爆火的锂电池产业链,蕴藏着一个憋屈又无限生机的行业——三元材料的现状与未来

来源:每天学点经济学  时间:08-27 产业
锂电池,是新能源车成本占比最大的一块,而正极材料,则是锂电池成本比例最高的部分。看到这,我们就知道探讨正极材料的对于新能源的必要性了。

  出品|资鲸网 作者|罗仰之 编辑|罗仰之


  前言:

  这一年来,资本市场最火最热的题材无疑是新能源和半导体产业,前面笔者就新能源的开端与发展以传记的形式进行了探讨,详见前文《中国新能源故事》上下两篇,在半导体领域也对其上游设备和原材料、中游晶圆厂和封装板进行了详细的逻辑探讨,详见《真的缺“芯”了吗,全球半导体行业的概览与诊断》和《电子产业链生意哪家强,国货之光就看覆铜板》等四篇万字深度研文。

  近来,尽管二级市场对于这两大题材反映有所震荡,但情绪方面依旧时刻高昂。然而,随着新能源产业链越来越庞大,上下游各式企业犹如商品般琳琅满目,难免令人千头万绪,若想深度了解则对于行业人员、投资者或大众又会力不从心,若不去钻研一二,又恐在某个重要一环有所疏漏。

  因此,笔者就先从新能源产业链入手,争取一篇一个行业的专题形式,为大家带来细分产业的深度探讨与交流。

  本文,笔者想最先探讨的是新能源产业链的中游,即锂电池的原材料探讨,具体讨论三元正极材料行业。

  为什么是它?

  主要原因有三:

  (1)经过一年多的持续发酵,对于新能源探讨的各路研报和文章铺天盖地,大家基本对新能源整车制造、动力锂电池厂商和上游开端原材料钴镍锂等有详细的了解,但可能对处在中游的原材料模块认知较少 。

  (2)按照现有技术和实际情况,三元正极材料是现在以及未来十年都必须不断发展的方向,在历史沿革、商业模式和经验逻辑方面,非常值得探讨。

  (3)三元正极材料行业龙头企业市占率不高,竞争较为激烈,诸侯混战,对于行业的战局与展望有探讨意义。

  现在,就让我们带着佛系的状态,朦胧的眼神和求知的欲望,跟随笔者的一同探索该行业的现在与未来。

  一、锂电池之正极材料的演化

  什么是正极材料?

  答:它是锂电池的主要组成材料。

  锂电池,是新能源车成本占比最大的一块,而正极材料,则是锂电池成本比例最高的部分。看到这,我们就知道探讨正极材料的对于新能源的必要性了。

  锂电池,主要有四部分关键材料组成,分别是:正极材料、负极材料、隔膜、电解液。其中,正极材料占锂电池成本在40%以上, 它的存在,对锂电池的能量密度、循环寿命等核心指标具有决定性作用。换句话说,正极材料的意义在于锂电池的质量成色好坏。而正极材料,具体归为四类:钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料。

  发展到如今,钴酸锂、锰酸锂目前的用途以3C消费电子居多,磷酸铁锂和三元材料主要用于新能源汽车锂电池的制造,磷酸铁锂主要安装于中低端的新能源汽车,三元材料则用于中高端新能源锂电池的使用。

  为了便于理解三元材料成为当今锂电池材料主流的原因,笔者有必要对正极材料的发展做必要的介绍。

  锂电池的发明者是来自美国的John B.Goodenough教授,他于1980年用锂钴离子电池作为正极材料,发现能够使电池体积变轻便,存储能量变的更多。经过钻研,发明了最早的锂电池─钴酸锂电池。

(图为:钴酸锂电池)

  1991年,索尼公司首次将含有“钴酸锂"正极材料的锂电池用于消费电子领域的普通商用,电池储电量大增,由此开启了索尼迅速成为全球电池市场供应龙头。

  但是,钴酸锂虽然储存能量密度大,但其性能却不稳定、易燃易爆。

  在那些年里,包括索尼在内的诸多钴酸锂电池生产商常有火灾等安全事件。所以,科学家们不得不进行技术迭代。而迭代的关键,直到今天依旧是基于两个方向︰提升能量密度、降低单位成本。【能量密度,其单位为Wh/kg,是指单位重量的电池所储存的电量。能量密度越高,意味着同等重量的电池可以提供更多的带电量,续航里程更长】。

