未来十年锂电池应用领域及全产业链技术瓶颈全解

    锂电池上游是锂电池材料所需的矿产资源，中游为锂电池生产厂商，包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜、导电剂和粘合剂的生产等，下游主要是锂电配套应用领域，目前已广泛用于消费类电子产品、电动汽车、工业储能。

    未来十年锂电池成为电动车用电池主流

    纵观发展历程，动力电池分别经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池的时代。铅酸电池目前占据二次电池80%以上的市场份额，主要应用于电动车市场和储能市场，镍镉电池主要应用于电动工具，但是铅酸电池和镍镉电池均含有重金属元素容易造成污染，因此推广程度有限。镍氢电池主要应用于混合电动车(HEV)，但性能不能满足目前大力发展的纯电动汽车(EV)和插电式混合动力汽车(PHEV)，此类电动车需200公里以上的行驶里程，是镍氢电池提供的纯电动里程的10倍。虽然燃料电池的性能很好，但是技术难度大。

    锂电池以其优越的性能和成熟的技术成为未来十年电动车用电池首选。1)具有更高的能量质量比、能量体积比。目前能达到100-125Wh/kg和240-300Wh/L，是镍镉电池的2倍，是镍氢电池的1.5倍;2)电压高。单节锂电池电压为3.6V-3.9V，相当于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压;3)自放电小，可长时间存放。充满电的锂电池储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于镍镉电池的25-30%，镍氢电池的30-35%，这是锂电池最突出的优越性;4)无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电;5)寿命长。正常工作条件下，锂电池可达到500次以上的充放电循环次数;6)可以快速充电。通常可以采用0.5-1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1-2小时;7)可以并联使用;8)由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池。

    电动汽车爆发式增长，促进锂电池行业发展。以特斯拉电动汽车为例，2013年，特斯拉ModelS全球销量为2.23万辆，其中30%的用户选择入门级的60kWh电池，70%配置80kWh电池，由此推算，2013年Tesla消耗锂电池总量达到165万kWh，由此推算出，特斯拉2013年全年消耗锂电池数量达到165万kWh，远远超过其他电动汽车对于锂电池的需求。随着电动汽车的飞速发展，若2014年ModelS超过3.5万辆的出货量目标得以实现，以及特斯拉第三代ModelX的上市，仅特斯拉一家公司锂电池的需求量已超过259万kwh，锂电池行业将实现爆发式增长。

    锂电池在非电动车领域需求仍广阔

    除了电动车领域带动锂电池的发展，锂电池还应用于消费类电子产品市场以及储能领域，需求空间广阔。2013年全球锂电池需求产量为465亿Wh，与2012年382亿Wh相比增长21%，其中2013年中国市场锂电池需求总量超过111亿Wh，与2012年66亿Wh相比，增长66%以上。

    消费类电子产品市场对锂电池的需求稳定增长

    目前，消费类电子产品占锂电池需求的58%，锂电池在消费类电子产品方面的应用主要包括：手机、个人电脑、平板电脑、数码相机、移动电源、电子烟等。

    近年来，随着智能手机不断的更新换代以及售价的降低，全球手机的比重不断攀升，从而增加了锂电池的需求量。2013年全球手机出货量较2012年增长4%，其中智能手机出货量为10.04亿部，占全球手机出货量的55%，较2012年增长38%。

    非手机消费类电子产品领域：最近几年虽然数码相机和笔记本电脑趋于饱和，但平板电脑、电子烟出货量一直维持着高速增长的态势。2013年，全球平板电脑出货量为2.2亿台，较2012年1.4亿台增长57%。全球电子烟市场规模在2013年达25亿美元，占全球烟草0.1%，有报道预测至2050年电子烟占比将达到4%，带动锂电池行业快速发展。

