锂离子电池负极材料行业技术水平博鱼boyu体育官方平台下游应用分析

2024-09-04 19:41:00
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  锂离子电池负极材料生产企业主要采用“委外加工为主的经营模式”和“一体化生产经营模式”。“委外加工为主的经营模式”是指生产企业受资金不足、生产场地受限、产能不足、成本控制等因素影响,将石墨化或其他单个或多个工序委托外部企业加工。“一体化生产模式”是指生产企业自建粗破、造粒、预碳化、石墨化、成品加工等全工序生产线,该经营模式投资规模较大,对生产管理、工艺控制能力要求较高,但生产效率较高,能有效降低生产成本,控制产品品相的稳定性。

  锂离子电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料组成,负极材料是锂离子电池的重要组成部分,主要作用是储存锂离子。

  1991 年,日本索尼公司最早采用钴酸锂作为正极、碳作为负极材料生产锂离子电池,产品主要用于照相机、摄像机、随身听等消费电池,经过数十年的发展,负极材料经历了石油焦、中间相炭微球碳材料、天然石墨、改性天然石墨、人造石墨等阶段,目前主流锂离子电池负极材料包括人造石墨和天然石墨两种。随着负极材料的不断更迭,其空容量、结构稳定性、和电解液的兼容性、快速充放电能力、循环寿命等性能特性及材料成本优势逐渐突出,应用领域由消费电池扩展至动力电池、储能电池,并且在动力电池领域占据主流地位。

  2020 年以来,我国锂离子电池行业以深化供给侧改革为主线,加快提升产业链供应链现代化水平,加快技术创新和转型升级发展,不断提升先进产品供给能力,总体保持快速增长态势。2018-2023 年我国锂电池产量从 102GWh 增长至940GWh,CAGR 达到 55.9%,我国负极材料出货量由 2018 年的 20.3 万吨增长至2023 年的 171.1 万吨,CAGR 达到 53.2%。

  锂离子电池负极材料根据选材不同,可分为天然石墨负极材料和人造石墨负极材料。

  天然石墨具有储量大、成本低、安全无毒等优点,但天然石墨的颗粒外表面反应活性不均匀,晶粒粒度较大,在充放电过程中表面晶体结构容易被破坏,存在表面 SEI 膜覆盖不均匀,导致初始库仑效率低、倍率性能不好等缺点。

  人造石墨由石油焦、沥青焦、冶金焦、中间相炭微球、针状焦等焦炭材料经高温石墨化处理得到,其中针状焦作为一种新型炭材料具有良好的石墨微晶结构,针状的纹理走向,是制备锂离子电池负极材料的理想碳源,因其易于石墨化、电导率高、价格相对低廉、灰分低等优点,同时又具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性,以保证高电压、大容量和循环寿命长及电流密度的要求,成为近年负极材料市场上的主流产品,但与天然石墨相比,人造石墨的成本更高。

  随着新能源汽车用锂电池等动力电池及储能电池用量的逐渐增加,高容量、高倍率、高安全性将成为锂电池发展的方向,人造石墨因颗粒外表面反应更均匀、倍率更高等优势,成为锂电池的主要负极材料;而针状焦因其易于石墨化、电导率高等优点,成为人造石墨主要原材料。

  从生产工艺来看,造粒和石墨化是负极材料技术门槛最高,且最能体现生产企业工艺水平的核心环节。

  造粒工序决定了石墨颗粒的大小、分布和形貌,并会影响负极材料多个重要性能指标。总体来说,石墨颗粒越小,其倍率性能和循环寿命越好,但首次效率和压实密度越差,反之亦然。因此,合理的粒度分布(将大颗粒和小颗粒混合)可以提高负极的比容量;此外,颗粒的形貌对倍率、低温性能等也有比较大的影响。目前,能根据客户需求为其调制最优石墨颗粒配置已成为负极材料生产企业的核心技术竞争力。

  除了造粒工序,石墨化工序亦是负极材料生产工艺的核心工序,也是能耗最高的工序。石墨化工序的作用是将碳原子由热力学上不稳定的“二维无序重叠”排列转变为“三维有序重叠”排列。石墨化工艺通过石墨化炉来实现,负极材料石墨化过程采用的炉型有艾奇逊石墨化炉、内串石墨化炉、箱式石墨化炉及连续式石墨化炉等。目前应用最多、最为普遍的是艾奇逊石墨化炉,艾奇逊石墨化炉耗电量较大,箱式石墨化炉和连续石墨化炉是近几年开发的新型炉型,箱式石墨化炉发展速度较快。与艾奇逊石墨化炉相比,箱式石墨化炉、连续石墨化炉耗电量更小、热利用率更高、热损失较小,产品质量均匀稳定,是目前石墨化炉发展的主要方向。

