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锂离子电池价值链分析

供稿人:丁培  供稿时间:2018-2-22   关键字:锂离子电池  价值链  

本文摘编自欧盟联合研究中心(JRC)2017年出版的《Lithium ion battery value chain and related opportunities for Europe》一文,介绍了锂离子电池原料和加工材料、电池组件、电池制造、电动汽车制造的情况。

 

1原料和加工材料

 

锂离子电池如锂、镍、钴、锰、铝、铜、硅、锡、钛和各种形式的碳,例如天然石墨。这些元素从地壳开采的原料或从地表水中回收获得。

 

欧盟委员会每三年发布审查和更新的CRM(关键原材料)清单。预计新的CRM清单将于2017年发布。

 

1.1钴

 

钴用于许多工业应用,如电池、超合金、硬质材料——碳化物、金刚石工具、颜料、催化剂、磁铁等。在这些应用中,电池占最大份额,相当于37%左右。在锂离子电池中,钴是主要的阴极活性材料组成部分。

 

已发现的世界陆地钴资源约为2500万吨。在大西洋、印度洋和太平洋底的锰结核和外壳中已经发现了超过1.2亿吨的钴资源。2016年初,世界钴储量估计为7100万吨。刚果民主共和国(DRC)是世界最大的钴矿源头,提供钴市场总量的51%,其次是中国、俄罗斯。

 

欧盟进口的绝大多数钴来自俄罗斯(96%)。钴的可替代性很低。

 

1.2天然石墨

 

天然石墨有许多工业应用:电极、耐火材料、润滑剂、铸造厂和电池(作为阳极活性材料)。电池应用的份额相对较低,为4%。

 

推断世界可回收石墨资源量超过8亿吨,天然石墨储量估计为23万吨。天然石墨的生产高度集中在中国,占全球产量的66%,印度占14%,巴西占7%。进口到欧盟的天然石墨大部分来自中国(57%),其次是巴西(15%)和挪威(9%)。,天然石墨在某些应用中可替代性相当低,但在电池中用其他材料代替天然石墨是可行的。

 

据预测,2020年天然石墨市场将出现大量的生产过剩。

 

1.3硅金属

 

硅金属广泛应用于化学、颜料、冶金和电子工业。硅金属和硅合金也作为锂离子电池单体的阳极活性材料,但目前这方面应用份额与其他应用相比可以忽略不计。

 

制造硅金属和合金的世界资源丰富,足以满足世界数十年的需求。硅源是各种天然形式的二氧化硅,如石英岩。2015年世界硅金属产量达8100吨,生产高度集中,中国产量为68%,俄罗斯为8%,美国为5%,挪威为4%。进口到欧盟的大多数硅金属来自挪威(38%),其次是巴西(24%),中国(8%)和俄罗斯(7%)。对于所有应用,硅金属都具有(非常)低可替代性。

 

据预测,2020年硅金属市场将保持平衡。

 

1.4锂

 

虽然锂不是关键原料,但它是锂离子电池的重要组成部分。锂在地壳中的平均丰度相对较高,为17ppm,使其成为岩石圈中第27个最丰富的元素。全球锂储量估计为12.24亿吨。

 

锂资源主要分布在南美洲,特别是阿根廷、智利、玻利维亚和巴西,其中全球锂资源的55%位于南美洲。中国在亚洲占有最大的锂资源(约530万吨),相当于全球锂资源的约12%。欧盟在全球的锂资源中所占份额有限 - 略低于40万吨。2004年在塞尔维亚发现了硼硅酸锂的独特沉积物。北美地区确定了大量的资源,近600万吨。其中一半以上位于美国,相当于全球锂资源的近8%。

 

锂产品的实际全球供应市场约为20万吨碳酸锂当量(LCE)(1公斤LCE = 0.1895公斤锂),近83%来自四大主要生产商:Albemarle(美国),SQM(智利),FMC(美国)和四川天旗(中国),主要地区位于智利、澳大利亚、阿根廷和中国。

 

在2015年,锂离子电池消耗了全球LCE产量的40%左右,其中14%用于电动汽车电池组。对2025年的预测显示,电动汽车将需求20万吨的LCE,相当于目前的全球LCE供应总量。

 

2电池组件

 

2.1阴极材料

 