    工业储能是锂电池需求新的增长点

    锂电池在工业储能中的应用包括一般UPS储能电源、电动工具、工业机械、移动基站电源、风光发电配套。虽然目前铅酸蓄电池多用于储能设备，但随着锂电池技术的不断成熟，锂电池将慢慢取代铅酸蓄电池。2012年全球锂电池需求总量中，工业储能市场消耗467.36万kWh，占比12.25%，中国电动工具用锂电池市场需求稍大，工业储能市场共消耗锂离子电池73.15万kWh，占比15.65%，高于全球。此外，移动基站电源市场成长最快，2012年消耗5.80万kWh的锂电池，较2011年有大幅度攀升。

    锂电池行业日韩暂时领先，中国迎头赶上

    日本和韩国锂电池市场领先于中国，中国的发展潜力巨大。就全球锂电池市场来看，韩国已经超过日本成为最大的锂电池国家，日本的松下、索尼、韩国的三星、LG锂电池在全球锂电池市场中遥遥领先，中国的比克、力神以及新能源等公司正迎头赶上，近几年增长迅猛，逐渐缩短与日韩的差距，未来发展潜力巨大。

    我国锂电池企业逐渐呈现出强者更强的局面。国内锂电池的发展晚于发达国家，技术水平还不及美日韩，但通过近几年的不断努力，锂电池走出了萌芽期，已经步入成长期。目前我国市场上涌现出一批具有国际先进水平的锂电池企业，这些企业不断开拓创新，开发出高性能的锂电池，并加强与国外顶尖厂商的协同合作，进一步提高公司的实力，形成良性循环，达到强者更强的局面。

    应用领域需求爆发，锂电池关键材料飞速发展

    锂电池四大关键材料中技术逐渐突破，高端锂电池材料发展空间广阔。虽然目前我国锂电池材料技术水平偏低，锂电池材料多集中在中低端领域，但是随着电动汽车快速发展以及国家政策的支持，锂电材料开发动力十足，技术水平将会进一步提高，高端产品发展空间巨大。

    从技术壁垒上看，隔膜>六氟磷酸锂电解质>正极材料>电解液>负极材料。

    正极材料发展迅猛，三元材料或成明日之星

    正极材料是锂电池最为关键的原材料。四大材料生产中，正极材料是锂电池的核心，占锂电池成本的30%以上，比重最大。正极材料的好坏直接决定了锂电池各种性能指标，如能量密度性能、比功率、温度适用范围及安全性能等等。

    磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料并驾齐驱，共同发展。目前已进入商业化的正极材料包括钴酸锂(LCO)、三元材料(NCM)、锰酸锂(LMO)和磷酸铁锂(LFP)等。各个国家乃至各个厂商对正极材料的选择不尽相同，日本和韩国主要开发锰酸锂(LMO)和镍钴锰酸锂三元材料(NCM)，中国更偏向磷酸铁锂(LFP)的发展。

    正极材料的性能各有利弊，根据下游产品的需求，选择的正极材料品种不尽相同：消费类电子产品领域锂电正极材料的性能需求侧重锂电能量密度和安全性;动力电池正极材料的性能需求为高电压、高能量、高功率和宽温度范围。

    钴酸锂(LiCoO2)，最早商业化的锂正极材料，因钴(Co)价格昂贵，环境污染严重，替代趋势明显。LiCoO2的研究始于二十世纪八十年代，LiCoO2的合成方法包括高温固相反应法、低温共沉淀法和凝胶法。其中比较成熟的方法是高温固相反应法，即用碳酸锂(Li2CO3)或氢氧化锂(LiOH)与碳酸钴(CoCO3)等钴盐按锂与钴摩尔比为1.0配料，在700~900℃空气气氛中煅烧而成。生产工艺简单，电化学性能稳定，容量达到145mAh/g，近年来高电压(4.5V)高压实(4.1V)LiCoO2的发展，使容量达到185mAh/g的容量。但是，LiCoO2安全性差且Co价格昂贵、资源短缺，污染大，因此急需开发比能量高、稳定性好、成本低廉的新型正极材料。