  全球负极材料主要由中国、日本和韩国生产,其中中国产量占比超过 90%,是世界最大的负极材料生产地。

  从国内区域分布看,早期负极材料厂商主要分布在经济发达的沿海地区;近年来,随着新能源汽车、储能等下游需求的快速扩大,负极材料生产企业出于成本控制等因素考虑,将生产场所选择在电力资源更为丰富、电价更为优惠的地区,如内蒙古、四川、青海、山西等地。

  负极材料行业的季节性主要受下业的影响。新能源汽车、消费电子等终端应用领域一般在下半年,特别是第四季度为销售旺季;受春节等节假日影响,每年的一季度为行业销售淡季。

  负极材料行业与锂电池市场需求及行业产能、竞争格局等高度相关,在宏观经济环境、行业企业产能扩张、上游原材料供应状况、下游新能源汽车博鱼boyu体育官方平台、储能、消费电子等行业需求多因素影响下呈现周期性波动。

  锂离子电池主要应用于动力电池、消费电池和储能电池,不同应用领域发展状况如下:

  动力电池是锂离子电池最大的应用领域,广泛应用于新能源汽车、电动工具、电动自行车等,其中新能源汽车是近年来增长最快、应用规模最大的领域,作为新能源汽车的核心部件,动力电池的成本占整车成本的 30%-40%。

  为调整能源结构,实现“碳达峰、碳中和”目标,国家出台了多种针对新能源汽车的优惠政策,如购车优惠、补贴等,同时,随着电动汽车续航里程和充电技术的不断提高,电机、电控、电池等技术进步,新能源车性能逐渐接近或超越传统汽车,国内电动汽车的销量逐渐增长。2023 年,全国新能源汽车产量 958.7万辆,全国新能源汽车动力电池装车量约 387.7GWh,成为锂电池最主要的应用场景。

  消费电池是锂离子电池另一重要应用领域,主要应用在笔记本电脑、平板电脑、智能手机等电子产品,消费电池行业已趋于成熟,整体需求相对稳定。2020 年起,全球居家办公人员、移动办公需求增加,笔记本电脑、平板电脑的需求量有所增长,近两年受消费端需求下滑、全球经济不景气等因素影响,笔记本电脑、平板电脑的需求量有所下降。

  2022 年 3 月,国家发展改革委、国家能源局印发了《“十四五”新型储能发展实施方案》,提出到2025 年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段。到2030 年,新型储能全面市场化发展。

  2021 年底,我国累计新型储能装机仅5.7GW,2022 年,我国新增新型储能装机6.9GW/15.3GWh,累计装机首次突破 10GW,达到13.1GW/27.1GWh博鱼boyu体育官方平台,增长率达到 89.86%,2023年我国储能型锂电池产量首次突破 100GWh,储能锂电累计装机增速超过 130%,风光储能、通信储能、家用储能等储能领域加快兴起并迎来增长窗口期,预计未来数年内,我国储能装机量将维持较高增速,储能锂电池的市场需求可期。

  国内锂电池负极材料的行业集中度相对较高,贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、尚太科技、中科电气、翔丰华等公司进入锂电池负极材料时间较早,形成了一定的技术和资金壁垒,同时在客户资源、工艺技术、生产成本等方面具有较强的竞争优势,2023 年,上述企业市场占有率达到 71.71%。

  主要从事锂离子电池负极材料、正极材料及先进新材料的研发、生产和销售,主要产品包括天然石墨负极材料、人造石墨负极材料、硅基负极材料及高镍三元正极材料等。

  主营业务为锂离子电池负极材料、LCD 偏光片业务,杉杉股份是国内第一家从事锂离子电池人造石墨负极材料研发、生产企业,在锂电池材料领域已有 20 多年的研发和产业化生产实践,是全球负极材料龙头。

