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疆亘焦点|锂电回收行业深度解读:爆发期降至,未来可期

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动力电池回收现状

梯次利用尚处于起步阶段,直接拆解回收已具备经济性

1.1 动力电池回收方式:梯次利用+拆解回收

动力电池的生命周期一般包括生产、使用、报废、分解以及再利用。车用动力电池的电池容量降低为80%后,其充放电性能将不能满足汽车行驶的要求,需要报废。此类动力电池除了化学活性下降外,电池内部的化学成分没有发生改变,电池容量低于60%不再具有使用价值。因此可以将电池容量在60%—80%范围内的电池重组,梯次应用于电能要求更低的场合;对于再利用循环寿命较小以及容量低于60%的动力电池进行拆解回收,提取出有价值的金属和材料,应用于电芯、模块、系统的生产,使动力电池整个生命周期形成一个闭环状态。

动力电池梯次利用:将电动汽车上性能下降到初始性能80%以下的电池退役、检测,然后将性能较好的电池筛选重组后在使用条件相对温和的场合进行二次利用,常用于储能、电信基站与低速电动车领域。

动力电池拆解回收:将直接报废和梯次利用后的锂电池集中回收,通过物理、化学等回收处理工艺将有价值的金属元素如锂、钴、镍、锰等提取出来,应用于电池再造。

1.2 磷酸铁锂电池适合先梯次再拆解回收,三元电池适用于直接拆解回收

在1C倍率下正常放电时,磷酸铁锂电池的容量衰减速度远远小于三元电池。磷酸铁锂不含钴、镍等价值较高的金属材料,直接回收难以盈利。

另外,三元电池循环次数在2500次左右时,电池容量衰减到80%此后,其相对容量会随着循环次数的增多呈现迅速衰减趋势,梯次循环次数较少,梯次利用价值极低;而磷酸铁锂电池容量随循环次数的增多呈缓慢衰减趋势,当电池容量衰减到80%后,从汽车上退役下来的磷酸铁锂电池仍有较多循环次数,因此具备较高梯次利用价值。

三元电池的原材料中含有高价值的金属元素,其拆解回收价值远远高于磷酸铁锂电池。据统计,动力锂电池单体材料中,正极材料、电解液、铝合金外壳、隔膜和负极材料所占成本最大,其中三元电池正极材料成本占比超过40%左右。随着近几年钴、镍、锰、锂等材料价格的上涨,在未来电池单体成本中,三元材料电池正极材料占比将呈现急剧上升状态。废旧三元动力电池内含有大量贵重金属,回收效率高,且较直接开采矿石的生产方式更具有成本优势,具有较高的资源再生利用价值。

1.3 梯次利用是电池回收的主流方向,但目前技术掣肘,尚以试点项目为主

梯次利用是未来电池回收利用的主流方向。依据电池容量的衰减程度,一般分为电池包使用(电池容量大于或等于80%)、电池组梯次利用(电池使用容量处于60%至80%)和单体电池梯次利用(可用容量衰减至20%至60%)等三个阶段。理论上来说,由于梯次利用的电池在容量低于20%时,最终仍会拆解回收,不过由于其存在20%-80%能够用作其他领域的可用容量,所以相较于直接拆解经济效益更大,是未来电池回收利用的主流方向。

梯次利用的应用场景分为静态场景及动态场景。静态场景主要为化学储能,应用于包括发电侧/配电侧/用户侧储能、通讯基站后备电源、家庭/商业储能、分布式发电/微网等,动态场景主要是工程机械、低速电动车、物流车,城市环卫车、农机、无人机等等。

由于目前梯次利用技术尚未突破,因此主要以试点项目为主,作为第三方回收企业,中国铁塔是梯次利用商业模式的代表企业。中国铁塔主业并非电池以及电池回收业务,但是其主营业务类型与动力电池回收的梯次利用有比较好的契合点。例如,中国铁塔既是退役电池的消费者,也是退役电池的回收者,根据中国铁塔经验,总结出了三种梯次利用锂电池的方式,分别为重新组装、直接组合电池模组与整包使用。随着电动汽车标准化模组和CTP无模组电池包设计得到广泛应用,从长期来看,模组级和电池包级的梯次利用将成为主要技术路线。

