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电池行业分析报告-PDF版

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  • 锂电池行业车锂谈系列之一:复合铜箔星垂平野阔集流体风迎-240208(23页).pdf

    分析师分析师郭彦辰郭彦辰登记编号:S1220523110003车锂谈系列之一:复合铜箔星垂平野阔,集流体风迎电 力 设 备 与 新 能 源 团 队电 力 设 备 与 新 能 源 团 队 行 业 专 题.

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  • N型电池行业深度:现状及趋势、细分类型、产业链及相关公司深度梳理-240209(34页).pdf

    1/34 2024 年年 2月月 9 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 行业研究报告 慧博智能投研 N 型电池行业深度:现状型电池行业深度:现状及趋势及趋势、细分类型、细分类型、产业链及相.

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  • 锂电行业专题:电池龙头的价格与盈利好于预期-240207(18页).pdf

    锂电专题:电池龙头的价格与盈利好于预期电新首席证券分析师:曾朵红执业证书编号:S0600516080001联系邮箱:电动车首席证券分析师:阮巧燕执业证书编号:S0600517120002联系邮箱:联系.

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  • 大圆柱电池行业深度:市场现状、未来展望、产业链及相关公司深度梳理-240204(26页).pdf

    1/26 2024 年年 2月月 4 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 行业研究报告 慧博智能投研 大圆柱电池大圆柱电池行业行业深度:深度:市场现状市场现状、未来展望未来展望、产业链产业链.

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  • BCG&中国汽车工程学会:2024全球动力电池产业链可持续发展评估报告(39页).pdf

