EV用電池三分天下，逐鹿次世代車用市場(chǎng)

隨著汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向全電動(dòng)汽車，車用電池與電源相關(guān)組件將在未來(lái)扮演重要的角色。在20201年9月，韓國(guó)SNE Research所公布的一份分析報(bào)告顯示，目前全球EV（Electric Vehicle）用電池的最大供貨商，仍然是中國(guó)寧德時(shí)代新能源科技（CATL），以成長(zhǎng)6.9%達(dá)到30.3%領(lǐng)先群雄，而排名第二的業(yè)者是市占率24.5%的韓國(guó)LG Energy Solution，同時(shí)也比去年成長(zhǎng)了1.5%。中國(guó)比亞迪則是以成長(zhǎng)1.9%的7.7%市占率位居第四。此外，日本PANASONIC和韓國(guó)的SDI則分別以-7.5%（13.3%），與-1.7%（4.9%）分居第三與第六供應(yīng)業(yè)者。而居于第五名的韓國(guó)SK On的成長(zhǎng)率則是0%。從中可以看出，韓國(guó)業(yè)者正在藉由吞食PANASONIC的市場(chǎng)來(lái)追趕中國(guó)電池業(yè)者。

EV用電池三國(guó)志爭(zhēng)奪鰲頭
鋰離子電池是由獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的吉野明所開(kāi)發(fā)的，在過(guò)去，日本是研發(fā)的主要領(lǐng)導(dǎo)者。然而，隨著全球電動(dòng)汽車（EV）銷量的快速增加，車用電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，中國(guó)已躍然成為最大的鋰離子電池生產(chǎn)國(guó)?，F(xiàn)階段雖然中國(guó)業(yè)者占有最大的市場(chǎng)比例，但是，韓國(guó)三大電池業(yè)者在保持市場(chǎng)規(guī)模的同時(shí)，積極地進(jìn)一步搶奪市場(chǎng)，而日本業(yè)者卻是在雙敵的壓力下，不斷的失去市場(chǎng)（圖一）。



 
圖一 : 全球2021年1月至8月EV用電池市場(chǎng)供應(yīng)，韓國(guó)業(yè)者正在追趕并威脅中國(guó)的主導(dǎo)地位。 （source：韓國(guó)SNE Research；CTIMES整理）

根據(jù)SNE Research的數(shù)據(jù)，2009年1月至8月期間電動(dòng)汽車電池總量為162.0GWh，比上年增長(zhǎng)約2.4倍。但受到中、韓業(yè)者的強(qiáng)勢(shì)銷售，PANASONIC的市占表現(xiàn)不僅沒(méi)有相對(duì)成長(zhǎng)，反而是每況愈下。PANASONIC針對(duì)狀況分析，在全球蜂擁投入EV車下，TESAL不再獨(dú)占鰲頭，壟斷電動(dòng)汽車市場(chǎng)的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，加上中、韓電池業(yè)者也能快速掌握此一變化，積極擴(kuò)大銷售力量，因此在數(shù)字表現(xiàn)上非常亮眼，而PANASONIC卻沒(méi)有完全抓住這一波浪潮，使得在市占上節(jié)節(jié)敗退。

另一方面，PANASONIC和豐田所合資設(shè)立的Prime Planet Energy & Solutions，計(jì)劃在2022年完成降低EV車用電池50%的生產(chǎn)成本，來(lái)提高市場(chǎng)占有率，并且豐田也投入1.5兆日?qǐng)A，預(yù)計(jì)在2030年之前自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)EV車用電池。

其中，1兆日?qǐng)A的投資是用于建立電池生產(chǎn)線。迄2025年，豐田將新增10條鋰離子電池生產(chǎn)線。此外，預(yù)計(jì)在2030年之前，以每年10條或更多的速度逐步增加生產(chǎn)線的數(shù)量。同時(shí)也與電池業(yè)者合作建立生產(chǎn)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)總共將會(huì)有70條電池生產(chǎn)線，年產(chǎn)量將達(dá)到200GWh以上。

