2021年全球动力电池产量将高于需求40% 电池制造成本将再降20%

SMM网讯:

全球动力电池的产量预计很快将高于全球动力电池市场需求的40%左右,进而给这个行业造成了巨大的价格压力。动力电池产量的增长速率远超过了需求增速,将会导致动力电池产品的价格不断下降。

生产商必须降低生产成本

通过改进工厂结构、工厂数字化和工厂流程来向未来工厂过渡,电池制造商可以减少每千万时电池组的成本约20%。除材料外的电池生产过程成本有望降低20~35%。采用数字技术可以降低成本,进而推动经济研发新电池材料以及相关的机械设计。

每个利益相关者必须采取行动来捕捉利益

电池制造商必须对现有的工厂设备进行数字化升级或者新建具有未来工厂概念的工厂。未来的电池工厂可以通过降低美国和西欧汽车制造商的抵岸成本,从而在2030年之前达到与燃料汽车进行价格竞争的水平。

电动汽车的时代即将到来,电池将逐渐成为移动的主要动力来源。为了获得市场份额,实现规模经济,电池生产商需要大幅提高生产能力。但是这一做法可能会造成整个行业的经济下滑。

BCG预计2021年,全球电池产量将高于需求量约40%,这将给电池价格造成巨大压力。即便是新兴的电池生产商也不得不通过大幅降价来获取竞争激烈市场中的销售份额。电池生产商只有通过降低电池的生产成本,才能在确保利润的前提下降低销售价格。

BCG研究发现,在产能过剩的市场,提高电池生产的运行性能是提高市场竞争力的最有效途径。电池生产商只有通过实施未来工厂的概念,利用工业4.0的技术来改进工厂结构和工厂流程,才能提高生产运行效率。(参阅波士顿咨询公司(BCG),《2016年未来工厂研究》)

通过向未来工厂转型,电池生产商可以降低资本支出、日常开支同时提高收益率,从而可以降低每千万时电池组的成本约20%。20~35%生产成本(不包括材料)的降低可通过电池生产的重要环节:电极生产、电池组装、电池完成。其中,在电极生产过程中,通过缩短干燥时间,生产速率得以提高,同时生产设备的成本也相应地降低。在电池组装环节,数据驱动的自动化参数设置提高了生产精度同时缩短了生产时间。在电池完成出厂中,通过缩短成型和老化的时间,资本花费可以大大减少。

电池生产商和汽车制造商必须采取相应的措施才能有效地降低这些生产成本。生产商可以对现有工厂的结构和流程进行数字化改造并设计成为未来工厂。对美国和西欧的电动汽车制造商而言,电池未来工厂的实现将促使电动汽车在2030年之前具备与传统燃料汽车竞争的价格水平。

低成本电池市场的需求正在迅猛增长

低成本电池市场的需求正在迅猛增长

通过对电动汽车的预测,我们估测了电池的市场需求。(见示图1和电动车引爆点:电动化、自动驾驶和共享出行—汽车行业的未来,BCG的焦点,2018年1月。)模型考虑了四种电动车的电池容量要求和使用率,具体的假设如下:

中型混合动力电动汽车(MHEVs)有一个内燃机和一个电池容量约为5kWh的小功率动电动机。我们假设到2030年,MHEVs将占全球汽车市场的15%。

混合动力汽车(HEV)有一个内燃机和一个电池容量约10kWh的中型电动机,同时假设2030年的市场份额约13%。

插入式混合动力电动汽车有一个ICE和一个电池容量约为18kwh的大功率电动机,假设2030年的市场份额仅为6%。

纯电动汽车(BEVs)有一个由大容量电池供电的电动机。根据不同的车辆类型,电池的容量最高可能达到110kWh,同时假设2030年,BEVs的市场份额将占14%左右。

BEVs将占电池容量市场需求的最大的份额。为了深入了解不同BEVs对电池的市场需求,我们对四种类型的BEVs及其电池容量进行研究。

城市车。这种小型车通常适合在城市内短途行驶。其电池可通过车库或街道插座的标准电压隔夜充满。我们预测这一类型的汽车将在2030年占BEV市场份额的20%左右。

家庭轿车。这类车适合中程,城市间的行驶。电池需要通过高功率充电桩进行充电,充电的时间大约30分钟到60分钟。预计将在2030年占BEV市场份额的40%左右。

高档车。这类车是BEV中具有功率最大发动机的电动车,其行驶路程可达到500英里。电池完全充满将大约需要2个小时。充电15分钟,至少可行驶125英里。预计这类车在2030年占BEV市场份额约25%。