铝箔用作锂离子电池阴极的集电器。电池应用的铝箔生产市场领导者是住友轻工业(JP)和日本箔制造(JP)。

 

复合过渡金属氧化物和磷酸盐当前是用于锂离子电池的主要阴极活性材料。这些包括:氧化锂钴(LCO)、锂锰锰氧化物(NMC)、锂镍钴氧化物(NCA)、氧化锰锰(LMO)和磷酸铁锂(LFP)。除了LCO,所有这些材料目前都用于汽车锂离子电池。2015年锂离子电池的阴极材料市场总需求量约为14万吨。据估计,全球大约25%的阴极活性物质用于HEV、PHEV和EV的锂离子电池中。

 

阴极活性材料的生产由亚洲主导,2015年中国生产了全部阴极材料总量的39%,日本生产19%,韩国生产7%。

 

巴斯夫(DE)、陶氏(US)、3M(US)、杜邦(US)、三菱(JP)和LG化学(KR)等公司最近对该市场表现出兴趣。

 

阴极活性材料的市场预计将从2015年的约14万吨增长至2025年的40万吨。预计NMC(近5倍的增长),NCA(约3倍的增长)和LMO(2.4倍的增长)。

 

2.2阳极材料

 

铜箔用作锂离子电池中阳极的集电器。铜箔生产的市场领导者是古河电机(JP)、日本箔制造(JP)和日本电解(JP)。

 

使用诸如天然和人造石墨、无定形碳、锡和硅氧化物合金以及氧化钛锂(LTO)等各种碳质材料作为阳极活性材料。

 

锂离子电池的阳极材料市场总量在2015年超过7.6万吨。2005年至2015年期间,锂离子电池的阳极材料市场所产生的收入为10亿美元,复合年增长率(CAGR)为14%。

 

全球主要阳极活性物质需求量(约30400吨)的大约40%用于HEV、PHEV和BEV的锂离子电池。

 

历史上,阳极活性材料的生产一直由日本和中国主导。日立化学(JP)占34%,日本碳(JP)占19%和BTR能源(CN)占12%。阳极活性材料的其他生产商包括三菱化学(JP)、LS Mtron Carbonics(KR)、山山科技(CN)、东海碳(JP)。

 

位于欧盟的公司,如SGL(DE)、Imerys(CH)、Heraeus(DE)、以及3M(美国)、杜邦(US)、陶氏(US)、道康宁(US)、恩维(US)、ShinEtsu(JP)最近对锂离子电池的阳极活性材料市场表现出兴趣,但目前在全球供应中没有发挥重要作用。

 

阳极活性材料市场预计在2025达到25万吨以上。

 

2.3电解质

 

全球锂离子电解质市场总量在2015年略高于6.2万吨。

 

HEV、PHEV和BEV电池的电解质市场在2010年至2015年期间均有快速增长,这些应用的电解质需求从2010年约200吨增长到2015年为20500吨。

 

与阴极和阳极活性材料类似,锂离子电池电解质的生产主要由亚洲供应商主导,中国目前的产量接近60%(以重量计),日本为18%,韩国为14%。欧盟的电解质生产商巴斯夫(DE)2014年生产200吨电解质,约占当年市场总量的0.4%,但2015年供应量大幅下降。

 

市场竞争非常激烈,中国企业快速扩张,其他企业增长放缓,甚至出现下滑。中国最大的电解质生产商之一——CapChem,2015年生产了8600吨电解质,成为全球市场的领导者,占电解质市场总量的14%。张家港国泰华融(GTHR)(CN)在2015年生产了8000吨电解质成为世界第二大电解质供应商,占总电解质市场份额的13%。相反,韩国(如Panax-Etec),日本(如三井化学和Ube)电解质生产商目前的市场份额有所下降。

 

全球锂离子电池电解质市场的新进入者是LG化学(KR)、杜邦(US)和大金(JP)等公司。

 

在全球范围内,锂离子电池的电解质生产目前处于产能过剩。目前在日本和韩国目前只有不到一半的可用生产能力被使用,而在美国和欧洲分别只有5%和1%。

 

电解质市场预计在2025年将由目前的6.2万吨增长至23.5万吨以上。

 

2.4分离器

 