  1997年,Goodenough教授经过数次攻关,又研发新一代锂电池——磷酸铁锂电池,它的诞生,不仅解决了钴酸锂的不稳定性和安全问题,还将其使用期限延长了2倍。

(图为:磷酸铁锂电池)

  所以,直到2017年新能源汽车的正式兴起,磷酸铁锂一直都是锂电池的主要正极材料。值得一提的是,在更新迭代飞快的消费电子产品中,磷酸铁锂今天依旧是其重要的锂电池原料

  2013年,随着我国开始大力发展新能源汽车行业,锂电池行业也迎来了一场史无前例的机会。当时,虽然不断有厂商对能量密度更高的镍钴锰酸锂(三元材料)的工艺进行探索,但由于制备工艺难度及不稳定性因素,始终没有大规模商用。而高科技狂魔的特斯拉的配置,让三元材料的优势逐步被国内产业界看到。

(图为:三元材料锂电池)

  2016年,我国新能源汽车补贴政策逐渐提高门槛和加大优化,在锂电池材料这块往高能量密度方向要求,这使得锂电池行业的技术开始转向三元材料电池,包括两大细分类别:镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)。而支撑这项技术推广的,正是特斯拉对于三元材料的大规模商业。

  今天,随着动力电池成为锂电池行业的主要驱动力,电池材料也随之迭代。

  梳理下来,整个锂电池的发展过程中,正极材料几次重要迭代分别为∶钴酸锂→锰酸锂→磷酸铁锂→三元材料,随着这个技术路径,能量密度也在递增。

  二、三元材料的景气度

  在如今的新能源汽车电池配置中,磷酸铁锂和三元材料居于主导地位,占比达到90%。其中,三元材料,凭借能量密度的优势,渗透率快速增长,占比远超磷酸铁锂。它按照镍(N)、钴(C)、锰(M)/铝(A)的大致构成比例,可以分为钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂。因为镍的含量占比越高,材料的能量密度就会越高,所以具体类型又分为:

  (1)低镍三元:NCM333、NCM523、

  (2)中镍三元NCM622、

  (3)高镍三元NCM811、NCA、

  三元材料,凭借其能量密度的优势,渗透率快速增长,占比远超磷酸铁锂。

  不过,根据中国乘联会的数据显示,最近一年,磷酸铁锂占比在显著提升,而三元材料(除高镍三元类型外)占比却在下降。并且,三元正极材料中,结构性也显著变化,NCM811和NCA高镍三元材料占比迅速提升,而低镍总体的比例不断缩小。

  看到这里,可能有人会疑惑了。正极材料从“钴酸锂→锰酸锂→磷酸铁锂→三元材料”屡次迭代,现在数据又显示这个低镍三元占比在缩小,磷酸铁锂比例在提升,那么这三元材料行业的成长空间到底有多大?是红极一时而后终归尘土?还是能够持续增长?当前的数据又是怎么解释呢?

  别急,我们先从新能源汽车市场上看一些爆款车型的电池配置情况:

  从图中我们可以看出,新能源乘用车目前主要以两种类型为主:高配版搭载以NCM811为主的高镍电池,低配版的会选磷酸铁锂低镍电池。

  为什么会这样呢?请看下列表格:

  从表格可以看出,磷酸铁锂的性价比是较高的。原因有二:(1)随着CTP、刀片电池等技术横空出世,磷酸铁锂在能量密度方面有了显著提升,这使得它能够在能量密度上与低镍三元类型NCM333、NCM523一较高低(2)同时,由于磁酸铁锂不含贵金属钴【今年以来,原材料钴水涨船高,价格翻了三倍】,其单位成本又比三元电池便宜的多。

  因此,尽管近来正极材料均出现不同幅度涨价,但磷酸铁锂单吨价格仍远低于三元材料,能量密度又不错,这对于追求性价比的下游整车厂和消费者来说肯定是极大的利好。

  这个情况再加上近年来炒的火热的氢燃料代替锂电池的呼声,难度三元材料的使用空间有限?答案是:肯定不会。并且依旧不会被替代,它,还将是未来十年内的绝对主流。

  三、 未来高镍三元材料是投资主流

  我们还是按照行业公式进行逐一客观分析,已知:

