中国消费锂电行业分析报告.docx
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中国消费锂电行业分析报告
2017年消费锂电行业分析报告
2017年7月出版
1、消费锂电市场分析
1.1、锂电池的前世今生
1800年，伏打电池的发明标志着电池的诞生。
经过200多年的发展，电池的用途和功能也逐步趋于完善。
从最早的不可重复充电的锌锰类（Zn/MnO2）一次电池，到后来以铅酸电池（SLA），镍电池（Ni-MH，Ni-Cd），锂离子（Li-Ion）电池为代表的可重复充电的二次电池，每一次电池材料的革新都带来了能量密度的突飞猛进。
锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功，是目前的主流电池方案。
从结构来看，锂电池主要由正极（Positiveelectrode）、负极（Negativeelectrode）、电解液（electrolyte）和隔膜（Separator）组成。
根据正极材料的不同，锂电池可以被分为磷酸铁锂电池，钴酸锂电池，三元电池等，而锂电池的负极一般都是碳素材料，如天然石墨，人工石墨等。
根据锂离子电池所用电解液材料的不同，锂离子电池又可以分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）。
由于PLB采用的是凝胶状电解液，相比LIB的液态电解质密度更大，且不易泄漏，所以对体积大小有较高要求的消费电子领域主要采用的是PLB电池。
图表1：
电池结构示意图
锂电池充电时，锂离子离开（术语：
脱嵌）正极，经过电解液运动到负极，
并进入（术语：
插入）石墨的微孔中，插入的锂离子越多，充电量越高。
充电时，正极为阳极（Anode），负极为阴极（Cathode）。
同样，锂电池放电时（即我们使用电池的过程），锂离子离开（术语：
脱插）负极，返回（术语：
嵌入）正极。
回正极的锂离子越多，放电量越大。
放电时，正极为阴极（Cathode），负极为阳极（Anode）。
图表2：
锂电池放电时的工作原理
由于消费电子产品的内部空间有限，要求在有限的空间内尽量提升电池容量，所以电池的体积能量密度至关重要。
能量密度由正负极材料决定，传统的铅酸蓄电池其体积能量密度最大也只能达到150Wh/L，而磷酸铁锂（LFP）的能量密度达到了300Wh/L左右的水平，广泛用于消费电子的钴酸锂（LCO）的能量密度则进一步提升到600Wh/L以上，三元材料（镍钴锰酸锂NCM，镍钴铝酸锂NCA）方面，由于其放电平台的电压下降较快，易低于手机截止电压3.4V，所以一般用于新能源汽车，在消费电子领域仅在平板上有所应用。
图表3：
材料的进步使得电池能量密度不断提升
1.2、锂电池的市场需求
整体来看，锂电池的市场需求会直接受到下游应用的市场规模影响。
2016年
全年，锂电池的市场规模达到62.34GwH，预计2017年仍将维持高增长的态势，
达到102.68GwH，未来三年的的复合增长率高达25%。
图表4：
2011-2018年中国锂电池产量及增速
锂电池下游应用主要包括消费电子，动力汽车，储能电站三大类。
消费锂电方面，2011-2014年，得益于智能终端的普及，消费锂电三年间的复合增长率达到26.00%。
2015年之后，智能手机逐步进入存量替换时代，消费锂电市场的增速也开始放缓。
而与此同时，新能源汽车开始爆发式增长，动力电池成为拉动锂电池市场需求的主要驱动引擎，2015年，动力电池的市场规模达到16.9Gwh，而
2016年，则进一步增长到29.39Gwh，从体量上已经超过了传统的消费锂电。