在開(kāi)發(fā)方面，豐田計(jì)劃在2030年前透過(guò)兩方面努力來(lái)實(shí)現(xiàn)降低50%以上電池生產(chǎn)成本的目標(biāo)。包括：

一、降低30%以上電池成本：利用開(kāi)發(fā)低成本的電池材料與量產(chǎn)技術(shù)。
二、提高EV車30%的用電效率（耗電量），藉此再降低30%的電池容量成本。
三、EV車與電池的整合發(fā)展：包括將透過(guò)減少行駛阻力、減輕重量、改善空氣動(dòng)力學(xué)、避免剎車損耗等機(jī)械方面的努力，以及采用更高效率的功率組件，和電源管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

因此，在完善EV車基本特性的同時(shí)，也將采用新一代高效電池。以更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格來(lái)提供電動(dòng)車（圖二）。


 
圖二 : 透過(guò)EV車和電池的整合開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)降低電池成本的目標(biāo)（source：豐田汽車；CTIMES整理）

外界卻不看好這樣的的計(jì)劃，原因是韓國(guó)業(yè)者經(jīng)開(kāi)始投入研發(fā)如何降低電池生產(chǎn)成本，以及韓國(guó)媒體普遍認(rèn)為，長(zhǎng)期以來(lái)PANASONIC只專注于與TESLA和豐田來(lái)往，而對(duì)外面的電動(dòng)車世界沒(méi)有太大的興趣，因此質(zhì)疑PANASONIC是否真能藉此提升市占率。

積極開(kāi)發(fā)鋰離子以外的車用電池材料
對(duì)于車用電池來(lái)說(shuō)，現(xiàn)今的鋰幾乎不可替代，因此讓鋰離子電池原材料產(chǎn)量和使用量激增，也導(dǎo)致價(jià)格不斷地飛漲，使得車廠與電池業(yè)者使出渾身解數(shù)來(lái)找尋更新的電池材料與制程方法。
全球鋰的儲(chǔ)備量約1.11億噸，分布點(diǎn)也只落在幾個(gè)國(guó)家，分別是智利的40%、澳洲20%，中國(guó)和阿根廷不到10%，分布相當(dāng)不均衡（圖三）。



 
圖三 : 鋰材料主要生產(chǎn)國(guó)儲(chǔ)備量分布，總儲(chǔ)存量約1.11億噸。（source：美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所；CTIMES整理）

全球鋰年產(chǎn)量部分，2017年約為30萬(wàn)噸，2018年約為40萬(wàn)噸，2019年產(chǎn)量穩(wěn)步擴(kuò)大至約45萬(wàn)噸，而2020年受到COVID-19的影響，產(chǎn)量與2019年大致相同為43.3萬(wàn)噸。澳洲目前是全球鋰最主要生產(chǎn)國(guó)約占50%，智利約占20%，加上中國(guó)、阿根廷等這4個(gè)國(guó)家，已經(jīng)囊括90%以上的生產(chǎn)量。預(yù)估中國(guó)未來(lái)的產(chǎn)量可能會(huì)增長(zhǎng)一些，這是因?yàn)橹袊?guó)境內(nèi)的一些鹽湖可以獲得鋰，還有一些鋰礦石可以開(kāi)采，另外以前尚未探勘的低質(zhì)量礦石也正在規(guī)劃中（圖四）。



 
圖四 : 鋰材料主要生產(chǎn)國(guó)，2020年年產(chǎn)量約43.3萬(wàn)噸。（source：美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所；CTIMES整理）

