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18650 电池技术及产业发展概况



  在2013年在中国(宜春)锂电新能源产业国际高峰论坛(ABEC2013),组委会邀请了世界500 强之一的江森自控(JCI)、全球最大的水电公司加拿大魁北克水电(Hydro Québec)、中国营收最高的锂离子电池企业东莞新能源(ATL)、中国产销量最大的锂离子电池企业天津力神(Lishen)、深圳创明(CHAM)等以及中科院物理所黄学杰研究员、北京大学其鲁教授、法国国家科研中心Alain Mauger 教授等赴会演讲。本次论坛这些锂离子电池企业关于其在应用技术开发方面的介绍不多,这有些遗憾,只能希望以后的ABEC 论坛逐步增加这方面内容。下面我们有选择地对其中一些内容进行小结(本章节重点分析18650锂电池和深圳市创明电池技术有限公司案例)。

  深圳市创明电池技术有限公司(CHAM,官网)是本次ABEC2013 宜春论坛的移动电源礼品主赞助商之一,该公司在论坛上的演讲报告题目是《18650 电池特性及应用》,较为全面地介绍了这个代表性圆柱型锂离子电池产品同时也是销量最大的单一型号的锂离子电池产品的发展状况。该报告的相关内容可以结合前面欧洲Avicenne 的产业研究一起来看,二者的数据有些不同。

  公开资料显示,在中科院物理所陈立泉院士的支持下,深圳创明于2003 年03 月成立,目前营收约5 亿元,主营18650 电池业务。该公司于2004 年开始小批量生产18650 电芯,自称是中国首家量产2.6Ah 和2.8Ah 的18650 电芯的企业(分别于2009 年和2011 年实现量产),现在已介入移动电源产品制造领域,创造的“Powerocks”(宝格石)已成为中国移动电源领域的知名品牌。

  在各种型号的锂离子电池产品出货量中,18650 电池是占比最多的,也是迄今为止价格最便宜的。由于18650 电池具有规定的尺寸(直径18mm×长65mm)和庞大的需求量,因此其生产设备的自动化程度也在各类锂离子电池产品中是最高的,产品的一致性也最好,安全性最可靠。不过,具有将近10 年生产经验的深圳创明认为,18650 电池做出产品容易,但要做好却很难。该公司认为,做好18650 电池需要优质的原材料、合理的结构设计以及有效的制程管控等。

  通过前面对欧洲Avicenne 演讲报告的介绍知道,锂离子电池产品主要有圆柱型、方型和聚合物3 大类,其中圆柱型产品主要有18650、16650、26650 等多种型号,其中18650 型电池的出货量最大,远超其他圆柱型电池总出货量之和。

  图11 是深圳创明演讲报告中给出的数据,这与欧洲Avicenne 的数据有些不同,真锂研究尚不清楚这些数据的最终出处。图11 上显示,2013 年全球锂离子电池出货量42.45 亿只,其中聚合物电池11.86亿只,占比27.94%;方型电池16.50 亿只,占比38.87%;圆柱型电池14.09 亿只,占比33.19%。

  从图11 上可以看到,聚合物电池的出货量在持续上升,而18650 电池的出货量则稳中有降。

  锂离子电池单价的走势见图11 下,这张图可能说的是18650 电池的价格变化。从中可以看到,各种容量的锂离子电池的价格都在持续下降中。

  图12 上是2008 年~2012 年全球10 大锂离子电池企业的18650 电池的产能、产量和出货量情况,从中可以看到,前10 强的18650 电池总产能约9.5 亿只,但产量约为7 亿只,产能利用率不到75%。中国电池杂志-中国电池网战略合作机构——真锂研究预计这种状况未来几年之内也难以改变。

  前10 强的出货量总和不到5.5 亿只,与产量有较大差距,这表示企业的库存较大,而且自2008 年以来基本上都是如此,近两年还有加大的趋势。中国电池杂志-中国电池网战略合作机构——线 电池的市场这几年来一直面临着转型的压力,特别是在最大的应用领域——笔记本电脑市场,使用聚合物电池或16650 电池的超极本正在规模化取代使用18650电池的传统笔记本电脑。