储能电站方面，伴随着新能源电站弃风弃光问题的日益严重，以及企业对稳定供电的迫切需求，储能的重要性也凸显出来，储能电站建设更是列入了“十三五”规划的百大工程项目，未来，储能市场的发展将进一步推动对锂电池的需求。
图表5：
2011-2018年国内锂电池下游应用结构的演变
1.3、锂电池的成本及价格分析
参考ElementEnergy的行业调研数据，锂电池PACK的成本结构中，电芯占总成本比例的50%，其他物料成本总和约占24%。
而根据Frost&Sullivan的数据，目前锂电池电芯的物料成本结构里，正极材料占据了电芯总成本的48.8%，往后依次是电解液，负极和隔膜。
可以看出锂电池的成本较大程度上会受到正极材料和电解液价格波动的影响。
图表6：
锂电池PACK成本结构
图表7：
锂电池电芯成本结构
其中正极方面，消费锂电一般采用钴酸锂做为原材料。
根据行业数据，1吨
钴酸锂中，钴的含量约在0.6吨左右，锂的含量则0.07吨不到。
所以直接原材料电解钴的价格会极大影响锂电正极材料的成本。
而目前新能源车的主要正极材料镍钴锰酸锂NCM，镍钴铝酸锂NCA也均会用到钴，所以近年来下游市场对电解钴的需求极为旺盛，从2016年年底起钴价一路走高，从2016年11月初的21.2万元/吨的价格，到2017年4月中的38.4万元/吨，后有所回落，但依旧维持在
37万元/吨左右。
2017年6月初，英国金属导报（MetalBulletin）的钴报价又开始新的一轮大涨，至6月14日，已经连涨三波，累计上涨1.6美元/磅，按照最新汇率换算即上涨了2.3万元/吨。
国内钴价也有望随之上涨。
图表8：
电解钴现货均价
而电解液方面，原材料六氟磷酸锂在2011年以前由于技术门槛较高，所以被日本关东电化，森田化工等企业垄断，价格超过30万元/吨，2011年4月，多氟多成功生产六氟磷酸锂，使国产替代得以实现。
六氟磷酸锂的价格也开始持续下跌，直至2015年初的8-9万元/吨。
后续由于新能源车下游市场的爆发，使得六氟磷酸锂供不应求，价格又一路飙升至16年2季度的45万元/吨的历史高点，近期由于国内的六氟磷酸锂企业扩产项目逐步达产，六氟磷酸锂价格开始回
落。
尤其是2017年2季度，六氟磷酸锂的价格几近腰斩，回落到15-25万元/
吨的区间。
图表9：
六氟磷酸锂现货均价（万元/吨）
综合来看，虽然六氟磷酸锂的价格回落中和了一部分钴材料的持续涨价，但由于正极材料占电芯总体成本较高，国内电芯厂商的还是会面临较大成本压力，涨价已成为必然。
根据中国化学与物理电源行业协会的数据，17年2月，较多小型电芯厂就已在成本压力下提价，3月初，国内某大型数码电芯厂家也正式发函，将于3月26日起开始上调各容量电芯价格0.2-0.6元/颗不等，宣告着数码电芯全产业链调价开始，目前国产2000mAh的18650维持在5.2-5.5元/颗之间。
虽然每年2季度均是消费电子的淡季，但目前消费锂电的价格依旧保持稳定。
同时不排除后续为了迎接下半年的消费电子高峰期，市场拉货导致供不应求的局面出现，进一步推升电池价格。
图表10：
2017年2000mAh18650电芯价格走势图（元/颗）
1.4、消费锂电的产业链竞争格局
锂电池行业是一个高度分工的产业链，从上游的材料到电芯，再到PACK都
有各自领域的龙头企业。
我们在本文中主要关注电芯和PACK。
图表11：
锂电池行业产业链概览
由于电芯生产是重资产投入，规模化效应显著，大者恒大的局面已经形成。
2016年全球电芯厂TOP10的集中度为72%，相比2015年的68%提升4个百分点。
排名靠前的厂商中，三大厂松下，LGC，三星SDI已经转移了相当一部分的产能给了新能源车，其中松下更是将大部分精力放在和特斯拉的合作项目上。