在價(jià)格方面，自2016年以來(lái)，由于中國(guó)的采購(gòu)激增，將價(jià)格推高至每噸18,000美元左右。2018年年中時(shí)約為12,000美元，雖然2020年底降至約5,000美元。由于中國(guó)需求的增加，目前再次上漲至10,000美元。
目前有兩種方法可以生產(chǎn)鋰材料：可以從礦石開(kāi)采或利用鹵水反應(yīng)而得。從礦石中生產(chǎn)，估計(jì)每噸成本約為6,000美元；2020年的5,000美元價(jià)格，已經(jīng)低于生產(chǎn)成本。采用鹵水反應(yīng)獲得鋰材的成本比采礦來(lái)得低，大約為4,000美元左右。而不論是礦石開(kāi)采或利用鹵水反應(yīng)，5,000美元的價(jià)格對(duì)生產(chǎn)業(yè)者來(lái)說(shuō)都是非常辛苦的。

LG和SK改變策略，開(kāi)始生產(chǎn)低成本的LFP
就如前述，韓國(guó)業(yè)者早已開(kāi)始展開(kāi)研發(fā)低成本的車用電池，例如，LG Energy Solutions和SK on已經(jīng)改變傳統(tǒng)策略，開(kāi)始采用磷酸鐵鋰（LFP）作為材料來(lái)開(kāi)發(fā)新一代的車用電池。在過(guò)去，這三家韓國(guó)電池業(yè)者對(duì)LFP并不感興趣，基本上，采用LFP為電池材料的大多都是中國(guó)業(yè)者，因?yàn)椴恍枰褂玫解捄玩嚕栽诔杀旧媳蠕囯x子電池便宜，但缺點(diǎn)是續(xù)航里程比鋰離子電池短。
再加上LFP的起火風(fēng)險(xiǎn)比鋰離子電池低很多，而且最重要的一點(diǎn)是電動(dòng)車已經(jīng)開(kāi)始朝向低價(jià)化發(fā)展，而對(duì)LFP的需求日益增加。在這樣的環(huán)境下，讓韓國(guó)業(yè)者感受到，單靠技術(shù)能力已經(jīng)無(wú)法帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈下，也必須有所調(diào)整。在LFP的專利將于2022年4月27日到期基礎(chǔ)下，促使LG Energy Solutions和SK on開(kāi)始改變策略，開(kāi)始以較低的成本生產(chǎn)更便宜的車用電池。

調(diào)整NCMA的鈷鎳比例來(lái)降低材料成本
LG Energy Solutions計(jì)劃于2021年10月至12月，在韓國(guó)生產(chǎn)并提供GM重型電動(dòng)卡車的Lamination式NCMA長(zhǎng)電池（580mm X 113mm），目前GM重型電動(dòng)卡車所使用的電池是NCM622（鎳6：鈷2：錳2）。因?yàn)樾驴頛amination式NCMA長(zhǎng)電池的鈷材料使用比例降低約15%，因此和NCM622相比，成本降低了不少。
至于GM和LG Chem的合資公司Ultium Cells LLC也將在2022年開(kāi)始投產(chǎn)。Ultium Cells LLC已與北美電池回收商Li-Cycle簽訂采購(gòu)鎳、鈷、鋰和石墨等電池原材料的合約，重復(fù)使用材料藉以降低成本。而LG Energy Solutions也和Hyundai Motor合資于印度尼西亞建立年產(chǎn)10GWh的NCMA電池，由于印度尼西亞是全球最大鎳儲(chǔ)量國(guó)家，藉此在當(dāng)?shù)卦O(shè)廠就近取得鎳原料，預(yù)計(jì)將可降低30%~40%的原材料采購(gòu)成本。
SK on還計(jì)劃于2023年在美國(guó)喬治亞州的工廠開(kāi)始生產(chǎn)低成本NCM電池，采用90%鎳、5%鈷和5%錳的材料比例。預(yù)計(jì)在2025年將更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)出含94%鎳的NCM電池。此外，SK on也透過(guò)從廢舊電池中提取高純度氫氧化鋰的專利技術(shù)，來(lái)減少溫室氣體排放。

