磷酸鐵鋰電池應(yīng)用展望

磷酸鐵鋰電池應(yīng)用展望

尹蓮芳，謝樂瓊，劉建紅，程剛，王莉，何向明

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京，100084

摘要：2020年以來，磷酸鐵鋰電池市場開始回暖并進入了新的增長周期。特斯拉搭載磷酸鐵鋰電池迅速拉動了磷酸鐵鋰市場。2021年初新能源汽車補貼政策正式落地，給主機廠在新能源車型規(guī)劃方面指明了方向。2021年之后磷酸鐵鋰電池在新能源汽車、儲能、二輪車、重型卡車、電動船舶都將有更加強勁的發(fā)展。本文依據(jù)作者的工作經(jīng)驗和公開信息，總結(jié)了磷酸鐵鋰材料的產(chǎn)銷情況、市場集中度、價格趨勢以及磷酸鐵鋰電池企業(yè)新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；新能源汽車；儲能；應(yīng)用展望

1引言

隨著全球經(jīng)濟不斷發(fā)展，能源危機逐步加深、環(huán)保意識不斷增強，作為新能源及環(huán)保低碳的動力電池產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，而鋰離子電池憑借其優(yōu)異的性能以及適中的制造成本成為眾多動力電池的主流發(fā)展方向[1]。隨著材料及電池性能技術(shù)不斷突破和生產(chǎn)成本的逐步下降，鋰離子電池質(zhì)輕、續(xù)航里程長、適用范圍廣、能量密度高、輸出功率高的優(yōu)勢將逐步得到強化，被作為主要的動力電池發(fā)展，是當(dāng)今新能源車動力電池的主要類型[2]。目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的鋰離子動力電池正極材料有磷酸鐵鋰(以下簡稱為LFP)、錳酸鋰、三元(鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰)等[3, 4]，其中磷酸鐵鋰以其較高的安全穩(wěn)定性、較長的循環(huán)壽命和更低的成本優(yōu)勢在國內(nèi)得到了迅速的成長[5-9]，伴隨著新能源汽車及動力電池的快速發(fā)展，近幾年磷酸鐵鋰材料行業(yè)技術(shù)工藝不斷成熟，同質(zhì)化競爭凸出，基于技術(shù)快速迭代和產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作，磷酸鐵鋰市場在穩(wěn)步成長中加快向龍頭企業(yè)集中，行業(yè)集中度進一步提升。磷酸鐵鋰固有的成本優(yōu)勢，在成本敏感的市場存在頑強的生存空間，疊加一些新技術(shù)方案可在一定程度解決性能短板。在過去的一年，磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)鏈需求已經(jīng)回暖，供需格局得到了改善，磷酸鐵鋰在動力電池市場地位回升將會得到進一步強化。

2磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域

磷酸鐵鋰電池目前應(yīng)用的領(lǐng)域包括新能源汽車、儲能、5G基站、二輪車、重型卡車、電動船舶等領(lǐng)域，其中新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用占比最大，包括新能源乘用車、新能源客車和新能源專用車；儲能領(lǐng)域目前使用磷酸鐵鋰電池占比超過94%，包括新品電池與梯次電池，主要應(yīng)用在UPS、后備電源以及通訊儲能等領(lǐng)域；電動船舶市場未來發(fā)展預(yù)期較好，該領(lǐng)域應(yīng)用目前全部是磷酸鐵鋰電池；磷酸鐵鋰電池在二輪車換電市場也開始應(yīng)用起量。隨著市場開始進一步擺脫政策化，走向真正市場化，磷酸鐵鋰電池的機會也將進一步打開。

3磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用展望

3.1在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用展望

2020年以來，磷酸鐵鋰電池市場開始回暖，進入到新的增長周期，去年年初特斯拉與寧德時代合作入局“無鈷電池”，讓磷酸鐵鋰電池再一次回到舞臺中央。特斯拉電動車搭載磷酸鐵鋰電池?zé)o疑迅速拉開了磷酸鐵鋰電池在動力電池市場強勢回歸的序幕。受國產(chǎn)Model 3、比亞迪漢EV、宏光MINI EV等多款配套磷酸鐵鋰電池的車型銷量大幅增長帶動，包括寧德時代、比亞迪、國軒高科、瑞浦能源、鵬輝能源等多家電池企業(yè)，在乘用車市場的LFP電池裝機電量大增。根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，磷酸鐵鋰電池出貨量占動力電池總出貨量比例從2019年28%回升至2020年的35-40%左右。

