锂电中游材料第三篇:负极

之前写了隔膜和正极,今天是锂电中游系列的第三篇,希望用较少的篇幅讲清楚锂电负极。

先说一下锂电池的原理,简单来说,我们可以将锂电池类比成水库,库里面有多少水(锂离子)取决于正极材料,库里能装多少水则取决于负极材料。开闸放水的时候,水从水库内流出(锂离子从负极表面离开),流出水库(完成放电过程);而蓄水的时候,我们是将水从下游运输到水库内(锂离子离开正极,逆流而上与负极结合),完成能量储备(充电过程完毕)。可以看出,负极材料与锂离子的结合能力,也决定了锂电池系统的能量密度。

目前市场上主流的负极材料是碳基体系,即石墨负极。其中又按照生产方式分为天然石墨和人造石墨。相比天然石墨材料,人造石墨具有更好的循环性能、倍率性能、电解液相容性以及更高的充电效率和安全性,更适合用于动力电池。凭借出色的性能,人造石墨的出货量在不断提升,2016年68%,2020年达到84%。

传言2021年天然石墨的用量预计有小幅的上升,这是否意味着天然石墨重新获得市场的青睐?不是的,出现这种情况主要是因为石墨需求量太高,人造石墨无法满足需求,部分中低端产品最终选择妥协,采用人造参杂天然的负极,同时也是在石墨涨价的情况下控制成本。至于为何出现供应紧张的格局,主要还是因为石墨化产能不足。

何为石墨化?石墨化是利用高温热处理,将乱层结构的碳原子转化为石墨晶体结构的过程,通俗来说类似于将杂乱的原子整理后分类堆叠起来。

石墨化是一个重资产、高能耗、高成本的环节:

1、重资产:石墨化设备的单吨投资成本大约是1万元/吨以上,几乎等于负极其他环节总和的70%-80%;

2、高能耗:石墨化对电能需求高,40%产能都放在了电价较低的内蒙古;

3、高成本:石墨化在负极材料的生产成本中占比最高,大约为50%,甚至高于原料。

由于上述特点,石墨化成为了负极生产中最关节的一环,同时也是今年制约负极产能扩张的重要因素。实际上,2019年之前,石墨化环节与现在情况正好相反,当时产能阶段性过剩,导致石墨化价格低,产能的扩建十分缓慢。2020年开始的电动车浪潮,等于猛踩了一脚油门,对负极材料的需求快速飙升,石墨化发车太晚,反而成为了行业扩产的瓶颈。此外,由于石墨化投资额高、能耗高的特点,审批和建设周期长,产能短缺的情况在短期内解决无望。考虑到石墨化在负极材料的成本占比,这一环节不仅仅制约了未来2-3年石墨环节的产能,也是各负极企业成本竞争的关键之处。

抛开石墨化环节不谈,负极材料整体的供需还是比较健康的。从全球范围来看,未来3年内需求和供应的增速大体一致,预计行业的开工率将保持在60%左右。从近一年的价格来看,主要企业涨价不明显,大体控制在10%-20%,主要还是石墨化涨价导致。

与同质化严重的隔膜、电解液不同,负极材料技术指标众多,产品的差异化较强,不同型号负极在倍率性能、循环性能等方面均有明显差异,主要由使用场景决定。各家企业的产品定位和目标客户群体也有较大区别,例如璞泰来主打高端人造石墨,应用领域主要是高端消费和动力电池;杉杉股份和贝特瑞则是针对中端市场,其中杉杉采用人造石墨工艺,贝特瑞大部分为天然石墨;其余的企业大多针对中低端客户群体。故此,虽然行业整体集中度较高,但各家企业市占率差别不大,没有产生绝对领先的龙头。

目前负极材料CR5约为78%,长期保持四大多小的局面,格局相对稳定。2020年数据显示贝特瑞、江西紫宸(璞泰来)、杉杉股份和凯金分列前四,市占率从22%到14%不等;剩余的中科星城、翔丰华、尚太科技也陆续通过配套LG、SKI等电池厂,力争做到版图不失。

各企业未来竞争的关键,或者说超额收益的来源,主要还是体现在工艺迭代以及一体化进程。

此处我们说的工艺迭代,一方面是指石墨生产工艺的改进,例如企业技改后可采用低价原材料,或者生产工艺的简化;另一方面是说负极材料路径的切换,典型例子是新型硅碳负极。硅碳负极特点是能量密度高,单独或者掺杂使用可以打破石墨负极上限,但是成本较高。目前硅碳负极还处于发展的早期,渗透率不足5%,业内对硅碳的预期主要体现在经济性体现后的渗透率提升,以及4680大圆柱的推动。

一体化进程主要指石墨化自供。前文已经提到石墨化的重要性,不再赘述。过去一年来石墨化价格飙升,摆两个数据大家自己体会,2020年12月石墨化单吨费用1.3万,2021年6月1.8万,12月直逼2.5万。从已披露的数据来看,2020年行业负极毛利率最高的尚太科技,石墨化实现全自供;而自供比例较低的杉杉股份,负极毛利率也相对落后。如果按照今年石墨化成本翻倍的情况,石墨化自供对毛利率的影响还将进一步拉大。

主要企业

石墨化自供比例

毛利率

产品品质

产品均价(万元/吨)

贝特瑞

45.1%

36.8%

中端

4.2

杉杉股份

35%

27.7%

中端

4.3

璞泰来

71.4%

31.1%

高端

5.8

尚太科技

100%

39.3%

低端

2.6

同时,石墨化工艺也在不断改进,目前主流技术是艾奇逊石墨化炉(坩埚),未来趋势是箱式和连续式工艺。坩埚工艺石墨化度较高,工艺成熟,但是受限于炉体大小,能耗较高,加工速率低。箱式优点是反应炉足够大,开一次火可以烧制更多的石墨,分摊下来成本明显降低。连续式工艺特点是不停火,不需要停火等待冷却,明显提高了生产效率和产品一致性,进一步提升盈利水平。当然,目前亟待解决的问题是石墨化率低以及快速冷却问题。经测算,在100%自供的情况下,连续式较艾奇逊和箱式工艺,毛利率分别可以提升24%和8%。

展望未来2-3年负极行业,预计还是维持人造石墨为主,不会出现太大变化。龙头企业一体化布局逐渐深化,石墨化自供比例将不断提升。考虑到石墨化环节较高的设备投资额,加上石墨化新产能投放缓慢,等于变相提高了负极行业的壁垒,行业的集中度可能会有所上升。总的来说,还是继续看好石墨化进展顺利的龙头企业。

至于行业是否会有外来者威胁,这是制造业的不可避免的问题,目前进展靠前的“搅局者”包括山河智能,国民技术等,但考虑到行业壁垒,短期内行业出现颠覆者的可能性不大。

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