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动力电池隔膜,价值较高的投资方向

隔膜即隔开正负两级的薄膜,具有电子绝缘性和离子导电性,防止正负极板直接接触产生短路,隔膜中具有大量曲折贯通的微孔,电池液中的离子载体可以在微孔中自由通过,在正负极之间迁移形成电池内部导电回路,而电子则通过外部回路在正负电极之间迁移形成电流。

总而言之,隔膜是让锂离子通过,而不让其他人通过的地方。此外,隔膜长期浸泡在电解液中,所以要求有足够的化学稳定性、耐腐蚀性,厚度薄但强度高,所以薄膜对电池至关重要而且技术壁垒高,成本约占锂电池材料的10%,毛利率可达到70%。目前主流的材料是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)微孔膜。

1,对隔膜的技术要求

孔隙率:是孔的体积和隔膜体积的比值,大多数在35%~60%之间,与隔膜的透过能力有一定关系,但孔隙率大并不代表隔膜的透过性好,因为透过性取决于微孔的导通性(即开孔率和孔径大小)、隔膜的吸液率等。高孔隙率可以降低电池的阻抗,但会使材料的机械强度变差。

透气率:又叫Gurley数,即一定体积的气体,在一定压力条件下通过1平方英寸面积的隔膜所需要的时间,由孔径大小、孔径分布、孔隙率和开孔率等决定,透气率和内阻成正比,即该数值越大,内阻越大。

吸液率:隔膜吸收电解液的能力,是衡量隔膜与电解液相容性的指标。

微孔尺寸和孔的分布均匀性:过小的孔径会抑制锂离子通过,过大的孔径有可能导致隔膜穿孔形成电池微短路导致电池自放电过快。孔的分布不均匀有可能导致电池内部电流密度不一致。

力学性能:要求隔膜的抗穿刺强度尽量高,隔膜拉伸强度和断裂伸长率也有一定要求。

自动关断保护性能:限制温度升高及防止短路的有效方法。电池短路使电池内部温度升高,当温度达到闭孔温度时隔膜微孔会闭塞阻断电流通过,但热惯性会使温度进一步上升造成隔膜破裂,造成电池短路。因此,闭孔温度与熔融破裂温度相差越大越好(即安全窗口温度越高越好)。原材料的熔点决定了隔膜的闭孔温度,如PE的隔膜闭孔温度在130℃左右,破膜温度在145℃左右;PP隔膜的闭孔温度在150℃左右,破膜温度在170℃;三层复合PP/PE/PP隔膜综合了PP的耐高温和PE的低温度闭孔特性,安全窗口温度可达到40℃。

热收缩率:隔膜需要在电池使用的温度范围内(-20~60℃)保持尺寸稳定。

2,制备方法

分干法(熔融拉伸,MSCS,主要生产PP膜)和湿法(热致相分离,TIPS,主要生产PE膜)。湿法双向拉伸更加均匀平衡,是主流成膜方法,目前60%~70%的隔膜市场主要采用湿法双向拉伸工艺。湿法可以较好地控制孔径、孔径分布和孔隙率,但容易造成环境污染,与干法相比工艺相对复杂。

干法成本低、污染小、孔更均匀,一般用于3C、储能电池。而在大功率动力电池方面,湿法隔膜更具有优势,安全性和热收缩性小。目前国内的隔膜生产企业对隔膜的厚度、强度、孔隙率一致性不够,量产批次稳定性较差,还无法大规模国产化。

磷酸铁锂电池大多使用干法隔膜,而三元锂电池使用湿法隔膜,高镍三元对隔膜要求更高,大多使用湿法涂覆隔膜,也就是在湿法隔膜上使用陶瓷、芳纶等材料进行涂布以增强PE膜的性能参数,此为湿法技术的发展方向,比较现金的技术是PVDF(聚偏氟乙烯)涂覆隔膜,无机涂覆工艺简单且成本较低从而占据主流市场(90%以上)。海外电池厂对隔膜品质要求高,更倾向于选择油性涂覆,但核心专利多被LG化学、帝人把控。

从这一点看,干法、湿法各有使用场景,在磷酸铁锂领域,干法更具性价比,而磷酸铁锂多用于客车、储能等场景。但是湿法隔膜毕竟具备更多优势,在高端磷酸铁锂中,也有湿法替代干法的趋势,如宁德时代、国轩高科。

3,成本构成

原料成本占比最大,约为41%,其次是折旧摊销(23%)、能源(18%)、人工(15%)。原料中,主材PE、PP等占比44%,辅材石蜡油(白油)占比31%。

4,竞争格局

与电解液的逻辑不同,隔膜的壁垒较高,客户对性能、一致性的要求高于成本。

(关于电解液的解读,参考我之前的文章《投资林教头:详解电解液的投资逻辑》)

2020年,中国锂电隔膜出货量37.2亿平方米,同比增长35.8%,2021年,隔膜出货量同比甚至超过100%,可以明显看出湿法隔膜的出货量更大,2019、2020年,干法隔膜出货量占比仅27%、30%,少有提高主要是磷酸铁锂复苏。湿法隔膜方面,恩捷股份一家独大,市占率超54%,而干法隔膜的CR3从2020年的73%下降到2021年的57%,主要是干法龙头也在往湿法转。