    2024年1月波士顿咨询公司与中国汽车工程学会联合研究全球动力电池产业链 可持续发展评估 目录前言 11.全球锂电池产业概况 42.产业链下游:电池生产及供应 63.产业链中游:正、负极材料 134.产业链上游:锂、镍、钴 205.电池回收利用 28结语 33波士顿咨询公司2024年1月前言得益于新能源汽车、储能等下游应用场景爆发式增长的驱动,全球锂电池产业正在蓬勃发展。预计到2030年,全球锂电池的需求规模可达4太瓦时(TWh)。其中,中国作为全球锂电池产业最大需求及供给市场将持续领跑产业变革;与此同时,欧美在减排目标、能源转型等强需求下贡献出更多的增量驱动,并重塑全球市场供需格局;以东南亚、印度及中东为代表的新兴市场也正进入快速成长阶段,积极参与到全球锂电池供应链体系中。当前,中国在锂电池产业链各关键环节依旧发挥着主导作用,但正面临着市场竞争加剧、企业盈利承压和地缘政治风险加大等挑战。为引导全产业链的可持续发展,波士顿咨询公司与中国汽车工程学会联合锂电池行业国内外专家、学者和企业管理者,合作设计“全球及中国动力电池产业链可持续发展水平评估体系”,以期为全产业相关参与企业如何实现可持续发展提供指引,并积极引领全行业持续优化产业发展环境及政策,推动产业链朝更健康与更可持续的方向发展。全球及中国动力电池产业链可持续发展水平评估体系主要涵盖产业政策、市场环境、供应链成熟度、技术及制造竞争力、绿色及可持续行动五个评估维度。本报告将重点聚焦市场需求与供应链供需状态的分析:市场维度,重点围绕行业市场前景、竞争结构与盈利性展开分析(参阅图1);供应链维度,聚焦对产业链供需动态、国际贸易链路以及再生闭环参与程度的评测分析(参阅图2)。通过定量与定性分析中国动力电池产业链在细分维度上的表现,评测发展指数并建议可行的优化方向(参阅图3)。全球动力电池产业链 可持续发展评估波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估2子维度研究市场前景资料来源竞争结构行业盈利性定量评测标准 评测:行业整体和细分市场增长潜力 分析:行业和细分市场增长的驱动因素(电动汽车销量、单车带电量、价格水平等)评测:市场集中度的健康水平 分析:市场进入难度(新进入者数量、技术/渠道壁垒等)、产品差异化程度等 评测:1.企业毛利率健康度;2.企业现金流量比率(经营活动现金净流量/流动负债)vs 工业企业平均毛利率 vs 企业现金流量比率相对表现水平 vs 集中度健康区间 vs GDP增速 vs 新能源汽车产业增速、可再生能源产业增速 中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动 企业年报、调研 第三方资讯公司数据、行业研究报告 BCG内部模型 BCG过往项目经验、全球知识库 外部专家访谈等评测:影响可持续发展指数的定量因子分析:定性因子可持续发展市场指数 图1|全球及中国动力电池产业链可持续发展评估模型市场指数 评测:1.整体和结构性产能利用健康度;2.行业整体和细分市场价格波动 分析:供需关系、产能调整周期、技术路线、贸易关系、价格趋势等影响 评测:中国产能占全球比例 分析:全产业链贸易流向视角;国际贸易流向的风险提示(如地缘政治、自然灾害等)评测:再生材料供应占比 分析:再生材料占比提升的驱动因素和趋势(退役动力电池量、合规回收比例、梯次利用比例等)vs 2030年预测值 vs 集中度健康区间 vs 健康值 vs 基准价格 中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动 企业年报、调研 第三方资讯公司数据、行业研究报告 BCG内部大宗商品数据及模型 BCG过往项目经验、全球知识库 外部专家访谈等评测:影响可持续发展指数的定量因子分析:定性因子可持续发展供应链指数供需动态国际贸易链路再生闭环子维度研究资料来源定量评测标准 图2|全球及中国动力电池产业链可持续发展评估模型供应链指数波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估3增速:5%,10%)|10%,15%)|15%,20%)|20%增速:-1%,1%)|1%,3%)|3%,5%)增速:-10%|-10%,-5%)|-5%,-1%)综合考虑行业集中度、竞争格局稳定性、竞争壁垒等因素综合考虑行业集中度、竞争格局稳定性、竞争壁垒等因素综合考虑行业集中度、竞争格局稳定性、竞争壁垒等因素毛利率:20%毛利率:10%,20%)毛利率:10%产能利用率:70%上游矿:供需平衡产能利用率:50%,70%)上游矿:细分领域供需平衡产能利用率:50%上游矿:储量或产量供不应求中国产能占全球比例:60%上游矿:贸易链路通畅中国产能占全球比例:60%,80%)上游矿:有市场/政策机制调节中国产能占全球比例:80%上游矿:存在地缘政治风险回收材料占原材料比例:10%主流玩家引领成熟实践回收材料占原材料比例:5%,10%)主流玩家布局探索回收/梯次利用回收材料占原材料比例:5%产业链主要玩家几乎暂未涉足可持续发展市场指数可持续发展供应链指数市场前景竞争结构盈利性行业供需动态链路国际贸易再生闭环领先Promote:7|8|9|10初步Weaken:1|2|3中等Neutral:4|5|6等级划分:WNP等级(基于10分制)Weaken 初步 0,4):0,1,(1,3),3,4)Neutral 中等 4,6:N-W 4,5),N 5,N-P(5,6 Promote 领先(6,10:(6,7,(7,9),9,10 图3|全球及中国动力电池产业链可持续发展评估模型市场与供应链指数评价体系波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估41.全球锂电池产业概况受全球锂电池产业的爆发性增长影响,近年来,全球主要锂电池市场中国、日本、韩国、欧洲、美国,纷纷出台针对电池产业的可持续性发展战略规划,并通过相关政策、法规的陆续出台,以实现对本国、本地区产业的可持续性发展提供指引及保障。其中日本和韩国是电池产业的传统强国,但近年来随着中国锂电池产业的崛起,日韩企业的市场份额逐年下降。韩国政府为应对全球范围战略性电池产业的市场竞争,发布了2030二次电池产业发展战略充电电池产业革新战略,并明确了“到2030年韩国占据全球电池产业40%市场份额”的发展目标,通过公私合作、投资拉动,促进企业科技创新,加速抢占下一代电池技术的战略高地,加快产能和供应链体系建设。日本电池企业的市场份额目前位于中韩两国之后,处于逐渐滑落态势。日本政府为实现碳中和目标以及应对未来的可再生能源电力需求,出台了2050碳中和绿色增长战略及能源基本规划,为日本全国绿色低碳转型和可再生能源的发展提供了顶层战略设计。针对电池产业,日本政府在蓄电池产业战略中提出“到2030年日本国内产能达到150吉瓦时(GWh),日本企业在全球产能达到600吉瓦时”的目标,以抢占未来的市场份额。同时,日本全力投入全固态电池技术的研发,旨在到2030年达到产业化能力,以期实现电池技术“弯道超车”。欧盟早在2017年就成立了欧洲电池联盟,统筹欧盟内部的产业资源,形成电池产业发展战略合力,并提出了旨在加强欧盟电池全产业链竞争力的电池战略行动计划,构建从原材料获取、加工到废旧电池回收利用的“从摇篮到坟墓”全生命周期产业体系。2023年,欧盟出台了绿色协议产业计划,其中净零工业法案和关键原材料法案旨在提升欧盟自身清洁能源技术的制造规模,强化清洁能源的本土制造能力,设立了“到2023年欧盟本土电池制造产能达550吉瓦时”的目标,并针对关键原材料和矿产资源设定了在欧盟本土开采、加工和回收的产能目标,全面打造欧盟本土清洁能源和电池供应链体系。此外,欧盟还通过了欧盟电池和废电池法规(以下简称“新电池法”),以立法的形式对未来电池进入欧盟市场提出了更高的要求,明确了将从2024年到2036年陆续开始实施对产品声明、供应链尽职调查、碳足迹、电池护照、生产者责任制度和电池回收再生利用等的全生命周期合规和信息披露要求。美国政府在拜登总统上任后宣布重返巴黎协定,并于2022年12月31日后开始执行通胀削减法案,对电池中的核心矿物与组件来源和产地做出了明确要求,旨在提升美国本土和贸易伙伴国的供应链能力。此外,美国能源部发布美国国家锂电发展蓝图(20212030),其中提出了五大发展目标,包括保障关键原材料的供应与开发替代产品、建立原材料加工基地、建立核心组件制造基地、建立回收利用体系,以及支持技术研发和提升劳动力素质。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估5中国在21世纪初就提出了节能与新能源汽车的发展思路,并将其列入了2006年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)中。随后国务院陆续印发了 节能与新能源汽车产业发展规划(20122020年)关于加快新能源汽车推广应用的指导意见等顶层战略规划与意见,启动了一系列针对电动汽车和动力电池技术的国家重点科技研发专项和示范推广项目。2020年,国务院印发了新能源汽车产业发展规划(20212035年),提出了提升锂电池产业基础能力、强化循环利用体系建设、推动全价值链发展的要求。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估62.产业链下游:电池生产及供应当前,全球锂电池产业正处于快速发展阶段,各类企业面临着广阔的市场机遇,包括高速扩张的市场需求、持续演进的竞争格局及多元技术路线的共同发展等。同时,中国作为全球最大的锂电池市场,正面临着低端产能过剩、优质产能供应紧张的供需不平衡挑战,中国企业纷纷“卷”出国,头部国产锂电池企业纷纷加速出海投资以开拓欧美等海外市场。而欧美等市场为满足本地市场需求,强化本地产业链能力建设,正加大政策、财政及投资鼓励的力度以推动产能扩张。欧洲在减碳及能源独立的目标下,新能源转型激进,预计至2030年新能源汽车渗透目标可实现近60%,动力电池需求规模近800吉瓦时。全球头部企业与欧洲本地企业积极规划产能,市场格局预期分散,但实际产能释放情况仍存在不确定性(参阅图4)。特斯拉6 30估70 206%1,6571,5801,8031,82068 2284 25估5UVPHEVHEVICE2025估1 30估2 202B2022108168799 34%需求侧供给侧19%3& 2210%2 301601,6001,900其他厂商英伏特Morrow远景动力ItavoltACCSKInnovation蜂巢能源三星SDILG化学宁德时代Northvolt其他厂商远景动力SKInnovation三星SDILG化学宁德时代特斯拉全球头部企业与欧洲本地企业积极规划产能,市场供应格局预期分散,但实际释放情况仍存在不确定性欧洲汽车产量及新能源汽车渗透率(万辆)BEV/PHEV车型动力电池需求规模预估(GWh)31%)P%3x%8%6%9(%9%6%6%5%2%3%3%4%4 222030年欧洲地区产能规划(GWh,%)来源:IHS(2022年11月);公开信息;文献研究;BCG分析。注:百分比已四舍五入,部分总和不为100%。图4|欧洲市场动力电池需求及供给预测美国则在通胀削减法案的助推下,新能源产业发展提速,预计2030年新能源汽车渗透率将达45%,动力电池需求超500吉瓦时(参阅图5)。日韩两国的电池产能除满足其国内供应外,大量供应北美市场,并通过在北美当地投资设厂,形成密切的贸易投资合作波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估7关系。而中国头部玩家短期内受政策法规的限制,仍在积极寻求进入北美市场的突破机会。预期未来全球市场格局将加速朝产能优胜劣汰、区域均衡布局的可持续方向发展。2.1 可持续发展市场指数得分:7(十分制)市场前景得分:10(十分制)全球锂电池市场预期将以25%的年增速快速扩张,至2030年市场规模将超4太瓦时。其中,随着电动汽车渗透率持续上升、长续航需求使得单车带电量提升,动力电池需求将快速上涨,市场占比将达到80%。随着各区域市场下游需求增长,全球市场格局将三分天下:中国市场体量大、发展领跑全球;欧美则在政策推动下加速追赶,提供增量驱动及持续成长空间;同时,东南亚、印度及中东等新兴市场也正积极投入,快速成长。聚焦中国,预计至2025年,中国锂电池需求量将以超40%的年增速增长至1太瓦时;至2030年,将以13%的年增速增长至约1.8太瓦时,其中动力电池需求占比一直维持在75%以上。动力电池是中国锂电池需求的主要来源,也是市场增长的关键驱动,其中从电池装车结构来看,乘用车是最大赛道(参阅图6)。2030估20202022 2025估45VPHEVHEVICE2025估2030估20202022 32%需求侧供给侧20222030尽管难度较大,中国头部玩家仍在积极寻求进入市场的突破机会美国汽车产量及新能源汽车渗透率(万辆)BEV/PHEV车型动力电池需求规模预估(GWh)20222030年北美地区产能规划(GWh,%)31%8%229911,1291,12177%5Y%6$9%12741$55064%6%1%5%1%6%7%3%301,0001,300其他厂商三星SDIFreyr远景动力丰田松下LG化学尚未公布SKInnovation其他厂商LG化学SK Innovation松下远景动力37 %7%55%5%5%来源:IHS(2022年11月);公开信息;文献研究;BCG分析。注:百分比已四舍五入,部分总和不为100%。图5|美国市场动力电池需求及供给预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估8 竞争结构得分:5(十分制)以动力电池最大的市场中国为例,中国动力电池市场竞争不断加剧,集中度持续提升。一方面,第一、二梯队玩家市场份额均呈增长趋势,逐步扩大领先优势,市场集中度持续提升;前两大玩家寡头优势明显,占据近70%的市场份额。另一方面,近五年来,国内电池厂商总数量显著下降约50%,部分玩家市场份额大幅萎缩或被直接淘汰出局,行业整合加速(参阅图7)。从三元技术路线来看,宁德时代正持续扩大三元路线优势、稳居市场第一。第二、三梯队企业的格局则仍在演进,存在潜在洗牌机会。领先企业正积极通过与主流主机厂商设立合资企业、开展联合研发、共同建厂等方式,以获取定点、保障稳定的需求进而锁定供销规模,同时通过升级化学体系、布局高比能与高安全的电芯结构、提升快充表现等新兴技术,探索弯道超车的机会。CAGR(1930E)8615451(49%)144(64%)2946(49%)231(69%)5137746(77%)50791,335(75%)336571(77%)2743419(75%)931042255557429671,7803771420461117281616181920222591321335120192020202127332025估47292030估322023估2024估302022 54% 42% 13%储能消费品电动车其他单位:GWh储能电池1消费电子2客车3中重卡4轻型商用车5乘用车6其他场景7 57% 14% 6% 34% 31% 36% 18 192030年中国锂电池需求预测来源:IHS(2022年10月);高工锂电(2023年1月);中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;文献研究;BCG分析。1储能电池包括发电侧、电网侧及用户侧储能电池应用。2消费电子包括手机、笔记本电脑、平板电脑及便携式充电装置。3中型及大型客车包括公交车、大客车、校车及其他专用客车。4中重卡包括牵引车、卸货车、运载车及专用车。5轻型商用车包括轻型货车、面包车及皮卡。6乘用车包括轿车、SUV及MPV。7其他场景包括电动二轮车、工程机械、电动船舶及电动飞机(包括无人机)。图6|中国锂电池市场需求预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估9就铁锂技术路线而言,市场格局趋于稳定,市场份额正持续向第一梯队企业集中,第二、三梯队企业想在动力电池领域实现全面破局的难度持续加大,储能电池正成为追赶玩家建立规模、储备及强化能力的新机遇。尽管近期由于下游整车企业竞争加剧、价格战导致利润下降,以及成本敏感性更高的小微型电动汽车市场增长,铁锂电池的整体需求持续看涨,但市场份额预期将继续向掌握先进技术、产品稳定性及性能更好及具备成本优势的领军企业集中。