梯次利用技术壁垒较高,关键技术仍待突破,经济价值尚未体现:

(1)梯次利用流程较长,开发利用成本过高,经济效益尚不明显。由于不同应用场景下对梯次利用电池的要求不同,因此梯次利用必须首先对每个单体电池的性能进行监测。但由于废旧电池多以电池包的形式流向市场,导致每次对单体电池的检测都要先将电池进行拆解,筛选和重组过程需要多次进行,导致经济效益尚不明显。

(2)梯次利用关键技术亟待突破,行业发展受制约。梯次利用的技术难点首先在于评估电池当前的老化情况,其次在于对动力电池进行筛选分类,关键技术未突破制约梯次利用的经济性与安全性,于是2021年国家能源局在《新型储能项目管理规范(暂行)(征求意见稿)》中指出:在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测与评价体系健全前,原则上不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。

(3)相关技术规范不足,行业标准缺失,安全性、稳定性难以保障。由于不同厂商生产的动力电池规格差异较大,缺乏统一标准,在拆解和重新组合时通常会遇到兼容问题,如BMS接口是否规范,历史数据是否可查询等,最直接的安全性、稳定性难以保障。

1.4 由于梯次利用存在较多难点,中短期仍以直接拆解回收为主

直接回收流程:目前国内外退役动力电池回收工艺流程主要包含预处理→拆解分离→材料回收,每一工艺均包含多种处理方法。

电池包的预处理过程分为整包拆解和模组放电:即对退役动力电池包进行智能拆解,实现动力电池包内物料分离;通过放电技术使电池模组电量降低,方便后续进行有价金属回收。

电池拆解:目的是将模组或单体电池拆解为各个有价组分,方便后续过程的精细化回收。

材料回收:是指通过物理回收、湿法回收或火法回收的工艺提炼出有价值的金属

1.5 三种直接回收工艺:物理、湿法、火法

动力电池电解材料的回收工艺主要包括物理回收、湿法回收、火法回收:

物理回收技术:将废旧动力电池内部成分,如电极活性物质、集流体和电池外壳等组分经过破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎和分类等一系列手段,得到有价值产物,然后再进行下一步回收的过程核心工艺为粉碎筛选后进行材料修复,是比较纯粹的物理过程,代表企业为赛德美。

湿法回收技术:将废旧电池拆解预处理后溶于酸碱溶液中,萃取出部分有价值金属元素,再经过离子交换法和电沉积等手段,提取出剩余有价值金属。湿法核心工艺是对电极粉加入化学试剂浸出和提取

火法回收技术:剥去电池外壳,将电池内芯与焦炭、石灰石混合,经还原焙烧,得到金属锂、钴、镍、铝等组合成碳合金;电解质中的氟、磷等被固化在炉渣中,可用于建筑材料或混凝土的添加剂。然后进行深加工处理,整个过程在高温下完成。火法核心工艺是高温热解,从而得到金属氧化物

1.6 三种工艺对比:湿法回收效率最高、工艺成熟,为当前主流工艺

✓ 物理回收工艺简单,不用消耗额外的化学品,环保性最好,但回收效率低。

✓ 湿法回收工艺的有价金属回收率较高,对设备要求不高,工艺成熟;但工艺复杂且不同类型锂电池需专门的湿法工艺,成本较高,同时处理不当会造成环境污染。

✓ 火法回收工艺相对简单,兼容性较高,适合大规模处理种类繁杂的废旧锂电池;但能耗要求高,对设备要求高环保压力大。

湿法回收是主流工艺。湿法冶金由于能耗较低、回收率较高、产品纯度高、对设备要求不高等特点受到广泛认可。湿法冶金处理废旧电池的主要步骤包含前处理、预处理、酸/碱液浸出、浸出液除杂、分离萃取、元素沉淀,湿法回收工艺核心部分为金属材料的浸取过程,通过使用无机酸或有机酸将金属以离子回收到酸溶液中。