而锂电池鼻祖索尼由于锂聚合物电池研发进度缓慢，新能源车锂电池业务不断调整，业绩表现不佳，2016年被Murata并购。
国内电芯厂商，如ATL，光宇，力神则把握住了智能终端普及的发展机遇，跻身于全球消费锂电电芯厂前列。
图表12：
2016年全球锂电电芯厂市占率排名
下游的PACK方面，早期的PACK厂仅做简单的封装，技术含量较低，市场碎片化严重。
后来由于下游消费电子客户对安全性、一致性、热性能等性能指标的不断重视，再加上部分PACK厂商开始进军BMS，以追求高附加值。
PACK厂的行业门槛也在不断提高，涌现出了一批行业巨头。
如国内的德赛电池，欣旺达，明美，飞毛腿等。
2、安全续航并重，催生消费锂电微创新
2.1、三星爆炸门敲响电池安全的警钟
2016年8月19日，三星正式发布GalaxyNote7。
上市之初，Note7手机凭借虹膜解锁、无线快充、实时HDR视频拍摄等特性，好评不断，更是被业界认为是苹果iPhone7手机的最大竞争对手。
但好事不长，上市不到一周，Note7便在韩国出现了爆炸事件。
9月2日，三星手机部门负责人对电池爆炸事件致歉，并宣布了GalaxyNote7的全球替换计划（中国除外）。
9月中，三星宣布召回在中国境内的1858台Note7测试体验机。
至此，三星手机爆炸事件告一段落。
在这次事件中，三星因为召回行动产生的成本约为10亿美元，市值在两天之内蒸发掉190亿美元，损失惨重。
图表13：
三星手机爆炸图
一般而言，导致锂离子电池爆炸的因素主要有两类，过热和机械损坏。
过热背后的原因是多样的，外界环境温度过高，过压充电，或者手机高负荷运转均会导致过热。
一旦手机内部温度持续超过60度，并得不到及时散热的话，手机电
解液的主要成分六氟磷酸锂就会发生分解反应，产生大量气体。
由于电池PACK的
空间有限，生成的气体会将电池PACK撑大，也就出现了所谓的“电池鼓包”，部分情况下至于会导致爆炸。
而机械损坏则是因为物理原因，致使正负级之间的隔膜损坏，引起短路爆炸，一旦发生后果较为严重。
三星Note7爆炸的原因也正是如此。
具体分析来看，Note7的非大陆版电池（采用SDI的电芯）是因为电池尺寸不合规，无法与GalaxyNote7的电池仓相匹配，挤压了隔膜，致使正负极短路起火。
而大陆版电池（采用ATL的电芯）则是因为正极上的焊接毛刺戳穿了隔膜，引发短路，最终爆炸。
图表14：
三星手机爆炸原因（SDI版）
图表15：
三星手机爆炸原因（ATL版）
针对三星Note7的爆炸事件，中科院研究员陈立桅表示，“这可能是手机厂商为了提升电池的体积能量密度、延长手机电池续航能力，而采用了更薄的隔膜材料，但是由于对隔膜材料质量控制不严或者工艺缺陷，导致隔膜局部变薄，不能有效隔离正极与负极，从而造成了电池的安全问题”。
由此可见，虽然机械损坏是Note7爆炸的直接原因，归根结底还是因为三星为了提升续航能力，忽视了安全考量。
2.2、5G和高分辨率屏给手机续航带来新的挑战
在过去的几年内随着2G到4G的演变，智能机分辨率的不断提升，续航能力的问题也越发凸显。
根据三星在2015年做的市场调研，71%的用户认为增长手机续航时间可以最大程度提升用户满意度。
与此同时，由于电池材料没有突破性进展，手机续航时间的改善得更多归功于大屏手机的普及，使得手机内部空间随之增多，从提升手机配备的电池容量。
但大屏手机完全点亮时的耗电量也较为可观，所以改善幅度有限。
目前市面上主流的是5.5英寸的手机，也有一部分6英寸的超大屏手机，已经接近手持设备大小的极限。
再往后发展，续航时间的提升还得另辟蹊径。
根据三星的预计，从2010年到2020年，手机的电池容量会翻倍，年复合增长率为5%。