    锰酸锂(LiMn2O4)成本较低，环境友好，但是其高温性能不好，容量衰减明显。自Thackeray等人1983年首次报道尖晶石型LiMn2O4以来，在锂电池领域等到广泛研究和利用，我国锰资源丰富，而且锰元素相对环境友好，降低了LiMn2O4的成本，LiMn2O4还具有电导率高，结构稳定，环境污染小等优势，一直处于研究热点。LiMn2O4制备方法有高温固相合成法和低温合成法，制造工艺相对简单。但是目前市场上LiMn2O4仍存在各种问题，例如LiMn2O4具有较高的电极电位，容易导致电解液被氧化，实际工作中，LiMn2O4为正极材料的电池具有循环性能差、容量低等缺点。目前LiMn2O4为正极材料的锂电池主要应用在消费类电子产品。

    磷酸铁锂正极材料的低温性能和倍率放电水平发展较快，应用在动力电池领域前景广阔。磷酸铁锂具有规则的橄榄石型结构，其稳定性较好，在充放电过程中，没有影响其电化学性能的体积效应，因此具有良好的循环性能。目前比较成熟的合成磷酸铁锂的方法是高温固相合成法和低温液相合成法。磷酸铁锂在性能上也存在一定缺陷，如振实密度与压实密度很低，低温性能较差。我国目前是倡导使用磷酸铁锂作为动力电池的国家，希望通过未来十年的努力，能够突破磷酸铁锂这项技术，从而带动电动汽车的高速发展。中国电池工业协会认为2012年以后磷酸铁锂材料成为最具潜力的锂电池正极材料。

    镍钴锰酸锂材料(NCM三元材料)的高容量和高安全性是其他材料无法比拟的，具有广阔的市场应用前景。NCM的推出源于人们为了提高钴酸锂(LiCoO2)的容量，改善其循环性能，降低成本，从而进行一系列的改性研究，向镍酸锂(LiNiO2)中掺杂钴和锰元素，使其表现镍、钴、锰三种元素的协同效应，具有容量大、稳定性好、成本较低和安全性高等优点。但是三元材料也具有一些缺陷，例如电池压实密度低，导电性能不如钴元素，制作工艺复杂，目前技术还不够成熟，集中在中低端市场，在中高端市场需要与钴混合使用。

    三元材料是未来发展的趋势。目前市场上所述的三元材料主要是以NMC(LiNixCoyMn1-x-yO2)，NCA(LiNixCoyAl1-x-yO2)为主，同时包含了镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)三种元素的协同效应，具有容量高、电压高等优点，逐渐成为电动汽车应用主流，未来3-5年，高端的三元体系作为动力锂电池，将会呈现供不应求的局面。目前国内动力锂电池仍以磷酸铁锂为主，国内的锂电池和电动汽车企业可通过对磷酸铁锂材料的掌握，在2-3年内形成成熟的电池技术，然后慢慢过渡到三元材料为正极的锂电池产业化发展的道路上。

    纵观全球，锂电池正极材料呈现中、日、韩“寡头聚集”的格局。日本和韩国的锂电正极材料产业起步早，整体技术水平和质量控制能力要优于我国锂电正极材料产业，占据锂电正极材料市场高端领域。在日韩锂电池市场，主要锂电企业的供应商选择本土锂电正极材料企业。由于中国大型锂电正极材料近十年迅速发展，产品质量大幅度提高，并具备较强的成本优势，近年来日韩锂电企业开始逐步从中国进口锂电正极材料，目前中国锂电正极材料市场份额已占据全球的46%，未来发展空间仍广阔。

    就目前来看，国内锂电池正极材料产能过剩，产能利用率低，价格竞争激烈。我国正极材料生产厂家有200多家，从供需关系来看，我国锂电池正极材料的总体产能严重过剩，未来两年内，由于三元材料以及高压钴酸锂的增量，正极材料产能仍快速增长，国内企业竞争加剧，国内产品同质化现象严重，从而导致锂电池正极材料价格下跌。