固态电池以高安全、高比容的优势正成为业界竞争的新赛道,是全球动力电池行业战略竞争的新高地之一。中国半固态电池已初步实现量产装车,十余家企业正展开积极试水竞争,但当前规模依旧比传统液态电池小,各家市场份额仍较为均衡。中国头部企业全固态电池量产时间规划集中在2025至2030年,电导率低、循环寿命差是阻碍其产业化的主要原因。美国、日本及韩国的企业较中国企业更为激进,跨过半固态全力投入全固态电池技术的研发与产能布局,公布的量产时间平均较中国早一至两年,但实际量产时间及表现仍面临技术及市场的多重检验。按玩家统计的中国动力电池装机量(20162023H1)22)ASHSEC& $0%5%6%5%5%6%6%6%8%9%7%64%8%2 160%2%3 172%3%2%4 180%2%3%3 195%2%1%2 212%5%2%2 202%4 222%4%1%4%2%5%1 23H128365762621392611523%宁德时代比亚迪LG化学国轩高科中创新航蜂巢能源亿纬锂能孚能科技欣旺达沃特玛力神其他电池厂商数量总装机量(GWh)135969575768769来源:高工锂电(2023年1月);文献研究;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。注:百分比已四舍五入,部分总和不为100%。图7|中国动力电池企业装机量竞争格局波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估10行业盈利性得分:6(十分制)当前,中国主流锂电池厂商的毛利率表现维持在约15%。近年来虽受原材料价格上升及整车价格下滑的双重挤压影响,行业平均毛利率有所下降,但整体仍处于相对健康的态势(参阅图8)。一方面,主机厂对于电池采购价格年降幅度要求变高,不断压缩电池厂商的毛利空间。另一方面,尽管技术升级、规模效应放大以及生产良率提升均有利于成本节降,但由于物料成本占总体成本约六成,原材料下降幅度低于价格下降幅度,进而导致利润空间的压缩。作为新能源汽车的核心零部件,动力电池在能量密度、封装形态及生产良率等方面仍有优化与突破的空间,因此领先玩家仍有溢价及优化利润的空间。在上游原材料价格回落趋稳后,预计领先厂商毛利水平将有所释放。此外,领先玩家通过新技术迭代、垂直整合、加速发展海外业务及拓展新业务领域等方式,积极推进业务的全价值链延展,以实现增收、增利的同时应对利润空间下滑的潜在风险。宁德时代国轩高科亿纬锂能伴随物料成本大幅上升和价格下降,电池厂商利润空间受挤压101520253035201820192020202120222023Q117 182023Q1电池厂商动力锂电池业务毛利率(%)作为新能源汽车的核心零部件,动力电池在研发技术及生产良率上仍存在壁垒,因此领先厂商仍有溢价能力,并且在上游原材料价格回落平稳后,预计领先厂商毛利水平将有所回升19%随着上游原材料价格回落,头部厂商毛利实现反弹16%来源:公司年报;行业研报;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图8|20182023年第一季度中国头部电池厂商动力锂电池业务盈利情况波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估112.2 可持续发展供应链指数得分:5(十分制)供需动态得分:5(十分制)行业高速成长正吸引资本大量涌入,部分车企已经开始自研自建电池产线,产能持续扩张。此外,短中期内混合动力路线的电动汽车会在汽车市场占据相当体量的份额,且近一年来混合动力系统汽车(含插电式混合动力汽车和增程式汽车)因没有里程焦虑且拥有更低的拥车成本,市场份额逐渐上升,所以一定程度上加速和推升了动力电池的需求,使得第一、二梯队头部玩家的优质产能供应维持在相对饱和和紧张的状态。截至目前,中国国内已公布的2025年总规划产能已超过2.6太瓦时,其中预期约2太瓦时产能将大概率按计划投入运营,考虑到2025年需求约1太瓦时,全行业总体产能利用率预计接近50%。然而,随着中国“3060”愿景和世界各国碳中和目标的逐步临近,上述混合动力路线作为新能源过渡产品,终将会被纯电动路线取代,伴随需求持续增长、产能扩张节奏减缓,行业平均产能利用率将逐步提升并维持在50%。国际贸易链路得分:6(十分制)随着欧美动力电池需求快速增长、减排环保要求从严、本土自给自足法规到位,预计到2030年欧美产能项目上线后,将从亚太手中分走约15%的全球市场份额,亚太地区在全球电池市场的主导地位将削弱,电池产能占比将从目前的近75%下降至约50%,区域产能分布及供需格局预期将更加均衡(参阅图9)。10s 2210 p 25估1%1 %0P 30估1,0003,6006,500欧洲17%0%亚太北美中东和非洲20222030产能市场份额(%)欧美产能项目上线,从亚太手中分走15%的市场份额全球电池产能(GWh)产能地区分布(%)中南美洲中东和非洲北美欧洲亚太73P %1%1%2%2%南美来源:BCG电池市场观点(2023年1月)。图9|20222030年全球电池产能分布及格局演进波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估12国外政策法规趋严对中国企业出海提出更高的要求,国际化经营面临挑战。美国通胀削减法案、欧盟绿色协议产业计划及新电池法等相关法令陆续出台,旨在支持本土绿色产业发展,加大对海外核心部件进口的限制,这些都对中国企业产品出海、甚至海外建设产能构成一定限制。头部企业亟需通过优化原材料选取、生产碳足迹管理以及回收处理等技术的布局以满足出口市场要求,积极调整海外业务战略,在降低潜在地缘政治风险的同时,实现拓展客户、维持市场份额并巩固业务竞争力的目标。再生闭环得分:3(十分制)伴随产业链成熟度的持续提升、政策法规逐步到位,部分领先电池玩家已开始涉足电池拆解回收、梯次利用及再生利用等环节,但电池回收行业整体仍处于发展的起步阶段。随着动力电池步入退役阶段、叠加政策扶持,预计中国市场在2025年将率先迎来近150吉瓦时的回收需求,2030年规模可至730吉瓦时,未来年均增速约40%。2.3 启示对于从业企业而言,在产品技术、供应链、商业模式等方面持续创新与沉淀至关重要,需要在保持企业战略定力的同时,积极把握行业发展脉搏进行调整创新。在布局新技术时,宏观层面研判潜在应用市场及特征,微观层面统筹考虑不同技术路线本征特性,紧跟下游客户战略需求,以此明确技术研发投入的侧重及优先级,指导产品设计及市场导入节奏。在建设供应链时,通过投资并购实现供应链垂直整合,或与上下游企业开展战略合作打造供应生态以保持成本竞争力,并加强供应链碳足迹管理、布局再生材料供应、完善电池后生命周期管理体系,以满足海外市场要求,提高全球经营及治理能力。在探索新商业模式、试水创新业务、拓展新应用时,需秉承油车电车平价、车辆使用便利及安全的发展方向,面向乘用车特别是商用车不同细分应用场景的用户需求和痛点,基于自身现状及战略方向,明晰创新业务为行业带来的价值,在品牌、营销、售后服务等方面革新迭代。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估133.产业链中游:正、负极材料3.1 正极材料作为锂电池产品最重要的材料组成部分之一,正极材料产业同样处于快速成长阶段。得益于锂电池市场需求的快速扩张,正极材料需求旺盛。行业技术路线多样且持续升级迭代,竞争格局仍在不断演进。受前期因供给紧张而引发价格飞涨、近期产能加速扩张及释放的影响,当前总体产能利用率不高但优质产能同样供不应求。同时,受美国通胀削减法案、欧盟绿色协议产业计划与新电池法等法令出台的影响,正极材料企业正随着电池厂加速海外业务的布局,预期未来产能国际化与多极化是大势所趋,这对正极材料企业的国际化经营及治理提出了更高的要求。3.1.1 可持续发展市场指数得分:7(十分制)市场前景得分:9(十分制)得益于锂电池市场的驱动,全球锂电池正极材料市场以近20%的增速高速扩张,预计至2030年动力电池正极材料的市场规模可达630万吨。2021年以来,中国铁锂正极材料占比逐渐超越三元正极材料达到60%以上,国外则三元正极材料一直保持主导地位。国内铁锂正极材料份额快速提升主要得益于其在原材料价格高涨和政策补贴退坡背景下显现的成本优势、CTP、CTC和CTB等技术成熟带来的能量密度提升,以及相对三元正极材料更低的碳排、更符合绿色低碳趋势。中长期来看,伴随上游原材料成本回落、高压平台及快充技术成熟,以及在长续航需求的驱动下,高镍三元/富锂等高端正极材料的渗透率将提升,中低端三元材料因能量密度与铁锂相比无显著优势且成本高于铁锂,份额将逐渐下降。因下游主机厂逐渐从以能量密度为首要考虑因素过渡到续航能力和成本的平衡考虑,铁锂类技术路线将更占据主要地位,磷酸锰铁锂等新型磷酸盐材料将加快市场切入,而国外领先车企也正加大定点向铁锂类技术路线转向,预期全球市场将长期呈现铁锂类与三元类正极材料二者并行发展的趋势(参阅图10)。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估14竞争结构得分:6(十分制)铁锂正极材料的市场格局相对集中,前五大厂商市场份额占近70%。早期因受补贴政策支持高能量密度的引导和影响,国内市场重心偏向三元正极材料,因而铁锂正极材料的竞争企业数量相对有限。近两年行业需求升温,叠加技术壁垒不高,大量新玩家涌入,集中度有所下降,预期市场格局还将持续迭代,但头部企业的技术和渠道优势正不断显现,集中度提升依旧是大趋势。相较而言,三元正极材料市场因定制化需求更高而较为分散,前五大玩家占比不到40%,且排名时常更迭洗牌。主要原因在于三元正极材料的技术路线更丰富,行业布局企业众多,将近一半的参与企业聚焦单品开发,同时依旧存在新企业加入。高镍化是三元正极材料的主流发展趋势,生产壁垒较高,拥有技术与成本优势的龙头企业有望逐步构筑及强化竞争力“护城河”,推动市场集中度的稳步提升。富锂锰基材料已具有初步产业化能力。富锂锰基材料不含钴和镍,具有成本低、比容量高、能量密度高、热稳定性好的优势,能够满足长续航需求,但其因姜-泰勒效应导致结构稳定性相对较差,在长期使用过程中易发生结构损坏和电池容量衰减等问题。据披露,目前中国业界头部电池企业和正极材料企业已抢先布局富锂锰基材料的研发,国内企业关于富锂锰基材料的专利呈现逐年递增的趋势,专利布局的竞争已经开始。2230 增长三元材料磷酸(锰)铁锂其他材料1 18%NA单位:万吨49Q%0 2250H%2 25估308(49%)48%3 30估156340630 19%锂电池正极材料市场规模2 185400750来源:IHS数据库;案头研究;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。1如锰酸锂、钛酸锂等。2包含储能、消费电子等其他应用。图10|20222030年全球锂电池正极材料市场规模预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估15行业盈利性得分:5(十分制)2022年主流正极材料厂商的毛利率约15%,较2021年有所下滑。由于原材料成本占比高以及下游客户强势降本的双重压力,正极材料厂商毛利率整体低于负极、隔膜、电解液等其他电池材料(参阅图11)。一方面,正极材料生产对上游原材料依赖度高,三元正极和铁锂正极的原材料成本占比分别为约九成和七成,而原材料成本占比高导致企业难以通过生产制造优化实现大规模、持续性降本。另一方面,下游电芯厂商话语权强,由于正极材料在下游电池厂的成本占比中最高(近四成),电芯厂会将成本控制举措优先放在正极材料上,导致正极材料企业处于相对弱势的买方市场局面。0 0 2020212022毛利率头部企业正极材料业务毛利表现电池材料细分行业毛利率范围0 %毛利率三元正极铁锂正极负极隔膜电解液20%P5 %5%) %9%德方纳米湖南裕能当升科技容百科技长远锂科正极材料厂商毛利率通常在10%-20%之间,低于负极、隔膜、电解液等其他材料10%来源:公司年报;券商研报;案头研究;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图11|中国主要正极材料厂商毛利表现3.1.2 可持续发展供应链指数得分:4(十分制)供需动态得分:5(十分制)受产能加速扩张影响,当前正极材料整体产能利用率较低(约为55%),但同时两极分化严重,头部玩家接近满产。行业已经意识到低端产能过剩的风险,产能扩张趋于理性,叠加落后产能逐步淘汰,预计产能利用率将伴随需求增长稳步回升,2025年起行业整体产能利用率有望回升至60%以上。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估16国际贸易链路得分:6(十分制)当前,中国正极材料产能领先全球,但伴随欧美本地化产业政策的出台,预期短中期内产能将向欧美市场部分转移,区域间更平衡。中国市场得益于容量大、应用场景丰富、技术迭代及发展领跑全球,其中铁锂路线由于成本优势和技术持续进步,在中国已超越三元路线成为主流技术,且短中期内趋势将延续。欧洲市场因地处较高纬度,铁锂材料低温性能不如三元材料,且本地主流整车厂及日韩供应商更倾向及擅长三元技术,三元材料专利布局较多,且欧洲磷矿资源短缺,故以三元技术路线为主流,且在中国电池企业在海外建立规模量产能力前,短中期内仍将占据主流。美国市场也在加速追赶中国和欧洲,积极推动电池产业链的本土化生产,且以三元技术为主流。过往为打消消费者对车辆续航能力的顾虑,追求高能量密度电芯是主要考虑,因此以三元路线为主,但伴随铁锂技术突破、基础设施完善以及特斯拉等头部车企搭载磷酸铁锂电池的产品广泛应用,铁锂技术占比不仅在国内,甚至短中期内在海外均将有所提升,进而推动各类正极材料的国际化提速。再生闭环得分:2(十分制)目前,以正极材料起家的领先企业尚未大规模布局回收环节,但出于资源、成本控制考量以及国内外扶持性政策出台等背景下,企业正积极探索有价金属和固体废弃物循环利用等新机遇,不仅为满足循环利用的环保要求、符合ESG发展预期,同时也为稳定原材料供应、平衡原材料价格发挥稳定器的作用。3.1.3 启示面对未来行业竞争加剧、盈利下降等趋势影响,正极材料企业需通过多重举措提升竞争力。第一,持续升级现有正极材料技术。巩固技术优势的同时,借助技术实现原材料、生产成本的节降。例如,磷酸铁锂朝安全性能更好、能量密度更高的磷酸锰铁锂升级;三元材料朝高镍、单晶化、高电压的方向升级;同时积极探索低成本钠电材料的研究发展。第二,持续推动产业链一体化与多元化发展。一方面通过垂直一体化,保障资源供应、增强供应链稳定性;另一方面拓展产品多元化,布局第二增长曲线,实现差异化竞争。第三,积极探索海外业务布局。欧美市场未来具有很强的增长潜力,应积极适应欧美法规对电池材料产地来源的限制,通过配套供货出口、参股收购和直接投资建厂等方式拓展海外布局。但需要明确的是,企业在寻求新的增长极时,更需要明晰战略定位,立足核心主业与关键业务能力的强化,合理分配资源,并不断在业务治理、体系机制的建设上做好提前规划,以应对未来的潜在风险及挑战。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估173.2 负极材料负极材料行业发展相对成熟,石墨类负极材料占据主流且技术较成熟,同时行业积极推进硅基、碳基新型材料科研攻关和产业化。由于产能超前规划,目前面临短期产能不足、长期低端产能过剩的矛盾。当前全球市场以中国出口为主,预期未来在法规引导下,产能将向欧美部分转移,以满足本地化供应。3.2.1 可持续发展市场指数得分:8(十分制)市场前景得分:10(十分制)全球锂电池负极材料市场以21%的增速高速扩张,预计至2030年市场规模将超400万吨。其中,人造石墨凭借较天然石墨更好的循环寿命、倍率性能及膨胀率等性能优势,被广泛用于动力电池及储能电池,占全球负极材料总需求约八成。天然石墨工艺简单、耗能低,成本和碳排有优势,但比容量已达到极限,不少企业选择掺混天然石墨以降低成本。硅基负极材料则拥有高比容、高安全和快充性能,但仍有待攻坚充放电体积膨胀大、成本高昂、与其他材料配套等问题,至2030年占比预计接近10%,增速预期超50%(参阅图12)。 21%单位:万吨2 227 25估9 30估86218406动力电池应用占比8132(82%)930 增长天然石墨负极人造石墨负极硅基负极 14R!