图表16：
三星对于手机电池容量的预测
具体分析手机各组件耗电的大小，通过查阅BalajiA.Naik在
《InternationalJournalofComputerApplications》上发表的论文，可以看到A公司的4代手机各组件功耗数据如表1所示。
无论是WIFI，蓝牙，通信，数据存储还是屏幕在特定的应用环境下，耗电量均可达到500mW以上。
其中，耗电量冠军当属射频通信模块，3G语音电话的耗电量为1265.7mW，3G视频通话耗电量更是高达2210mW。
表格1：
A公司4代手机功耗示意表
射频通信模块主要是由射频功放（PowerAmp），射频滤波器（Filter），
射频开关（Switch）组成。
其中又以射频功放的耗电量最大。
由于数据传输速率越来越快，驱动了网络标准的不断更新。
在LTE标准中，使用正交频分复用（OFDM）调制RF信号，通过改变发射信号的幅度来编码信息以实现更高的频谱利用率，但这往往也是以降低射频功放的能源效率为代价的。
图表17：
射频通信模块结构图
相比3G信号，LTE信号有更高的峰均比（PAPR），因此射频功放会长时间工作在满负荷状态下，在传输中消耗的能量也显著增加。
为了降低功耗，业内开发出了较多的方案，如数字预失真算法（DPD），线性化，Doherty功放等。
但上述方案均有各自的不足。
目前最为有效的解决方案如图17中所示，在射频功放上外接包络跟踪（EnvelopeTracker）芯片。
通过产业链调研得知，目前主流的采用包络跟踪技术的手机在4G通话时的功耗已经下降到约1W，相比高通在图
19中预测的1.5W有了显著的降低，但依旧耗电量巨大。
后续随着5G的普及，频段的增多，通信功耗将长期成为手机续航的一大难题。
图表18：
4G信号有更高的峰均比，所以耗电量更高
图表19：
射频功放芯片的耗电量会随着通信技术的发展持续增加
前文我们讨论了通信制式的进步会显著增大功耗，而从屏的角度出发来看，功耗的提升主要是由两个方面引起的，一方面，大屏手机在点亮的情况下的功耗较高，另一方面，在手机娱乐的时候，高分辨率屏幕也会显著增加功耗。
通过产业链调研获得的最新数据，目前5.5inch，FHD的手机屏幕的逻辑功
耗仅为100-200mW，逻辑功耗为单纯驱动屏幕像素点的功耗。
但是如果完全点亮，则需要屏幕达到500尼特的亮度，假设透光率为5%，那么就需要1万尼特亮度的LED背光，综合测算下来，背光功耗接近1W，整体功耗为1.1W左右。
相比前文A公司4代手机完全点亮的527.05mW，也有了较大的增幅。
而手机娱乐的时候，由于高分辨屏需要渲染额外的像素，会增加GPU工作负载。
通过查阅SongtaoHe刊载于《InternationalConferenceonMobileComputing&Networking》的论文可以看出，在GalaxyS5上运行渲染程序，屏幕关闭的条件下，随着像素密度的增大，GPU的利用率以及系统功耗均会线性增加。
当显示分辨率为2560x1440像素（577ppi），系统功率会达到10247mW。
这也就是用手机玩游戏耗电的主要原因。
图表20：
随着像素点增多，GPU的利用率和系统功耗线性提升
2.3、空间换续航，双电芯技术起航
随着消费电子，尤其是智能手机的推陈出新，通信模块和屏的耗电量也与日
俱增。
各大厂商需要在保障安全的同时，一方面通过类载板、ECP，SIP封装等
技术，节省手机其他组件的体积，再通过双电芯技术给手机电池提供更大的空间，提升手机续航时间。
或者另辟蹊径，在充电速度上取得技术突破。
2.3.1、类载板工艺将大大减小PCB面积