    锂电池正极材料的集成度不断提高，优胜劣汰的局势更加明显。随着锂电池市场的不断发展，正极材料需求量也在不断扩大，2010年我国锂正极材料的需求达到52000吨，比2009年增长81.7%。我国拥有丰富的资源优势，原材料锂的成本低廉并且具有一定基础的技术底蕴，同时我国在下游领域的巨大需求推动了锂正极材料的高速发展，锂正极材料的产能正逐步向中国移动预计，未来我国锂电池正极材料的集成度不断提高，优胜劣汰的局势更加明显。

    负极材料：国内技术成熟，钛酸锂发展前景广

    锂电池负极材料国内技术成熟，碳材料种类繁多。作为锂电池的四大关键材料之一，负极材料技术与市场均较为成熟，成本比重最低，在5-10%左右。现阶段负极材料研究的主要方向如下：石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料。

    石墨产品主导天下。负极材料主要由碳素材料为主，包括天然石墨、人造石墨、石墨化中间碳微球。据统计，2012年中国负极材料出货量为27650吨，其中天然石墨出货量占比59%，人造石墨30%，石墨化中间碳微球8%。在全球，石墨类负极材料占总出货量的90%，在负极材料中处于绝对主流的优势。

    天然石墨具有性价比高，加工性能好等特点。我国石墨矿资源丰富，成本较低，但是天然石墨也有一些缺陷，吸液性差，分子中不存在交联的sp3结构，墨片分子容易发生平移，从而导致石墨负极材料的循环性能差。天然石墨负极材料主要用于消费类电子产品。

    人造石墨因其结构稳定性好，循环寿命长等高性能，有取代天然石墨的趋势。人造石墨通过对原始材料进行表面改性和结构调整，使其部分无序化或者在各类材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构，加大锂离子嵌入和脱嵌反应，因此具有高压实、高容量、长寿命等优势。人造石墨主要作为动力电池的负极材料。

    中间相碳微球综合性能好，循环寿命长。中间相碳微球是球形结构，堆积密度高，单位体积嵌锂容量比较大，而且小球具有片层状结构，有利于锂离子的嵌入和脱嵌。700℃热处理的中间相碳微球充电容量可达1190mAh/g，放电容量大750mAh/g，远超过石墨的理论放电容量(372mAh/g)。

    钛酸锂是安全性最高的负极材料，在充放电循环中保持“零应变性”。零应变性是钛酸锂嵌入和脱嵌锂离子晶格常数和体积变化很小，能够有效避免由于电极材料的来回伸缩导致结构的破坏，从而大大提高电极的循环次数。另外，钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生晶枝，为保障锂电池的安全提供了基础，但是钛酸锂的比容量比其他负极材料低很多，容量为175mAh/g，作为电池材料其振实密度比较低，单位体积容量较小。

    硅碳(Si-C)复合材料适合做高容量电池的负极材料。硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌入和脱嵌锂电位。硅碳复合材料采用高比容量的硅为主要活性体，采用体积效应小、循环稳定性好的碳为载体，合成新型的硅/碳复合材料，能够有效避免硅在充放电过程中由于体积过度膨胀而粉化，但是硅碳复合材料同时也有一些劣势，其安全性以及倍率性能较差，当电流密度稍大些时，容量下降很明显。

    负极材料集中度高，日本向中国产能转移比较明显。目前负极材料以碳素材料为主，占锂电池成本较低，在国内基本全面实现产业化。负极材料产业集中度高，从企业来看，全球前四大企业：日立化学、深圳贝特瑞、JFE、三菱化学，市场份额合计占比为78%，负极材料表现出高度集中化。从区域看，中国和日本是全球主要的产销国。从车用动力锂电池企业负极供应体系来看，目前动力电池企业采购负极主要来自于日本企业。近几年，随着中国生产技术的不断提高，中国又是负极材料原料的主要产地，锂电负极产业不断向中国转移，市场占有率不断提高。

    国内负极材料行业产能快速增长。受平板电脑、超级本、电动自行车、新能源汽车以及储能等终端市场需求带动，锂电池产量将保持平稳增长，2013年上半年中国负极材料实现销量16560吨，相比于2012年上半年增长19.8%。由于在锂电池四大材料中，国内负极材料相关技术发展最为成熟，国内产能较大，但受产能相对过剩的影响，负极材料的价格近几年呈现下降的趋势。