%来源:IHS数据库;案头研究;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图12|20222030年全球锂电池负极材料市场需求预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估18竞争结构得分:6(十分制)全球负极材料的生产主要集中在中国与日韩,中国企业凭借技术追赶与成本优势,已赶超日韩成为第一大产出国。受石墨化产能限制、下游需求绑定等影响,行业产能聚焦头部玩家,市场集中度有加强趋势,包括贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等前五大玩家近年市场占有率接近60%。头部企业通过规模化和新技术实现低能耗与低生产成本,加速出清规模小、成本高的中小企业。另一方面,电池厂倾向于与保供能力和品控能力更好的头部负极材料厂商合作,进一步促进头部企业市场份额的提升。行业盈利性得分:7(十分制)天然石墨成本的80%来自直接材料,因此受上游原料价格影响大,拥有优质矿源的厂商竞争力更强。人造石墨成本主要集中在直接材料与石墨化两项,其中石墨化占人造石墨成本的近六成,石墨化一体化布局是降本关键。头部负极材料企业毛利率一般在20%,石墨化一体化企业表现更为亮眼,毛利超40%,高于正极材料和其他汽车零部件行业。3.2.2 可持续发展供应链指数得分:3(十分制)供需动态得分:4(十分制)2021年以来,负极材料行业经历供需紧平衡:包括动力电池、储能、小动力等下游应用需求积极,但由于石墨化环节耗能高,在中国“双控”和全球碳中和背景下,产量受限、供不应求。然而长期而言,行业面临潜在产能过剩风险。由于市场增速快且拥有超过20%的高毛利,使得新、老玩家超前规划大量产能。考虑到项目12至15个月的建设周期,预期负极材料产能释放将在近两年集中落地,使得行业整体产能利用率下滑。行业面临短期供不应求、中长期供过于求的矛盾。国际贸易链路得分:3(十分制)全球负极材料产能主要集中在中国与日韩,过去几年中国企业技术快速提升,赶超日韩成为全球第一大负极生产国,约占全球产能份额的80%。伴随欧美围绕材料本地化的相关政策出台,预期2025年亚太地区产能占比将从目前的99%下降至95%,欧美预计从中国手中分走约5%的市场份额。但由于负极材料生产的能耗高,负极材料企业对能源价格非常敏感,预期至2025年,亚太地区尤其是中国仍将占据主导地位。再生闭环得分:1(十分制)负极材料起家的领先玩家尚未大规模布局回收环节。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估193.2.3 启示对于从业企业而言,从技术的角度需要升级现有生产工艺与技术,并投入对前瞻技术的研究。针对现有产品优化生产工艺、升级技术以提高产品质量、控制能耗与成本,同时加速对高比容负极材料以及匹配钠电产业硬碳负极材料的研发投入。供应链方面,推动产业链一体化以实现石墨化自供,同时完善海外产能布局。11 隔膜、电解质和铜铝箔、铝合金壳体、铝塑膜等辅材同样是动力电池产业链中游的重要组成部分,本报告未涵盖。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估204.产业链上游:锂、镍、钴4.1 锂受下游电池需求的增长驱动,锂矿需求大、增速高,但供给因加工产能受限。同时,由于澳大利亚、南美等资源出口国家和地区的保护主义抬头,企业面临地缘政治风险。4.1.1 可持续发展市场指数得分:7(十分制)市场前景得分:8(十分制)受动力电池、储能电池等需求驱动,预计至2030年,全球锂需求量总体将保持约20%的年均增速增至420万吨(参阅图13)。 21232425262728293091115155192226273328362420万吨碳酸锂当量全球一级锂预测需求量24%8%22%非动力电池动力电池储能电池其他1 年均复合增长率(2022-2030年)锂辉石矿石:澳大利亚的锂辉石矿产极为丰富,大部分出口至中国,做进一步加工处理 含锂卤水:通过蒸发浓缩,从卤水中提取锂 上述两种原材料都可经过处理,并转化为可用作电池生产原料的碳酸锂或氢氧化锂锂的两大来源加工处理来源:BCG动力总成模型(2021年11月);BCG锂商品市场洞察模型;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。1包括玻璃、陶瓷、消费电子产品和润滑脂。图13|20222030年全球一级锂市场规模预测竞争结构得分:5(十分制)全球已探明锂资源储量约2600万吨,其中澳大利亚和智利共占全球储量的60p%、全球产量的近80%,预计至2030年将继续长期占据主导地位。但地缘政治风险成为主要的不确定因素,包括:智利加速锂矿开采国有化,以实现从原料生产向高端制造的转型;玻利维亚、阿根廷、智利等国可能组建“锂业欧佩克”对锂矿生产加以限制;澳大利亚限制中国企业投资锂矿资源等(参阅图14)。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估214.1.2 可持续发展供应链指数得分:4(十分制)供需动态得分:3(十分制)锂供给短缺并非由储量不足所致,而是受开采加工产能影响。2015年左右投资低位,导致当前开采进度相对有限,阶段性产能释放会使得价格呈现波动上涨。矿产行业开采加工与下游制造业产能释放周期不匹配,导致碳酸锂原材料近年来价格大幅波动,需要合理的金融对冲工具。在近几年的投资带动下,预期勘探开采量在2030年将增长至约260万吨 碳酸锂当量,但其中ESG达标的仅85万吨左右,远远无法满足动力电池需求(参阅图15)。国际贸易链路得分:4(十分制)出于资源保护、扶持本地产业、提升附加值与议价权等考量,资源国地方保护主义有所抬头,政策导向更加趋于产业链本土化与高端化,包括限制中国企业开采投资、禁止原矿出口以及酝酿“锂业欧佩克”等。政府监管对锂电池供应链影响巨大,尽管暂时对中国企业的现有合约影响有限,但未来不确定性增强(参阅图16)。620(47%)200(15%)31(1%)270(5%)930(30%)其他地区440 (2%)6(1%)100(1%)美国中国澳大利亚阿根廷智利葡萄牙津巴布韦XX 已探明锂储量(万吨)(YY)锂产量全球占比(%)(2022)智利和澳大利亚的锂储量约占全球60%-70%来源:美国地质调查局(2022);麦格理银行;标普Capital IQ Pro;BCG分析。图14|全球锂资源储量与产量波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估22万吨碳酸锂当量2030年共262万吨的总开采量中,预计144万吨(55%)为电池行业可及2622030估开采量8934%长协续约开采量(不可及)1 2911%用于非电池行业的开采量55%电池行业可及开采量144低于2030年动力电池需求345万吨14440XESG不达标60ESG达标其中ESG达标的部分约占六成、共86万吨,远低于需求来源:路孚特;HSBC;标普Capital IQ;BCG分析。1公开宣布的承购协议组成,假设其中ESG达标的比例为70/30。图15|2030年全球锂及ESG达标锂供给情况出口限制关税和税收;配额和许可;禁令印尼1:镍矿石出口禁令刚果(金):铜钴精矿出口禁令中国:稀土元素出口许可惩罚性进口关税反倾销税/反补贴税或不常见的关税美国:对中国石墨电极征税采矿权竞争性招标;国有企业;矿区戒严智利/玻利维亚2:政府掌控锂矿开采中国:国有企业主导稀土开采产量限制提取和加工配额中国:每年设定稀土出口配额税费、特许权使用费资源税、矿业权使用费等中国:覆盖各种金属的资源税环保和安全法规复杂且成本高昂的授权和许可美国:EPA3严格监管稀土矿开采的废弃物当地补贴对内资/国有企业提供贷款和股权支持中国:国有企业自由贸易协定的“成分要求”各地区对电动车的成分要求美国/加拿大:美墨加协定要求北美地区电动车零部件自制率为75%欧盟:拟对新能源汽车加征,尚未明确针对电池行业欧盟:欧盟碳边境调节机制开始试运行,但尚未拓展至电池行业韩国/日本/加拿大/美国/欧盟/澳大利亚:在北美、欧盟、亚太地区,政府监管已成发展大势;积极寻求供应链多元化,摆脱对刚果(金)的钴依赖惩罚性关税反倾销税/反补贴税或不常见的关税碳边境税根据碳含量征收进口税战略举措研发资助、行业支持等技术标准电池生产工艺/最终产品/使用规范影响程度中低高措施类型要素影响程度主要示例边境措施国内监管边境措施国内监管矿产供应电池应用来源:美国地质调查局;各国政府消息来源;BCG分析。1印尼的镍产量约占全球的30%。2中国的锂供应量约占全球的22%。3EPA:美国国家环境保护局。图16|全球各国对锂电池供应链的政府监管及影响波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估234.1.3 启示矿产原材料供应风险是动力电池产业供应链风险的源头,在锂矿资源领域的体现是一方面原矿出口国的出口政策不确定性,另一方面锂盐价格的剧烈波动对于产业链的打击。利好的消息是,国内广州期货交易所已经获批注册碳酸锂期货和期权,并已经开始交易,此举将成为锂盐行业调节价格波动的有利金融工具。针对原矿出口国的出口政策不确定性,从业企业应从出海深度绑定与推动回收建设两方面入手,积极采取供给保障战略。除签订长期供货协议外,通过直接投资入股当地金属矿业公司锁定供应。同时,推动建设电池回收与资源再生的生态闭环,降低对锂矿的依赖。4.2 镍镍主要有不锈钢、电池、合金钢及铸件、镍镀层、镍合金五大应用领域,其中电池为第二大应用领域。受新能源汽车驱动,镍矿需求增速高,但电池制造所需的一级镍供给紧缺。伴随印尼等主要产区镍矿出口限制,企业获取镍矿资源的挑战大、投入高。4.2.1 可持续发展市场指数得分:7(十分制)市场前景得分:9(十分制)至2030年,镍需求总量年均增长约6%至近400万吨。其中,动力电池所需的一级镍增速较高,预计以近20%的速度增长至2030年超150万吨(参阅图17)。一级镍的需求贡献镍矿的主要增速和增量,预计2022-2030年复合增长率约19%一级镍的需求主要来自各国电动汽车市场的高速发展 二级镍的主要应用不锈钢为存量市场,增长平缓稳定84 2292 2690%6 3041114160 19v$ 2275% 2675% 30210215226 1%电动汽车电池储能电池消费品/电子产品电池不锈钢不锈钢、电池之外的其他应用34(14%)64 2232I 26144(37%)44 30电动汽车电池 20%不锈钢 1%其他 3%0330386 6%原生镍需求汇总(万吨)一级镍二级镍CAGR各级原生镍需求量(万吨)主要驱动因素来源:BCG镍商品市场洞察模型;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图17|20222030年全球镍市场规模预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估24竞争结构得分:5(十分制)印尼、巴西、澳大利亚三国共占全球镍储量的60%以上。印尼占全球产量一半以上,将主导长期供应格局,但主产用于生产不锈钢的红土镍。一级镍所需的硫化镍则重点分布于澳大利亚、俄罗斯、南非、加拿大及美国等国(参阅图18)。印尼、巴西和澳大利亚三国共占全球镍储量的60%以上21(31%)16(3%)5.5(1%)2.8(5%)4.8(13%)7.5(23%)硫化镍(一级镍)矿重点分布在五个国家:澳大利亚、俄罗斯、南非、加拿大、美国XX 已探明镍储量(万吨)(YY)镍产量全球占比(%)(2021)2.8(7%)0.1(1%)6.9(11%)21(7%)3.6(1%)其他巴西古巴印尼菲律宾中国加拿大美国俄罗斯澳大利亚南非来源:美国地质调查局;麦格理银行;公司官网;BCG分析。注:澳大利亚同时拥有硫化镍矿和红土镍矿。市场格局高度分散,“其他”指全球其他地区40 家规模较小的镍生产企业。图18|全球镍资源储量与产量4.2.2 可持续发展供应链指数得分:4(十分制)供需动态得分:4(十分制)尽管市面上已经有二级镍转产技术,但存在额外成本并会造成环境污染,预计2030年或发生一级镍的结构性短缺。2030年后,一级镍供应短缺随新增硫化镍储量、二级镍转产能力提升、回收率提高将得以缓解。国际贸易链路得分:3(十分制)政策导向更加趋于本土化,例如印尼作为最大镍矿生产国,近年来从禁止镍原矿出口延伸至限制镍产品出口,并带动了其他国家效仿,为中国企业的镍需求带来更多挑战。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估254.2.3 启示顺势而为,深化在印尼的产业链布局,综合评估CAPEX投资和潜在关税提高等场景,投建加工精炼产能。同时积极攻坚二级镍向一级镍转化技术,并布局一级镍回收。4.3 钴动力电池作为钴的主要下游应用,短期市场需求快速增长。但资源国供应波动性和安全隐患,引来国际社会自发治理。伴随动力电池去钴化趋势,中长期钴需求相对平稳、供需平衡。4.3.1 可持续发展市场指数得分:5(十分制)市场前景得分:6(十分制)动力电池是钴的主要增长引擎,预计至2030年将以5%的增速增长至约20万吨规模(参阅图19)。中短期,新能源汽车的高速发展带动需求增长;中长期,随着磷酸铁锂等无钴电池技术路线和高镍化趋势的兴起,钴需求将持续减弱。 5%钴需求结构,按细分市场划分(万吨)10620231162024126202513620261362027146814720291472030620221416171819202021212028年均复合增长率(2022-2030年)2%非电池行业1 11%电池行业 来源:BCG动力总成模型;标普Capital IQ Pro;国际钴业协会;BCG钴商品市场洞察模型;BCG分析。注:由于四舍五入的原因,可能存在分项之和不等于合计的情形。1非电池行业的应用场景包括高温合金、轮胎、磁性材料、颜料、肥皂、催化剂、工具、其他合金中的次要成分等。图19|20222030年全球钴市场规模预测波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估26竞争结构得分:4(十分制)刚果(金)是全球最大的钴供应国,已探明储量占全球资源的近一半,产量占全球的七成。全球供应分布不均衡,刚果(金)一家独大,并因手工采矿而存在供应波动2与社会责任风险(参阅图20)。4.3.2 可持续发展供应链指数得分:4(十分制)供需动态得分:5(十分制)全球钴矿探明储量增长平稳、产量有所波动,主要由于刚果(金)的矿石供应方式依赖于劳工甚至童工。从需求来看,电池行业朝着低钴化、无钴化的方向积极推动,短中期市场出现供不应求局面的可能性较小,并且有回收再生钴作为补充。2 供应量波动幅度大是指受高价驱动,供应具有间歇性和无法预测性,能够稳定钴价。刚果(金)是全球最大的钴供应国XX 已探明钴储量(万吨)(YY)钴产量全球占比(%)(2021)360(69%)140(4%)30(3%)50(3%)30(3%)20(2%)60(8%)其他南非马达加斯加10(1%)10(2%)10(2%)4(1%)10(1%)加拿大美国俄罗斯中国刚果(金)菲律宾澳大利亚巴布亚新几内亚古巴来源:美国地质调查局;麦格理银行;BCG分析。图20|全球钴资源储量与产量波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估27国际贸易链路得分:2(十分制)对于手工和小规模采矿带来的人权问题和安全隐患,国际社会在持续治理及管控。预计治理效果将是个循序渐进的过程,但现实中还面临诸如采矿个体监管落地等切实挑战。4.3.3 启示动力电池作为钴的主要应用,驱动钴矿需求较快增长。但同时伴随行业去钴化的趋势,预期行业整体供需相对平稳。对于企业而言,在布局钴矿资源与钴回收的同时,合规保供是重点,包括提高供应链透明度,防范手工和小规模采矿的供应风险和ESG影响。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估285.电池回收利用当前,动力电池回收利用产业刚刚兴起,尽管市场前景广阔、盈利较好,但行业因缺乏明确法规规范而无序竞争问题严峻:市场需求即将爆发,预期2030年可达730吉瓦时;行业格局相对电池产业链其余环节有“小、散、乱”的特点;政策亟待完善,从业企业处于试水阶段。参考欧盟、美国和日本等国家和地区的发展经验,均以生产者责任延伸制为原则,同时通过法律法规、政府补贴、消费者押金等方式予以落实。