通过AT&S所展示的智能机发展趋势可以明显看出，从2003年到2013年，手机PCB的面积大大减小，主要是得益于任意层（Any-Layer）技术的普及，层与层之间都有盲孔链接，可以在同样大小的PCB上大大增加布线面积。
同时，线宽/线距（L/S）也在不断减小，10年时间内，从100/100um减少至40/40um。
图表21：
PCB技术进展示意图
但是，在线宽/线距到了40/40um的时候，就无法再通过此前在HDI板广泛使用的简成法进一步细化线路。
改良型半加成法（mSAP）也随之应运而生。
其生产流程类似芯片载板，通过压膜，曝光，显影，电镀，剥膜，蚀刻等一系列工艺，将线路印刷在PCB板上。
而采用了mSAP技术的PCB板又被成为类载板（SLP），类载板可以实现30/30um的线宽/线距，可以进一步减小PCB板面面积。
图表22：
改良型半加成法原理图
而根据Yole的预测，未来随着线宽/线距的进一步减小，一旦小于15/15um，改良型半加成法也将无用武之地，PCB的生产将直接采用载板所用的半加成法工艺（SAP），至此PCB和载板将趋于一致。
此时线宽/线距将达到最小，这时就可以如图21所示，采用SIP技术，将整个PCB板封成一颗芯片。
图表23：
随着线宽/线距的小型化的发展，PCB和载板将趋于一致
2.3.2、ECP，SIP工艺可从芯片端减小PCB面积
类载板工艺可以大大减少线宽/线距，从而减少PCB面积，但是芯片和芯片
之间的间距仍不可忽视。
尤其是在线宽/线距已经减小接近到极限的程度下，通过调整PCB布板方案将很难再减少芯片间距。
为了解决这一问题，有多种方案出现，包括埋入式工艺（ECP）以及SIP封装等。
埋入式工艺是把容阻感等被动元件甚至是IC等主动器件埋入到PCB内部，这种方案可以缩短元件相互之间的线路长度，改善电气特性，而且还能有效利用PCB的内部空间，减少大量PCB板面的焊接点，从而提高封装的可靠性，并降低成本，是一种非常理想的高密度封装技术。
目前埋入式工艺主要被AT&S掌握，他们和TDK合作过DCDC模块的埋入式封装，应用于汽车电子领域。
图表24：
ECP工艺流程
相比ECP工艺，SIP封装技术则更为主流地应用在消费电子领域，SIP封装
最早是作为片上系统（SoC）的替代方案诞生的。
由于SoC需要所有的模块都用同一工艺节点生产，对于数字电路模块，采用先进的工艺节点可以降低功耗提升性能，但模拟和射频芯片在先进工艺节点的设计则极具挑战性，难以保证线性度。
同时，模拟电路对串扰非常敏感，而数字电路往往又是绝佳的干扰源。
种种原因让SoC开发成本居高不下。
而SIP方案则是将多颗芯片的Die封在一个封装内，从而在缩小板面面积的同时，实现基本完整的功能。
SIP方案的集成度虽然不及SOC方案，但对比SOC有较多优点，它可以让各个组件用各自不同的工艺节点实现，还可以集成MEMS器件，灵活度较高。
图表25：
SIP和SOC的对比示意图
图表26：
APPLEWatchSIP方案示意图
图表27：
S1芯片由多个Die构成
2.3.3、双电芯技术成为市场焦点
自从15年发布M5以来，金立的M系列手机都一直主打商务差旅，超长待机
特色。
以M5手机为例，其配备了5.5英寸屏幕，目前市面上5.5英寸屏幕的手机一般内置的电池容量为3500-4000mAh，而金立M5则内置了6020mAh聚合物锂电池，超过行业平均水平50%以上。
超大的电池容量一方面要归功于M5的电芯能量密度高，650wh/L的能量密度在目前消费锂电里是顶尖的；另外一方面则因为M5的PCB足够小，M5的主芯片采用了MTK的MT6735，本来MTK就以TurnKey方案完善，板面元器件简洁著称，再加上金立的主板部分设计得极为紧凑，整个PCB板的面积仅为21平方厘米，相比同时代其他产品，如华为P8的28平方厘米PCB板，有较为明显的优势。