    负极材料未来发展的趋势：以提高容量和循环稳定性为目标。作为锂电池四大关键材料之一，负极材料决定了锂电池的性能，如充放电效率、循环寿命等等。常规石墨负极材料的倍率性能已经难以满足锂电池下游产品的需求。在动力电池方面，碳酸锂可能是新的发展方向;在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。

    国内电解液产能释放，聚合物电解质受青睐

    电解液对锂电池的运行和安全性具有举足轻重的作用。电解液作为带动锂离子流动的载体，对电池的比容量、工作温度范围、循环效率和安全性能等至关重要，是锂离子电池获得高电压、高比能的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料组成，在一定条件下，按一定比例配制而成的，其中电解质在电解液成本中比重最大，也是电解液中技术壁垒最高的环节，目前主要被日韩垄断。

    六氟磷酸锂是目前市场上主要的锂电池电解质。电解质材料中六氟磷酸锂相对于其他锂盐，不仅具有良好的导电率、电化学稳定性及突出的氧化稳定性，并且后续废电池的处理简单，对生态环境友好，因此成为目前应用最广泛的电解质。

    六氟磷酸锂实现国产化，价格趋稳。电解质与隔膜类似，是电池低成本和自产自足的关键，六氟磷酸锂以其独特的性能优势成为目前最广泛的电解质。着眼全球，2011年日本瑞星化工、森田化学和关东电化是六氟磷酸锂的主要生产商，占全球产能的55%左右，随着国内厂商技术突破同时快速扩张产能快速扩张，预计到2015年六氟磷酸锂产能将占全球40%。六氟磷酸锂产能的快速释放将加剧行业竞争，直接导致产品价格降低，但随着电动汽车行业的爆发以及消费类电子产品的稳定增长，六氟磷酸锂未来的需求将大幅提升，价格有望稳定在10万元/吨。

    全球锂电池电解液供应商主要集中在中、日、韩。电解液的格局与锂电池的分布一致，主要集中在中、日、韩三国。锂电池的市场发展直接带动了电解液材料产业的大发展，2012年中国企业在全球市场份额比重突破50%，相反，日本企业电解液的市场份额有所下降，2012年的日本电解液企业在全球市场份额为22.9%，较2011年的33.4%下滑了10%以上。

    电解液处于向中国产能转移的过程中。过去锂电池电解液一直都是日韩厂商的天下，随着中国技术的提高以及国内需求的日益增速，尤其是六氟磷酸锂国产化后，电解液产能不断向中国转移。

    电解液的扩产速度与需求增速基本匹配，电解液价格稳定。尽管电解液也存在扩产，但电解液扩产比较理性，随着六氟磷酸锂近年来的快速扩产带来的成本下降以及国内市场的提升，一线厂商的电解液毛利率有望稳定在25%，电解液的价格在3.5万元/吨左右。

    聚合物锂电池将成为未来锂电池的主流产品。根据锂电池形状和外包装材料可以将锂电池分为方形锂电池、圆柱锂电池和聚合物锂电池。由于与液态锂电池相比，聚合物锂电池具有可薄形化(最薄0.8毫米)、任意面积化与任意形状化等优点，从而提高电池设计的灵活性。受益于平板电脑、智能手机等消费类电子产品的快速增长，聚合物锂电池企业正迎来巨大的市场机遇。

    隔膜技术实现突破，进口替代日趋明显

    锂电池隔膜生产技术壁垒最高，高端产品需依赖进口。隔膜在成本构成上仅次于正极材料，占20-30%，隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能。隔膜主要作用是将电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。目前，市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)为主的聚烯烃类隔膜。

    隔膜的生产工艺包括湿法工艺和干法工艺，同时干法工艺又可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。

    干法工艺：将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹膜制成结晶性聚合物薄膜，经过结晶化处理、退火，得到高度取向的多层结构，在高温下进一步拉伸，将结晶界面进行剥离，形成多孔结构。聚丙烯(PP)产品主要由干法工艺制得。

