃料汽车构成有力竞争。

其主要优点有输出电压高(3.6V)、能量密度大、自放电小、循环寿命长无记忆效应、可快速充放电无有毒有害物质等。缺点是温度影响电池容量以及安全性能不好。目前主要应用领域为消费电子、电动交通工具、大型动力电源以及二次充电及储能领域。

特斯拉Model S专用的松下18650电池

18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。

Model S所用18650电池是松下产的型号为NCR18650B三元材料电池,电容量约3.3mA,电压达到3.6V,能量密度高达243Wh/kg。

在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的钴酸锂电池比能量高出三成,区别来源于结构的不同,它以镍钴铝三元材料为正极材料,以石墨为负极材料,以六氟磷酸锂为电解液。最终达到比能量更大,稳定性、一致性更好的效果。此外,单体电池尺寸小但可控性高,可降低单个电池发生故障带来的影响,即使电池组的某个单元发生故障,也不会对电池整体性能产生影响。

锂电池的构造多种多样,松下三元电池只是其中的一种,以下我们将主要从锂电池的五大核心部件详细解析锂电池。

正极材料

正极材料决定了锂离子电池的主要性质,如能量密度、循环稳定性、安全性等。正极材料目前主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等。目前来看,锂电池正极遵循着从二元材料向三元材料的发展趋势。松下NRC18650B的正极材料是镍钴铝三元材料,俗称NCA。

通过引入Ni含量可提高材料的容量,而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩尔分数80%)从而使电池从原来的2.9Ah提高到了3.3Ah左右,能量密度大大提升。同时受益于三元协同效应,NCA正极材料综合了LiNiO2和LiCoO2诸多优点,性能比使用单一材料优越。而且,该材料用钴量较少,成本较低。

从目前市场角度上看,磷酸铁锂和三元材料为国内最主流的两种正极材料,由于新能源客车对磷酸铁锂电池的需求量较大,磷酸铁锂的市场占有率更高一些,但三元材料以较为迅猛的势头逐渐发展,成为未来的趋势。

无论是磷酸铁锂正极材料还是三元正极材料,都离不开碳酸锂。以特斯拉Model S为例测算一辆新能源汽车的碳酸锂当量需求:松下NCR18650电池单体重量44g,松下官网说明18650电池中正极材料重量占比20~35%,假设其正极材料在30%左右,则重量为15克左右。NCA化学式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2,经过测算x=0.845,分子量为87.5;碳酸锂分子式Li2CO3,分子量为74。按锂元素一比一,两者重量比是74:(87.5×2)=0.423:1。

可知其中1克锂钴镍铝三元正极材料需要0.423克碳酸锂。则生产一节18650NCA三元电池正极材料需要15*0.423=6.345g碳酸锂。一辆ModelS使用了7104节18650电池,折合碳酸锂当量=7104*6.345g=45.1kg,再加上电解液六氟磷酸锂对碳酸锂的需求和工业耗损,预计一辆ModelS对碳酸锂当量需求在60kg左右,折合耗用量为0.73kg/kWh。

按照同样的思路进行计算,我们估计松下三元电池的镍元素耗用量约为0.53kg/kWh。

此外,钴元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料,随着三元材料对碳酸铁锂的替代趋势越来越明朗,钴需求也随之水涨船高。NCA三元材料中钴元素需求量约为0.14kg/kWh。

负极材料

石墨仍为负极材料首选

锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。负极材料是锂离子电池储存锂的主体,使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。

负极材料主要分为以下三类:碳材料(石墨类)、金属氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B电池的负极材料采用石墨材料。

动力电池市场爆发以来,相比于其他材料而言,负极材料价格相对稳定,技术路线以石墨类为主,不存在很大的争议。中国电池网数据显示,以动力锂电池为例,一辆新能源汽车大约需要40千克负极材料,折合石墨耗用量约为0.9kg/kWh。目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主,两者性能有着各自的优缺点,应用领域也有所不同。

