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正极风云:磷酸铁锂VS三元锂电

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汽车出行
作者:锦缎
2021-12-21 14:32
风云再起时,试问谁主沉浮?可能不久后,我们就能看到答案。

文|海星

来源|锦缎(ID:jinduan006)

今年新能源汽车产业迎来了需求爆发点。截至11月,国内新能源汽车产销分别达到302.3万辆和299.0万辆,同比增长均为1.7倍。超越过去两年的销量之和。

产销两旺带来的就是行业超高景气。所以2021年,A股各大行业,沾上新能源汽车概念的股票就一飞冲天,基金经理们见面的相互问候,从“有没有白酒?”变成了“有没有新能源?”

新能源汽车产业链的压舱石,就是电池,进一步拆解,电池又由所谓的四大金刚组成,分别是正极、负极、电解液、隔膜。而正极材料是四大材料中可谓最重要的一环,为什么这么说呢?

  • 正极是材料技术进步最重要的发力点。我们知道提升能量密度是解决新能源汽车里程焦虑的关键因素。具体来说,隔膜的主要功能是隔离正、负极并阻止电子穿过,同时允许锂离子通过;

    电解液则负责传导锂离子,两者主要影响着锂离子的安全性能,可以理解为安全部件。而负极更多的是影响电池快充性能、循环寿命,因此正极材料性能很大程度上决定了电池的能量密度。

  • 正极是系统成本下降最重要的发力点。动力电池的成本占到整车成本的30%-40%,在国内补贴逐步退坡的背景下,降低成本成为行业的头等大事。正极材料的成本最高占到动力电池成本的40%,是车企和电池企业做梦都想节省的材料。

事实上,自上世纪90年代锂电池面世以来,其发展就一直是在探索正极材料的道路上前行。我们今天见到的磷酸铁锂电池、三元电池、钴酸锂电池,都是以正极材料命名的。

图1:动力电池四大材料成本结构,资料来源:中国产业信息网

经过30余年的发展,当前用作锂电池的正极材料其实并不少,产业化的主要有钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)和三元材料(NCM、NCA)。

其中钴酸锂是最早产业化的正极材料,技术已经比较成熟,目前主要用于手机等消费电子产品;磷酸铁锂和三元主要用于动力电池,正是市场关注度最高的两大路线,这两大材料方向的争斗也颇具故事性,也是下文分析的重点。

图2:正极材料性能对比,资料来源:锦缎研究院根据公开资料整理

01 磷酸铁锂还能独领风骚吗

其实自2009年我国发展新能源车以来,一直到2015年,成本低、循环寿命高的磷酸铁锂电池一直是主流路线,其占比最高超过70%(受限于能量密度,当时的纯电动乘用车主要以小型和微型为主)。

转折点在2017年,随着政策补贴调整到鼓励追求高能量密度,以及三元锂电池技术的进步,三元电池凭借高能量密度反客为主,逐渐取代磷酸铁锂成为行业主流,占比快速提升到67%,似乎正极材料之争彼时已经盖棺定论了。

但过去的一年多,磷酸铁锂却吹响了反攻的号角。从去年年初以来,磷酸铁锂电池的装机占比从38.3%开始一路追赶三元电池,到今年6月份,磷酸铁锂的装机量实现反超,至今已连续5个月超过三元的装机量。

复盘今年磷酸铁锂电池的战绩,可以说相当亮眼,1-10月份,磷酸铁锂电池的装机量达到53.2GWh,同比增长316.4%,占到总装车量的49.5%,如今磷酸铁锂已经形成了与三元电池平分天下之势。从产量角度看,磷酸铁锂电池更是早已高过三元电池。

图3:今年6月份以来磷酸铁锂的装机量超过三元,资料来源:中国汽车动力电池产业创新联盟,华创证券

图4:2021年主要正极材料产量情况。资料来源:鑫罗资讯

在资本市场上,磷酸铁锂正极材料板块同样迎来高光时刻,德方纳米(SZ:300769)、富临精工(SZ:300432)、龙蟠科技(SH:603906)等股价均创下历史新高。

磷酸铁锂的大风甚至吹燃了磷化工这一夕阳产业:整个磷化工产业链的过去10年市值表现一直面露菜色——磷化工指数10年间几乎跌了50%,直到这波磷酸铁锂的大行情,磷化工产业成功焕发第二春,目前已有不少磷化工企业“跨界”进军磷酸铁锂项目,包括新洋丰(SZ:000902)、云天化(SH:600096)、川发龙蟒(SZ:002312)等等。