  庞大的18650 电池产能何去何从,是所有18650 电池企业都需要认真面对的一个问题。

  在各种18650 电池中,出货量最大的是2.2Ah 的产品,自2009 年以来一直占据榜首位置,2009 年2 季度出货量首次超过1 亿只/季,2010 年1 季度首次超过1.5 亿只/季,在高峰的2011 年2 季度和3 季度,接近2 亿只/季。从年份来看,2009 年2.2Ah 产品出货量约3.6亿只,2010 年飙升到6.3 亿只,2011 年突破7 亿只,2012 年略有下降,约6.65 亿只左右。2012 年2.2Ah 产品在所有18650 电池总出货量中占比约40%。

  出货量紧随其后的是1.5Ah 以下产品和2.6Ah 产品,占比在15%~18%之间。总体来看,≥2.6Ah 的18650 产品的出货量占全部18650 电池出货量的40%左右。从产品技术含量来看,由于体积固定,因此大致可以认为容量越高的产品,技术含量越高,产品的利润也就相应地更高。三星SDI 的2.2Ah 18650 电池产品虽然出货量很大,但2012 年1.4 美元/只的价格基上赚不到钱,其18650 电池的利润主要来自≥2.6Ah 的产品。松下目前给特斯拉供应的18650电池产品就是3.1Ah 的,技术含量最高。中国企业的18650 电池产品主要集中在利润很低的2.2Ah 及以下容量的产品,能生产2.6Ah 产品的企业很少。从这个角度看,中国企业的18650电池产品基本上集中在中低端市场。

  提到松下,我们都知道,它给特斯拉提供的18650 电池产品使用的正极材料是镍钴铝酸锂(NCA)。目前绝大多数18650 电池产品用的都是含钴的正极材料(钴酸锂(LCO)和镍钴锰酸锂(NCM))而非磷酸铁锂(LFP),只有索尼(Sony)等极少数企业生产LFP 18650电池。深圳创明认为这主要有以下两方面原因:①钴系材料分解温度高,即使是小颗粒的LCO 的分解温度也远远高于18650 可承受的喷火温度,而最安全的LFP 材料依然安全事故问题频发,因为其制程缺陷造成18650 电池内部的硬伤是安全事故发生的根源;②电解液和正负极材料的杂质发生副反应是电池性能劣化的微观原因。

  基于此,深圳创明认为18650 电池正极材料的发展方向是高钴→低钴、高电压,其中NCM 的用量会越来越大。今后18650 电池使用的的正极材料的组合主要有:①NCM(111、442、523、622 等);②NCA;③NCM+LCO;④NCM+LMnFe 等。对于18650 电芯制造而言,主要考虑的是材料的稳定性,要求材料的批次差异尽可能小。

  深圳创明认为,中国18650 型锂离子电池产业的发展大致经历了五个阶段:①第一阶段:中国企业大约从2000 年开始涉足18650 电池制造,从1.8Ah 产品开始,主要应用市场是移动DVD 领域。在这个阶段,18650 电池还是一个相对神秘的产品,只要能做出来便可以赚钱。②第二阶段:大约从2005 年开始,在国外领先企业的带动下,国内企业开始生产可在电动工具领域用18650 电池以替代镍镉电池,产品以侧重功率的1.3Ah 的18650 电池产品为主(此时电动工具用代表性18650 电池产品是索尼1.1Ah 产品)。

  ③第三阶段是2007 年~2009 年,对电池一致性要求较高、同时利润也较高的笔记本电脑用18650 电池市场吸引了越来越多中国企业关注的目光,中国企业开始陆续进入笔记本电池二级市场,主要生产2.0Ah~2.2Ah 的钴酸锂系18650 电池。④第四阶段是2009 年~2011年,这个时期国内18650 电池产能开始了疯狂扩张的时期,导致产能严重过剩,成本压力不断加大。此时18650 电池制造所需的正极材料开始由钴酸锂(LCO)向NCM 三元材料倾斜。

