量變與質(zhì)變-《電池行業(yè)專題報告》之《技術(shù)篇》(

1、   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(dǎo)讀：主要內(nèi)容包括：電池的歷史發(fā)展，工作機理，參數(shù)對比，性能對比，應(yīng)用領(lǐng)域，工藝流程，中日美在技術(shù)和制造上的差距，中國電池企業(yè)的發(fā)展。投資要點：    究竟是什么力量推動了電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？我們認為，每次新材料的應(yīng)用讓電池性能有了質(zhì)的飛躍，每次正負極材料或電解液的改進也促使電池質(zhì)量會有一定幅度的提升。z 電池的發(fā)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(fā)明促使電池質(zhì)變?？梢灶A(yù)見的是，采用含有鋰元素的導(dǎo)體材料（離子化合物、聚合物）作為電極材料是高能電池的最

2、佳選擇，只是，多元素鋰離子化合物的發(fā)現(xiàn)需要材料技術(shù)的繼續(xù)進步。z 提升儲能潛力，提高能量密度，這始終是電池技術(shù)不斷發(fā)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(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)品對電池具有多樣化需求。因而，電池材料的開發(fā)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(biāo)，這決定了某類電池能否廣泛應(yīng)用。由于，鋰離子電池的性能優(yōu)越，不同正極材料的鋰離子電池的性價比差異滿足不同應(yīng)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(chǎn)業(yè)鏈來看，同樣是技術(shù)密集的，

3、特別是資源開采加工與電池材料制備更多地涉及材料學(xué)科。通過圖示鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池制造的主要工藝流程環(huán)節(jié)，我們指出了國內(nèi)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向與技術(shù)瓶頸。z 在電池的產(chǎn)業(yè)化方面，中國與日本、美國存在相當(dāng)大的差距，而這些歸根結(jié)底都可以體現(xiàn)在材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的國內(nèi)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(shè)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(shù)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難點。z 從中國電池企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展來看，鋰離子電池行業(yè)的市場競爭力很大程度依賴于長期發(fā)展的技術(shù)積累，而非單純的資金投資，同樣，鋰電池電池材料具有較高

4、的技術(shù)壁壘，各細分行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)大多為較早進入行業(yè)者。但是，小型鋰離子電池業(yè)務(wù)的技術(shù)門檻是很低的，大量中小參與者的涌入導(dǎo)致行業(yè)利潤率迅速下降。1. 材料技術(shù)的進步，電池工業(yè)的發(fā)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(fā)展，應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大。我們在思考，究竟是什么力量推動了電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？   圖 1：電池發(fā)展史大事回顧            

5、;         資料來源：國泰君安證券研究所    電池是能量的物質(zhì)載體，這個載體的基礎(chǔ)實質(zhì)便是制備所需材料和相關(guān)工藝技術(shù)。工藝的改進使電池量變，新材料的發(fā)明促使電池質(zhì)變。 從鉛酸電池的發(fā)明，到鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池的依次出現(xiàn)，新材料的應(yīng)用讓電池性能有了質(zhì)的飛躍。就單看某一類電池，每次正負極材料或電解液的改進也促使電池質(zhì)量會有一定幅度的提升。圖 2：電池的發(fā)展史，正是一部材料技術(shù)的進步史，電池的儲能密度與化石能源相比，仍有巨大差距   

6、0;  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(xué)性能最活潑，電位最負。可以預(yù)見的是，采用含有鋰元素的導(dǎo)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(fā)現(xiàn)需要材料技術(shù)的繼續(xù)進步。 圖3：由化學(xué)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(yīng)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(xué)的常識。我們認為，表1 的內(nèi)容可以關(guān)注幾點：z 電極反應(yīng)的效率、

7、密度與溫度特性；z 電極反應(yīng)是否有水（H2O）或者氫氧基（OH-）參與；z 電極反應(yīng)是否存在產(chǎn)生氣體的可能性；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(zhì)、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(guān)注的電池參數(shù)指標(biāo)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瓶頸。  &#

8、160; 提升儲能潛力，提高能量密度，這始終是電池技術(shù)不斷發(fā)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(chǎn)品對電池具有多樣化需求。智能手機關(guān)注高能量，電動工具關(guān)注高功率，混合動力汽車更在意高功率，純電動汽車更關(guān)注高能量，但是，如果都換成“山寨版”呢？因而，電池材料的開發(fā)也是多樣化的。圖 4：鋰離子電池的各項參數(shù)最為優(yōu)越，鋰離子電池的不同電極材料的參數(shù)差異較大                