海外設(shè)廠因應(yīng)貿(mào)易保護(hù)主義
根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，從2023年開(kāi)始，EV用電池的短缺將變得更嚴(yán)重，再加上貿(mào)易保護(hù)主義的沖擊，中國(guó)、美國(guó)和歐洲等紛紛采取對(duì)本國(guó)電動(dòng)車與車用電池有利的政策。因此，韓國(guó)三家電池業(yè)者積極在海外設(shè)立生產(chǎn)工廠，降低貿(mào)易保護(hù)主義的影響，尤其是積極將工廠設(shè)在北美，例如LG Energy Solutions有4間工廠、SK on有5間工廠。三星SDI在海外設(shè)廠方面也積極的規(guī)劃中。
在年產(chǎn)能方面，LG Energy Solutions預(yù)計(jì)2021年底將達(dá)到155GWh，并在2025年提升到430GWh。SK on的目標(biāo)是在2021年提高到40GWh，在2025年達(dá)到220GWh，更進(jìn)一步的在2030年達(dá)到世界領(lǐng)先的500GWh。三星SDI在2020年底的電池年產(chǎn)能則已達(dá)到30GWh。

適合HEV的全固態(tài)電池始受注目
針對(duì)HEV、PHEV和EV不同車款的特性，豐田也分別積極開(kāi)發(fā)最適合的電池。例如，HEV以瞬時(shí)功率為重點(diǎn)，除了目前已采用的鎳氫電池和鋰離子電池外，較早被使用的雙極型鎳氫電池也正積極改善。而PHEV和EV則是強(qiáng)調(diào)續(xù)航能力，這2種車款所需要的電池開(kāi)發(fā)目標(biāo)，在于新車在10年后電池容量保持率還能維持90%。豐田認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是如何減少電池負(fù)極表面產(chǎn)生劣化。這方面可以采取抑制劣化的表面處理、在生產(chǎn)過(guò)程中降低材料中所含的水分、均勻冷卻的結(jié)構(gòu)、以及降低電池負(fù)荷的控制系統(tǒng)等各種方法，來(lái)維持容量保持率（圖五）。


 
圖五 : 下一代鋰離子電池的開(kāi)發(fā)重點(diǎn) （source：豐田汽車；CTIMES整理）

全固態(tài)電池的高功率特性雖然可適用于混合動(dòng)力汽車（表一），然而使用壽命卻不長(zhǎng)，因此比較適合應(yīng)用在HEV而不是EV。壽命低的原因是，全固態(tài)電池在使用的過(guò)程中，在固體電解質(zhì)和陽(yáng)極活性材料之間出現(xiàn)間隙。豐田也正在努力開(kāi)發(fā)能夠防止這種狀況發(fā)生的材料，希望在克服問(wèn)題以后，能夠進(jìn)一步的應(yīng)用在EV車上。
與此同時(shí)，日立造船于2021年3月宣布開(kāi)發(fā)全球容量最大的1000mAh全固態(tài)電池，約為過(guò)去產(chǎn)品的7倍之多。這款新電池可以在-40°C至100°C的惡劣環(huán)境中運(yùn)作，滿足在特殊環(huán)境下工業(yè)機(jī)械和環(huán)境的需求。

表一：全固態(tài)電池與鋰離子電池的區(qū)別（source：Nikken Total Sourcing；智動(dòng)化整理）

主要生產(chǎn)圓柱形和方形電池的三星SDI正在開(kāi)發(fā)新款全固態(tài)電池，預(yù)期目標(biāo)在2027年可以投入市場(chǎng)，并且還開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)高鎳NCA電池-Gen5，鎳含量超過(guò)88%，而鈷含量低于5%。每kWh的生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)產(chǎn)品約低20%左右，而且能量密度相當(dāng)高，只要充電一次就能行駛600公里。據(jù)傳，BMW的iX電動(dòng)SUV（多功能跑車）和i4轎車將采用此一電池。而正積極開(kāi)發(fā)中的下一代Gen6電池預(yù)計(jì)將采用90%以上鎳的生產(chǎn)技術(shù)。