首先要回答的问题是,为什么磷酸铁锂还能“回潮”,究其原因,主要是以下三方面的催化结果(亦可参考过去锦缎的相关文章,做多诸多论述):

1) 成本。如今政策贴退坡倒逼车企控制成本,车企又进一步对动力电池企业提出了降本要求,成本更低的磷酸铁锂开始被重视。现在包括特斯拉、小鹏在内的众多车企也陆续推出磷酸铁锂版本车型,甚至连戴姆勒集团也表示,未来将使用更便宜但功率较低的磷酸铁锂电池。

2) 结构创新。宁德时代的CTP和比亚迪刀片电池技术让磷酸铁锂电池的整车角度的能量密度上了一个新台阶。

3) 安全性。随着电动车渗透率的提升,大街小巷的电动车越来越多,安全性逐渐得到市场的更多关注,而非此前唯能量密度论。

相对三元,磷酸铁锂的优势体现在成本低、循环使用寿命长,并且安全性占优,在市场导向偏向强调低成本和安全性的时候,磷酸铁锂的回潮也就不难预见了。

图5:三元和铁锂的性能全面对比,资料来源:德邦证券

但精彩的故事,到上面可能并未结束,电池的技术创新像热恋中的情侣,总有聊不完的话题。我们观察到,新能源市场的风向可能再一次发生转向,而正极市场,可能再一次迎来转折点。

02 风云再起

【1】 “新规范”

11月18日,工信部对《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》(征求意见稿)和《锂离子电池行业规范公告管理办法(2021年本)》(征求意见稿)进行公示。其中提出,引导企业减少单纯扩大产能的制造项目,加强技术创新、提高产品质量、降低生产成本。

深入到细节上面,新规范要求:能量型动力电池项目单体能量密度应≥180Wh/kg,电池组能量密度应≥120Wh/kg。对于电池组的能量密度要求,目前三元和磷酸铁锂基本不受新规限制,但对于单体能量密度的要求,主流的磷酸铁锂电池单体能量密度还在160Wh/kg附近,相当一部分产品尚无法满足新规要求。

所以意见稿一发布,多家动力电池企业便得到不少投资者的关切问候:公司磷酸铁锂电池的单体能量密度能否达到新要求,量产有没有困难?

当然新规范并非要压制磷酸铁锂路线发展,事实上,新规范同时对正极材料提出新的要求:磷酸铁锂比容量≥150Ah/kg;三元材料比容量≥175Ah/kg。现在的行业情况是,三元8系及以上高镍材料毫无疑问均达标,但三元5系及以下的量产比容量或有部分企业不达标,三元材料们也一样要紧张起来。

在笔者看来,新规范是鼓励大家往高能量密度、高产品质量方向努力,并非要对磷酸铁锂和三元材料的“路线之争”下个结论,对于最近被磷酸铁锂压制的三元电池,由于其天然的能量密度高的属性,再次迎来发展的东风。

【2】终端需求是第一推动力

政策毕竟只能给出方向,消费者需求才是实打实的。

近日汽车界的大事非广州车展莫属了,跟以往大不同的是,本次车展上不仅仅是合资车企,连国产车企也密集发布20万元以上高端电动车型,并且其纯电续航均在600km以上,多款车型甚至达到1000km。续航里程长的高端款电动车成为车展的重头戏。

事实上,伴随着国民财富的积累,人们对车的要求和品质越来越高,市场对中高端电动车的需求越来越大,A、B级电动车正在成为新的推动力。从本次广州车展新亮相的车型,到蔚来ES8、小鹏P7、领克001等车型的畅销,这个趋势已悄然发生。

参照燃油车市场,A、B级车是主流,A00级别车型基本没有市场。而在新能源市场,低续航的A00级别车型占比最高,但是其市占率正逐渐萎缩;反观高续航B级电动车的渗透率正快速提升。

图6:新能源A00级车萎缩,A、B级车快速提升,资料来源:乘联会

另一层面,A00级别车主买的是性价比(成本低),五菱宏光MINI、长安奔奔这类的A00级车是定位城市代步,其应用场景非常有限,世界那么大,有谁不想开着心爱的电动车去远方。