欧盟新电池法对动力电池全生命周期进行完整规划,明确各环节的回收责任与义务,例如要求电池生产者提供包含电池供应链详细信息的电池“数字护照”、规定新电池中回收再利用材料的最低含量标准;指出消费者有义务将废电池送回指定回收点并在归还时予以押金返还;要求经销商组织电池回收,配合企业向消费者介绍回收电池网点。日本则基于国民良好的环保意识,从法律法规和政府补贴两方面强化落实资源回收利用,形成以电池企业为主导的逆向物流回收体系:电池生产者是回收的责任主体,由电池生产商利用4S店、电池零售商和加油站等网络,免费从消费者处回收废旧电池,再自行或交由第三方电池回收企业处理,而政府对锂电池回收设备的投资提供一定金额的补贴。5.1 可持续发展市场指数得分:7(十分制)市场前景得分:10(十分制)汽车电动化浪潮下动力电池装机放量,回收再利用市场前景广阔,预计至2030年中国市场理论可回收利用电池规模近730吉瓦时(参阅图21)。主要驱动因素来自三个方面: 40% 49 2344 2445 2544 2651 27205(61%)2028357(69%)2029529(73%)39 30202139 22445385122133158222339520729200(27%)电池报废量电池生产边角料(单位:GWh)来源:高工锂电;案头研究;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图21|20212030年中国理论退役电池及边角料规模波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估29 其一,市场成熟,动力电池退役潮临近。动力电池一般使用寿命为五到八年,过去几年新能源汽车高速发展、动力电池装机量持续走高,电池回收利用前景可观。其二,政策助推,规范化回收产业。合理回收废旧电池有利于避免造成环境污染,缓解中国对电池金属的供给约束,拥有重要战略意义,国家相继出台政策支持产业发展。其三,商业价值吸引企业纷纷入局。退役后的动力电池经拆解检测后,可继续梯次利用于低速电动车与部分分布式储能领域。此外,报废电池仍含有大量金属资源,回收再生技术较为成熟,目前金属元素回收率已经可以达到95%以上,未来将接近99%,再生价值高。资源价格上涨推高动力电池回收利用的经济性,众多企业积极布局。竞争结构得分:3(十分制)动力电池产业链交叉延伸,资源和材料企业、电池生产企业、整车生产企业及第三方专业回收企业等以不同形式、不同程度地参与布局电池回收利用环节(参阅图22)。资源和材料企业利用冶炼技术优势,拓展再生产第三方企业接受委托,开展专业电池回收工作电池生产企业拓展回收业务以保障材料供应,实现闭环整车生产企业车企主导建立联盟,形成产业链闭环建立合作建立合作新开采资源电池生产整车生产汽车报废/拆解废旧电池回收电池评估筛选梯次利用拆解回收电池材料再造金属开采冶炼产业链核心环节参与主体及代表企业电池材料生产二次报废电池专业运输再生资源光华科技赣锋锂业宁德时代/邦普循环宁德时代国轩高科国轩高科比亚迪比亚迪上汽集团上汽集团赣锋锂业赣锋锂业华友钴业华友钴业天奇股份格林美来源:案头研究;公司官网;中国汽车工程学会动力电池领先企业系列交流访谈活动;BCG分析。图22|不同类型企业参与布局电池回收利用环节波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估30目前国内动力电池回收利用的主要参与方式有四种:第三方回收企业:通过回收网点、集中贮存点、汽车拆解企业等多渠道进行电池回收。例如,天奇股份与电池厂、整车厂、汽修店、电商平台等合作,搭建覆盖全国的“互联网 回收”平台。该模式下,第三方回收企业通常回收运营经验较为成熟、回收技术工艺专业性强,但需自行搭建回收渠道网络,成本较高、难度较大。资源和材料企业:基于金属冶炼等技术的同源性,拓展电池回收产业,布局“城市矿山”。例如,华友钴业覆盖上游矿产、前驱体材料、正极材料及电池回收等业务,形成纵向一体化的产业链条。该模式的优势在于企业在金属冶炼、材料提取等技术上具有协同性,但也需自行搭建回收渠道网络,成本较高、难度较大。电池生产企业:利用整车厂、4S店、售后服务点和电池租赁网点,通过逆向物流方式回收动力电池。例如,宁德时代通过收购邦普循环,构建“电池生产使用梯次利用回收与资源再生”的闭环。电池生产企业参与回收业务,其优势在于电池技术专业性强,熟悉自身产品制造和装配特点,同时有利于电池企业打造产业闭环、形成降本空间,回收情况可反馈生产环节,有利于持续改进电池性能,并在兼顾系统成组效率和系统能量密度的同时,开发易于回收拆解的电池包设计方案。然而,回收渠道需与整车厂、4S店等合作,有一定的回收成本,且面临管理难度大的挑战。整车生产企业:利用现有4S店、售后服务点建立回收服务网点,通过逆向物流回收电池,与专业电池回收利用企业开展合作。例如,上汽集团与头部电池厂商就动力电池回收深化合作,充分利用各自在研发、制造、渠道、网络等方面的优势。整车厂通常具备现成渠道网络,回收成本低、效率高。然而除部分车企同时具备电池专业技术,一般需要与电池生产企业或第三方企业合作实现电池回收利用。从回收行业现状分析,首先,在政策体系层面,工信部动力电池回收白名单仅为推荐名单,并非强制性行业准入性门槛,且生态环境部并未对电池回收行业设立专门的监管要求。其次,如上所述,第三方回收企业、资源和材料企业和电池生产企业均需付出较高成本与资源自建回收渠道,拥有庞大4S店与售后服务点等To C渠道的整车企业也尚未建立起广泛的动力电池回收服务,而“小作坊”企业凭借更加灵活机动、深入C端的营业模式,使其如国内广泛存在的回收塑料制品和小家电的“收废品”个体户一样,共同建立起了一套广泛且灵敏的回收渠道。再次,当前市场上动力电池型号众多,且为提高体积利用率大量采用胶粘、焊接等连接手段,导致动力电池自动化拆解难度大,自动化设备还未具备所需的柔性要求,投入成本较高,而“小作坊”企业通过廉价劳动力实现人工拆解更具有成本竞争力。值得注意的是,尽管“小作坊”企业数量较多,但总体回收规模较小,正规回收渠道占据行业主流。未来随着政策陆续出台,规范资质准入、设定/提高环保要求等,行业将优胜劣汰。然而,“小作坊”企业通过合理引导与培育,可逐渐成长为“小微企业”,甚至是“专精特新”企业,具备极大的自身优势和产业价值。在政策、规范和资质持续完善的背景下,“小作坊”企业应通过找准自身业务定位,努力提高技术能力,并主动寻求与波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估31技术先进、规模和资金实力强大的“白名单”企业合作,通过分工合作共同建立起合理、合规、可持续的电池回收产业。行业盈利性得分:8(十分制)整体毛利率约为200%,利润相对较高,吸引众多企业竞逐“蓝海”。其中“正规军”企业的磷酸铁锂电池回收毛利约为250%,三元锂电池的回收毛利约为5 %(干法工艺利润较低)。而“小作坊”企业通常放弃检测、放电、环保处理等环节的投入,并通常由工人暴力拆解作为预处理,因此成本较低,毛利相比“正规军”企业高约5%。5.2 可持续发展供应链指数得分:3(十分制)供需动态得分:3(十分制)当前报废动力电池回收产能利用率不足15%。批复的回收产能约为150万吨,2022年电池回收量20万吨。随着政策趋严,产量将聚焦头部有资质的企业,推动回收产能供给侧整合。5.3 启示当前行业发展仍处于起步阶段,整体尚处于政策引领和企业试水阶段,要求政策端与企业端共同发力,推动行业规范化发展。政策端:结合国外市场经验,建议从完善顶层设计和健全落地实施机制入手,加快构建废旧动力电池回收利用体系,推动产业的规范化发展。完善法律规范制定。尽管中国已初步建立相关法律框架体系,但这些纲领性文件在实际执行效果上尚不理想。可借鉴欧盟相关法律法规与监管思路,研究制定适用于中国的专项法律法规,明确监管机构与监管机制,支持和引导行业规范发展。严格市场监管机制。加大对企业回收利用资质的审批与监管力度,严格市场准入标准(如限制非正规企业参与废旧电池竞买)。对于正规电池回收企业给予一定资金补贴和税收减免等优惠政策,矫正“小作坊”企业逐利行为。明确各环节主体责任。充分发挥产业链各环节企业(主机厂、电池生产商、经销商等)在汽车产品全生命周期的主体作用,调动各方履责积极性,形成合力。行业主管部门应跟踪问效、敦促兑现,对责任落实不到位的主体建立约谈诫勉制度。加强电池溯源管理。完善以编码为信息载体、赋予单个电池“身份证”的全生命周期波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估32溯源管理,记录电池信息、原材料、供应链数据等重要内容。建立、健全全国层面的动力电池全生命周期溯源管理平台,把控各环节数据采集、数据分析、数据监测等工作。培养消费端回收意识。针对个人消费者,利用押金、奖补、车牌挂钩等激励手段,调动车主于指定渠道主动移交退役电池。针对企业消费者,初期可利用补贴等,倡导和激励企业从正规渠道采购回收材料/电池。开展宣传教育,普及废旧电池危害、电池回收渠道等知识,提高消费者废旧电池回收意识。企业端:与此同时,企业也需进一步强化自身“内功”、未雨绸缪,应对快速发展的国内外市场。优化回收网络建设与布局,产业链上下游企业合作,共享共建回收网络,充分吸纳行业优质网点资源,降低建设投入成本、避免重复建设。强化与提升回收技术,包括提升拆解环节的自动化水平、强化梯次利用环节的检测与安全评估能力、提高再生利用环节的金属提取与原料处理工艺能力等。提升ESG管理水平,企业应提前做好碳足迹评估,同时通过优化电池生产工艺、加大清洁能源供电规模等措施降低碳足迹,提升产品的国际竞争力。提前规划海外布局,规划布局海外业务产能、熟悉当地法规政策与责任义务,推进产业链一体化布局、适应环保政策愈发严苛的海外市场。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估33结语中国锂电池市场整体处于蓬勃发展阶段,产业链各环节相互联动、相互依存,致力于推动高质量、可持续发展(参阅图23)。产出时间衰退期/蜕变期形成期成长期成熟期电池回收正极材料电池电芯矿产资源负极材料电芯电池正、负极材料矿产资源电池回收来源:BCG分析。图23|中国锂电池市场蓬勃发展,产业链各环节相互联动、相互依存电池电芯:全球电池电芯产业高速扩张,预期2030年全球需求达4太瓦时、中国需求1.8太瓦时,保持约25%的增速。行业盈利相对可观,毛利约为15 %,但竞争日趋激烈,同时面临原材料价格上涨以及电池价格下滑的双重挤压。当前行业产能利用率偏低,但伴随需求增长、产能扩张节奏减缓,预期可逐步提升并维持在50%。当前产能主要集中在亚太地区,伴随欧美产能项目上线,未来区域产能布局预期更加平衡。对于从业企业而言,可以在产品技术、供应链、商业模式等方面持续创新与沉淀。正、负极材料:全球正、负极材料市场均以近20%的增速高速扩张,预计2030年市场规模将分别达630万吨和400万吨。正极材料中,铁锂路线的竞争格局相对集中,三元路线则较为分散。负极材料的前五大玩家市场份额接近六成,竞争格局相对稳固。从盈利性来看,负极材料的毛利约为20%、高于正极材料的15%。面对行业竞争加剧、盈利下降等趋势,领先正、负极材料玩家通过技术升级、产业链相关多元化和一体化延伸及国际化出海,积极应对。矿产资源:聚焦电池生产的主要矿产资源锂、镍、钴,其中锂与镍存在短期供不应求,而钴的供应则相对充分。矿产资源集中在特定国家,存在地缘政治、社会责任等风险。对于从业企业而言,积极出海布局深度绑定、寻求替代资源或技术以及提高供应链透明度是关键。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估34电池回收:当前电池回收产业刚刚兴起,市场需求即将爆发,预期2030年国内可达730吉瓦时。回收产能加速建设,业务链分工初见雏形,侧重回收、梯次利用的企业和一体化的玩家兼有。但同时行业格局相较产业链其他环节“小、散、乱”,行业发展需要来自政策端与企业端共同发力,一方面发挥政策引导作用,严格市场准入机制,落实生产者责任延伸制,培养消费端回收意识,同时加强电池全生命周期的溯源管理;另一方面,企业需要强化自身“内功”,联盟合作共建共享回收网络,提升回收工艺技术,同时探索海外市场布局。全球锂电产业正在经历区域化向国际化延展的大趋势,同时面临着区域供需不平衡、产业竞争格局不断加剧、技术持续快速迭代等多元变化。从业企业应当立足自身优势,在细分赛道上持续精进提升,适度加深产业链整合、拓展相关多元化,加强产品碳足迹管理,优化全球经营治理,最终实现企业的壮大突围。波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估35关于作者:波士顿咨询公司(BCG)团队:许刚博士,BCG董事总经理、全球资深合伙人,BCG工业品专项中国区负责人李科,BCG董事总经理、全球合伙人,BCG新能源车课题中国区负责人中国汽车工程学会团队:赵立金,中国汽车工程学会副秘书长梁艺,中国汽车工程学会汽车电动化研究中心研究员刘骑瑞,中国汽车工程学会汽车电动化研究中心研究员周勃洋,中国汽车工程学会汽车电动化研究中心研究员纪佩宁,中国汽车工程学会汽车电动化研究中心研究员致谢:本报告由波士顿咨询公司(BCG)和中国汽车工程学会共同撰写,我们特别鸣谢BCG董事总经理兼全球合伙人Minjee Kim女士、BCG董事总经理兼全球合伙人Tycho Mncks先生、BCG合伙人兼副董事Nathan Niese先生、BCG董事总经理兼全球合伙人葛磊先生、BCG董事总经理兼全球合伙人苏日娜女士、BCG董事经理陆云展先生、BCG项目经理孙康融女士、BCG项目经理涂晖先生、BCG咨询顾问陆婧文女士、BCG咨询顾问袁心先生、BCG商业分析师兼团队经理陈碧琰女士等为报告的撰写提供了极具价值的指导和支持。此外,感谢电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟先生为报告提供的专业意见。谨向所有为本报告献出宝贵时间和经验的人们表示衷心感谢!波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估36关于波士顿咨询公司波士顿咨询公司(BCG)与商界以及社会领袖携手并肩,帮助他们在应对最严峻挑战的同时,把握千载难逢的绝佳机遇。自1963年成立伊始,BCG便成为商业战略的开拓者和引领者。如今,BCG致力于帮助客户启动和落实整体转型,使所有利益相关方受益赋能组织增长、打造可持续的竞争优势、发挥积极的社会影响力。BCG复合多样的国际化团队能够为客户提供深厚的行业知识、职能专长和深刻洞察,激发组织变革。BCG基于最前沿的技术和构思,结合企业数字化创新实践,为客户量身打造符合其商业目标的解决方案。BCG创立的独特合作模式,与客户组织的各个层面紧密协作,帮助客户实现卓越发展,打造更美好的明天。如需获得有关BCG的详细资料,请发送邮件至:GCMKT。如欲了解更多BCG的精彩洞察,请关注我们的官方微信账号:BCG波士顿咨询;BCG数智港;“BCG洞察”小程序;BCG微信视频号。BCG波士顿咨询 BCG数智港 BCG洞察 BCG微信视频号波士顿咨询公司2024年1月全球动力电池产业链可持续发展评估37关于中国汽车工程学会中国汽车工程学会(China SAE)成立于1963年,是由中国汽车科技工作者自愿组成的全国性、学术性法人团体。学会经过六十年的发展,已经成为推动汽车产业健康、持续发展不可或缺的重要力量,作为中国汽车工业传播新思想、交流新技术、宣传新观念的重要力量和增进国际汽车行业交流的重要桥梁,得到了国内外汽车行业、政府部门和汽车科技工作者的广泛认可。学会目前拥有个人会员8万余人,学生会员5万余人,团体会员2千余家,下设57个分支机构,并与各个省级汽车工程学会建立了业务指导关系。六十年来学会始终坚持“激情、专业、服务、合作”的核心价值观,始终秉承“推动汽车工业科技进步、培养汽车科技人才、促进国内外汽车产业技术交流、传播普及汽车科技知识、弘扬汽车文化、筑建科技工作者之家”的服务宗旨,创造性地开展学术交流、战略研究、协同 创新、标准建设、科技期刊、科普文化、人才培养、科技奖励、科技成果评价与转化、会员发展与服务、国际交流与合作等工作,学术引领力显著增强、战略支撑力全面提升、文化传播力不断强化、国际影响力逐步凸显,逐渐探索出了一条中国特色一流科技社团发展之路。波士顿咨询公司2024年版权所有1/24