SiC將EV車的電源管理推向新境界
法國(guó)市場(chǎng)研究公司Yole Developpement的電源和無(wú)線主管 Claire Trodec 表示，如果有效的利用SiC功率半導(dǎo)體，有機(jī)會(huì)可以將EV電池成本降低750美元。使得「SiC技術(shù)推動(dòng)是下一代功率半導(dǎo)體背后的力量」，已經(jīng)是產(chǎn)業(yè)普遍認(rèn)定的趨勢(shì)，而是SiC功率半導(dǎo)體又是引領(lǐng)汽車EV化的驅(qū)動(dòng)力，因此，全球各化合物半導(dǎo)體業(yè)者無(wú)不全力投入此一技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)（圖六）。



 
圖六 : 碳化硅技術(shù)將在全電動(dòng)汽車扮演重要的角色。（source：ROHM Semiconductor；CTIMES整理）

過(guò)去，Cree在LED領(lǐng)域已展現(xiàn)出化合物半導(dǎo)體的制程能力，因此在出售LED業(yè)務(wù)之后，便將全部精力押注于SiC功率半導(dǎo)體，并且更名為Wolfspeed。其CEO Gregg Lowe便表示：碳化硅技術(shù)將推動(dòng)下一代功率半導(dǎo)體的發(fā)展。事實(shí)上，多年來(lái)Wolfspeed一直在擴(kuò)大其SiC產(chǎn)能。目前仍存在著全球半導(dǎo)體短缺的預(yù)期心理，因此ST Micro預(yù)計(jì)IC供應(yīng)鏈還無(wú)法快速恢復(fù)，同時(shí)看好未來(lái)電動(dòng)汽車對(duì)SiC組件的需求強(qiáng)勁，以ST Micro與TESLA的供應(yīng)關(guān)系為例，TESLA的Model 3在2018年率先使用ST Micro的SiC-MOSFET，作為Traction Motor中電源模塊的重要零件。促使ST Micro延長(zhǎng)與Wolfspeed合作，總金額達(dá)到8億美元的150mm裸晶（Bare Chip）和SiC磊晶供應(yīng)合約。
不只ST Micro對(duì)于未來(lái)化合物半導(dǎo)體供需平衡的可能性有著悲觀的看法。Infineon在2017年收購(gòu)Cree的Wolfspeed業(yè)務(wù)失敗后，除了與Cree簽訂了一份多年期SiC晶圓的供應(yīng)合約外，因?yàn)閾?dān)心未來(lái)化合物半導(dǎo)體的供需持續(xù)嚴(yán)峻，Infineon預(yù)測(cè)，未來(lái)五年SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)每年將以40%的速度增長(zhǎng)。事實(shí)上，SiC功率半導(dǎo)體已廣泛應(yīng)用于400-800V及以上系統(tǒng)，所以促使了與日本晶圓制造商昭和電工簽訂SiC材料和磊晶技術(shù)的合約。
2021年由于半導(dǎo)體短缺對(duì)汽車制造商的供應(yīng)鏈造成嚴(yán)重影響，但是TESLA早在數(shù)年前就與ST Micro簽訂供應(yīng)合約，出貨也相當(dāng)穩(wěn)定，因此迄今還看不出來(lái)TESLA受到太大的沖擊。
換言之，在未來(lái)，電動(dòng)汽車的電源設(shè)計(jì)已經(jīng)離不開(kāi)SiC組件，除了Traction Motor之外，SiC組件還被廣泛應(yīng)用于車載充電器（OBC）和DC-DC轉(zhuǎn)換器等。例如ST Micro不但長(zhǎng)期提供TESLA所需的SiC組件，更與雷諾、日產(chǎn)、三菱汽車進(jìn)行策略聯(lián)盟，以及提供比亞迪在OBC方面所需的SiC功率組件。