这也为电池提供了足够的空间。
图表28：
金立双电芯手机概念图
图表29：
金立双电芯手机实际拆解图
图表30：
金立M5主板拆解图
图表31：
华为P8主板拆解图
前文分析了大电池容量的原因，但是却没有提及金立M5的双电池并联方案，事实上，金立的双电池并联方案和一整块大电池的设计对比，在空间利用上没有太大区别。
该方案的初衷更多是从安全角度着想，去降低单个电芯的容量。
同时并联电池可以同时充电，双倍电流充电速度更快。
电芯的大容量和稳定性不可兼得，一旦电芯容量超过4000毫安时，稳定性就会下降，电芯设计的复杂度也将大大提升，目前为止，市面上仅有六款手机的电池容量可以达到5000毫安时，如小米Max2，联想P2等。
而M5希望采用6020毫安时的电池，只能选择将电池一分为二。
相比同规格双电芯电池，不同大小的双电芯电池并联使用，可以通过调整摆
放布局，最大化手机电池总容量，从而进一步提高续航能力。
根据iClarified的
预测我们可以看出，2017年新款的iPhone的PCB可能会采用类载板（SLP）技术，而OLED款的iPhone则会通过20层的层叠式类载板技术，进一步压缩PCB面积。
从而给手机电池腾出了宝贵的空间。
预计OLED款的iPhone会采用L型双电芯的PACK模组。
该方案可以提升电池总容量约20%-30%，同时这种异型PACK也对相关产业链公司的生产工艺提出了挑战。
图表32：
业界对iPhone电池微创新的预测
从BMS的角度来看，电池在放电的过程中，小电量电芯的电压平台下降的较快。
在主动均衡的情况下，当两个电量不同的电芯并联放电一段时间后，会出现大电量电池对小电量电池的充电的情况，这种浅充浅放的问题无法避免，虽然不太会影响电池的寿命，但也增大了BMS设计的复杂度。
图表33：
不同电量电芯的放电电压平台不同
2.4、快充技术成为市场焦点
为了保证续航，除了大容量电芯之外，充电速度也很重要。
充电速度直接取
决于充电功率，而功率又等于电流和电压的乘积，一般而言，消费电子的USB充
电线接口电压是5V，而手机电池的电压一般在4.2V左右，所以充电的时候，需要将5V降压至4.2V，至于充电电流的大小则是由手机内的charger芯片负责实时调整。
手机电池的充电过程主要分为四个阶段，预冲，恒流，恒压，浮冲。
典型的充电过程是：
先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电
（Precharge），充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入恒流（ConstantCurrent）充电阶段，系统会以设定电流进行恒流充电。
恒流充电过程中的充电速度最快，而速度会直接受到电流大小的影响。
后续当电池电压升到4.20V时，改为恒压（ConstantVoltage）充电，保持充电电压为4.20V，同时充电电流逐渐下降。
当电流下降至设定充电电流的1/10时，恒压充电结束，进入浮充
（Tricklecharge）阶段。
浮充是为了弥补在电池在充满电后由于自放电而造成的容量损失，一般电流会保持在设定电流的1/500。
图表34：
手机充电的过程示意图
早期的USB1.0协议里USB接口电压为5V，且仅能支持0.5A的电流。
但后续随着消费电子的不断推陈出新，0.5A电流充电极为缓慢，难以满足需求。
所以在2.0版的USB协议里，充电电流的上限被提升至1.5A。
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