2021新年伊始，最新的產(chǎn)業(yè)動態(tài)預(yù)示，LFP電池將在2021年的乘用車領(lǐng)域掀起一股浪潮。從產(chǎn)業(yè)政策層面看，2021年初新能源汽車補貼政策正式落地，給主機廠在新能源車型規(guī)劃方面指明了方向。從大的趨勢看，新能源汽車已經(jīng)完成了由國家政策為推手的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式，向市場需求為推手的發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。2021年新能源汽車補貼標(biāo)準在2020年基礎(chǔ)上退坡20%，補貼政策的實施疊加補貼過渡期的消除，將有利于促進2021年新能源乘用車全年產(chǎn)銷量正常增長。從產(chǎn)業(yè)布局層面看，寧德時代、比亞迪、國軒高科等頭部電池企業(yè)都在積極加碼磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能建設(shè).寧德時代和比亞迪推出的基于磷酸鐵鋰方案的CTP電池和刀片電池已經(jīng)得到了市場認可，目前正在積極擴充旗下磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能。除此之外，國軒高科也對其LFP電池產(chǎn)品進行了技術(shù)升級，日前最新推出了210Wh/Kg磷酸鐵鋰軟包電芯和JTM技術(shù)。各大主流電池公司均在大幅擴充LFP電池產(chǎn)能和進行產(chǎn)品升級，并在2021年乘用車LFP電池配套方面搶占市場先機?？傮w來看，隨著各大乘用車主機廠加快推出LFP車型和電池企業(yè)進一步降低制造成本，LFP電池在乘用車領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢將進一步凸顯，國內(nèi)乘用車領(lǐng)域的動力電池裝機排名也將出現(xiàn)新一輪調(diào)整。

為了估算我國2021-2025年磷酸鐵鋰電池的裝機量，我們進行如下假設(shè)：首先，我國新能源汽車產(chǎn)銷在2021-2023年保持穩(wěn)步增長；2024-2025年高等級自動駕駛和新能源汽車的協(xié)同效應(yīng)顯著體現(xiàn)。至2025年，新能源乘用車產(chǎn)銷規(guī)模達到550萬輛，加上商用車、專用車后接近600萬輛，基本實現(xiàn)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》的預(yù)設(shè)目標(biāo)。其次，純電動乘用車內(nèi)部，A00 級車型保持約20%份額，且磷酸鐵鋰電池依托成本優(yōu)勢滲透率逐年提升，最終占據(jù)主導(dǎo)地位；A0～A1級車型保持約50%份額，綜合考慮空間、續(xù)航、成本和動力性等因素，鐵鋰占比穩(wěn)中有升，總體而言，磷酸鐵鋰動力電池迎來乘用車領(lǐng)域的用量和定位雙升。最后，純電動乘用車每類車型的單車帶電量逐年小幅提升?；谝陨项A(yù)估，至2025年，國內(nèi)磷酸鐵鋰動力電池裝機量預(yù)計將達 136GWh，磷酸鐵鋰在動力電池市場中的份額有望達到40%到50%之間。如果放眼全球，考慮到主機廠龍頭企業(yè)對磷酸鐵鋰電池的態(tài)度也有所轉(zhuǎn)變，鐵鋰電池可能有更廣闊的的市場空間，屆時，全球僅用于動力電池的磷酸鐵鋰年產(chǎn)量可能逼近50萬噸左右?？傊瑥漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展初期的主流選擇、產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期到逐步成熟期，磷酸鐵鋰動力電池即將迎來蓬勃發(fā)展，并有望最終基業(yè)長青。

3.2在通訊儲能領(lǐng)域的應(yīng)用展望

磷酸鐵鋰電池在5G基站方面的應(yīng)用也呈現(xiàn)出快速增長態(tài)勢，開啟了新的市場機會， 2020年上半年，中國鐵塔和中國移動先后進行5G基站備用電源磷酸鐵鋰電池儲能項目的招標(biāo)，中標(biāo)企業(yè)包括鵬輝能源、億緯鋰能、南都電源、中天科技、海四達、雙登集團、雄韜電源、光宇電源、力朗電池等。《中國鐵塔與中國電信備電用磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品聯(lián)合集中招標(biāo)項目招標(biāo)公告》正式發(fā)布，招標(biāo)預(yù)估量為2.09GWh。未來中國至少需要新建或改造1438萬個基站，以單站能耗2700W、應(yīng)急4h進行估算，5G基站儲能市場未來將提供155GWh的磷酸鐵鋰電池需求空間，對應(yīng)的市場規(guī)模將超過1000億元。