1.7 国内企业工艺选择:三元→湿法、火法,磷酸铁锂→湿法、物理法

对于废旧三元电池回收来说,国内大部分企业湿法+火法为主,节省成本的同时保证了高回收率,主要企业有格林美、邦普循环等。

对于废旧磷酸铁锂电池来说,目前还处于起步阶段,只有少数几家已具备回收处理能力,比如格林美、赣锋循环、赛德美等,其中赣锋循环在2021年磷酸铁锂回收市场中占有率排名第一;其他如邦普循环,天奇股份、光华科技等均处于中试或初建产线阶段。从工艺来看,国内企业大多选择湿法或物理法,因为物理法成本低,可以很好解决废旧磷酸铁锂电池回收经济性不足的问题,但物理法稳定性较差,未来将和湿法工艺优劣互补,齐头并进。

四大驱动力

助推动力电池回收行业高景气,2027年市场规模有望超千亿

2.1 驱动力一:废旧电池的污染性+资源性带来环保诉求和经济价值

废旧动力电池回收有利于减少环境污染,促进稀缺资源的循环利用

废旧电池的污染性:废旧电池中的六氟磷酸锂具有强烈的腐蚀性,遇水或高温后会产生有毒气体氟化氢,氟化氢易溶于水,能产生具有极强腐蚀性的水溶液。人体吸入氟化氢后,会对上呼吸道造成强烈刺激。磷酸铁锂电池中的有机溶剂及其分解、水解后的产物会对大气、水体、土壤造成严重污染;铜等重金属在环境中累积后,最终也会通过生物链传递危害人类健康;磷元素一旦进入湖泊等水体,极易造成水体富营养化。三元锂电池对环境的危害大于磷酸铁锂电池,在其电极材料中包含有镍、钴、锰、氟等物质,如果这些物质得不到科学处置,会对土壤、水体造成长达50年的污染,负极材料中包含的碳和石墨也会对空气造成粉尘污染。

废旧电池的资源性:动力锂电池中含有大量高经济价值的稀土元素和有色金属,如钴、锂、镍、铜、铝等,金属含量高于矿石。回收利用废旧动力电池中的不可再生资源,不仅具有重要的经济价值,还可以缓解当前矿产资源紧缺的问题,对降低电池生产成本、推动电动汽车产业发展等方面具有重大意义。

2.2 驱动力二:退役潮与原材料价格高涨,动力电池回收需求高赠

新能源汽车快速增长,动力电池迎来退役潮,动力电池回收需求迫切。自2015年中国新能源汽车产量开始放量,新能源汽车销量不断攀升,2022年销量已达688.7万辆。在新能源汽车的带动下,动力电池装机量快速增长,2022年中国动力电池装机量达294.6GWh。考虑到目前新能源汽车动力电池的平均使用寿命在5年左右,我们判断动力电池在未来2-3年内将迎来大规模退役潮,动力电池回收需求迫切。

受上游原材料资源约束,原材料价格持续上涨,带动回收端价格上涨,助力电池回收。在新能源汽车销量快速增加以及我国锂电池原材料对外依存度较高的背景下,上游镍、钴、锂等原材料出现供需失衡导致原材料价格暴涨,给下游动力电池企业造成极大的压力,而回收动力电池将实现锂电池原材料的再利用,有效缓解我国电池金属的供给约束;同时,锂电池原材料价格大幅上涨提高了动力电池回收的经济性,有助于改善回收企业的盈利能力

2.3 驱动力三:国家政策大力支持动力电池回收行业发展

国家陆续出台关于动力电池回收利用的政策以及国家标准,涉及汽车动力电池设计及生产、编码溯源、回收、运输与贮存、梯级利用、再生利用等诸多方面。随着国家政策和标准的逐步健全和完善,我们预计回收行业的技术和标准化水平将得到进一步提高。

2.4 驱动力四:“碳贸易壁垒”下电池回收成动力电池企业出海“必修课”

海外动力电池高需求+高价格弹性+本土产业链保护,推动中国动力电池企业出海。据科尔尼数据,欧洲、美国在2021-2026年的动力电池需求CAGR分别为37%、45%,海外动力电池需求较高。同时,海外较高的能源成本使得动力电池的价格弹性较高,中国企业出海可获得比国内更高的毛利率。另外,随着欧美各国对本土产业链的保护,纷纷出台政策推进电池本土化生产,我国动力电池产品出口受到一定的限制,驱使中国动力电池企业必须出海。