碳材料发展最前沿的产品就是石墨烯,它是目前为止发现的最薄的层状材料,以石墨烯作为负极材料可以加大电池的容量。传统石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g,较当前正极材料的能量密度还有相当的裕量。未来提高动力电池能量密度仍是新能源汽车动力方面的关键,尽管价格昂贵或技术尚不成熟,钛酸锂以及硅基复合材料等高端负极材料也逐渐步入负极材料的应用领域。

硅基负极:锂电负极变革趋势

Si基负极材料最大的优势在于极高的理论能量密度(4200mAh/g),远高于石墨。这也符合新能源汽车对电池的要求。从目前趋势上看,未来负极材料的发展方向先向硅基+石墨,最后将由纯硅/金属锂完全取代低能量密度的石墨。

硅基负极材料最大的不足就是膨胀问题,充电后易膨胀碎裂,无法复原,导致材料最终出现粉末化,大大缩短了电池寿命。

在充放电过程中会有300%的膨胀,而相同条件下石墨只有7%。目前松下最新研发的碳硅基复合材料负极中硅的含量达到了10%,可以看出随着技术水平的进步还有很大的发展空间。

负极集流体:锂电铜箔

按生产工艺不同,铜箔又分为压延铜箔和电解铜箔,压延铜箔一般用作建筑装饰材料。由于铜箔的导电性良好、质地较软、延展性好易加工变形,它也是制作锂电池负极集流体的首选材料。锂离子电池集流体的功用是将电池活性物质产生的电流汇集起来,以便形成较大的电流输出,因此集流体应有较低的比表面能从而易于与活性物质充分接触,且有着优良的导电性。

目前,国内外大部分锂电池生产厂家都采用电解铜箔作为锂电池的负极集流体。近年来,新能源汽车快速发展,导致新能源汽车所需的锂电池的需求量也快速增大,而铜箔是锂电池的重要原材料,其需求量当然也随之增大,所以新能源汽车的发展带动了锂电铜箔的发展,对整个铜箔产业产生了不可忽视的影响。

新能源产业的发展导致我国铜箔产品产销结构的巨变,锂电铜箔的产能由2015年的5.9万吨上升至2016年的7.03万吨;产量占比从2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前,锂电铜箔主要应用于数码产品等消费性电子产品,而之后才慢慢应用于动力电池,占比慢慢提高。

在锂电池中,铜箔的耗用量大致为0.9kg/kWh。根据铜冠铜箔的数据,2016年我国的锂电铜箔的产能为7.03万吨,而2017年锂电铜箔的需求将上升至8万吨,供给缺口明显。由于新建锂电铜箔项目建设周期较长,约为24个月,想要弥补缺口的难度非常大,铜箔加工费在刚性需求的支撑下持续上涨。

电解液

电解液,是锂离子电池中是作为带动锂离子流动的载体,对锂电池的运行和安全性具有举足轻重的作用。锂离子电池的工作原理也就是其充放电的过程,表现为锂离子在正负极之间的穿梭,而电解液正是锂离子流动的介质。

根据中国电池网的推算,在电解液的成本构成中,溶剂约占30%,添加剂约占10%,最主要的成分溶质约占60%。市场上的溶质以六氟磷酸锂(LiPF6)为主,松下NCR18650电池也选用了六氟磷酸锂作为溶质,每kWh锂电池需要0.15kg的六氟磷酸锂。六氟磷酸锂同样可以通过碳酸锂制备。

隔膜

隔膜的主要作用是保障正负极分开的情况下锂离子自由流通,是保障电池安全的最重要部分之一。隔膜能够浸润在电解液中,而且表面上有大量允许锂离子通过的微孔。微孔密度以及材料选择、厚度等等特性都会影响锂离子穿过隔膜的速率从而影响电池性能。中国产业信息网估计,锂电池中隔膜的耗用量大致为20m2/kWh。