还有一点,容易被忽略,随着汽车智能化下半场的到来,智能座舱、自动驾驶、车内娱乐等附加功能也将进一步提升耗电量(关于汽车智能化下半场,我们将在近期的报告中展示)

结论就是:车上电池未来的负载,只会越来越高。

那么问题就来了,随着中高端车型陆续上市,续航里程又将成为重要的参数,而被磷酸铁锂短暂压制的三元电池,可能迎来强劲的需求支撑。

【3】美国的接力棒

作为全球第二大汽车市场,美国市场汽车销量在1700万辆左右,但美国今年前三季度的新能源车渗透率仅有3.7%。在这场电动化全球浪潮中,美国此前给外界的印象是毫无参与感可言,特朗普执政时期美国甚至退出了《巴黎协议》。

但是新领导人上台后,情况发生180度逆转,今年8月份,拜登政府提出2030年实现全美新能源汽车销量50%的目标,三个月后,美众议院通过了拜登1.75万亿美元的刺激法案,其对新能源补贴力度大超市场预期。

随着新政府对新能源汽车的支持,预计美国也将赶上这波新能源浪潮,也成为产业链明年最期待的爆点市场。美国通用、福特等传统本土车企的电动化转型加速和特斯拉、Lucid等新势力的壮大,美国新能源车的供给端问题也不大。

下面敲重点,美国新能源汽车的本土电芯供应主要是LG化学、松下、三星SDI、SKI、等日韩企业在美国的工厂,而上述企业都以三元路线为主。

值得重申的是,作为电动车领导者的特斯拉同样热衷于三元路线,虽然近期国产Model 3部分采用了磷酸铁锂的方案,但丝毫不改变其以三元为主的发展路线。去年马斯克在“电池日”上发布的4680大圆柱电池便是其三元高镍路线的代表作之一。到2022年之后,特斯拉和松下的4680高镍圆柱电池将迎来量产,目前国内的相关产业链企业已经参与进来。

图7:美国新能源车税收政策对比,资料来源:公开信息

03 投资思路的再梳理

经过以上的分析,我们对两大正极材料的“斗法”的历史、现状和未来都有了进一步的认识,映射资本市场,我们势必要再次梳理锂电池正极材料的投资思路。

【1】能量密度的提升再成主旋律

从去年开始,磷酸铁锂一直火到现在,大有推倒三元之势,很大一部分原因是大家开始重视成本和安全性而非单纯的能量密度(里程)。但事实上,能量密度(里程)的提升一直是新能源行业进步的关键因素。

为什么国家盯着能量密度不放?前文已经提到,里程焦虑是制约新能源车大规模推广的重要因素。虽然现在主流的电动车续航在500公里左右(实际使用还要打个折扣),但跟燃油车比起来,差距还是比较大。

如果电动车的真实续航里程达到800公里,甚至跨越1000公里的时候,车主的里程焦虑会大大降低。新能源汽车商业化最为成功的车企特斯拉,其近十年不断提升的续航里程,也正说明了能量密度的重要性。

那么如何让电池的能量密度继续提升?无非就是在材料体系和结构层面的创新。

先说材料体系创新,对于磷酸铁锂,受磷酸铁锂材料理论比容量(170mAh/g)的限制,电池单元能量密度的提高空间已经越来越小。相反,三元材料正处在技术的快速迭代期,从NCM333到NCM523再到NCM811,其能量密度是逐步提升,NCM811能量密度相较于目前主流三元NCM523,能量密度提升可18%左右。

实际上,三元正极材料是综合了钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)和锰酸锂(LiMnO2)三种正极材料的优点,其电化学性能及物理性能随着这三种过渡金属元素的比例改变而不同,可以持续优化。

对于结构层面创新,当前电池结构层面的优化已经简益求简,像CTP技术和刀片电池,其电池包中能省的零部件都省了,未来只剩CTC技术(无模组),能量密度提升空间越来越小。这些都注定磷酸铁锂在长续航电池方面难有建树,所以这次新政策是点了名要让三元电池往高镍发展。

图8:主要三元正极材料分类,资料来源:中国化学与物理电源行业协会,鑫椤资讯

【2】便宜再便宜

大家有没有发现,新能源车的销量呈现哑铃状,高端车型和低端代步车型销量高,中间经济车型的销量小。之所以会出现这种情况,内在原因还是动力电池的价格不够便宜。

到这里有人会说,要比拼成本,那不还是磷酸铁锂电池的长项吗?