  在第四阶段,因笔记本电脑市场呈现出饱和的趋势,仅靠替代镍镉电池的增量市场根本容纳不了迅速扩张的产能,加上全球性的金融危机,国内一些企业不得不放弃18650 电池,这个阶段倒闭的18650 电池企业不少,能够坚持下来的,开始进入了中国18650 电池发展的第五个阶段(2011 年至今)。第五阶段的标志性事件是移动电源市场的突然崛起,在移动电源市场需求的拉动下,18650 电池市场火爆异常,而且该市场技术门槛比较低,市场秩序亦无规范可言,企业只要做出电池产品就可以找到销路。

  对于中国18650 型锂离子电池产业发展的状况,深圳创明总结了以下几点:①不健康的产业链(材料→电芯→Pack)使得所有从业者都很艰难;②技术开发人员的产品开发意识存在问题,不是做更好的产品,而是做更低价的产品,直接导致产业发展陷入比拼价格的泥潭;③蒙上新能源神秘面纱的锂离子电池相关产品(材料、电池)吸引了大量资本和企业的关注及介入,竞争空前激烈;④通过扩大规模以降低成本的“量大为王”的理论一直主导着中国18650 电池产业,造成产品长期供过于求;⑤能和三星SDI 等抗衡的品牌和质量的产品一直没有出现,产能扩张大多为低水平的重复建设。中国18650 电池的发展进入了一个死循环。在这种状况下,生存下来并取得发展的企业很少,深圳创明和江西福斯特可谓两种不同发展路线的代表性企业。深圳创明在艰难前行时敏锐地发现并把握住了移动电源这个新兴市场,及时地介入下游移动电源制造领域,把企业的发展带上了一个新高度。目前,深圳创明的移动电源产品并不是完全使用自身制造的18650 电芯,对于一些高端的移动电源产品,他们还是会采购三星SDI 等企业生产的品质表现最好的18650 电芯。

  深圳创明没有走比拼价格的道路,而是通过介入下游移动电源制造、打造移动电源品牌的方式保证企业获得尽可能高的利润。江西福斯特则致力于走比拼价格的道路,该公司在困难的生存环境中做出的决策是:每只18650 电芯只赚0.3 元钱,在此基础上尽可能保证电芯的品质。依靠此策略,福斯特的18650 电芯产品一直保持着一定的性价比优势,所以也在不断发展壮大。在电芯价格不断下降的今天,这条路要走好也不容易。当传出三星SDI 的2.2Ah18650 电芯单价要降到1 美元的情况下,福斯特表示他们也可以继续跟进降价,而且0.3 元/只的利润水平不会下降。

  演讲中深圳创明提出了一个值得思考的课题:如何用中国的方式做好18650 电池?他们从以下四个方面给出了答案:①从产品路线来看,高容量和高功率是18650 电芯制造的两条基本不变的发展路线,选择好路线之后剩下的就是做好电池的一致性。②材料:NCM 系材料是中国现有技术条件下最适合的正极材料,负极材料方面高容量人造石墨是首选,电解液要求渗透性好的同时辅之以过充添加剂,隔膜要强调闭孔温度与韧度,盖帽的CID 要保证可靠性(CID 要在内压下自动断开,特别是在过充条件下)。③电池的结构设计方面,要注意气室空间、填充比、电极孔隙率等问题。④设备方面中国需要大幅度提高设备制造能力,目前中国的相关设备并不省人省心,与18650 电池高效率的自动化要求存在矛盾。

  作为中国“老牌”的18650 电池企业,深圳创明也谈到了他们对于做18650 电池的几点体会,这也值得我们思考。①不要想着做更便宜的18650 电池,而要想着做性能更好的和有差异化的18650 电池;②企业之间在战略层面的合作要远远好于无底线的竞争;③从业技术人员的开放度低,相对比较保守,难以接纳新东西;④要增强行业的透明度,不要关起门来做;⑤要比客户更清楚他到底需要什么样的18650 电池;⑥要让供应商知道你到底需要什么,并能解答为什么需要这样。深圳创明认为,18650 电池的制造已经不是某个技术人员的一个点子、某个策划所能解决的,而是整个产业链紧密深入配合完成的系统工程。