  专注于新能源电池关键材料及自动化装备领域,主营业务涵盖负极材料、涂覆隔膜、PVDF 及粘结剂、复合集流体、铝塑包装膜、纳米氧化铝及勃姆石等材料,同时为新能源电池、电池材料提供自动化工艺装备及智能制造体系的服务。

  主营业务包括锂电负极业务和磁电装备业务。锂电负极业务主要产品为锂离子电池负极材料,中科电气专注于锂离子电池负极材料的研发和生产二十余年,是最早布局动力锂电负极材料的企业之一。

  主营业务为锂离子电池负极材料以及碳素制品的研发、生产和销售。尚太科技主要从事人造石墨负极材料的自主研发生产,并围绕石墨化炉这一关键生产设备,提供负极材料石墨化工序的受托加工业务。

  主要从事锂电池负极材料的研发、生产和销售,是国内先进的锂电池负极材料供应商,现产品主要为石墨负极材料,产品广泛应用于包括动力(电动交通工具,如新能源汽车、电动自行车等)、3C 消费电子和工业储能等锂电池领域。

  锂离子电池负极材料行业属于资金密集型、技术密集型行业,设备、工艺的先进性、技术的领先程度直接决定了锂电池的循环寿命、首次效率、压实密度、电解液兼容性等性能指标。因此,锂离子电池负极材料行业具有技术、工艺、资金等方面的进入壁垒。

  锂离子电池负极材料生产工艺涉及粗破、造粒、预碳化、石墨化、成品加工等主要工序,各主要工序涉及原料甄选检验、精碎分级、二次造粒等数项细致工序,从原料投产到成品出货需要经过十余道工序。针对成品的技术要求,多个重点工序需要设置不同的技术参数,生产企业需要不断积累技术诀窍、调制不同应用领域产品的最优配方才能在满足客户需求的同时,提高产品成品率、降低单位成本。

  从技术形成角度看,负极材料的工艺复杂、研发周期长、品控难度大,生产企业需要具有较强的应用技术实力和长期的化工领域经验积累,才能形成稳定的批量制备能力。从客户需求看,锂离子电池负极材料的下游客户为锂电池生产企业,锂电池应用在新能源汽车、笔记本电脑、平板电脑、储能电池等众多领域,且对安全性要求非常高,因此负极材料的安全性、兼容性、稳定性尤为重要,如果生产企业的技术能力不足,产品循环寿命、压实密度、电解液兼容性未达标,会大幅降低锂电池的安全性。

  因此,进入锂电池负极材料行业需要在同类或相关化工领域拥有长期技术沉淀和积累,并不断地进行技术、工艺创新,提高生产效率和产品品相,才能满足客户需求,对于新进入者形成较高的技术和工艺壁垒。

  负极材料的生产工艺较为复杂,对生产设备的要求较高。近年来,随着行业技术的不断进步,负极材料生产设备更迭速度加快,为保证产品品相及成材率、控制产品成本,生产企业需要不断进行设备更迭,而新进入企业为实现成本优势,需要购置最新设备建设生产线,设备购置成本更高。贝特瑞、杉杉股份等行业领先企业通过多年的资金积累,资金实力雄厚,在新产线建设、新设备购置等方面具有较为明显的资金优势,对后入者形成较明显的资金壁垒。

  质量控制、成本控制是负极材料生产企业塑造竞争优势的重要手段,管理水平的高低直接决定企业生产效率和运营效率。通过持续的系统化管理,行业内企业可以有效保证产品的品质,并按时交付;通过精益化管理,发挥规模优势,可以有效控制产品生产成本,持续保持竞争优势。

  先进的管理模式是企业长期积累形成的,建立完善且符合行业生产经营特点的管理体系需要较长的时间,并对行业新进入者形成了一定的管理壁垒。

  锂电池生产企业对产品安全性要求较高,因此对于负极材料供应商的筛选较为严苛、认证周期较长,通常要经过小试、中试、大试、小批量等一系列筛选流程,并综合考虑供应商的管理能力、产品品相、生产能力等。负极材料生产企业通过客户的认证并进入供应链管理体系后,与锂电池生产商的粘性较强,锂电池生产商一般不会轻易变更主要负极材料供应商。

  对于负极材料行业新进入者,客户已与同行业竞争对手建立了长期稳定的合作关系,且客户认证周期较长,即使通过合格供应商认证,也不会直接成为第一级供应商,因此对行业新进入者形成了一定的客户壁垒。

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