从这一点看,虽然干法隔膜也存在需求,但动力电池高端化是趋势,因此对湿法隔膜的需求增速应大于干法,各大厂商“用脚投票”证明了这一点。

恩捷股份是湿法绝对龙头,而干法格局较为均衡,前面提到CR3有所下降,从总的份额来看,恩捷股份依然是绝对龙头。

5,供需情况

产能方面,由于设备紧缺、产线调试(半年)、产能爬坡(3个月)等原因,扩产的周期需2-3年。2022上半年我国锂电池隔膜产量达56亿平方米,百川预计2022年国内隔膜产量将突破115亿平米(我写这篇文章的时候才2022年9月初)。

2021年,国内主要隔膜厂商纷纷扩产(1平方米产能的投入大约3.6元),产能释放可能要到2023年,从信达的统计来看,届时全国释放的产能大约229.75亿平方米,而英大证券的产能扩张统计是219.35亿立方米,差别不大。也就是说,2024年以后,已经确定的国内总产能是334.75亿平方米。

从产能上看,中国、韩国、日本和美国拥有市场份额分别为43%、28%、21%和6%,也就是2022年,国外还有大约152亿平方米的产能,假设老外们不扩产,那么2024年以后,全球的产能合计,凑个整,大约是485亿平方米。

需求方面,1GWh锂电池消耗隔膜1600-2000万平方米。

在恩捷股份2021年报上,有这么一句话:“根据公司主要下游客户的公告及公开信息,公司现有主要客户到2025年产能将达到1,396GWh,比2020年末增长超过1,000GWh,对应新增每年超过150亿平方米隔膜需求。”照此说来,前面我对需求的预测还更为保守。

如果按照恩捷的说法,这个“主要客户”假设就是前五大客户,其中宁德时代在前五大客户中的占比是56.66%,即宁德时代一家2025年的产能就要达到790.97GWh。2021年,宁德全球市占率33%,若市占率不变,那么2025年全球动力电池规模为2396.88GWh。照样算上小动力、储能等,毛估所有锂电池的市场规模合计为2500GWh。

动力电池2025年的规模,券商的测算也不一致,大约都落在2100-2500GWh范围内。保守按2200GWh算,1GWh需要1800亿平方米隔膜,则2025年全球隔膜需求为396亿平方米。

前面算出,2024年以后全球的产能大约是485亿平方米,刚好供需紧平衡。这表明包括恩捷在内的隔膜厂商,对未来需求的预测是更乐观的,年报直言“主要客户到2025年产能将达到1,396GWh”,因此隔膜厂们就在这个预期下安排了产能扩张计划,万一大客户宁德到时候真要这么多怎么办?我得有产能啊对吧?

大部分券商对未来的预期是紧平衡。市场大多数情况下是有效的,各大厂商的产能扩张,必有他们的盘算,不可能太多,但也不可能跟不上,大致就是根据未来偏乐观的需求预期进行安排,首先保证产能的充足。从前面的分析来看,未来供需平衡是大概率的,除非需求再出现爆发,否则很难出现超预期的情况,而需求一旦不及预期,则供过于求是大概率的。

6,产业链及护城河来源

上游主要是原材料和设备。干法设备已经实现进口替代,而湿法隔膜的核心制造设备主要依赖进口,主流的设备厂商为日本制钢所、德国布鲁克纳、法国依索普、日本东芝。

设备均由隔膜厂商根据生产情况与设备厂商共同设计定制,无标准设备可用,较考验隔膜企业的生产工艺及产线设计能力,且当前隔膜企业已与主要隔膜设备厂商绑定,新进入者很难获取设备,且设备无标准化,需要长时间积累的经验曲线,新进入者良率低,也很难盈利。且隔膜投资强度高,单GWh投资额一般在5500万以上,略高于三元正极,是负极材料的2-3倍,电解液的7倍以上,这都形成了隔膜厂商在供给端的护城河。

目前隔膜生产设备供应存在瓶颈,上游核心设备厂商产能有限,是目前隔膜扩产中比较大的制约因素之一。隔膜产线的扩张速度很大程度上取决于隔膜设备的供应情况,设备厂商扩产谨慎,行业供需偏紧,导致扩产周期约需2-3年。

下游则主要是动力电池厂商,一旦进入下游客户供应链,则绑定深厚,客户一般不愿更换(会有不确定性)。但下游认证周期也要1-2年。恩捷股份2021年应收账款、应收票据、应收款项融资合计占营业收入的比重是66.41%,最大客户(显然是宁德时代)占比33.39%,对大客户及其依赖。

7,隔膜降本途径

高车速、长幅宽最高可节省成本0.66元/平方米,提高产能利用率(满产满销)可节省0.67元/平方米,提高良品率可节省0.37元/平方米,这是三个最有利于降本的途径。

车速、幅宽是影响隔膜生产效率的核心指标。国内第一梯队幅宽4-6m、车速40-60m/min居多,对应成本大致在0.85-1.33元/平。恩捷最新产线幅宽6.2m,车速110m/min,成本可下降至0.67元/平,节省0.18-0.66元/平。车速、幅宽的降本效果边际递减,头部厂商降本空间已比较有限,而二三线厂商降本弹性更大。

连续生产可以提高产能利用率,因为隔膜产线运转时需要保持高温恒温,开停机需要大概2天时间预热,增加能源消耗,所以大厂下游订单多,可以保证产线连续生产。利用率50%时营业成本1.8元/平,满产情况下可降低至1.13元/平,节省0.67元/平。

工艺优化良率提升可以减少原材料损耗,从而降低单位产品的成本。恩捷股份接90%,星源材质大致在80%,中材科技及沧州明珠70%+,恒力石化预计65%。良品率每提升5%,营业成本节省0.06-0.08元/平,若良率从65%提升至90%,营业成本节省0.37元/平。

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