自动驾驶出租车。这类车将用于城市交通。先进的车队管理和适用于大功率电站的快充技术(10~15分钟)可以允许行驶里程达到125英里。无人驾驶车将会卖给车队管理公司,而不会卖给消费者。同时我们预计2030年这类车占BEV市场份额的15%左右。

基于这些假设,电池的年需求量将从2017年的70千兆瓦时到2030增长到800~900千兆瓦时。

汽车制造商不仅需要更大的电池容量来满足电动汽车的需求同时也渴望更廉价的电池。现阶段行业的基准水平表明,动力传动系统(包括电机、电力电子和电池组)将占BEVs成本的50%以上。相比之下,内燃机汽车的动力传动系统仅占传统汽车成本的16%左右(见示图2)。电池组(包括电池管理系统)占据整个车辆成本的35%左右,是主要的成本支出。因此,那些试图降低BEVs成本的公司必须实现一个目标:降低电池组的成本。

内燃机汽车的动力传动系统仅占传统汽车成本的16%左右

一个电池组由多个电池模块构成,而一个电池模块通常又包含6~12个电池。其中,电池是成本最高的部件,约占电池组总成本的70%。现阶段,尽管大多数大型汽车制造商将电池生产业务外包给电池生产公司,但是汽车公司内部仍将继续进行电池的模块和封装。这是因为电池模块和封装是决定电动汽车的行驶里程和充电速率的主要因素,而汽车制造商希望可以控制电池组使用和冷却的空间。未来将会使电池组在汽车设计中更加重要。

规划的产量将对价格造成压力

为了通过规模经济效应降低电池生产成本,主要的电池生厂在过去的一年里相继宣布将增加产能。例如,中国电池制造商宁德时代宣布将在欧洲建立第一家动力电池生产工厂地址选在了德国,而美国汽车制造商特斯拉(Tesla)则表示正在考虑在德国建立一家电池生产厂。随着中国制造产能增长速度保持领先,未来超级电池工厂预计将在亚洲诞生。

到2021年,全球电池装机总量将增加一倍以上。尽管全球对动力电池的需求量大幅增长,但短期内仍赶不上电池的计划产量。预计到2020年全球大约有40%的电池产能将闲置,而在中国这一数字将超过60%。此外,许多新增生产电池设计的工厂很快将被淘汰。

为了充分利用电池厂的产能,电池生产商需要大幅降低电池价格。事实上,我们预计未来10年内价格将会减少50%以上。太阳能电池板行业就是一个典型的例子:2006年—2015年太阳能电池行业产能过剩35%导致其价格下跌了50%以上。

电池价格下降将导致制造成本相应的减少,从而才可以确保生产利润。截止到2021年,每千瓦时的成本将从2018年的195美元降至153美元。相比之下,2010年的预测结果对生产商而言更有利,即2010年预测的2021年盈利生产成本为270美元/kWh。2018年的预测值已经相对减少了28%。

基于当前的预测,2021年中型电动汽车电池组的价格将在7600~10700美元之间。在这一情景中,这种类别的电动汽车和内燃机车的差价将降至5000美元以内,从而使得BEVs具有与内燃机车竞争的价格水平,尤其是考虑购置电动车的税费减免政策。尽管低差价将促进BEVs的使用,但是这并不能消除未来电池产能过剩的现象。

电池生产商必须找到由产能过剩所引起的价格压力的对策。那么想要凭借创新产品进入这个行业的公司面临着一个额外的挑战,即在实现规模经济之前,不得不应对更低的价格。

解决方案:降低电池生产成本

由于电池约占电池组总成本的70%,因此电池生产是实现电池组降价目标的最重要的一步。生产成本(不包括材料)占电池成本的30%至40%。(模块和封装成本不在我们的讨论范围内)

