電動車的心臟-電池的產業價值鏈現況

     作  者: 陳靖惠

     產出單位:金屬中心

     產出領域:運輸工具

     出版日期:2009/07/10

一、前言

在電動車的發展歷程上,由混合電動車開始已逐漸推展到純電動車,而以純電動車普及實用化的角度來看,最核心的關鍵就在電池的技術.電池的整個產業價值鏈(如圖1)從最上游的正負極材料資源,中游的電芯及pack,到下游終端的汽車應用,如何有效的進行整合來提昇台灣在電池領域發展的競爭力,是我們當前極需去思考的問題,因此底下我們就從電池的上游及中游分別加以探討。

圖1 電池產業鏈

二、上游原材料

談到這個,我們就必須先從整個電池的種類來看,根據電能產生的方式,電池可分為「化學電池」、「物理電池」、「生物電池」等三大類,而目前我們在各種場合、各種用途所使用的電池,幾乎都屬於「化學電池」,「化學電池」還可再分成「一次電池」、「二次電池」和「燃料電池」。「一次電池」是指使用完便不能再使用的電池,像是我們生活上常用的「錳鋅乾電池」、「鹼性乾電池」等;「二次電池」則是當電能用完後,經由充電又可以重複使用的電池,就是目前電動車所發展的電池。而「燃料電池」,則是與一次電池及二次電池不同,它是以電池內部所生之化學反應的物質為燃料,並透過外部不斷供應燃料的方式,進而持續製造電能的一種電池,目前受限於各國的技術發展,因此所謂的燃料電池是以利用氫、氧為燃料的電池為主,整個電池的分類架構繪製如【圖2】所示。我們可以從【圖2】清楚看到,現階段純電動車所談論的電池,則是指可充電重複使用的二次電池。

2 電池分類圖

二次電池最上游的正極材料礦資源,包括鋅、錳、鉛、鈷、鎳、磷、鐵、鋰及各種化合物,其中鈷和鋰用量最大,但是在全球的蘊藏量有限的情況下,使得目前各大車廠皆以能否有效掌控金屬礦源為主要的競爭方向。

鈷酸鋰是最早實現商業化應用的材料,技術發展至今已經非常成熟,並己廣泛應用在小型低功率的可攜式電子產品上,如手機、筆記型電腦、電子產品等,由於終端應用的需求增長,導致鈷酸鋰最高攀升至台幣240/噸,前一陣子受到金屬危機的影響最低回檔到台幣80/噸左右,毛利始終能維持在10%以上,因此市場上對於鈷酸鋰的行情,依然表現的十分樂觀。

鎳氫電池在汽車動力系統的應用上曾經有過不俗的表現,如Toyota Prius。但由於記憶效應的問題以及製造成本高,目前已有逐漸被取代的趨勢,現階段,磷酸鋰鐵電池是最被看好的產品,據統計,2008年全球供應量達1500噸,其中A123供應750噸,佔全球一半的量,成為目前全球最大的供應商。而根據Advanced Automotive Batteries的推估,2015年全球車用鋰電池的產值將高達40億美元。

鋰電池的上游材料除了正極材料之外,尚有負極材料、電解夜、隔離膜等,其詳細材料結構如【圖3】所示。

3 鋰電池的上游材料結構

隔離膜是鋰電材料當中技術門檻最高的一種高附加價值材料,毛利率可以維持在70%以上,占鋰電池成本的20-30%,全球能生產隔離膜的廠商屈指可數,如日本Asahi、美國Celgard及日本的Tonen。也由於隔離膜一直受制於國外幾個大廠,導致其價格居高不下,從而使鋰電池的原料成本提高。若從台灣自行投入研發或投資的 角度來看,隔離膜是典型的「高技術」、「高資本」的產品,而且從啟動到投產運行的週期需要花很長的時間,整個投資風險偏高,因此台灣在此塊僅有唯一的一家廠商投入。

電解液是影響鋰電池性能一重要材料,占鋰電池成本約12%左右,毛利率也高達40%,而電解液的主要材料LiPF6,占成本的50%,其生產成本約台幣40/噸,售價可高達每噸台幣160萬元,毛利率高達75%LiPF6所使用的矽石和碳酸鋰,其身價也因為如此而水漲船高,金屬中心研究員陳靖惠就曾在5月的一場簡報中指出,全球碳酸鋰的蘊藏量以玻利維亞最高,佔了全球49%的量,因此,歐美及日本廠商,皆已紛紛擁入玻利維亞以尋求穩定的電池礦源。很值得注意的是,目前台灣並未有廠商能夠生產LiPF6,市場幾乎已快被日本的幾家大廠所壟斷,像是關東電化學工業每年生產LiPF6950萬噸,SUTERAKEMIFA每年生產800噸,森田化學年產960噸,用於三菱汽車,而該公司在中國大陸江蘇揚子江化工園有一年產600噸的生產線,目前全球電解液的供需處於平衡,2008年總共消費約10億噸,主要就是供應鋰電池市場。未來一旦電動車實用化,更將為電解液帶來爆發性的成長。

負極材料、黏接劑、導電膠、極耳、鋁塑複合膜等在電池成本中所佔比例不高,其中負極材料台灣有中碳、莊鏵等代表性廠商,其他材料仍然大部分由日本及歐洲大廠壟斷,詳細參見【表一】。

表一 其他上游相關材料及供應商

三、中游電池芯

鋰電池產業鏈中游的電池芯製造和PACK組裝,相對而言是一個勞動密集型的產業,其中不乏像SONY、三洋、三星、LGBYDATL、大陸BAK等大廠,台灣中游電芯廠目前以能元科技是最具潛力的廠商,這些廠商共同的特性是,資本實力強、品牌知名度高、技術成熟,而且有多樣生產及量產的能力,也由於如此,要投資一個能與國際競爭的中大型電芯廠,至少需要台幣30億元以上的資本,不過這是算是電池環節裡的核心,若想真正掌握電動車之鋰電,就必須要先從擁有自己的電芯廠開始,這應是台灣政府所應該加以扶持並推動的方向。

四、結論

新能源汽車的發展中,鋰電池在未來的十年將扮演最重要的角色,但是也由於鋰電的技術門檻最高,利潤最集中,因此成為各國廠商積極在努力的方向。目前阻礙動力鋰電池發展的瓶頸除了安全性的問題之外,就屬電池管理系統為最關鍵的項目,由於汽車動力電池的工作電壓是12V24V,而單個動力電池的工作電壓是3.7V,因此必須由多個電池串聯而提高電壓,但由於電池難以做完全均一的充放電,因此導致串聯的多個電池組出現充放電不平衡的狀況,進而影響電池的壽命及續電力。

基本上,動力鋰電池要得到很好的應用,技術上需要從材料、管理系統、機械加工等多方同時考慮,因此非常需要上、中、下游共同合作,依台灣發展電動車的策略來看,若核心上游原料無法本地化,那麼發展就勢必得受制於人,如何以電池為核心,對上游材料、管理系統提出需求,形成一個完整產業群,來大幅度的降低成本,是台灣迫切應思考佈局的方向。