松下供应给特斯拉的电池所使用的隔膜,由住友化学供应。住友化学隔膜采用单层PE作为基体材料,湿法工艺加工处理。与干法工艺相比,湿法工艺的投资成本较高,但可以提高膜表面微孔数量,且生产的隔膜更薄。这也是湿法工艺最大的优势,其薄膜厚度可以低至9μm,而干法工艺制作的隔膜厚度通常在20-40μm。

锂电池结构件

作为锂电池和电池模组的重要组成部分,精密结构件主要包括铝/钢壳、盖板、连接片等,对锂电池的安全性、密闭性、能源使用效率等都具有直接影响。由于新能源汽车在使用过程中需要大量的电芯串、并联在一起保证能量供应,导致需要使用大量的结构件产品以保证动力电池的安全。

锂电池外壳保护电池在储存和使用过程中免受外界损坏并维持电池内部稳定性,对电池的安全性、密封性和一致性等方面都有直接影响,是锂电池重要组成部分之一。根据锂电池形状的不同,其所采用外壳材料各有差异:圆柱型电池外壳以钢壳为主。方形电池外壳以铝壳居多,软包电池主要使用铝塑膜和极耳来封装。

电池接触片是电池上的一个重要组成部分,采用铜,铁,不锈钢等材料制成。电镀镀金、银、镍、锡。安装在导电膜上的电池接触片受到按压时,接触片中心点接触电池形成回路,电流通过。它具有导通性强、手感佳等特点。

目前来看,在保障电池结构件原有作用性能和安全性的前提下,电池包的轻量化是结构件生产最重要的目标,动力电池企业对锂电池精密结构件制造企业在新产品、新技术等方面提出了更多的要求。同时更多的精密结构件制造企业通过优化电池系统的设置进一步实现轻量化。

回顾动力锂电发展之初,特斯拉将广泛应用于3C领域的18650引入到动力锂电之中,开辟了一条新能源汽车动力的新道路。但18650受限于体积和关键组件限制,普遍在2.2-3.6Ah之间,而目前动力电池最大的瓶颈仍然在于提高比能量,才能对传统的燃料汽车构成有力竞争。

因此,特斯拉新款Model3将采用21700电池全面替代之前成熟的NCR18650。

能量密度更大

21700电池的能量密度要优于18650电池。根据目前特斯拉披露的信息,在现有条件下,其生产的21700电池系统的能量密度在300Wh/kg左右,比其原来18650电池系统的250Wh/kg约提高20%,容量也将达到4.8Ah左右。

究其原因,21700在保有高镍含量的NCA三元正极材料的同时,负极材料由原来的100%的碳基材料升级为掺有10%左右Si的碳硅复合材料。前文已述Si的理论能量密度要远高于石墨,但存在容易膨胀的缺陷。21700也是首次将碳硅复合材料负极运用到动力电池中,具有里程碑意义。

同时因为能量密度的提升,相同容量的电池组需要的电芯数量会大幅减少,BMS更简单,PACK所需要的附件更少,轻量化都会有大幅度提升。

成本不升反降

根据Tesla披露的电池价格信息,预计21700的动力锂电池系统售价为170美元/Wh,相比18650的售价185美元/Wh,价格下降幅度可达8.1%左右。18650的系统的成本约为171美元/Wh,改用21700后,系统成本约能实现9%左右的降幅,达到155美元/Wh。

单体容量提升后,PACK所需配件数同比例减少带动PACK成本下降。从18650型号切换至21700型号后,电池单体电池容量可以达到4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需电池的数量可减少约1/3,TeslaModels电动汽车使用7104节18650电池串并联成电池组,预计在新款MODEL3电池节数将大幅减少。在降低系统管理难度的同时将同比例的减少电池包采用的金属结构件及导电连接件等配件数量。