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    燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 White Paper 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 目录目录 1.1.前言前言 -1 1 2.2.浅谈燃料电池系统浅谈燃料电池系统 -1 1 3.3.燃料电池系统测试燃料电池系统测试 -2 2 3.1.测试平台的前期初步规划测试平台的前期初步规划-2 3.2.燃料电池测试平台的种类燃料电池测试平台的种类-3 3.3.平台功能平台功能-4 电力验证平台电力验证平台-4 辅助流体监控平台辅助流体监控平台-5 3.4.平台整合与情境选择平台整合与情境选择-6 4.4.GB/T 24554GB/T 24554-20222022 燃料电池系统性能试验方法燃料电池系统性能试验方法 -7 7 4.1.测试定义范畴测试定义范畴-7 4.2.基本测试要求基本测试要求-8 4.3.测试预处理条件测试预处理条件-8 4.4.测试顺序与测项测试顺序与测项-9 系统启动特性测试系统启动特性测试-10 系统功率输出稳定性测试系统功率输出稳定性测试-11 系统极限输出功率测试系统极限输出功率测试-12 负载动态响应测试负载动态响应测试-13 I-V 曲线标定测试曲线标定测试-14 动态响应下的平均效率特性测试动态响应下的平均效率特性测试-15 绝缘阻抗测试绝缘阻抗测试-16 额定重量与功率密度标定额定重量与功率密度标定-16 系统气密性测试系统气密性测试-17 5.5.燃料电池系统测试平台解决方案燃料电池系统测试平台解决方案-1818 5.1.测试方案范畴与单机选型测试方案范畴与单机选型-19 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 1 1.前言前言 1842 年科学家发现将电解水进行电化学逆向反应下产生电能后,燃料电池从航天的应用开始,随着市场需求应用的演变,目前可商业化燃料电池的种类以质子交换膜型(PEMFC)1与固态氧化物型燃料电池(SOFC)2为市场主流,结合其他氢能相关应用下成为全球净零碳排潮流中重点能源技术之一。Fig.1 PEMFC 的基础原理与架构 2.浅谈燃料电池系统浅谈燃料电池系统 燃料电池系统是以燃料电池堆为核心进行开发,进而衍生开发各个子系统并参照电池堆所需的流体参数、热能管理、电力输出和机械设计等,且子系统相互之间进行配合撰写一控制逻辑下,最终整合成一组高度复杂性的电力系统总成,终端目标会应用于不同的电力应用情境,如储能系统与电动车。从前段开发到终端产品应用的流程中,须经过严谨的产品验证与测试,使得燃料电池系统的相关产品应用更能贴近人们需求与高商业价值,本白皮书将会以氢氧型的 PEMFC技术路线进行说明与参考。Fig.2 常见的燃料电池系统设计架构参考简图 1 质子交换膜燃料电池 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC 2 固态氧化物燃料电池 Solid Oxide Fuel Cell,SOFC 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 2 3.燃料电池系统测试燃料电池系统测试 燃料电池系统测试的核心目的为验证系统规格与范畴是否合乎产品设计目标,因此执行过程中必须监测系统边界电力、流体、热流、环境因素与系统内部;有别于电堆测试中需仰赖测试设备硬件才可执行测试的情境,系统级别的测试应为自主且独立的状态下执行测试。从系统的研发阶段到终端产品之间,测试情境会以外部负载与电力供给为主、流体监测为辅进行。对于燃料电池系统制造商而言,系统净电功率往往为产品销售与定价的重点目标;此数值会与燃料电池堆总输出功率与系统所搭载的 BOP3总耗电量有相对关系,因此平台的建立会以电力设备为必要需求,延伸需求依照系统范畴下评估需要额外硬件支持,如水气台架、EIS 量测系统等。因此,当未来产品功能随着市场发展需要增加测试时,测试平台也要满足可客制扩充的弹性。3.1.测试平台的前期初步规划测试平台的前期初步规划 燃料电池系统的测试情境要依照系统产品范畴与终端应用选择对应测试硬件,但随着各测试阶段的需求变化下,各测试硬件可能同时进行缩减与扩充,初步规划来说建议都要定义测试要于哪个阶段开始执行,如 RD 研发阶段或 EoL 终端产品测试阶段等进行测试的起点。由于燃料电池系统的测试过程大多是长时间的运行,而整体测试设备除了测试硬件规格外,同时需要考虑,如氢气安全、管路排放、气源管理、负载/电源管理等,最后亦要符合当地的消防安全与厂务规范,确保制造商与操作人员的测试过程中生命财产安全。初步建议可考虑以下几点步骤:1.燃料电池系统的开发阶段的定义、测试需求与产品方向。2.燃料电池系统于终端应用的电力情境需求规划。3.燃料电池系统于外部流体供应的辅助需求规划。4.额外的测试需求的硬设备挑选。5.当地的氢气规范与电力规范的限制。3 系统周边组件 Balance of Plant,BoP 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 3 3.2.燃料电池测试平台的种类燃料电池测试平台的种类 市面上的燃料电池系统测试平台大多分成单一集成式或分布式两种。并可依照燃料电池系统的功率等级不同选择对应的测试设备,但相对的对于电流、电压、流量、管径、线材粗细等都会随着设备的对应功率等级变化。燃料电池系统依照产品阶段的不同,大致上概括粗略地分成两种测试情境:系统原型机(Prototype)与终端产品(Product)阶段的测试,但此分类法非绝对,还是得依照产品开发的需求进行建立。平台种类平台种类 Development Testbed Performance Testbed 产品开发阶段 系统原型机的开发(Prototype)终端产品组立与验证(Product)测试特性 1.周边组件的开发与测试 2.子系统的开发与测试 3.系统总成的组立与测试 4.FCCU 的开发与试验 5.燃料电池堆的性能于系统架构 1.系统总成耐久测试与功能验证 2.系统总成车规或法规验证 3.周边组件与子系统的耐久测试 4.FCCU 的逻辑验证 5.终端应用电力情境模拟验证 测试目标 验证燃料电池堆与次系统之间操作与开发,同步控制器中软件是否可以满足设计端的范畴与逻辑,满足设计端的产品设计需求。测试可独立运行的燃料电池系统,执行活化、长时间系统试验与法规验证。依照测试平台参数记录下,标定系统性能是否能满足法规或设计端质量需求。Fig.3 燃料电池系统测试平台的分类与说明 开发验证与性能测试平台的差异性,前者重于系统前端设计时辅助工程师进行手动且细微操作与调适系统的情境,后者为协助产线与验证单位在不外部干涉系统参数为原则下执行耐久或一系列测试的情境。因此两者需在系统具有完善自我保护与控制指令下执行测试为基本要求。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 4 3.3.平台功能平台功能 整体燃料电池系统测试平台基本组成与评估方向如下:中央控制系统单元电力验证平台辅助流体监控平台其他(如 EIS 检测单元)电力验证平台电力验证平台 对设计完整的燃料电池系统总成而言,应仅需要氢气来源供给下即可正常运行外且外部的测试项目都会由电子负载执行相关测项,如定电流测试、活化测试、动态负载等。因此,电子负载与燃料电池系统之间则是最根本的测试范畴。Fig.4 燃料电池系统的电力测试参考 DC 电力架构 若对于已经是终端产品的燃料电池系统总成且需要外部电力支持下,则电子负载可能需要外加电源供应器为平台硬件所需的最小测试硬件范畴即可;以燃料电池系统原型机的范畴为例,除了一般的电力基础建立以外,同时会评估是否扩增如外部流体辅助监控等硬设备以辅助测试的进行。时至今日产品的技术发展对于系统的功能日渐增加以提升稳定度,如交流阻抗技术(EIS)与电源分布单元(PDU),市面上已在燃料电池的 DC-DC Converter 逐渐作为主流功能,相关的测试设备应与时俱进的作为附加测试进行整合至平台中以满足未来的产品要求与发展。*交流阻抗测试交流阻抗测试(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)EIS 为重要的电化学量测分析技术之一,对于测试目标为燃料电池堆内部的阻抗分析与监测且测试情境为电子负载直接对系统内电池堆进行负载输出,由信号产生器与量测单元分别进行AC 电源干扰且额外量测单元下取得 Cole-cole 图表进行判定燃料电池堆的材料总内阻;对应的物理意义为燃料电池堆的加湿程度于系统中,便于研发/检测端判定此电池堆是否合乎测试规范与规格用。Fig.5 EIS 交流阻抗量测示意图 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 5 辅助流体监控平台辅助流体监控平台 平台通常会以辅助监测系统外部流体监控与测试情境模拟的测试计划进行搭建。因此燃料电池系统需要辅助平台的状态与监控(如压力、温度、流量、导电度、空气中氢气浓度等)时,需依系统内燃料电池堆的设计规格,估算出所需流体供给参数与散热需求范畴为起始,至系统内控制器监控参数与子系统所需的边界范畴,作为平台客制化评估基础。辅助测试设备种类:氢气供给系统|Hydrogen supply system 空气监控系统|Air monitor system 外部排放系统|Drain/Vent system 内/外部散热系统|External/Internal cooling system Fig.6 燃料电池系统的外部供给与监控参考架构 当燃料电池系统原型机产品尚未达完全发展的独立运行状态时,则需要辅助平台进行协助系统操作运行,以验证电堆基于各子系统之间的软件逻辑操作下是否满足电堆规格需求。以下是常见的外部辅助平台的种类:A.外部氢气供给外部氢气供给 基本的供给氢气与氮气进行监控以外,当系统失效时需进行安全保护确保人员操作安全。B.空气入口条件空气入口条件/外部排放外部排放 当电池堆与空压机组于系统中运行时,可了解进出口的流体条件变化与气体排放安全。C.内内/外部散热循环外部散热循环 内循环散热为以电堆为主的散热条件监测且外循环散热为电堆以外总系统散热的条件监测,两者同时对该冷却水流体条件的监测为目的,了解整体系统的温度反应状态。最后执行法规测试时,所需的必要条件是系统为能力运行且软硬功能完善的状态进行测试,同时系统的开发阶段也达终端阶段,则建议脱离辅助平台下执行测试避免影响测试结果。若为需要进行系统内部的电池堆活化、耐久测试阶段时,则可视状况连结进行辅助监控是否符合制造商的使用需求。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 6 3.4.平台整合与情境选择平台整合与情境选择 大多数测试情境是基于系统的本身设计范畴与产品终端应用测试情境有所不同,常见整合需求除了硬件客制化需求外,更有购置预算、测试能量扩充与限缩的需求考虑,往往会有硬件与软件整合的变动需求产生。对于制造商而言,对应不同的待测物测试情境下,如系统总成、BoP测试等等,传统的测试设备选择都需要进行 1 对 1 的购置外,会有扩充不易与难以扩充的状况发生,要如何将各设备硬件且包含待测物的整合下搭成不同测试情境以满足要求,于规划上就需要进行审慎思考。另一方面,平台的操作软件通常要满足如图形化监控、连网需求、数值同步、安全警报、手自动设备控制等要求,对于多情境下的测试要求要如何提升操作者的使用体验以完善测试工作是十分重要的。Fig.7 燃料电池系统性能测试平台参考测试情境 Chroma 基于长年的电力与 EV 测试系统整合经验,对于燃料电池系统的测试情境以工业自动化的参考基础,规画可进行多样外部整合的柜体并提供图形化接口软件,同步搭配 Chroma 电子负载与电源供应器,解决制造商对于设备的重复投入、提升测试情境的多样性为主要目的。对于 Chroma 的电力单机的选型可参照 Page.19。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 7 4.GB/T 24554-2022 燃料电池系统性能试验方法燃料电池系统性能试验方法 现行燃料电池系统测试阶段,大都会验证系统于电力负载输出时,确认控制器与系统内部的操作逻辑是否合乎制造商的设计规范外,并期望应符合国际规范。由于燃料电池系统测试项目且测试规范与标准内容大多大同小异,测试的情境会落于各制造商的测试规划与厂内产品生产安全规范。有鉴于此依测试内容可概略分成以下项目:系统启动特性、系统额定功率、系统极限功率、负载动态响应、动态平均效率、系统稳态测试与环境温度特性等大项。若无特定测试方向下,建议参考”GB/T 24554-2022 燃料电池系统性能试验方法”进行试验规划。4.1.测试定义范测试定义范畴畴 Fig.8 燃料电池系统测试边界与重量量测部件范畴(虚线内)燃料电池系统部件说明与测试部件范畴定义:燃料电池堆/模块 Fuel cell Stack/Module 燃料电池堆本体、外壳、固定件、CVM等 氢气供应系统 Hydrogen supply system 氢气循环泵浦/Injector,调压阀,传感器等 空气供应系统 Air supply system 空气压缩机组、中冷器、过滤器、加湿单元、消音器等 内循环散热系统 Internal cooling system 水泵浦、去离子单元、PTC、传感器等 控制系统 Control system FC 控制器、传感器等 其他部件 Others 组成系统必要的管阀件、机构件与零组件等 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 8 4.2.基本测试要求基本测试要求 FC 系统状态 1.各子系统要完整可运行且须要有安全保护机制下执行测试。2.以系统进行出厂时的外观结构与数值规格下执行。3.所有系统操作应皆由 FCCU 指令下独立且自动操作。4.冷却子系统需要注满冷却水。5.若测试过程中中断与停止,则需要重新执行测试。平台测试要求 1.燃料电池辅助系统(BoP)电源由外部平台供给为主且满足供电。2.燃料电池辅助系统(BoP)电源功率计算不包含外部散热水箱的风扇。3.数据采集不低于 5Hz(200ms/data)4.测试过程中,系统与平台不再外部补充任何冷却水与加湿用的水。5.测试过程中,系统本体不作任何内外部的更动与干扰 6.若无任何环境条件要求的测试,统一视为常温环境测试条件。4.3.测试预处理条件测试预处理条件 常温环境测试 Normal state 1.应完成 1 次燃料电池系统开关机逻辑,并回至关机状态。2.将系统放置于 235的环境中且连续超过 12 小时的放置。3.放置期间不可对于系统做任何更改与动作 低温环境测试 Cold state 1.燃料电池系统的散热系统或平台散热单元应放置于环境箱中。2.达指定温度前,应完成 1 次燃料电池系统开关机逻辑,并回至关机状态。3.承 2.,开机至怠速状态的期间含启动时间不超过 3min。4.环境温度达02后,开始计时并进行连续超过 12 小时的放置。5.放置期间不可对于系统做任何更改与动作。高温环境测试 Hot state 1.应完成 1 次燃料电池系统开关机逻辑,并回至关机状态。2.燃料电池系统的散热系统或平台散热单元应放置于环境箱中。3.环境温度设定 452且相对湿度为 4090RH%。4.承 3.,当环境设定温度达到后,开始计时并进行连续超过 2 小时的放置。5.放置期间不可对于系统做任何更改与动作。系统暖机测试 Warm state 1.将燃料电池系统启动并工作于一定功率输出值。2.监控燃料电池系统冷却系统中冷却液的出口温度值。3.当出口温度值升至系统可正常运作状态下,则为暖机完成。4.出口温度值为系统商自行定义。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 9 4.4.测试顺序与测项测试顺序与测项 编号 测试项目 1 燃料电池系统气密性测试 2 常温环境下系统怠速冷启动测试 3 常温环境下额定功率冷启动测试 4 常温环境下系统怠速热启动测试 5 系统稳态特性测试 6 常温环境下额定功率热启动测试 7 系统额定功率测试 8 系统极限功率测试 9 系统动态响应操作特性测试 10 系统动态平均响应特性测试 11 低温环境下系统怠速冷启动测试 12 低温环境下额定功率冷启动测试 13 高温环境下系统运行测试 14 绝缘阻抗测试 15 额定重量与功率密度标定*1,14,15 为物理特性测试*2,3,4,6,11,12,为系统起动特性测试*5,7,8,9,10,13 为系统电力与性能特性测试 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 10 系统启动特性测试系统启动特性测试 测试目标:试验不同环境条件下燃料电池系统的开机特性。测试示意图 适用测项:1.常温环境下系统怠速冷启动 4.常温环境下系统额定功率热启动 2.常温环境下系统怠速热启动 5.低温环境下系统怠速冷启动 3.常温环境下系统额定功率冷启动 6.低温环境下系统额定功率冷启动 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 常温启动 TBD 怠速状态 10 min 2 暖机/热启动 TBD 怠速状态 10 min 3 常温启动 TBD 额定功率输出 10 min 4 暖机/热启动 TBD 额定功率输出 10 min 5 低温启动 TBD 怠速状态 10 min 6 低温启动 TBD 额定功率输出 10 min 数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 2 3 4 5 6 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 11 系统功率输出稳定性测试系统功率输出稳定性测试 测试目标:当燃料电池系统进行稳定且长时间额定输出的负载条件下,系统是否可以进行长时间稳定电力输出。测试示意图 适用测项:1.系统额定功率测试 2.高温运行测试 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 怠速状态 10 sec 额定功率输出 63 min 2 暖机/热启动 TBD 额定功率输出 63 min*数据纪录为 60min 为有效数据。数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 2 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 12 系统极限输出功率测试系统极限输出功率测试 测试目标:当燃料电池系统进行极限输出的负载与操作条件下,系统是否可以进行稳定性于极限电力输出。测试示意图 适用测项:1.系统极限(峰值)功率测试 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 怠速状态 10 sec 极限(峰值)功率输出 TBD*数据纪录为 60min 为有效数据。数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 13 负载动态响应测试负载动态响应测试 测试目标:当燃料电池系统于动态变化下拉载与降载的负载特性下,评估系统的稳定与响应时间是否符合设计。测试示意图 适用测项:1.加载动态响应试验 2.卸除动态响应试验 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 怠速状态 10 sec 90%额定功率 1 min 2 90%额定功率 1 min 怠速状态 10 min 数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 2 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 14 I-V 曲线标定测试曲线标定测试 测试目标:标定燃料电池系统中的燃料电池堆电力性能与极化曲线。测试示意图 适用测项:1.系统稳态特性试验 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 怠速状态 10 sec 额定功率 3 min/steps*每阶段为:怠速状态起始每 10%进行加载至 90%的额定功率输出。数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 *此测项可得常见的测试图表:-燃料电池堆极化曲线(I-V 曲线)-燃料电池堆功率曲线-燃料电池堆性能曲线-燃料电池系统功率曲线-燃料电池系统效率曲线-燃料电池系统辅助子系统总功率曲线 燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 15 动态响应下的平均效率特性测试动态响应下的平均效率特性测试 测试目标:依照 GB/T34593-2017”燃料电池发动机氢气排放测试方法”,当系统于变动负载运行下的稳定性与平均效率特性的测试。测试示意图 适用测项:1.动态平均效率特性测试 测试条件:编码 测试前处理 系统状态 Warm Hot Normal Cold 起始状态 操作时间 目标状态 持续时间 1 怠速状态 10 sec B 工况(3 次)TBD*需参照 GB/T34593-2017”燃料电池发动机氢气排放测试方法”中附录 B 的工况执行。数据纪录 编码 Run time Voltage Current Temperature Consumption Stack/System BoP Stack/System BoP Ambient Coolant H2 1 *依照 B 工况下需要执行 3 次测试并将数据取平均。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 16 绝缘阻抗测试绝缘阻抗测试 测试目标 当燃料电池系统处于暖机条件下进行绝缘测试,确认是否合乎规范内容。测试示意图 量测范畴与需求 1.使用 Hi-pot 设备进行量测燃料电池系统的正/负极分别对系统外壳的金属或可导电表面(需要接地)的绝缘阻抗值。2.量测过程中显示数值需要达稳态后,再进行观测读值纪录。系统工作电压与绝缘量程选择 编号 工作电压范畴(V)量程(V)1 250V 500 V 2 250V 10%)3.测试气体压力设定为 50kPa 注入至压力平衡 4.压力平衡后且关闭注入口,保压 20min 并记录压力下降值 5.除了氢气侧以外,其余端口皆为开启畅通状态。系统工作压力 小于:50kPa 1.关闭燃料电池堆的氢气排放口 2.开启燃料电池堆的氢气注入口,并充入氦气混合气体(10%)3.测试气体压力设定至 3050kPa(依照系统而定)注入至压力平衡 4.压力平衡后且关闭注入口,保压 20min 并记录压力下降值 5.除了氢气侧以外,其余端口皆为开启畅通状态。-整体气密性测试 1.关闭燃料电池堆的氢气排放口、空气排放口与冷却液出口 2.开启燃料电池堆的氢气注入口、空气注入口与冷却液入口且同时充入氦气混合气体(10%)3.测试气体压力设定至系统工作压力值,且注入至压力平衡 4.压力平衡后且关闭全注入口,保压 20min 并记录压力下降值 4 此量测手法为压力判定法。Chroma 的测试平台所采用的是流量纪录法且与压力判定法并存。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 18 5.燃料电池系统测试平台解决方案燃料电池系统测试平台解决方案 Chroma 致力于电力电子相关测试领域多年,具备多样性的电力单机选择与系统自动化测试整合开发与现场经验,针对燃料电池系统测试领域推出一燃料电池系统标准化测试软硬整合平台。此测试平台是以德国 Codesys 的自动化控制软件平台为基础核心引擎,特点可进行RealTime 的数值撷取、数据库监控与多样性通讯整合,以 Chroma 的电力单机与合作的第三方流体辅助设备商的硬件为主,提供客户对于各测试阶段与情境下,可客制化调整测试硬件、软件数值显示 Mapping、手动/自动操作等,满足多测试情境与操作体验下提供操作人员更能自主使用的一套测试平台于测试燃料电池系统。Fig.9 标准化的通用测试平台示意图 Codesys 是基于工业自动化领域且由德国 3S-Smart Software Solutions GmbH 开发的一款 Soft-PLC 集成开发环境,可用于多种不同类型的工业自动化硬设备进行整合。燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 19 5.1.测试方案范畴与单机选型测试方案范畴与单机选型 Fig.10 燃料电池系统终端电力应用范畴与定义 Chroma 测试方案范畴选择测试方案范畴选择 测试方案 适用情境 设备配置 开发测试 系统原型机性能验证 标准平台 电力平台(Load,Source) 流体台架 其他 质量测试 终端系统总成长效测试 标准平台 电力平台(Load,Source) 流体台架 终端测试 终端系统总成简易测试 标准平台 电力平台(Load,Source)燃料电池系统测试技术白皮书燃料电池系统测试技术白皮书 Page 20 燃料电池系统终端电力输出选型燃料电池系统终端电力输出选型 负载的功率等级、电流与规格请依照燃料电池堆或终端电力单元的电力规格进行挑选。DC Load 应用情境:仿真外部电力 DC 电力负载,如 DC-DC,Motor等等 DC 负载单元角色。Normal Load Chroma 63200A 可编程直流电子负载 Link Chroma 63200E 可编程直流电子负载 Link Regenerative Load Chroma 62000D 可程控双向直流电源供应器(负载功能)*具燃料电池仿真输出功能 Link Chroma 17040 能源回收式电池模块测试系统(负载功能)Link Chroma 17040E 能源回收式电池模块测试系统(负载功能)Link AC Load 应用情境:仿真燃料电池储能系统终端 DC/AC invertor 的后端市电电网模拟。Regenerative Load Chroma 61800 回收式交流负载功能 Link Chroma 63800R 能源回收式交流电子负载 Link 燃料电池系统外部电力供给选型燃料电池系统外部电力供给选型 负载的功率等级、电流与规格请依照燃料电池堆或终端电力单元的电力规格进行挑选。DC Source 应用情境:燃料电池系统周边组件、子系统、FCCU.等组件进行供电。Chroma 62000H 可编程直流电源供应器 Link Chroma 62000D 可程控双向直流电源供应器 Link 外部流体供给单元与其他外部流体供给单元与其他 请洽致茂办公室。