动力电池企业出海遇减碳挑战,“碳贸易壁垒”下电池回收成“必修课”。动力电池正负极材料都属于高能耗产品,目前多国政府为实现“碳中和”推出了日益严苛的碳排放监管政策,越来越多的整车厂对动力电池的提出了全生命周期的环保要求,动力电池的回收成为动力电池企业出海的必修课。

✓ 欧盟作为第二大电动车消费市场,是中国动力电池企业出海的主要目的地。欧盟2020年12月就发布了新电池法的提议草案,废除欧盟现行电池指令,实施方式由“指令”变为“法规”,以确保投放到欧盟市场的电池在整个生命周期中都能做到可持续、高性能和安全,该法规拟于2022年1月1日起实施。

欧盟规定,到2024年7月,电动汽车电池随附的技术文档中应包含根据授权法案起草的碳足迹声明;到2025年,电池中钴镍铜的回收率需要达到90%,锂的回收水平需要达到35%

2.5 预计2027年动力电池回收市场规模达1300亿元,5年CAGR达29%

根据动力电池分类型装机量得到动力电池退役量:根据中国汽车动力电池产业创新联盟的统计和预测,2017年至2022年,我国动力电池装机量分别为36.4/56.9/62.2/63.6/154.5/294.6GWh。三元电池的正极材料主要分为NCM111、NCM523、NCM622和NCM811系列,根据Evtank、高工锂电等的统计,依据年度各系列产量的比例分别估计各年度各系列三元电池的装机量,从而得到动力电池退役量。

动力电池使用寿命假设:运营车辆的动力电池使用寿命一般为3年左右,家用车辆5-6年。假设动力电池服役期限为5年,由于三元电池退役后适合直接拆解,因此三元电池的退役期限假设为5年。磷酸铁锂分为直接拆解和梯次利用,假设第i年磷酸铁锂电池直接拆解规模为Ai,梯次利用规模为Bi,则直接拆解的电池寿命为5年,梯次利用部分的电池寿命假设延长3年,则第i年的磷酸铁锂的拆解回收规模为Ai+B(i-3)。

回收规模测算:根据测算,2022-2027年我国三元电池总回收规模分别为16.01/33.1/40.5/38.9/74.4/110.4GWh,磷酸铁锂电池总回收规模分别为12.6/13.3/15.5/18.6/34.0/51.4GWh。

不同类型电池正极材料的重量估算:

✓ 根据芳源股份招股说明书,假设磷酸铁锂电池、三元NCM111电池、三元NCM523电池、三元NCM622电池和三元NCM811电池的 能 量 密 度 分 别 为 150Wh/kg 、 155Wh/kg 、 165Wh/kg 、175Wh/kg、210Wh/kg,以此估算出2022-2027年各类型电池的回收规模(万吨)。

✓ 根据各类型电池中金属元素的比重,分别估算出预测期间每种金属的回收规模(万吨)。

动力电池回收的市场规模:

金属价格假设:根据SMM、安泰科数据,2022年碳酸锂、锂、镍、钴、锰的价格分别为全年价格的平均值,2023年及以后为金属价格回归正常价值的合理假设。

回收率假设:根据《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》规定镍、钴、锰的综合回收率应不低于98%,锂的回收率不低于85%,稀土等其他主要有价金属综合回收率不低于97%,因此假设镍钴锰的回收率为98%、锂的回收率为85%。

市场规模测算:根据我们测算,2022—2027年动力电池 回 收 中 有 价 金 属 的 市 场 价 值 分 别 为 369.71 亿 、543.07 亿 、 525.22 亿 、 546.50 亿 、 803.35 亿 和1300.41亿元,5年复合增长率为29%。

