电池材料竞争：市场领导者，技术和成本分析
为了满足日益增长的需求，例如电动汽车，锂离子电池（LIB）的生产和相应的供应行业近年来大幅扩大。创新，特别是在材料方面，正在推动进一步的发展，重点是提高能量密度和降低成本。生产和供应链战略的变化正在影响市场。锂离子电池材料的创新在提高电池性能方面发挥着至关重要的作用，从而支持全球向电气化交通的移动过渡。问题是，面对日益激烈的竞争，中国能否保持其在市场上的领先地位。负极材料：石墨与硅使用中的挑战与展望 虽然锂金属提供了最高的负极理论容量，但它的实际应用仍然受到几个挑战的阻碍：在充放电过程中锂枝晶的形成带来了短路和电池缺陷的重大风险。 此外，负极在循环过程中经历了大量的相对体积变化，导致结构不稳定，影响电池的性能和安全性。另一个问题是不稳定的固体电解质间相（SEI），它也会随着时间的推移而降解。由于这些原因，在商业应用中使用锂金属负极仍然存在问题。为了解决这些问题，结构稳定的石墨占据了目前应用的90%到95%，尽管它的容量相对较低。目前的研究重点是在保持石墨结构稳定性的同时提高其比容量。 此外，硅也用于负极（市场份额为5%至10%）。这种材料有望在未来越来越多的电池中使用，因为与石墨相比，它可以在负极基体中加入更多的锂，从而存储更多的能量。然而，在材料循环过程中，硅的显著体积膨胀会导致严重的问题，例如负极与集流体或隔膜的分离，这反过来又会对电池的性能和寿命产生负面影响。为了克服硅负极的潜在风险，并从其优越的容量中获益，石墨硅复合负极的使用代表了一项重大改进。这种方法可以帮助调节硅的体积膨胀。最近的研究表明，另一个可行的解决方案可能是硅负极的碳涂层。 正极材料：从NMC和NCA到LFP 电池的容量很大程度上受到正极材料的限制，与负极材料相比，正极材料在循环过程中可以吸收和释放更少的锂离子。目前商业应用中最重要的活性正极材料包括锂镍锰钴氧化物（NMC）、磷酸铁锂（LFP）、锂锰氧化物（LMO）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和锂钴氧化物（LCO）。这些材料在成本、能量密度和寿命方面有所不同。NMC正极最初是为了克服LCO正极在高电荷状态下的结构不稳定性而开发的，通过用镍和锰部分取代LCO中的钴。这最终导致了更高的能量密度的材料。 NMC的另一种选择是NCA，它表现出非常相似的性能参数。到2024年，电动汽车市场对正极电池的需求约有70%是镍基正极，如NMC和NCA。然而，由于市场波动，与镍开采（特别是钴开采）相关的道德问题以及与镍基正极相关的制造挑战，LFP已成为未来更有希望的候选材料。LFP提供了更好的循环性能和更高的成本效益。然而，这种材料的平均能量密度只有镍基正极的70%。最近的进步，如电芯到电池包（CTP）技术，已经显著提高了LFP在电池包级别的能量密度。此外，由于其环境可持续的供应链，LFP正极的生产得到了中国地方政府的支持。这些政府提供财政激励措施，如减税、补贴、土地赠款和后勤支持，以吸引和支持电池制造商和原材料供应商。全球对LFP的需求不仅限于电动汽车市场，还归因于固定储能应用。中国为何引领电池材料市场 近年来，中国在锂离子电池关键材料（包括负极、正极、电解质和隔膜）的生产方面处于领先地位。中国企业的成功在很大程度上要归功于15年前通过“中国制造2025”等战略计划发起的长期产业政策。这些政策促进了持续的增长和技术进步，确保了中国在该行业的领导地位，并使许多公司得以建立，这些公司后来在全球取得了成功。此外，中国材料供应商与宁德时代（CATL）和比亚迪（BYD）等中国LIB电池制造商之间也建立了良好的供应关系。这些伙伴关系的特点是长期互利的协议。近年来，全球市场上80%到90%的负极材料都是在中国生产的。正极的比例在70%到75%之间，电解质的比例在85%到90%之间，分离器的比例在55%到60%之间。图1显示了中国多年来在全球电池材料生产中所占的百分比。尽管由于来自美国和欧盟的投资增加，中国的市场份额在未来几年可能会下降，但中国可能会保持其作为电池材料市场关键参与者的地位。 中国制造商BTR新能源材料目前以约22%的市场份额引领全球负极材料市场。这一领先地位归功于其高水平的研发和众多的生产设施，不仅在中国，而且在国外。2024年8月，该公司在印度尼西亚启动了锂离子电池负极材料新工厂，该工厂已成为中国以外最大的负极生产设施。上海杉杉在全球市场上排名第二，份额约为19%。与竞争对手相比，电池需求的上升和欧洲供应的不足，为中国企业提供了进一步扩张的机会。到2023年底，杉杉在芬兰投资13亿欧元新建负极材料工厂，预计将实现年产10万吨合成石墨的生产能力。另一家中国公司江西紫宸科技以10%的市场份额跻身前三名。该公司在高质量合成石墨和硅基负极材料方面的领先地位脱颖而出，这些都是与中国科学院合作多年研究开发的。中国转变阴极材料生产战略 虽然NMC目前的市场需求最高，但由于其成本更低，安全性更高，环境兼容性更强，中国已将重点转向生产LFP。