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  • 2023锰酸锂正极材料行业现状及龙头企业博石高科公司概况、主要优势分析报告(24页).pdf

    2 0 2 3 年深度行业分析研究报告目录目录CONTENTS21.公司概况公司概况2.锰酸锂正极材料行业概况锰酸锂正极材料行业概况3.公司主要优势公司主要优势4.IPO发行及募投项目情况发行及募投项.

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  • 科尔尼:锂电池技术变革: 与“不确定”共舞(2023)(18页).pdf

    Photo by Kevin PeschkeKearney,Chicago锂电池技术变革:与“不确定”共舞近年来,全球电动汽车及新型储能市场突破式爆发,推动锂电池需求快速上升并带动锂电池产业链上下游企业实现飞跃式增长。但是,当前三元锂与磷酸铁锂技术并非终局解决方案,上游原材料供应不稳定导致剧烈的价格波动、中游新电池化学体系技术持续进步、下游应用场景精细分化等因素,将驱动未来锂电池技术的持续变革。2锂电池技术革命:与“不确定”共舞?:?1?20162017181920212223E24E25E26E27E28E?30C%91251691932763,9393,0262,3201,7731,3591,005770471 39% 31f0%4h%5q$%5q%7q%8q t%9tg%前言:当前锂电池技术非终局解决方案,具有差异化特征的多技术路线同步演进储能电池:新能源的电网调峰、峰谷套利等因素驱动储能系统需求呈现爆发式增长,未来市场需求年增速将维持40%以上,是锂电池发展最快的下游应用。储能电池对体积与重量敏感度低但经济性导向明确,追求低成本、高循环寿命的电池解决方案。自 20 世纪末锂电池商业化以来,技术与产业化不断发展,应用逐步从消费领域拓展至动力、储能等新领域。日益精细分化的下游应用场景,对电池有着不同的性能与成本需求。动力电池:全球汽车电动化趋势驱动下,动力电池已成为锂电池的关键应用领域,且未来市场需求仍呈现高增长态势。但同时,动力电池的应用需求在不断精细分化,主流中低端乘用车场景追求成本可控条件下更佳的续航里程与充电效率;高端豪华车、越野车、电动航空器等应用领域价格敏感度更低,追求极致的能量密度;低端 A00电动车、两轮车等应用场景则追求更低成本的电池解决方案。3锂电池技术革命:与“不确定”共舞?2510wt%?101wt%?0wt%?:?01501002503504505506002035203020252020201550200300400500?2 2?1?vs?2?3?2?Wh/kg?目前商业化的动力电池主要是三元锂及磷酸铁锂电池两大技术路线,并沿各自的技术路线升级迭代,持续进行成本与性能的综合竞争。按锂电池正极材料分类,目前商业化的动力电池主要是三元锂及磷酸铁锂电池两大技术路线,并沿各自的技术路线升级迭代(如超高镍三元与磷酸锰铁锂等),持续进行成本与性能的综合竞争。同时,在高性能路线方面,由固态电解质搭载能量密度更高的新型正负极形成的固态电池是当前认为最具潜力的发展方向;在高性价比路线方面,因锂资源成本高昂,能量密度较低但成本与高低温性能占优的钠离子电池有望在短期内作为低端替代切入储能应用领域。4锂电池技术革命:与“不确定”共舞成熟路线之争:三元锂更具性能提升空间,但磷酸铁锂成本相对稳定,仍具中期市场竞争力 2.商业角度,下游客户短中期内仍将主动维持磷酸铁锂采购量以降低成本波动风险尽管高镍低钴三元锂电池具有单位里程成本优势,但其仍存较高的镍原材料成本与技术发展不确定性,故科尔尼认为,未来短中期内,下游汽车主机厂客户将主动维持磷酸铁锂采购量,以分散单一技术路线依赖导致的大幅成本波动风险。(见图 5 图 6,第七页)新能源汽车发展初期,磷酸铁锂电池因高安全性、低成本及长循环寿命的特征成为首选。2016 年新增电池能量密度作为新能源汽车补贴参考指标后,三元锂电池因高能量密度的优势迅速占据更高的市场份额。近年来,随新能源汽车补贴退坡、磷酸铁锂电池包性能突破及三元锂原材料价格上扬,磷酸铁锂市场占有率反超三元锂电池。未来,性能升级与原材料价格波动,将持续影响三元锂与磷酸铁锂的竞争与市场份额。1.技术角度,下一代高镍低钴三元锂电池或将在单位续航里程成本上获得优势目前三元锂电池朝高镍化、低钴化甚至无钴化的技术方向发展,是能量密度与成本双重考量下的选择。高镍低钴可以提升电池的能量密度,降低原材料成本对钴价格的敏感度。电池企业在改善高镍三元体系稳定性的过程中,材料研发、制备工艺及生产设备的沉淀将形成比传统三元材料更高的技术壁垒。磷酸锰铁锂是磷酸铁锂路线的技术升级方向。磷酸铁锂电作为正极材料,比容量已接近理论上限,磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具有更高的电压平台,理论能量密度可提升20%且低温性能更优,同时保持相较三元锂电池的安全性和成本优势,产业化布局加速。对比高镍低钴三元锂电池和磷酸锰铁锂电池的成本结构,原材料镍价格成为两者性价比对比的关键影响因素。我们认为短中期内,镍价格有望回落至 130 元/kg 甚至更低水平,驱动高镍三元锂电池的瓦时价格趋近于磷酸锰铁锂电池。因能量密度高,搭载三元锂电池组电动汽车的电池模块更轻更小,可用更低的功耗驾驶相同的里程,在瓦时成本相同的情境下,三元锂电池的单位续航里程成本更低,将在单位里程成本上逐步形成反超磷酸铁锂电池的价格优势。(见图 3 图 4,第六页)未来,性能升级与原材料价格波动,将持续影响三元锂与磷酸铁锂的竞争与市场份额。5锂电池技术革命:与“不确定”共舞?3?NCM622NCM811NCALFPNCMx2LFPx21500120090060030001,2501,0501,0008007507502023-2026?:?4?30040050060070080012,00090,00060,00030,0000NCMNCMxLFPLFPxNCM:130?/kmNCMx:70?/kmLFP:110?/kmLFPx:80?/km?:?6锂电池技术革命:与“不确定”共舞?:?5?20182019202020212022202320242025202620282030100 %0%?20292027?:?6?20182019202020212022202320242025202620282030100 %0%?20292027?7锂电池技术革命:与“不确定”共舞2.钠离子电池三种技术路线并行发展,分别适配不同细分下游应用场景钠离子电池有层状金属氧化物、聚阴离子化合物及普鲁士蓝类化合物三种主流技术路线,各有利弊,预期分别适配不同的下游应用场景,并行发展:层状氧化物:与锂电三元正极工艺类似,产业化速度相对领先。在关键指标上,比容量高、倍率性能好,综合性能优异。但结构容易变化、空气稳定性不佳导致稳定性亟待提升。在技术上可通过掺杂及包覆改性,预期Na-Cu-Fe-Mn 路线可凭借成本优势率先量产。未来更适合 A00 级电动车、两轮车等低端动力和对循环次数要求不高的家用储能。聚阴离子化合物:稳定性好,同时可预期成本具有显著优势。但电导率较差,在技术上需要包覆和纳米化改性,这也会折损能量密度。研判未来适合稳定性要求高且成本敏感的大型储能场景 普鲁士蓝类化合物:理论比容量高,但制备工艺尚不成熟。从材料结构看,具有开放的钠离子传输通道的普鲁士蓝类化合物理论性能好,但因空位缺陷和结晶水等问题导致在实际应用中容量、倍率、库伦效率及循环寿命不佳,需要解决制备工艺的难题产业化进度较缓慢;未来将发挥其相对性能优势竞争 A00 级电动车、两轮车等场景。总结而言,钠离子电池性能全面优于低端应用领域的铅酸电池,与锂电池对比,其能量密度和循环寿命存在差距但成本优势显著;未来将全面替代铅酸电池低端应用,并在低端动力电池和储能电池领域与锂电池错位竞争。锂电池的爆发式市场需求增长对其供应造成压力,锂资源成本激增。而钠资源储备丰富、成本极具吸引力,将在储能等对电池体积与重量敏感度低的应用场景成为低成本替代方案。1.相比锂离子电池,钠离子电池能量密度较低,但原材料成本与高低温性能更具优势锂、钠同属碱金属元素,物化性质类似。得益于钠资源丰富、正极原材料价格友好、正负极集流体均可使用更为便宜的铝箔等特点,钠离子电池相较锂离子电池均有显著的降本空间(相比磷酸铁锂电池,钠离子电池成本将继续下探2030%,趋近铅酸电池 0.3-0.5 元/Wh)。从 能 量 密 度 看,钠 离 子 电 池 能 量 密 度 集 中 分布 在80-140Wh/kg,宁德时代公布第一代钠离子电池单体能量密度为 160Wh/kg,二代产品将提升至 200Wh/kg,远高于传统低端铅酸电池,趋近低性能磷酸铁锂电池。从安全性看,钠电热失控风险低,比锂电更为安全;从高低温性能看,钠电可以在-70100的温度范围内工作,锂电尤其是磷酸铁锂电池仍需解决低温续航大打折扣的问题。从充电倍率看,钠离子溶剂化能更低、斯托克斯直径更小,具有比锂电池更快的充电速度。从循环寿命看,钠离子半径比锂离子电池更大,反应过程中脱嵌更容易损伤电极结构,循环性能介于锂电池和铅酸电池之间。鉴于钠离子电池可预期的成本优势明显,但能量密度天花板偏低,将在低成本、低能量密度需求的细分场景中率先应用,进入铅酸电池、磷酸铁锂电池主导的储能、两轮电动车、A00 低端电动车等领域。预测 2025 年钠电池市场规模可达 17GWh,并持续提高渗透率,至 2030 年替换铅酸电池 7080%及磷酸铁锂 2030%合计约 140GWh的市场需求。钠离子电池:商业化在即,作为高性价比解决方案适配低端应用 8锂电池技术革命:与“不确定”共舞 锂硫体系:以硫或其化合物为正极、以金属锂作为负极的电池体系,具有超高理论容量密度和成本低廉的优势。不同于通过锂嵌入工作的锂离子电池,锂硫电池通过锂多步转化工作,比容量显著提升,理论能量密度为2600Wh/kg,预期初步商业化产品的能量密度可以突破 600Wh/kg。因硫储量丰富价格低廉,锂硫电池具有显著的成本优势。但循环稳定性及安全性尚不满足应用要求,需要抑制多硫穿梭降低电极活性材料的不可逆损失,提升电池循环性能与库伦效率;改善硫正极的导电性提高倍率性能;降低体积膨胀率,提升结构稳定改善循环寿命。因使用锂金属同样有锂枝晶的安全隐患,这也导致锂硫电池产业化进度同固态电池高度相关。目前技术上已有很多进展,LG 研发处于前列,但距商业化落地仍有距离。锂空体系:以空气为正极、金属锂为负极的开放电池体系,空气中的氧气或二氧化碳在正极侧作为活性物质被催化参与反应。锂空气电池理论能量密度高达 3500Wh/kg,具有二次电池中最高比容量,预期实用能量密度可达 500-900Wh/kg,商业化应用需要解决循环寿命、实用容量、倍率性能的关键挑战,寻找价格低廉且高效的催化剂。面对传统液态锂空电池中有机溶剂挥发燃烧分解、正极副产物累积以及锂金属负极粉化问题,开发固态锂空气电池成为可行路径。锂空电池有望成为远期高能量密度的动力方案,但目前仍处于理论探索阶段,需要攻克诸多技术难点。锂硫电池、锂空电池在能量密度这一关键性能上具有更高的想象空间,是未来固态电池发展的重要电化学体系,但新体系的研发产业化仍存在很大的不确定性,核心技术难点是否能突破也将直接影响未来市场格局。当前成熟锂离子电池能量密度提升空间有限:液态高镍三元锂离子电芯能量密度上限预估为 350-400Wh/kg,且高镍低钴的稳定性问题悬而未决,安全隐患增加;安全性更好的下一代磷酸锰铁锂电池技术路线能量密度上限较低,估测仅为 250Wh/kg。