竞争格局

参与者众多,技术与渠道铸就电池回收企业核心竞争力

3.1 竞争格局:参与者众多,呈“小、散、乱”局面

动力电池回收市场处于行业发展初期,尚未有龙头企业出现,竞争格局暂时呈现“小、散、乱”的局面。2013-2021年间,动力电池回收企业注册量由214家激增至2.5万家,参与者众多,几乎覆盖新能源汽车产业链条,涉及整车厂、电池厂、材料厂和第三方回收企业等不同背景。

动力电池“身份证”维护追溯尚未畅通,回收政策尚未完善,同时回收电池企业的资质要求较高,导致行业内小作坊数量远多于正规军。截止2023年1月10日,在工信部累计发布的四批动力电池回收白名单企业中,累计上榜企业的数量仅超80家,正规回收企业数量有限。

早在2016年,我国已发布《生产者责任延伸制度推行方案》,方案指出电动汽车及动力电池生产企业应负责建立废旧电池回收网络动力电池生产企业应实行产品编码,建立全生命周期追溯系统。但由于缺乏强制性政策,企业在上报数据时存在信息严重滞后、不完整和追溯困难等问题,同时方案也未明确电池回收的权责关系,导致行业无序竞争。另外,目前的政策法规对车主如何处理电池并没有约束力,导致消费者手中退役动力电池以高价的形式流向了非正规回收渠道,小作坊在电池回收利用中,放弃了检测、放电等多项关键环节,同时操作人员也未经过专业培训,因此在运营成本上较正规企业低许多,从而在议价权和电池收购成本上有了更多空间,与正规企业产生了恶性竞争。

3.2 渠道+技术构筑动力电池回收企业的核心竞争力

动力电池回收行业面临以下四重壁垒,渠道+技术构筑动力电池回收企业的核心竞争力。

1)渠道壁垒&技术壁垒:目前退役电池的量小于各企业的回收产能,因此存在一部分回收企业拿不到退役电池,并且只有拿到的回收电池量足够多,设备利用率高,回收才具备经济性,因此回收渠道直接影响动力电池回收企业的产能及回收成本,建立稳定畅通的回收渠道是回收企业最重要的成功因素之一;而回收技术直接影响动力电池的回收率,是决定动力电池盈利的关键因素;总而言之,渠道和技术能力是动力电池回收企业的核心竞争力,随着近年来动力电池回收企业加大技术研发能力,我国动力电池回收专利数量呈稳步增长趋势。

2)管理壁垒&资金壁垒:动力电池回收企业的上游涉及车企、电池厂、储能企业、报废汽车拆解商等,企业自身亦需要全国建立回收服务网点,梯次利用则需要与不同应用场景的企业打交道,因此需要强大的资源整合及管理能力。另外,动力电池回收企业回收电池或废料时一般都要求现款结算,而在出售产品时,面对下游材料厂或电池厂话语权较低,因此会有一定的账期,企业需要承受较大的现金流风险,具有一定的资金壁垒。

3.3 四种回收模式:①新能源汽车生产企业为回收主体

根据回收主体的不同,当前可以分为四种商业模式:分别是以新能源车企、电池厂、第三方厂商以及动力电池联盟为主体的模式;

模式1:新能源汽车生产企业为回收主体,新能源汽车报废后的动力电池主要流向汽车拆解企业,整车厂与报废汽车拆解企业达成合作,回收这部分电池。对于新能源汽车使用过程中产生的报废电池,也可以利用现有汽车销售4S店、售后服务点建设回收服务网点进行电池替换和回收,代表企业有比亚迪、蔚来和特斯拉等。

渠道优势显著,专业性不足。目前车企依托4S店及维修点,布设了万余个回收网点,具备现成的回收网络,因此回收成本低、效率高、信息反馈快且易于管理。在目前在工信部公布的近1.5万个新能源汽车动力蓄电池回收服务网点信息中,汽车生产商的服务网点占比在95%以上,整车厂渠道优势显著,但回收产品以本品牌为主,前期容易开展,但受专业性和安全性的影响,长期发展可能会受限。

3.3 四种回收模式:②动力电池生产企业为回收主体

模式2:动力电池生产企业为回收主体,将汽车4S店、售后服务点和动力电池租赁网点发展成为动力电池回收网点,通过逆向物流方式回收动力电池,并将原有的正向物流中的配送中心改建为回收集中贮存点进行贮存、检测和分类,具有梯次利用价值的电池被梯次利用,残余价值较低的电池经过再生处理后,直接流向电池制造的原材料端,代表企业有宁德时代、蜂巢能源、中航锂电和国轩高科等。