    湿法工艺：将高沸点的液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合，加热熔融后，形成均匀的混合物，把熔融混合物铺在薄片上，压制成膜片，再将膜片加热至接近熔点温度，进行双向拉伸使分子链取向，最后保温一定时间，用易挥发物质洗脱残留的溶剂，制得微孔膜材料。聚乙烯(PE)产品是由湿法工艺制的。

    全球隔膜行业集中于美日韩，国内发展空间大。目前世界上只有美国、日本、韩国等少数国家拥有先进的隔膜生产技术，其中旭化成、Celgard和东燃化学、韩国SK明显居于垄断地位，四家企业2013年全球市场占有率达到76%，国际大的锂电池厂商也由这4家企业为其供应隔膜产品。就全球格局来看，高端市场被国外垄断，80%的中端市场被国外占据，我国产品处于中低端，市场竞争激烈。近几年随着国内厂商积极加大研发力度，国产锂电池隔膜渐渐走进锂电圈，开始抢占国际市场份额。

    全球隔膜供过于求，但形势并不严峻。据中国塑料加工工业协会称，随着电动车和储能等下游锂电池产业的影响，未来几年全球隔膜的年需求量将以20-25%的速度增长，同时全球隔膜产量保持较快的增长，2013年全球隔膜产量同比增长30%，供需基本平衡。

    国内隔膜产能不断扩大，隔膜价格趋于平稳。隔膜是锂电池四大关键材料中技术壁垒最高的材料，也是毛利率最高的材料。在产业初期，许多企业扎堆进入隔膜行业，多数企业隔膜产品定位于中低端市场，造成中低端隔膜产能过剩。据高工锂电统计，截止目前，国内涉足隔膜的企业已接近40家，规划的产能达到8亿平米，已远远超过2013年全球的实际用量7.5亿平米，但实际量产的企业不到20家，得到电池厂商认可的不足10家，有些企业的产能利用率不足5%。目前干法工艺制造的隔膜价格在5元/平米左右，未来价格趋于平稳，湿法工艺由于工艺复杂，价格稳定在10-12元/平米。

    国内锂电隔膜技术取得突破，进口替代趋势明显。随着锂电池应用领域不断扩增，国内部分优秀厂商技术、装备不断提高，以其优良的产品性能及强大的市场拓展能力，大幅度提高市场份额，逐步实现进口替代。星源材质、佛山金辉高科、中科科技等大陆厂商逐步实现隔膜产业化，部分企业在孔隙率、热收缩、拉伸强度等关键技术指标接近国际水平，进口替代趋势明显。

    未来隔膜行业发展趋势：更轻薄、更安全。随着锂电池在消费类电子、电动汽车等应用领域的快速增长，锂电池隔膜要为未来的市场爆发提前布备，需要在产品的性能和品质上有所突破，隔膜未来发展趋势是满足高功率、大容量、长寿命循环和安全可靠等性能要求。

    我国矿产资源丰富，为锂电池提供坚实基础

    锂电池上游主要是天然矿产资源，包括钴、锂、镍、锰、磷、铁、石墨及各种化合物，其中锂和石墨矿石用量最大。

    锂资源在中国储量相对丰富，仅次于智利、阿根廷。锂盐提取可通过盐湖提锂和矿石提锂两种方式。目前国内90%锂盐通过锂矿冶炼提取，成本较高，同时西藏、青海等地的盐湖矿产也是我国提取锂盐的资源优势。目前盐湖提工业级碳酸锂成本占优，而矿石提锂用于生产电池级碳酸锂及纯度产品方面。国内资源主要由中信国安、西部矿业掌控，主要生产工业级碳酸锂，而天齐锂业主要生产电池级碳酸锂。

    我国是石墨储藏最丰富的国家，据国土资源部统计资料显示，我国晶质石墨储量3085万吨，基础储量5280万吨;隐晶质石墨储量1358万吨，基础储量2371万吨。石墨矿石的丰富为负极材料成本的降低及其产业化提供条件。<