进一步提升性能需要研发新一代电池技术,固态电池体系具有高电化学窗口,可兼容高压正极材料,且固态电解质能抑制锂枝晶生长匹配高容量的锂金属负极,理论能量密度可高达 1000Wh/kg,已成为行业长期追求的下一代技术。1.新兴高能量密度正负极:多技术解决方案竞争发展2022 年,中国科学院院士清华大学教授欧阳明高在世界动力电池大会上指出,“未来十年电池体系还会经历三次技术变革,2035 年前一定会规模生产能量密度为 500 Wh/kg 的下一代电池。”其中富锂锰基、锂硫与锂空正负极体系是未来电池技术的热门选手。富锂锰基体系:富锂锰基一种层状结构的锂离子正极材料,是富锂锰酸锂与层状锂金属氧化物混排形成的超晶格结构,因高容量、低成本的优势得到关注。富锂锰基理论比容量超 300mAh/g,有望突破传统锂电池体系350Wh/kg 的瓶颈。同时以锰作为主要的过渡元素,无钴低镍,可预期成本低于三元锂接近磷酸铁锂电池。但实际应用中存在首圈库伦效率低、电压衰减严重、循环性能差、倍率性能差等问题,经多年研究仍未找到优化的解决方案,尚待进一步突破。固态电池:具备性能飞跃想象空间,技术实现仍需长期探索9锂电池技术革命:与“不确定”共舞2.固态电解质:高能量密度正负极的安全性保障,氧化物与硫化物技术路线持续竞争传统锂离子电池使用的液态电解质在搭配更高性能正负极材料(如纯锂金属负极)时,易生成锂枝晶导致意外短路,引发热失控甚至导致自燃爆炸,因此热稳定性高的固态电解质可兼容高压正极材料、抑制锂枝晶生长以匹配高容量的锂金属负极。当前主流固态电解质技术路线可按电解质材料体系划分聚合物、氧化物和硫化物三种。由液态电解液、聚合物与氧化物复合固态电解质组合的半固态过渡体系商业化进度较快,但高性能正负极承载能力有限,主要用于高安全性应用场景。而氧化物与硫化物全固态电解质是普遍追求的固态电解质终局解决方案。聚合物电解质:柔韧性好易于加工,与现有锂电池制备方式相近,工艺兼容性高,可实现规模化量产,是最早商业应用的固态电解质。但常温下离子电导率低,当加热至 60的高温时才能将电导率提升至 10-3 S/cm,同时低机械强度对锂枝晶的抑制作用差、电化学窗口窄也削弱了固态电池高能量密度的优势。故单纯聚合物电解质路线已基本出局,目前与氧化物固态电解质混合用于半固态电池。氧化物电解质:热稳定性好,室温离子电导率可达10-510-4S/cm,经掺杂改性可提升至10-3S/cm,电化学窗口高可匹配高压正极材料。但氧化物电解质机械强度高,与电极材料接触差,孔隙率高,导致界面阻抗过大,且质地脆不易加工。由于氧化物固态电解质综合性能好、制备难度居中,是发展最快的固态电解质路线,欧美、中国均已布局,国内企业正在推动以氧化物固态电解质为基础的固液混合电池产品落地,有望在 3 年内率先量产。硫化物电解质:离子电导率高达 10-310-2S/cm,可媲美液态电解质,同时具备良好的机械强度与柔性,界面接触好。但化学活性强,与高压正极材料与锂金属负极兼容性差,同时容易与空气中的水分反应生成剧毒气体硫化氢。综合来看,硫化物电解质是最具潜力的发展路线,中美日韩均有布局,但诸多的技术难点仍需 5-7 年突破。3.固态综合体系:固态电池技术是体系化革新,需要面对主材本身与主材间匹配的诸多挑战 固态电解质:固态电解质的晶界会导致离子的不均传输,与体相的离子电阻、电子电阻性能差异可能阻碍离子传输或促进锂枝晶生长。固态电解质可能与正极反应生成高阻抗界面,锂的低电化学势会引起固态电解质失效,形成离子电导率差的中间相,阻碍离子传输增加阻抗。除性能外,高昂的制备成本也限制了固态电解质规模化应用。正极材料:正极材料活性物质与固态电解质的不充分接触会对倍率性能及循环性能造成负面影响,在活性物质负载量高的高能量密度正极材料中更为明显。固态电解质占比少导致离子传输难度增大,限制了倍率性能。循环过程中体积变化也会导致裂缝和孔隙的生成,破坏既有的导电通道,导致不可逆的容量衰减。负极材料:以锂金属负极为例,充放电过程中锂的沉积溶解会导致明显的体积变化,导致SEI膜不可控和界面脱触问题。同时,充电过程中锂离子的不均匀沉积仍会产生锂枝晶造成短路,导致电池失效,在半固态电池体系中仍有自燃爆炸的风险。界面:从物理接触看,相较液态电池固液接触良好的浸润性,固固接触的接触面积较小界面阻抗高,引发应力堆积问题,导致性能衰减。从化学接触看,电化学势不匹配的正负极都可能与固态电解质自发发生化学反应,正极侧固态电解质可能被氧化阻碍阻碍离子传输,增大界面电阻,负极侧通常会生成同时导电子和离子的界面,电解质被持续消耗导致电池失效。包装:固态电池界面的良好接触依赖较高的外部压力,这也对电芯的结构设计提出全新挑战。10锂电池技术革命:与“不确定”共舞4.产业化道路任重道远,过渡性半固态解决方案有望短期内推出固态电池产业化任重道远,技术层面,攻克性能优异且可规模化制备的固态电解质材料的同时,仍需构建兼容性良好的电池体系。商业化层面,苛刻的制备条件极大概率需要重新研发配套量产设备,新材料体系的导入将重构产业链以及关键材料价格等因素,也将影响产品性能、一致性与价格,决定固态电池的市场份额。截至目前,固态电池在全球范围内均未进入到量产阶段,国内企业计划推出半固态电池作为过渡方案,分步迈向全固态电池的终局(如宁德时代宣传推出的凝聚态电池)。半固态电池仍保留隔膜结构与少量电解液,液体电解质质量占比 10%以下,平衡安全性和电解质导电性。结合电池主材发展速度,我们认为固态电池演进将分为三个阶段:短期(-2025 年):有望实现半固态,用过渡的半固态电解质替代纯液态电解液,搭配主流的高镍三元或四元正极材料及硅碳负极,确保安全性的前提下将能量密度提升至300Wh/kg。中期(2028-30 年):有望实现全固态,待技术验证成熟切换至全固态,负极可选择金属锂负极,兼顾能量密度、安全性和循环寿命,预期高镍三元/硅碳全固态锂电池能量密度可达 400500Wh/kg,高镍三元/锂金属全固态电池能量密度突破 500Wh/kg。长期(2030-35 年):有望实现全固态匹配高能量正负极,例如锂硫电池、锂空电池,博取大于 1000Wh/kg 的超高能量密度。11锂电池技术革命:与“不确定”共舞总体而言,锂电池向着高能量、高安全性、低成本的发展方向,并且随着下游应用方向精细分化,不同技术路线将呈现多元化发展态势。传统三元锂电池和磷酸铁锂电池的技术升级主要体现在正极材料,三元体系为兼具高能量与低成本,朝高镍化、无钴化、高压化、四元化的方向发展。磷酸铁锂体系在趋近现有工艺的能量上限后,研发更高能量密度的磷酸锰铁锂正极,因其电压平台与三元材料相近,磷酸锰铁锂可与三元材料复合使用融合优势。负极侧短期以石墨为主,硅基负极逐步提升占比。电解质溶质从主流六氟磷酸锂向双三氟甲磺酰亚胺锂等新型锂盐发展。隔膜无显著变化。技术趋势总结:短期内多技术路线精细分化发展,长期纯固态电池有望实现飞跃式迭代钠离子电池处于商业化初期,正极是制约电池性能的核心主材,层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物三种类型均有企业布局。负极有碳基材料、有机材料、金属氧化物材料、转化及合金化反应材料等,其中碳基材料的技术成熟度最高,硬碳负极因容量优势成为首选。电解质溶质以六氟磷酸钠为主,隔膜相较锂电没有根本性改变。固态电池的核心在于电解质,短期组合使用液态电解质、氧化物和聚合物复合固态电解质用于半固态电池,氧化物和硫化物全固态电解质路线持续发展,预计 5-7 年后实现全固态电池商业化。其中半固态电池仍需隔膜,但全固态电池理论上可以复用固态电解质分隔正负极,不用搭载隔膜。未来随着固态电解质技术逐步成熟,可选择更高能量密度的正负极材料,搭载锂硫和锂空体系。12锂电池技术革命:与“不确定”共舞电池技术的发展伴随着高度不确定性,因此产业链企业在开展研发工作时,将面临资源消耗巨大、技术方向多变、回报周期长等核心挑战;科尔尼认为,构建“开放创新型”的前沿研发体系是有效驾驭技术发展“不确定性”的有效方法,其通常具有四大核心特征:独立创新定位:区别于传统研发部门的“产品开发”定位,前沿研发体系在组织能力、目标定义与过程把控、项目资源匹配、研发管理模式、考核激励模式等方面均有显著差异化;企业应建立独立的前沿研发组织,匹配以长期技术储备及创新突破能力建设为核心导向的管理体系,并明确对于前沿研发工作的专项资源投入。(见图 7,第十四页)生态体系开放:面对前沿创新的巨大资源投入需求与回报不确定性,企业应打造开放生态,突破自有资金和研发能力的边界,撬动更广泛的社会资源。其中最为常见的合作模式为校企合作,撬动高校与科研院所的资源与能力。(见图 8,第十四页)技术洞察深入:电池技术发展日新月异,前沿创新组织应具有适时、深入的技术洞察核心能力,以保持对技术前沿发展变化的及时捕捉与灵活应对。在锂电池及电池材料领域,深入技术洞察应包含不同材料电化学搭配、材料配方、生产工艺、基础理论、仿真模拟、检测平台与方法等多层次。(见图 9,第十五页)资源配置聚焦:企业往往面对前沿创新的众多技术方向无所适从,资源投入“平均用力”,最终收效甚微;而卓越的研发体系能有效识别核心技术并实现资源倾斜配置。前沿研发(Research)不同于下游需求牵引的产品开发(Development),两者在研发方法、研发周期、管理导向等各方面均有显著差异。电池产业链企业应建立“开放创新型”前沿研发体系,与不确定性共舞,方能在新技术革命推动行业格局剧变时展现技术优势、抢占市场先机。电池产业链企业应建立“开放创新型”研发体系,以在技术变革中抢占先机、获取竞争优势电池产业链企业应建立“开放创新型”前沿研发体系,与不确定性共舞,方能在新技术革命推动行业格局剧变时展现技术优势、抢占市场先机。13锂电池技术革命:与“不确定”共舞?:?8?:?7?14锂电池技术革命:与“不确定”共舞?:?9?15锂电池技术革命:与“不确定”共舞原华 博士,科尔尼公司高级咨询顾问 梁岳明 科尔尼公司项目经理 王怿恺 科尔尼全球合伙人滕勇 博士,科尔尼全球合伙人作者16锂电池技术革命:与“不确定”共舞For more information,permission to reprint or translate this work,and all other correspondence,please email .A.T.Kearney Korea LLC is a separate and independent legal entity operating under the Kearney name in Korea.A.T.Kearney operates in India as A.T.Kearney Limited(Branch Office),a branch office of A.T.Kearney Limited,a company organized under the laws of England and Wales.2023,A.T.Kearney,Inc.All rights reserved.作为全球领先的国际管理咨询公司,科尔尼自成立近一百年来,始终服务于全球各行业优秀的企业、公共组织和非盈利机构,是可信赖的顾问之选。遍布 40多个国家的精英人才是我们的立身之本;对工作和客户的无限热情是我们的动力源泉;精于战略更敏于实施使我们与众不同。

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    2023 年深度行业分析研究报告 目录 1 1 固态电池有望是下一代电池技术制胜关键固态电池有望是下一代电池技术制胜关键 .5 5 1.1 1.1 固态电池定义固态电池定义 .5 5 1.2 1.2 .

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