  三元材料总销量=锂电池出货量X单位电池正极材料使用量X三元材料渗透率

  (1)锂电池的出货量——主要看新能源汽车的销量,根据欧洲的低碳政策和美国拜登政府2030年新能源汽车销售占比50%的目标,结合我国也有和未来的新能源汽车政策2025年25%的渗透率目标。我们调用中国乘联会、特斯拉财报、美国通用和宝马的相关研究报告,综合得出,保守预计2021年全球新能源汽车需求量为580万辆,到2025年预计全球新能源汽车需求量为1800万辆。

  新能源汽车的销量可以粗略确定,那么每辆新能源车的平均带电量也可以估算出来了:从目前的实际情况来看,每辆新能源汽乘用车平均带电量为32Gwh,每辆新能源商用车带电量为115Gwh。并且,保守假设每年动力电池替换需求量占总销量的12%。

  那么可以动力锂电池2021年的出货量大约为260GWH,2025年则将达到900GWH。

  (2)单位电池正极材料使用量一一正极材料搭载量将对新能源汽车的带电量有直接的影响。根据已官方资料,我们知道1Gwh动力电池大约实际需要大约为0.25-0.27万吨正极材料,如果加上实际生产中因良品率、生产工艺所导致的理论偏差和生产损坏损耗,所以粗略预计2021年正极材料的使用量大约在70万吨,而到了2025年,正极材料的这一数字,将达到243万吨。

  (3)三元材料渗透率——前文提到低镍三元材料被技术突破后的磷酸铁锂所逐步替代,但是对于高镍三元材料来说,它被替代的风险目前来看几乎为零。

  东吴证券的研报指出,尽管CTP和刀片电池技术的发展,电池的成组效率已经从传统电池包的75%提升至90%左右,因为磷酸铁锂想要提高能量密度,只能通过物理结构的压缩,但它接下来的能够被提升空间只存在理论的可能。

  因此,电芯能量密度提升依旧是未来关键,而该重点在于电化学材料的研发升级,所以,高镍三元材料,因其能量密度占优,故在高端市场需求依旧庞大。

  并且,在使用成本方面,磷酸铁锂电池可能也不太具有优势。

  假设磷酸铁锂电池单位带电量为130wh/kg,三元电池单位电量为180wh/kg,从每千克带电量来看,三元电池高出50wh/kg。也许你会觉得:带电量不一样有什么大不了,每辆电动车多加几个电池不就可以了嘛?

  但开过新能源汽车的朋友们可能知道,相同速度下,汽车重量越大,受到的阻力也越大,那么需要更大的牵引力,耗电量也就越多。同样容量的新能源车,磷酸铁锂电池比三元电池重大约三成左右,百公里多消耗大约3-4度电。

  假设一辆新能源车的平均使用年限为4-9年,大约行驶40万公里,充电桩充电价格1.5元/度到1.9元/度之间,以此计算,三元电池比磷酸铁锂电池电动车节约至少2万+

  有人说磷酸铁锂在购买电池成本是节约不小呢,我们还是举个例子一探究竟:

(图为:欧拉黑猫电池配置对比)

  我们再从各大电池厂目前的军备竞赛格局看现状:

  松下——坚定以高镍三元NCA为主,未来五年内向将特斯拉提供的2170圆柱电池的能量密度提高20%,并计划在2022年至2023年之间交付无钴电池。

  LG化学——重点开发高镍三元材料,将于2021年7月向特斯拉供应镍钴锰铝(NCMA)四元电池正极材料,相比NCM811其镍含量更高、钴含量更低。

  宁德时代——高性价比(低端车)主打磷酸铁锂,2023-2028年,随着通过材料体系和工艺的优化,正在开发质量能量密度在210-230Wh/kg;高能量密度(高端车)主打高镍NCM811系列,针对的是各旗舰车型(小鹏P7等),到2025年会推出固态电池,电芯能量密度突破400Wh/kg。