事实上,三元电池虽然现阶段成本高于磷酸铁锂,但凭借材料体系的创新,其成本仍有较大的下降空间。

在三元正极的成本中,原材料成本对三元材料价格影响显著,其占比超过80%,尤其是钴的价格,一直居高不下,而且钴材料对外依存度高达90%。目前业内一致的方案就是采取高镍低钴甚至无钴方案。

根据行业测算,NCM811电池正极材料的钴含量相比NCM523的钴含量由12.2%降至6.1%,折算到动力电池每kWh用钴量从0.22kg降至0.09kg,降幅高达59%,在钴价大涨的今天,三元高镍的材料成本优势越发凸显。今年以来,高镍在三元的占比已从最开始的20%提升至现在的将近50%。

其次,三元正极往高镍发展后,其能量密度一般要比磷酸铁锂或者三种中镍高出20-30%,换言之,携带相同容量的电池,对应负极、电解液、隔膜、铜箔、铝箔等成本也将同步下降。

再者,三元高镍材料由于制备难度较高,现在的量产规模仍然较小,未来随着电动车销量增长带来的规模效应和生产良率的提升(目前行业良率80%左右),也可进一步降本。

最后值得一提的是,由于三元正极材料占电池价值量的比重大,目前三元正极产业链已经逐渐形成一体化的趋势,如华友钴业(SH:603799)涉及上游钴镍锂矿产、金属盐和前驱体,正在向三元正极布局,三元正极企业容百科技(SH:688005)、长远锂科(SH:688779)正往前驱体布局。头部企业的一体化整合也将带动行业成本的下行。

图9:三元材料产业链的主要参与企业,资料来源:公司公告

从长期看,三元高镍和磷酸铁锂的成本差距会越来越小。根据财通证券的测算,预计2030年高镍电池成本最终会和磷酸铁锂相当。

图10:未来三元电池pack价格趋势(元/Whh),资料来源:GGII,财通证券

行文至此,结论已清晰可见,三元电池在锂电池界仍然占据着举足轻重的地位。现在的磷酸铁锂电池凭借成本和安全优势虽然压着三元电池一头,但临近2022年,三元的回暖也越来越近。

【3】正极的江湖可能还是双龙戏珠

此处需要明确提示大家,上文对于三元笔者用的词是“回暖”而非“反噬”,我们看好的是三元材料占比的相对提升,而对磷酸铁锂有什么偏见。相反,我们一直认为磷酸铁锂和三元各有千秋,未来正极的江湖可能仍还是双龙戏珠,而不是某一个材料的独角戏。

早在去年8月发布的文章《宁德时代与比亚迪的战争》中,我们已有判断,CTP/刀片电池将给磷酸铁锂一个挽回份额的契机,但这也并不意味着三元材料又将走向没落,因为三元电池的能量密度比磷酸铁锂高很多,且理论密度上限更高。

因此未来几年内仍大概率是磷酸铁锂和三元共存的局面,尚不存在谁要取代对方的说法。这也是为什么行业领军企业如宁德时代和比亚迪等同时布局这两个材料的原因。

【4】哪些玩家值得注意?

说了这么多,对于做投资的人来说,可能最关心的问题是:新趋势下,哪些公司值得关注?

跟负极、隔膜和电解液不同的是,我国正极材料市场整体集中度仍然较低,头部企业出货份额均较为接近,尚未出现绝对的行业龙头企业,正极市场的市场竞争依然激烈,虽然是四大材料里最重要的,却也是盈利能力最低的。

图11:动力电池四大材料利润率和费用率情况,资料来源:中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会

对于三元电池的技术升级方向,随着镍含量提高,电池热失控等风险随之提高,这给电芯生产和电池热管理企业提出更高要求,同时高镍正极也会带来三元前驱体配方、正极烧结、改性难度的大幅提升,行业技术壁垒再次提高。

所以现在市场虽然很分散,但我们预判未来集中度会进一步提升,正极领域也是极有可能走出全球性龙头企业,容百科技(SH:688005)、当升科技(SZ:300073)等头部企业进入了我们的视线。

风云再起时,试问谁主沉浮?可能不久后,我们就能看到答案。

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