9、  資料來源：國泰君安證券研究所                                注：我們對各種參數(shù)進行了適當(dāng)?shù)臍w一化處理。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(yīng)用市場的電池材料的研究    

10、對比各項表象性能，安全、價格、壽命都是必須要考慮的指標(biāo)，這決定了某類電池能否廣泛應(yīng)用。由于，鋰離子電池的性能優(yōu)越，不同正極材料的鋰離子電池的性價比差異滿足不同應(yīng)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(xiàn)了各類電池的優(yōu)缺點  圖 7：鋰離子電池的性能優(yōu)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(yīng)用趨勢     3. 電池制造工藝，關(guān)鍵環(huán)節(jié)與瓶頸    簡單的說，電池產(chǎn)業(yè)鏈包括：資

11、源開采加工、電池材料制備、電池組裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)，前兩個環(huán)節(jié)更多地涉及材料學(xué)科。我們將鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池制造的主要的工藝流程環(huán)節(jié)圖示出來，是為了指出其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。表2：鉛酸電池維護性、高功率、輕便性是鉛酸電池的發(fā)展方向  圖 8：鉛酸電池工藝流程示意圖表 3：鎳氫電池減少金屬鎳用量、開發(fā)高性能貯氫合金是發(fā)展方向圖 9：鎳氫電池工藝流程示意圖圖 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(shù)瓶頸依然突出  4. 我們的差距，我們的未來     上節(jié)我們描述了產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指出了國內(nèi)電池產(chǎn)

12、業(yè)的發(fā)展方向與技術(shù)瓶頸。顯然，在電池的產(chǎn)業(yè)化方面，中國與日本、美國存在相當(dāng)大的差距，而這些歸根結(jié)底都可以體現(xiàn)在材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的國內(nèi)外差距上。我們對比了中、日、美的鎳氫電池、鋰離子電池的材料技術(shù)和制造技術(shù)。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(shè)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(shù)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難點。 圖11：中國與日本、美國在電池材料方面的對比圖 12：中國與日本、美國在電池制造技術(shù)方面的對比5. 技術(shù)積累中的中國電池企業(yè)   我們對國內(nèi)電池相關(guān)企業(yè)的主營業(yè)務(wù)方向的轉(zhuǎn)移情況進行分析，

13、不完全統(tǒng)計的轉(zhuǎn)型路線如圖6 所示。據(jù)此，我們注意到：z 鋰離子電池行業(yè)的市場競爭力很大程度依賴于長期發(fā)展的技術(shù)積累，而非單純資金投資統(tǒng)計顯示，鋰離子電池行業(yè)前十位的企業(yè)幾乎全部為2000年之前進入鋰電領(lǐng)域。對于鎳電池與鉛酸電池行業(yè)也有類似情況。z 鋰電池電池材料具有較高的技術(shù)壁壘，需要較高的技術(shù)支持與積累，以及大量固定資產(chǎn)與技術(shù)研發(fā)投資，各細分行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)大多為較早進入行業(yè)者。鋰離子電池、鎳氫電池成為眾多企業(yè)轉(zhuǎn)型的主流目標(biāo)產(chǎn)業(yè)符合技術(shù)發(fā)展趨勢，產(chǎn)品性能優(yōu)秀，應(yīng)用范圍廣，市場預(yù)期好。z 小型鋰離子電池業(yè)務(wù)門檻較低大量中小型參與者的涌入導(dǎo)致行業(yè)利潤率下降，并普遍缺乏技術(shù)競爭力。圖 13：電池企業(yè)的

14、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型或擴展路線表 5：國內(nèi)鋰離子電池前列企業(yè)新設(shè)或者轉(zhuǎn)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               &#

15、160;                             注：收入單位為億元表 6：國內(nèi)鉛酸蓄電池行業(yè)前列企業(yè)的歷史普遍較長               

16、0;          資料來源：國泰君安證券研究所                                      &

17、#160;      注：收入單位為億元表 7：國內(nèi)鎳電池行業(yè)前列企業(yè)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)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          &

18、#160;                                   注：收入單位為億元表 8：國內(nèi)鋰離子電池材料行業(yè)前列企業(yè)的業(yè)務(wù)的不完全統(tǒng)計                         資料來源：國泰君安證券研究所