2015年锂离子电池分离器市场价值约为900Mm2

与阴极和阳极活性材料及电解质相似,锂离子电池分离器市场由亚洲主导,日本目前占市场总供应量的48%,中国占17%,韩国占10%。市场领导者是旭化成(JP)、东丽(JP)和SK(KR)。美国的分离器市场地位也较强,2015年Celgard的市场份额为9%,Entek为3%。

 

欧盟的赢创(DE)是分离器市场的新进入者之一。Litarion(DE)拥有生产锂离子电池电极和陶瓷分离器的制造能力,但2015年的实际产量未知。

 

预计锂离子电池分离器市场将继续稳步增长,以约12%的年均复合增长率增长。2025年市场规模达到2700Mm2

 

2.5未来细胞化学

 

被认为有潜力超越当代锂离子电池的化学物质包括:a)锂金属(Li金属)电池、b)固态电池(SSB)、c)锂-硫(Li-S)电池、d)锂空气(锂-空气)电池。

 

锂金属:具有比当前锂离子电池中使用的LiC6阳极十倍以上的容量,特别是基于Li金属阳极的电池。

 

固态电池:使用固体电解质(SE)(无机或聚合物)而不是液体固态电池(SSB)。SE允许仅转移锂离子,并且作为功能分离器。许多无机SE的主要缺点是它们的低热力学稳定性。大多数固体电解质在低电位(例如,由锂金属)容易降解。

 

Li-S:基于丰富的硫,大容量含硫阴极和锂阳极的锂电池被认为是实现低成本和高能量密度系统的最有希望的候选者之一。

 

锂空气:使用空气中氧气的锂空气电池在所有电池技术中具有最高的理论能量密度,可达到3500瓦时/千克。

 

3电池制造

 

2015年锂离子电池的销售总额约为56亿美元(相当于约60 GWh)。2005年至2015年期间,其销量和价值的复合年均增长率(CAGR)分别达到22%和15%。

 

20世纪90年代初索尼率先实现锂离子电池商业化。对于便携式电子设备的需求激增,推动了对高性能锂离子电池的相应需求。亚洲电池制造商在这个市场处于主导地位。亚洲公司,特别是三星SDI(KR)、LG化学(KR)、三洋松下(JP)、索尼(JP)和比亚迪(CN)等等,主宰了锂离子电池制造。

 

汽车应用的电池制造商包括松下(JP)、三星SDI(KR)、LG化学(KR)、AESC(JP)、GS Yuasa(JP)、李能源日本(JP)、比亚迪(CN)、万向(CN)、天津Lishen (CN)和东芝(JP)

 

根据美国清洁能源制造分析中心(CEMAC)的数据显示,2014年,所有应用的锂离子电池全球制造能力约为76.3GWh,其制造能力的88%位于日本、中国和韩国。2014年汽车锂离子电池生产能力为27.5GWh,其中79%位于亚洲。 

 

根据Avicenne Energy的说法,2015年所有应用的锂离子电池的全球生产能力约为100GWh,其中便携式锂离子电池为40GWh。

 

欧盟对锂离子电池没有显著的制造能力,公布的容量和实际产量数据根据不同来源有所不同:

 

a)根据美国清洁能源制造分析中心(CEMAC),其报告以彭博新能源金融公司(BNEF)的数据为依据,2014年欧洲锂离子电池总生产能力将近1.8GWh(相当于全球生产能力的2%),其中汽车锂离子电池的年均生产能力为1.3GWh(相当于全球汽车锂离子电池生产能力的5%)。

 

b)德国国家电动平台“德国国家电动汽车生产平台”指出,欧盟2002年汽车和能源储存领域大型锂离子电池的生产能力为1.5 GWh /年。

 

b)根据Avicenne Energy的分析,2015年欧洲锂离子电池的生产能力接近1.5 GWh,分布在一些较小的生产商

 

与亚洲同行相比,欧洲锂离子电池制造企业的数量和相对规模明显较小。这些制造商情况如下。

 

最近由Total接管的SAFT目前是欧洲最大的活跃的欧洲锂离子电池生产商。其在法国Nersac的制造设施拥有生产能力为60MWh/年。然而SAFT的实际产量在2015年为84MWh。SAFT电池用于空间、军事和飞机等各种应用。

 

最近EnerSys收购了位于英国Culham的ABSL电源解决制造商,后者是一家针对空间应用锂离子电池的欧洲制造商。

 