3.3在二輪車領(lǐng)域的應(yīng)用展望

磷酸鐵鋰電池在電動自行車行業(yè)也得到了很好的應(yīng)用，從國內(nèi)市場看，新國標(biāo)的實施，帶來了大規(guī)模的替換需求，將推動兩輪電動車的銷量不斷走高。共享經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，共享電單車大規(guī)模投放市場，也為兩輪電動車的產(chǎn)銷量走高提供了強勁動力。在寧德時代、比亞迪、國軒高科等電池龍頭企業(yè)與哈啰、滴滴等共享電單車巨頭合作的帶動下，磷酸鐵鋰電池放量明顯，多家原以錳酸鋰電池或三元電池為主要技術(shù)路線的二輪車電池企業(yè)開始轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰電池，2021年磷酸鐵鋰電池的市場份額有望大幅增加。綜上，二輪車在新國標(biāo)、共享、外賣、快遞、出口等眾多利好因素的驅(qū)動下將會迎來爆發(fā)式增長，在2022～2023年期間超過5000萬輛，直奔6000萬輛而去，初步預(yù)測到2025年，70%的電動自行車將為鋰電車型。

從海外市場看，新冠疫情改變了歐美許多民眾的出行理念和出行方式，電動兩輪車以其清潔、便捷的優(yōu)點深受歡迎東南亞及印度等地經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，低成本、可靠耐用的電動兩輪車以其無與倫比的性價比，將成為數(shù)億計民眾出行的主要交通工具。海外市場的強勁需求，將為中國電動兩輪車的產(chǎn)量增長提供千萬級別的增量空間。兩輪電動車，將成為一個數(shù)千億規(guī)模的巨大產(chǎn)業(yè)，成為中國制造業(yè)的象征，伴隨著一帶一路戰(zhàn)略走向全球化，服務(wù)數(shù)十億人的出行，為全人類的幸福生活提供動力。

3.4在重型卡車領(lǐng)域的應(yīng)用展望

磷酸鐵鋰電池在重卡領(lǐng)域的應(yīng)用在加速拓展。工信部公示了最新一批《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》，新能源物流車方面出現(xiàn)了16款重卡，其中10款明確搭載磷酸鐵鋰電池。而且電動重卡憑借超高的經(jīng)濟性已經(jīng)被例如公鐵聯(lián)運、礦場、鋼廠、港口等領(lǐng)域所采用。行業(yè)預(yù)計在“十四五”期間，純電動重卡滲透率可以達到10%，如果2025年重卡銷量達到100萬輛，純電動重卡預(yù)計近10萬輛。以一汽解放J6P純電換電牽引車為例，其配備的是寧德時代的磷酸鐵鋰電池，電量達282kWh。如果以250kWh作為平均水平來計算，10萬輛重卡至少需要配備25GWh的電池。

3.5在電動船舶領(lǐng)域的應(yīng)用展望

電動化的浪潮在船舶領(lǐng)域正加速席卷。電動船舶和電動汽車的應(yīng)用領(lǐng)域大有不同，對鋰電池的性能要求側(cè)重點也不盡相同。目前不少電池企業(yè)已經(jīng)加快了鋰電船舶布局，寧德時代、億緯鋰能和國軒高科是電動船舶領(lǐng)域布局的典型代表企業(yè)。就目前來看億緯鋰能、寧德時代、國軒高科所布局的電動船舶，無一例外都采用了磷酸鐵鋰電池。目前，相比傳統(tǒng)的燃油成本，磷酸鐵鋰電芯價格在船舶應(yīng)用領(lǐng)域已具備經(jīng)濟性。安全性方面，近年磷酸鐵鋰動力電池及BMS電池管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，充放電倍率的提高使船舶啟動加速及動力操控性更好，也已經(jīng)具備了在船舶上推廣應(yīng)用的技術(shù)條件。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、長壽命、低成本、性能均衡等多方優(yōu)勢成為現(xiàn)階段船舶用動力電池的最優(yōu)選擇。

隨著環(huán)保政策日趨嚴格，同時鋰電池技術(shù)的不斷提升，預(yù)計未來幾年船舶電動化將進入快速發(fā)展期，而且純電動船將成為發(fā)展的主流方向。一輛新能源汽車的鋰電池容量平均在40-50度，而一艘豪華電動游船的電池容量在3000度左右。預(yù)計2025年全球電動船舶市場規(guī)模將達450多億元，市場前景十分廣闊。船舶電動化帶來的鋰電池需求將進入快速增長期，預(yù)計2025年電動船舶對磷酸鐵鋰電池的需求量將超過6GWh。