由于整个电池系统都相应简化,带动成本下降。特斯拉的电池占到整车成本的三成以上,那么我们预计整车的成本都相应的出现可观的下降。

特斯拉电池产业链

根据seekingalpha的推算数据,以特斯拉ModelS为例,其电池系统价值占整车成本的33.23%。在特斯拉的电池系统里,价值最高的毫无疑问是单体电池,其成本可占整个动力电池系统的83%。

我们再继续拆解单体电池的成本,由于没有松下电池最精确的数据,就以业内估计的动力锂电池数据作为参考。其中,占比最高的是正极材料,一般在30%-40%之间;隔膜和电解液均在15%-20%之间。

由于特斯拉的电池系统可以分为两个层次:单体电池以及电池组管理系统,那么以特斯拉电池为原点、以这两个层次为路径向上游追溯,则可以梳理出其完整的产业链。

新能源汽车产业的飞速发展为最上游的原料供应商提供了超预期的需求增量,这也是钴、锂等金属价格飞涨的核心原因。以特斯拉的松下NCA电池为例,我们汇总了前文分析的各类原料的耗用状况。随着未来新能源汽车的渗透率不断提高,相关原料的需求增长将会非常可观。

特斯拉电池产业链供应商全梳理

松下电器是特斯拉电池的唯一供应商,二者的合作从2011年就已经开始。2013年特斯拉和松下续签4年合同,松下将在未来4年内向特斯拉提供约20亿块电池。由于松下电池的产能仍不足以满足特斯拉的生产需求,二者又在2014年签订协议,合作建立Gigafactory电池超级工厂,计划年产能35GWh,目前已于2016年开业,计划在2018年生产出超过2013年全球产量总和的锂离子电池。因此,未来特斯拉在单体电池这一块将会逐步走向自给自足。

如果说松下电池为电动车的续航能力与快速加速提供了可能,那么特斯拉自主研发的电池管理系统将这种可能变成了现实。特斯拉BMS能够提供精确的电池健康状态预估技术、电池平衡管理技术、电池残电量管理技术、电池热管理技术、诊断与预警技术。这是这个BMS使得电动车在续航里程、电池寿命、充电时间达到实用性的要求,从而开启新能源汽车潮流的新时代。

由于松下电器是特斯拉单体电池的直接供应商,电池管理系统则是特斯拉自主研发的。因此要进入到特斯拉电池产业链之中,只能采取成为松下的供应商或者是特斯拉的认证供应商的方法。对此,我们进行了细致的梳理:

电池管理系统

特斯拉的电池管理系统的技术来源于自主专利,而零配件采取了全球化采购策略,由全球最大车用线材厂日本矢崎以及台湾贸联提供线束,世界上最大的模拟电路技术部件制造商德州仪器提供芯片处理器。

国内的均胜电子则为特斯拉的电池管理系统提供传感器原件。公司2015年的年报信息披露,公司在BMS方面是宝马全球独家供应商,而在报告期内也开始为特斯拉供应部分传感元器件。而到了2017年,在特斯拉最新下线的Model3上,公司旗下的普瑞(Preh)和百利得(KSS)分别为特斯拉的安全气囊、方向盘和电池充电系统等多个系统和部件提供产品和技术。

常铝股份7月10在投资者互动平台上披露动力电池散热系统用铝材通过特斯拉一级供应商已应用于特斯拉车辆的。

单体电池

松下电池的供应商比较固定,尤其是和住友财团的企业合作密切。比如,住友金属矿山负责提供正极材料,住友化学提供隔膜。在其他方面,日立化成负责提供负极材料,三菱化学提供电解液。

与此同时,国内也有不少企业获得了松下电器的供应商认证,借此打入特斯拉供应链。根据各公司在公开平台上披露的信息,中国宝安旗下贝瑞特为松下提供锂电池负极材料,新宙邦为松下提供电解液,长园集团子公司江苏华盛给松下供应电解液添加剂量。

由于Gigafactory的建立,也有部分企业也相当于是直接为特斯拉供应零部件,比如安洁科技与旗下新星控股为松下供应电子精密构件,科达利为特斯拉提供电池连接件。

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