位于英国Thurso的AGM Batteries Ltd.开发和生产可充电锂离子电池和不可充电锂电池。其生产容量为50MWh,为在向包括国防、石油和天然气市场在内的一系列市场提供锂离子电池。

 

位于瑞士的Leclanché在Willstätt(DE)经营一家生产工厂,在那里生产用于储能应用的锂离子电池。目前这个工厂的制造能力是100MWh。

 

EAS德国有限公司位于德国诺德豪森,生产圆柱形电池,目前已部署在欧洲、亚洲和北美的太空、潜艇、海洋和汽车应用领域。该设备的生产能力为100MWh/年,而实际2015年的产量为40MWh。

 

位于Kamenz(DE)的Electrovaya子公司Litarion GmbH是一家锂离子电池供应商,用于移动和固定式储能及其他应用。此外,Litarion具有生产电极和高性能锂离子电池关键组件的制造能力。该公司的生产能力为500MWh/年,2015年的实际产量约为25MWh。

 

Itzehoe GmbH位于Itzehoe(DE),生产用于各种应用和各种格式的锂离子电池。该公司的生产能力为20MWh/年,2015年的实际产量为1MWh。

 

Kelheim(DE)的SSL Energie GmbH为电信和工业设备以及电动汽车应用(陆地和水上)生产用于储能解决方案的锂离子电池。该设施的生产能力为0.1MWh/年,而2015年的实际产量可以忽略不计。

 

Liacon GmbH位于Itzehoe(DE),拥有大型钛酸锂聚合物电池生产厂房。

 

VARTA Microbattery GmbH位于埃尔旺根(DE),是微电池制造商,是助听器电池和镍氢电池和锂离子电池的市场领导者之一。 

 

Varkaus(FI)开发和生产大型可充电锂离子电池,可为混合动力和电力驱动列车供电。该公司的生产能力为30MWh/年,2015年的实际产量为1MWh。

 

先进锂电系统欧洲S.A.(ALSE S.A.)在Xanthi(GR)有一个制造工厂,其中生产用于国防应用的锂离子电池,如鱼雷。该设备的生产能力为100MWh/年,2015年实际产量为0.1MWh。

 

Bolloré(FR)生产了一种特殊类型的锂离子电池 - 具有Li-金属阳极的固态电池。Bolloré(FR)的电池生产能力为每年500MWh,2015年的实际产量为120MWh。

 

由于生产成本高,到2015年底戴姆勒子公司李特克(DE)停止生产锂离子电池,标志着德国唯一生产EV电池的厂商关闭。据BNEF的数据显示,该厂的生产能力为480MWh。

 

雷诺CEA(法国原子能和替代能源委员会)和日产计划在法国弗林斯(Flins)建立一家工厂,生产汽车锂离子电池,年生产能力为10万个。目前只有一个电池组装线可以运行。雷诺日产宣布将于2012年在卡西亚(阿维罗,葡萄牙)建立一个先进的电动汽车锂离子电池厂,每年可生产5万台电池。然而,这个计划并没有进行。

 

同时,成熟的亚洲电池制造商正计划在欧盟建立锂离子电池生产线。例如,LG化学(KR)计划在波兰建立一个生产工厂(最有可能在弗罗茨瓦夫),年生产能力为5万只锂离子汽车电池。三星SDI(KR)已经开始在匈牙利Jaszfenyszaru生产锂离子电池(电池、模块)。

 

预计锂离子电池市场将在未来几年内快速增长。到2020年,市场价值达285亿美元。根据Avicenne Energy的数据,到2025年市场价值达到355亿美元。

 

电池组是EV动力系统的关键部件,占汽车总价值的30%左右。2015年所有应用的锂离子电池组市场价值超过20亿美元。汽车电池组市值预计将增长至约2020年的213亿美元和2025年的273亿美元。

 

5电动汽车制造

 

2015年,世界各地生产了超过6850万辆客车。其中24%,或超过1650万客辆在欧盟生产。

 