4磷酸鐵鋰材料的產(chǎn)銷情況、市場集中度及價格趨勢

磷酸鐵鋰電池大勢逆襲的趨勢下，磷酸鐵鋰材料其產(chǎn)銷情況、市場集中度、價格也隨之發(fā)生變化。從產(chǎn)銷數(shù)據(jù)上看， 2017-2018年產(chǎn)量保持在7-8萬噸，2019開始儲能領(lǐng)域的需求增長導(dǎo)致總產(chǎn)量提升至9-10萬噸，2020年由于下半年需求旺盛，磷酸鐵鋰產(chǎn)量增至14萬噸。2021年新能源汽車、重卡、船舶、電化學(xué)儲能等多個領(lǐng)域需求共同釋放，估算今年磷酸鐵鋰材料需求達到25萬噸左右。從市場集中度方面，2020年磷酸鐵鋰電池市場集中度較高，幾家頭部企業(yè)占據(jù)了大概80%-90%的市場份額。從價格方面來看，由于磷酸鐵鋰電池出貨量增加導(dǎo)致的短期供需緊張，磷酸鐵鋰材料從2020年11月初開始漲價， 2021年初，主流磷酸鐵鋰材料價格為4-4.3萬元/噸左右，儲能用磷酸鐵鋰材料價格為3.5-3.8萬元/噸左右，動力用磷酸鐵鋰材料價格為4.3萬元/噸左右。但考慮到行業(yè)總磷酸鐵鋰材料產(chǎn)能并不小，同時受上游礦產(chǎn)期貨影響較小，預(yù)計2021年磷酸鐵鋰材料價格將在小幅上漲后維持平穩(wěn)運行。

5磷酸鐵鋰電池企業(yè)新的發(fā)展方向

磷酸鐵鋰電池在2021年之后會有更大規(guī)模的應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池企業(yè)在產(chǎn)品、經(jīng)營、技術(shù)、布局等方面將呈現(xiàn)出如下變革：電池端銷售轉(zhuǎn)運營，企業(yè)將銷售模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽赓U運營，這會直接提高鐵鋰電池全生命周期經(jīng)濟性，并改善產(chǎn)品毛利率；在儲能、船舶等下游市場，銷售環(huán)節(jié)呈現(xiàn)需求波動大，項目數(shù)量多，但單次采購量低等特點，方形鐵鋰電池通用化需求增強，特別是在通信儲能和工業(yè)儲能環(huán)節(jié)，模塊化將有利于加速下游企業(yè)應(yīng)用速度；鐵鋰材料在鐵鋰電池市場技術(shù)門檻降低，市場規(guī)模擴大、應(yīng)用場景更加豐富的趨勢下，產(chǎn)品型號將逐漸統(tǒng)一，銷售價格進一步降低，企業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模進一步提高；由于磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)成本中，用電成本占比較高，隨著隨著寧德時代、比亞迪等企業(yè)在成渝、關(guān)中地區(qū)建廠，鐵鋰材料企業(yè)可以在各地電力價格差異尋找適合自身發(fā)展的平衡點。目前我國成渝、云貴、內(nèi)蒙地區(qū)電力價格低廉，化工原料基礎(chǔ)完善，可支撐企業(yè)承接部份的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移。

6結(jié)語

邁入2021年，毫無疑問，磷酸鐵鋰電池將會在更加多元化的市場應(yīng)用中開啟更大的空間。成本和安全性將繼續(xù)是電池供應(yīng)商在多種電池應(yīng)用場景中需要首先考慮的因素，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢在逐漸顯現(xiàn)。在動力系統(tǒng)的全面電動化中，陸地交通車輛全面電動化的趨勢不可逆轉(zhuǎn)；船舶電動化也在加速，相關(guān)標(biāo)準陸續(xù)完善；儲能領(lǐng)域，包括與電網(wǎng)結(jié)合的大型儲能和以5G基站為代表的小型儲能，將會繼續(xù)成為磷酸鐵鋰電池的第二大戰(zhàn)場，這些都將是磷酸鐵鐵鋰電池唱主角的應(yīng)用市場。此外，在新興應(yīng)用市場中，包括電動叉車、電動助力車、數(shù)據(jù)中心備電、電梯備電、醫(yī)療器械電源等場景，都將會給磷酸鐵鋰電池帶來一定的機會和空間?？梢灶A(yù)見，未來磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用范圍將快速擴大，在動力電池市場地位將會得到強化。

致謝：感謝科技部國際合作項目（2019YFE010200），科技部重點研發(fā)計劃（2019YFA0705703和2018YFB0104400），清華大學(xué)-佛山先進制造研究院基金（2019THFS0132），清華大學(xué)自主科研計劃（2019Z02UTY06）支持。感謝中美清潔能源中心（CERC-CVC）和清華大學(xué)-張家港氫能與先進鋰電技術(shù)研究中心的支持。

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