有利于打造产业闭环,减少对上游原材料企业的依赖,但回收渠道需要与整车厂合作,有一定回收成本。由于电池厂商的上下游协同场景多,有利于电池企业打造产业闭环,商业模式最为稳定,减小企业对上游原材料的依赖,降低动力电池生产成本,回收情况亦可反馈生产环节以改进电池性能。但回收渠道需要与整车厂、4S店合作,有一定的回收成本,对管理能力要求也较高,运作规模和回收产品易受到限。

3.3 四种回收模式:③第三方综合利用企业为回收主体

模式3:第三方综合利用企业为回收主体,主要以梯次利用或综合利用工厂为中心。这类企业一般有多年的回收运营经验,建立了相对稳定的回收网络,对回收网点、集中贮存点的建设和物流运输管理经验丰富。同时,综合利用企业可以与汽车拆解企业建立稳定合作关系,回收报废汽车上拆解下来的动力电池进行综合利用,代表企业有格林美和天奇股份等。

专业性强,但需要自行建立回收渠道。第三方综合利用企业专业性强,主要通过与整车厂商、电池厂商达成深度合作的方式来形成稳定的电池供应源,通过回收网点、集中贮存点、汽车拆解企业进行回收。由于第三方企业的知名度不如电动汽车生产企业和动力电池生产企业,消费者对其回收网络的认可度较低,在前期可能会是一个挑战,因此还需要为回收出来的资源或梯次利用的电池寻找出路,回收费用较高、难度较大。

第三方综合利用企业以更高的电池材料回收率或完善的环保配套设施而更具技术壁垒。参与企业主要分为两类:

(1)由产业链向两端延伸的锂电材料企业,技术优势显著,布局回收有利于企业获得低成本的原材料。代表公司有天奇股份、格林美等。

(2)专注于商业化回收利用方案,以形成规模效应的专业第三方环保企业,主要通过实现拆解自动化及改善工艺来提高盈利能力。代表公司有超越科技、旺能环境和浙富控股等。

3.3 四种回收模式:④动力电池产业联盟为回收主体

模式4:动力电池产业联盟为回收主体。以组建由动力电池生产企业、新能源汽车生产企业、第三方综合利用企业组成的产业联盟,发挥生产企业的网点优势和综合利用企业的专业优势,优势互补、强强联合,共同建立动力电池回收网络体系。

产业链模式回收效率高,回收成本低,管理要求高。

优点:产业联盟模式的专业化分工保证了整个回收链条的完整性,回收效率高,运作规模最大,回收成本低。对于系统建设投入很低并可快速启动,由于负责各个环节的企业先前已经在相关领域有所布局,因此在回收环节额外投入的财力物力相对较少,为快速建立回收网络并进行运转提供了可能。

缺点:由于动力电池是新能源汽车的核心零件,属于各个厂商的核心机密,即使在末端拆包回收环节各个企业也是严加管控,为保护核心技术,各企业可能会形成彼此隔离的独立联盟,可能对统一化、标准化管理提出挑战。

上下游协同合作是行业发展趋势,因此我们预测,产业联盟或将成为未来主流模式,目前已初具雏形。上下游协同合作是促进行业发展的有效途径,目前国内已经成立的联盟包括中国汽车动力电池产业联盟和中国动力电池回收与梯次利用联盟。

总结四种废旧动力电池回收模式的优缺点如下:

✓ 新能源汽车模式现成的回收网络广泛,渠道优势最显著,回收成本低且效率高,但技术储备较少,电池回收专业性不足;

✓ 电池厂商有利于打造产业闭环,商业模式稳定,但管理要求较高;

✓ 第三方厂商专业性强,技术优势最显著,但需要自行建立回收渠道,话语权较小,规模壁垒较高;

✓ 动力电池产业联盟模式回收效率高、成本低,运作规模最大,但管理难度大,目前还处于发展初期,未来有望成为主流模式。

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