目前，LFP主导着中国正极材料市场，市场份额约为60 - 70%。这一战略提高了产能，加剧了竞争，大大降低了电池成本，但也导致了市场产能过剩。中国公司湖南裕能在正极材料的整体生产方面处于领先地位，市场份额约为9%，预计到2025年LFP的生产能力约为893,000吨。紧随其后的是中国制造商Dynanonic，市场份额为7%，XTC新能源材料占6%。正极材料市场的生产份额分布较为分散。这些公司生产的正极材料的具体类型各不相同，因为每个公司采用不同的技术和化学成分。 在电解液生产市场，中国的制造商如深圳凯普化学、天赐、国泰华融等已经确立了自己的领先地位。在隔膜生产方面，该行业不仅由上海能源新材料等中国公司主导，而且还由日本旭硝子和韩国斯基特（SKIET）等公司主导。美国和欧洲应对中国在电池生产领域的主导地位 中国在电池材料生产方面的显著进步，促使欧盟和美国加紧努力，发展当地供应链，扩大电池制造能力。 美国能源部（DOE）在《通货膨胀减少法案》（IRA）的框架下承诺投入30亿美元支持电池制造和材料生产，旨在加强国内供应链。这笔资金将用于扩大美国电池制造能力，提炼关键矿物，加强电池组件回收，以建立一个更可持续、更有弹性的供应链。美国汽车制造商，特别是韩国汽车制造商之间的合资企业，是国内努力减少对国际资源的依赖，加强本土电池生产的例子。 在欧洲方面，也正在进行投资和制定法规，以减少欧洲电池制造商和电动汽车生产商对外包的依赖。这一努力的一个关键步骤是欧洲关键原材料法案，该法案规定了绿色和数字技术以及国防和空间所必需的关键和战略原材料。 关键原材料法案对欧洲电池制造业的影响 该法案为到2030年加强战略原材料供应链上的国内能力设定了基准：占欧盟年开采需求的10%，加工需求的40%，回收需求的25%。此外，它的目标是将对单一第三国的依赖限制在不超过欧盟在任何相关加工阶段对每种战略原材料的年需求的65%。为了实现这些目标，专注于可持续发展的挪威公司Vianode于2024年10月开设了第一家负极生产厂。Vianode的初始投资为20亿挪威克朗（约合17亿欧元），其目标是成为领先的负极制造商，每年为多达2万辆电动汽车生产石墨负极，与标准材料相比，二氧化碳排放量可降低90%。第二工厂的目标是，到2030年，提高年产能，为200万辆电动汽车提供负极材料。电池材料的全球产能过剩并不能保证欧盟的供应链 预计未来几年全球材料生产将出现产能过剩。这是由积极的投资和生产扩张推动的，尤其是在中国，旨在主导全球供应链。与此同时，欧盟和美国正在努力减少对进口的依赖，建立当地的生产能力。到2030年负极和正极产能过剩的估计见图2和图3。 尽管电池材料不太可能出现全球短缺，但由于中国企业的主导地位，确保可靠的供应链对欧洲和北美制造商来说可能仍然是一个挑战。 通过与南美、非洲和澳大利亚等资源丰富地区的矿业公司签订长期合同，中国巩固了自己的地位。中国主要的矿业和电池公司在原材料开采和精炼方面都投入了大量资金，确保了对锂、钴和镍等关键材料的控制。 地缘政治紧张局势和国家利益可能会使供应链进一步复杂化。例如，从2023年12月开始，中国限制某些石墨产品的出口。这些措施可能会影响西方制造商的材料供应，削弱它们在电动汽车市场的竞争力。 电池材料的价格：过去，现在和未来 负极材料的价格已经大幅下降。2010年，每吨的价格约为1.5万美元，但今天的价格已降至每吨8000至8500美元。减少的原因是生产方法的改进和生产规模的扩大。虽然预计价格会进一步下降，但可能会放缓：预测估计，到2030年，负极价格可能达到每吨7500美元左右。目前，需求量超过11万吨，负极制造商的年收入接近90亿美元。正极材料仍然是电池生产中最昂贵的部件。2010年，正极材料的成本超过每吨34,000美元。由于生产的进步和转向更便宜的铁基材料，价格已降至每吨2万至2.5万美元。在2022年和2023年，由于原材料价格上涨，特别是锂和镍的价格上涨，成本增加。钴的价格也非常不稳定。 虽然预计价格将进一步下降，但预计速度将放缓，据估计，到2030年，正极价格可能降至每吨1.5万至2万美元。随着电池生产推动需求在2024年超过2800千吨，正极材料市场的规模达到550亿美元。电解质价格更加稳定。多年来，价格一直徘徊在每吨8000美元左右，预计近期不会有重大变化。到2024年，电解质的年需求量达到约70万吨，对应的市场价值约为55亿美元。隔膜不仅用重量来衡量，而且用表面积来衡量。它们的价格已经从2010年的近3美元/平方米下降到今天的不到1美元/平方米。预计在可预见的未来，这种价格势头将趋于平稳。目前，对分离器的总需求超过20万吨，这一细分市场的市场价值约为50亿美元。小明来电⚡为你充电，我们下期再见，拜拜~素材来源： Fraunhofer ISIVolta Foundation《Battery Report 2024》来源：小明来电