  比亚迪——坚定不移的发展磷酸铁锂电池技术路线。

  综上,海外市场,LG化学、SKI、三星SDI和松下等日韩电池巨头在纷纷加快其高镍无钴三元电池开发量产进程。可见海外企业,大多选择三元材料,技术路径均向高镍无钴方向研发。

  国内市场方面,宁德时代两路出击,对磁酸铁锂及三元电池均会布局,比亚迪则坚定选择磷酸铁锂。

  2017年,国家出台补贴政策,鼓励新能源汽车往高能量密度、高节能环保方向发展。

  因此,在补贴与能量密度挂钩的影响下,下游电池厂商对磷酸铁锂的采购逐渐减少,逐步于切换为三元材料。2017年,磷酸铁锂总出货量17.68万吨,同比下滑10.3%,三元材料出货量16.03吨,同比增长162%;2019年,三元材料占比65%,但是2020年开始下滑,截止2021年上半年的数据显示,三元材料占比57.5%,而磷酸铁锂电池占比升至42.3%,比2017年上升10%。

  关于这一现状,宁德时代董事长曾毓群曾对未来锂电池有值得探讨的发言,他认为:||“充电桩如果越来越多的话,其实续航里程就不需要那么长了,所以应该来说,随着技术的革新,磷酸铁锂的比例会逐渐逐渐增加。三元的百分比会逐渐减少。但是还有很多一些高端的车需要长续航的,需要高能量密度的三元还是会存在的。

  因此,结合各方的观点和理性数据评估,笔者认为三元材料市场渗透率主要依靠高能量密度发展,即高镍化。因为能量密度低的三元材料,存在被替代风险(因为在性价比方面逐渐不具备优势)

  (4)基于此,我们认为,三元材料未来渗透率总体可能会降低至53%-60%左右的空间,但高镍三元渗透率从35%提升至50%(高端占比增加)。所以,在前边正极材料需求的基础上,可测出未来全球三元材料需求量将增长至170万吨,五年复合增速为32%,而高镍三元需求增长至85万吨,复合增速57%。

  四、四强争霸,谁主沉浮?

  在目前的国内市场,真正主营且大批量量产的高镍三元材料厂商只有四家,分别是当升科技、容百科技、杉杉股份和巴莫科技。

  这里插点有必要的八卦新闻:当升科技的最早创始人,就是现今容百科技的创始人兼董事长。当年,锂电池技术开始引入中国,磷酸铁锂成为了中国动力电池的主流路线。时任北京矿冶研究总院总经理的白厚善,创办当升科技,开始对锂电池正极材料研发攻关,2010年,当升科技登录主板,成为锂电正极材料行业内第一家上市公司。

  2014年,随着新能源汽车的风口涌动,特斯拉由于使用三元材料制作的电池优势明显,感受到前景的老白辞去当升科技高管职位,拉起大旗成立容百科技,深耕于锂离子电池三元正极材料及前驱体的研发和生产制造。

  不到三年时间,他就凭硬实力敲开了主流锂电池厂供应链大门,如宁德时代、LG、比亚迪等。直到今天,当升科技招股说明书的九项核心专利中,有七项发明署名:白善厚。 这个重要的细节,为接下来容百科技的低研发费用埋下伏笔。

  而巴莫科技则被华友钴业陆续收购股权。我们知道,华友钴业,主要产品是矿产品,其毛利率、盈利情况受钴价波动较大,而钴价受刚果(金)的政局、巨头的产能、以及下游需求影响较大,因此存在较强的周期属性,价格上涨其盈利情况见好,价格下降其盈利快速下降。

  所以华友钴业不断优化经营结构和战略,2020年逐步收购了主营三元材料和钴酸锂的巴莫科技65%的股份(2020年巴莫科技营收41.52亿元,三元材料占比64%,钴酸锂占比35%),由此形成了其正极材料行业一体化的经营模式。这个模式,又与当升科技、容百科技和杉杉股份的加工制作企业的逻辑有所不同。

  接下来,我们先以一些财务指标去感受一下该行业的经验逻辑吧:

  (1)一体化布局 vs 加工制造

  从两图可以看到,华友钴业毛利率波动较大,营业利润受上游资源类价格影响大,行情好的上行涨价过程优势高,一景气度下行单吨固定成本拉低毛利率,同时存货计提减值损失加重利润下滑。

  当升科技2019年第四季度净利率下滑严重,原因有二:

  (1)大客户比克电池、猛狮等应收账款坏账计提2.99亿元;(2)收购子公司中鼎高科业绩对赌失败,商誉减值约2.9亿元。

  除此之外,而在其他季度和月份,容百科技、当升科技、杉杉股份的毛利率均保持维持稳定。

  这又是什么原因呢?