近年来,混合动力汽车(HEV)的技术已经相当成熟。2014年全球共销售190万辆HEV,2015年销售180万辆HEV。大多数HEV在日本销售(接近全球销售额的近60%)和美国(约占全球销售额的22%)。在欧洲,2015年出售了约23.4万辆HEV,占汽车总销量的1.5%。历史上和目前,HEV的主要生产商和供应商是丰田(JP),其在HEV全球销售中的市场份额在2014年和2015年达到近70%。丰田和雷克萨斯的大部分HEV车型目前都使用NiMH牵引电池,但一般市场趋势是NiMH牵引电池将逐渐被锂离子电池替代。Avicenne Energy预测,到2020年,50%的HEV将配备锂离子电池,到2025年将达到90%的HEV配备锂离子电池。

 

过去几年,PHEV和BEV的生产和销售数量迅速增长。所引用的销售数字因来源而异。例如,2014年全球PHEV和BEV分别销售了89000辆和318000-390000辆。2014年欧盟销售的PHEV和BEV在71000到100000辆之间。这一数字在2015年翻了一番,达到150000至193500辆之间,相当于全球PHEV和BEV销售量的27%-35%。然而,这里必须指出,世界各地区域,甚至欧盟成员国中的PHEV和BEV普及率差异很大,挪威、荷兰、丹麦、瑞典等国家和美国在道路上的电动汽车比例较高(分别高于12%,12%,8%,1.7%和1.9%)。

 

在2015年,美国特斯拉S在全球是PHEV和BEV中最畅销的车型,市场份额约为11%。紧随特斯拉其后的是两个日本生产商 - 日产Leaf(9%的全球市场份额)和三菱Outlander PHEV(9%的市场份额)

 

在欧洲的PHEV和BEV车型中,BMW i3、雷诺Zoe和大众高尔夫GTE全球分别排名第五、第七和第十位,均进入2015年全球销量前20强。

 

在欧洲,三菱Outlander是最畅销的车型(约占PHEV和BEV销量的16%),其次是雷诺Zoe(10%),大众高尔夫GTE(9%),特斯拉S(9%)和日产Leaf(8%)。

 

在欧洲的整车制造商中,宝马公布了一项新战略,预计其电动汽车业务将进一步发展。2017年将推出新版本的BMW i3,行驶距离约200公里,其价格预计将低于50000美元。雷诺公司已经在2017年宣布推出新版本的雷诺ZOE,其行驶距离可达300公里。价格在35000美元左右。

 

仅在未来两年,戴姆勒就投资了70亿欧元的绿色技术。作为这一战略的一部分,梅赛德斯-奔驰将于2018年扩大其PHEV生产,所有车型售价均高于5万美元。戴姆勒还将于2017年推出新款Smart ForTwo电动汽车,行驶距离为100公里,其价格预计将远低于30000美元。

 

大众汽车公司已经确定了到2020年再推出超过20款电动车型的战略,但没有公布具体的车型。奥迪宣布在2018年之前推出基于PHEV奥迪e-tron概念的第一款大型电动汽车系列。然而,模型尚未发布。

 

在欧洲以外,其他汽车OEM厂商正在提出将在未来2 - 3年推出的几款电动车型。

 

特斯拉预计将在2018年推出特斯拉3,价格低于40000美元,行驶距离超过300公里。

 

通用汽车公司将于2017年推出雪佛兰Bolt,价格低于40000美元,行驶距离超过300公里。福特不会试图与其他两家美国OEM竞争,而是以更实惠的价格提供约150公里的轻型车辆,价格低于30000美元。

 

日本OEM厂商中,日产将在2018-2019年推出日产Leaf更新版,行驶距离为300公里,价格估计低于40000美元。在此之前,2017年日产Leaf版本预计将有150公里的行车距离,价格高于30000美元。

 

三菱已经宣布在2018-2019年推出新的eX SUV车型,行驶距离在300公里以上,价格低于40000美元。

 

韩国整车制造商现代及其姊妹公司起亚共同制定了雄心勃勃的计划,到2020年成为世界第二大绿色汽车制造商(第一为日本丰田)。现代公司正在生产一个新的全电动SUV,行驶距离150公里的范围。现代公司还宣布在2017年推出Ioniq,行驶距离超过150公里,价格低于35000美元。而起亚正在准备在2018年推出新版本的起亚灵魂电动BEV,其行驶距离接近150公里,预计售价约为35000美元。

 

参考文献:

 

《Lithium ion battery value chain  and related opportunities for  Europe》

http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC105010/kj1a28534enn.pdf

 


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