  中国企业的18650 电池产品没有形成主流应用,在笔记本电脑这个最大的18650 电池市场以及电动工具这个第二大市场所占的份额都还很小。图13 上是全球18650 型锂离子电池的主要市场构成情况,从图中可以看到,笔记本电脑(NBPC)市场需求量占到整个18650 电池总需求量的一半以上(最高峰的时候占到了2/3 左右),由于超极本的出现,笔记本电脑对18650 电池的需求状况正在呈现下降态势:2013 年笔记本电脑市场对18650 电池的需求量约7.4 亿只,较2012 年约10.3 亿只的需求量有较大幅度地下降。

  目前电动工具用锂离子电池全部使用的几乎都是18650 电池。从图13 下可以看到,电动工具市场的主要客户有德国的博世(Bosch)、麦太保(Metabo)、AEG、喜利得(Hilti),美国的百得(B&D)、米沃奇(Milwaukee),日本的牧田(Makita)、日立(Hitachi)、松下(Panasonic)、利优比(Ryobi)以及香港泉峰(Chervon)等,向电动工具市场供应18650 电池的锂离子电池企业主要有三星SDI、LG 化学(LGC)、松下、索尼(Sony)、日立万胜(Maxell)、东莞新能源(ATL)、比克(BAK)、比亚迪(BYD)、天津力神(Lishen)、A123 系统等。

  目前尚不清楚图13 下是哪个产业研究机构在什么时候提供的数据。从这张图来看,在电动工具用18650 电池市场,三星SDI 是最大的供货商,其次是松下、索尼和LG 化学,中国的四大锂离子电池企业(ATL、比克、比亚迪和力神)的供货还很少,且基本上集中在Others 领域(上述主要客户之外的其他客户)。2011 年~2013 年全球电动工具市场对18650电池的需求都在2.7~2.9 亿只的范围内,其中中国企业的总供货量约0.4 亿只,占比不到15%。

  深圳创明认为,中国18650 电池产品主要应用在以下几个领域:①移动电源市场;②笔记本电脑二级市场及部分原装笔记本电脑市场;③电动工具市场;④移动电子设备市场;⑤医疗器械市场;⑥以电动自行车为代表的轻型电动车市场。该公司认为,电动自行车市场将会是中国18650 电池未来首选的市场。他们的理由有:①18650 电池最经济;②易于自动化大规模生产;③电池模块的组装易于实现自动化;④圆柱钢壳的耐循环膨胀及使用过程的机械冲击保证了电池的安全性;⑤18650 电池紧密排列的空间利用率高,而且是线 卷芯是完全的中心对称,以径向均匀放电。

  深圳创明是从电池的性能和价格等角度判断电动自行车将会发展成为18650 电池的一个最主要的应用市场,该公司演讲报告中列出的18650 电池放电与组合性能表现图、18650电池温度特性与存储表现图见下图14。同时,该公司还认为18650 电池将会在电动汽车领域取得好成绩。

  中国电池杂志-中国电池网战略合作机构——真锂研究在之前的分析中已经提到,在18650 电池的产能明显大于需求量、最大的笔记本电脑市场超极本在取代传统笔记本电脑的现实下,18650 电池必须要找到新的主导应用市场才可以延续它的生命力。而18650 电池便宜且性能表现稳定等特点决定,在锂离子电池取代铅酸电池的这些市场,18650 型锂离子电池将会大展宏图。而特斯拉在电动汽车领域取得的成功,也在极大地刺激中国企业将18650 电池用于电动自行车、电动三轮车等目前主要使用铅酸电池的市场。

  当然,在这些新兴市场,中国18650 电池企业也将面临着三星SDI 等国际巨头的强有力竞争。这些国际巨头拥有庞大的18650 电池产能,它们也必须要为这些产能找到新的应用市场。三星SDI 宣布将在2014 年将2.2Ah 的18650 电池价格降到1 美元/只,中国电池杂志-中国电池网战略合作机构——真锂研究认为,它的目的就是要与中国企业在电动自行车、移动电源等市场展开竞争。因此,中国18650电池产业的未来虽然较为光明,但路途绝不平坦。