  (2)憋屈的定价模式

  原来,正极三元材料的定价=材料+加工费,这样的成本加成模式,加工费变化不大,受原材料的钴、锂、镍价格走势关联很大。因为三元材料成本中,原材料大约占总成本高达90%,其中占比最高的就是各类金属盐(硫酸钴、硫酸镍)及锂盐(氢氧化锂、碳酸锂)。如果将NCM523,NCM622,NCM811分类进行成本剖析,则对于锂电正极材料的费用来说,占比居首的都是原材料的成本,其次是正极加工费、再次是前驱体加工费。

  因此,当锂、钴原材料供不应求涨价时,三元材料企业对上游供应商,基本不具备议价能力,一般采取现款现货模式,特别当上游供给紧张时,企业甚至需要预付款(所以天齐锂业等上游预收款较多),如图所示:

  图中可以看到,2016年-2020年,当升科技、容百科技和杉杉股份的预付账款逐年增多,都付给了上游的原材料厂商。

  然而,在前面的研究文章中我们提到电池价格却在连年下降,以宁德时代为例,动力电池从2014年-2017年上半年,降幅高达28.72%。并且,下游极强的话语权导致了正极材料厂商普遍漫长的应收账款周期。

  上游原材料稀缺,下游价格还降价,那么,处在中游的锂电池材料商们还能快活的玩下去吗?它利润率怎么保证呢?

  所以,正元材料这个行业的定价模式采取的是:成本加成定价模式。它的定价是由下游的电池厂根据镍、锂、钴等重要金属原材料成本基础上上浮16%左右的利润来确定。

  因此,我们看到各正极材料厂商的毛利率基本上12%以上:

  (1)杉杉股份——主要是通过签订原材料采购长单以及入股钴产品供应商洛阳钼业,降低了主要原材料的采购价格。

  (2)当升科技,它的三元材料供货主要出口国外电池厂商,如LG、松下,毛利率较高,此外还有毛利率较高的智能装备业务。

  (3)容百科技毛利率较低则是其大客户较为集中,对下游的议价能力较弱导致。

  由此可以看出,三元材料属于典型的锂电池产业链憋屈中游,两头受气的出气筒:

  从上游来看,镍钴锰等金属盐化物大宗商品供应商,由于把握矿产资源,话语权较强,给与下游企业的信用额度相对较低,原材料采购信用期短。

  从下游来看,新能汽车及动力电池巨头话语权同样极强,并且考虑到新能源补贴资金获取周期拉长,整车端的资金压力层层向上传导。

  上游资源紧俏甚至有时还要预付,下游则要压账期。

  因此,除了华友钴业,其他三家企业我们还要经常关注其经营活动产生的现金流量净额,这个指标也是判断整体行业景气度的关键指标。

  五、谁,最具有赚钱的可能性?

  明白了三元材料的定价模式,有人突然感觉这个行当没有什么看点啊。如果你要出上游和下游的龙头企业相比,在业绩增长和自主可控方面确实差了点意思。但是这个行业随着新能源汽车和三元正极高镍材料的高使用占比的确认,前景依旧是值得讨论和跟踪的。

  三元正极材料,现在赚钱的利润有两方面组成:(1)原材料价差  (2)材料加工费。

  前文分析道,现在以及未来,三元材料往高镍三元材料发展,所以其技术附加值高,加工费是低镍的1.5-2倍。因此,我们研究这个产业的明星公司,主要看得其拥有高镍的数量和降低成本的能力。

  (1)高镍的数量

  高镍材料的生产,通常采用高温固相烧结法,即将前驱体和锂源混合后,经过高温煅烧制成。

  经过不断的调研和翻阅各三元材料厂的官网和相关资料,笔者发现一条生产低镍三元材料的产线,并不能通过技术改造升级来生产高镍三元材料,例如生产NCM523的产线,无法生产NCM811。

  所以,技术研发出来了,必须要重新设计和新建产线,这意味着,一次新的技术迭代,可能让老产能大幅闲置,而在这样的产能特点下,即使是行业龙头,也不敢轻易大幅扩产。

  所以,天下武功唯快不破。我们可以根据产能,以及相关的固定资产和在建工程,作为预判锂电池三元材料公司未来业绩表现的重要因素:

  在建工程越多,意味着未来将转为更多的固定资产,而更多的固定资产,往往意味着日后营业收入的增速更为确定。就在建工程一项来说,华友钴业和杉杉股份远超过容百和当升科技的规模。

  从三元材料产能来看,杉杉股份>巴莫科技>容百科技>当升科技。

  但是,根据各家财报显示,在高镍三元材料这块,2020年的NCM811产量,容百科技(2万吨)>巴莫科技(1.5万吨)>当升科技(0.1万吨)。从数据显示,容百科技高镍三元占总销量的比重达到80%,而当升科技的高镍占总销量仅有4%。

  目前,市场定价机制来看,NCM811、NCM523、NCM333/111单吨平均加工费分别约为3万元/吨、1.4万元/吨、1万元/吨。随着镍含量增高,加工难度增大,高镍的加工厂利润也更高。

  (2)扩产消息

  容百科技>巴莫科技>当升科技。

  华友钴业——仅看三元正极产能,预计未来三年复合增速达到63%,其中主要扩产高镍三元;金属矿资源方面,预计以镍产能扩张为主。

  其沂期募瓷项目频繁,除扩产三元正极外,华友钴业重点扩产的还有2大项目"三元前驱体+金属镍",金属镍主要布局印尼,在建的有6万吨氢氧化镍、4.5万吨金属量高冰镍项目。三元前驱体在建产能5万吨,扩产时间为两年,预计2023年逐步量产。

  当升科技——预计未来三年产能复合增速为55%,产能增量主要来自于高镍三元(NCM811/NCA),未来三年重点关注常州金坛NCM811/NCA产能落地情况。根据当升科技,其计划到2025年产能将超过10.9万吨。

  容百科技——容百科技产能扩张幅度较大,预计未来三年产能复合增速82%,五年产能复合增速为52%。未披露产品类别,但均为高镍三元。根据容百科技,其计划将在2025年产能达到30万吨的高镍三元规模。

  六、展望

  关于三元正极材料厂商,笔者认为主要关注一下三点:

  第一,紧跟新能源技术变化的趋势,持续推出新产品,为下游控成本。

  正极材料技术迭代较快,从钴酸锂→锰酸锂→磷酸铁锂→三元材料,基本2-3年就完成一轮材料的更替,每次技术迭代的本质是以更低的成本获取更高的电池能量,除此之外,补贴的风向也有很大的影响。

  当补贴向高能量密度的三元电池倾斜后,NCM811、NCA开始供不应求,而低能量密度的磷酸铁锂已经出现产能过剩,价格大幅下跌。

  第二,向上游寻求原材料深度绑定,为自己控制成本。

  动力电池产业链的最上游即锂矿、钴矿等,掌握自然资源话语权极强。因此,可以通过绑定上游、资源稳定原材料供给来为自身控成本。

  比如,杉杉股份在2017年通过参与洛阳钼业的定增,入股上游保证钴材料的供给;

  再比如韩国Ecopro通过入股与战略合作方式绑定上游天齐锂业,以保证氢氧化锂的供应。

  作为电池材料制造厂商,都选择布局上游来保证原材料供应,可见上游材料的稀缺。

  第三,向中游开辟其他资本开支较小的子赛道。

  比如当升科技,除锂电池材料外还包括智能装备业务﹔再比如,杉杉股份也在尝试开辟新的细分赛道——锂电池电容模组、锂电PACK、共享汽车、充电桩以及分布式光伏等。

  第四,强悍凑钱的能力

  既然这个中游的预付和应收账款较多,企业又要发展,那么关注其凑钱融资的能力非常关键,如果凑不的钱,接下来的故事将难以续写。


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