电池生产成本通常采用生产成本与能量(kWh)的比值来表示。目前降低电池生产成本的两种主要方式:提高制造精度和先进的化学物质来增加同等体积和质量下的能量值(即为能量密度)同时应用未来工厂的元素(这可以改进工厂结构和流程以及增加工厂数字化)来降低制造成本。这些方法同样也可以用于电池模块和封装过程中,从而能够在整个电池生产上降低成本(见示图3)。

降低电池生产成本

目前这个行业主要关注于第一种方式。对于现阶段的锂电池技术,其对应的电池能量密度在400WH/l-450WH/l之间。我们预测到2030年其能量密度将增加到650WH/l至700WH/l,这得益于生产精度的提高(能量密度增加150WH/l)和新型的化学材料(能量密度增加100WH/l至150WH/l)。然而由于传统的制造工艺(绕卷)生产误差比较大,因此这类工艺无法经济地实现上述两种方式对应的能量密度增加。

公司可以通过投资一种新的生产工艺(称为堆叠)来生产高能量密度的电池。由于过高的资本需求,通过他们自身的创新来增加电池的能量密度将不足以拯救整个行业的经济。而且电池生产商在生产过程中并没用充分重视数字化技术来降低生产成本。由于劳动力成本仅占整个电池生产成本的较小部分,未来工厂的概念是降低生产成本的最有效方法。

为了确定未来工厂如何降低电池制造成本,三个主要的步骤需要了解,其中每个步骤又包括多个过程(见示图4)。下面,我们将重点介绍每个步骤所占的成本份额,主要的挑战以及高成本过程。同时我们假设方形电电池将是电动汽车电池组的主要设计(参见侧栏“三种类型的电池设计”)

三种类型的电池设计

电极生产。这一步约占电池生产成本的39%,其中阳极和阴极是分开生产但是其过程大体相似,这一步的面临的主要问题是处理时间和产出率。在这一步骤中,涂层和干燥是最主要的成本因素。大体流程即为将活性材料浆料凃至薄金属箔上,接下来通过干燥过程除去溶剂。其中干燥过程大约需要2至6分钟,而这一过程具有高投资和高能耗的特征,因此是整个步骤成本最高的环节。此外,非计划停工导致的机器停机时间也会引起成本大幅增加。

电池组装。这一步大约占电池生产成本的20%。消除颗粒物的产生以及确保过程中的稳定性可以有效防止内部短路,进而避免电池永久失活。主要的费用源自于合成活性化合物。正如前文所诉,为了达到高能量密度,生产商须要在化合物的生产过程中采用堆叠技术。然而堆叠技术的复杂性以及必须缓慢处理化合物来确保精确性使其成为电池组装成本的最大因素。

电池完成。这一步骤约占电池成本的41%,其中形成和老化是成本最高的过程,这也表明了加工时间和产出率是这两个过程所面临的挑战。

在形成过程中,电池特性是通过多次充放电循环来建立的,这一过程是通过高昂的工作站完成,大约耗费2~10小时。而在老化过程中,成品的电池将放置几个周来确定是否存在微短路情况。在任何特定的时间,生产商可能需要将数十万个电池存储在仓库中,而这些仓库需要昂贵的环境控制和安全防范措施。因此,最大化生产率是这一阶段的主要挑战。

在未来工厂中,电池成本会下降20%

采用下一代数字技术可以让电池工厂从工业4.0成熟的早期阶段(运行状态透明)转化成为最先进的未来工厂设计(全自动工厂)。电池每千瓦的总成本可以减少高达20%,高于由生产精度提高和化学材料改进所节省的成本。生产成本(不包括材料)可在电极生产环节减少25%,电池组装环节减少20%,电池出厂环节减少35%。此外,电池的能量密度将提高10~15%。(将未来工厂的概念应用于模块和封装集成将进一步提供降低成本的潜力,但这里并没有考虑这一点。)

对降低成本特别有参考价值的四个未来工厂的案例:

预见性维护。预见性维护可以降低生产成本的7%至10%。由于计划停机和非计划停机都会极大地影响各种过程成本,而这一方法可以降低电池生产每一过程的成本。这些停运通常会使设备有效性降低5%到10%。其中影响最大的是涂层和干燥过程,其次是形成过程、材料的合成以及老化过程。智能检测机器的状态以及对预先修改参数设定可以预防非计划停机同时延长运行时间。智能化系统维修保养计划可以优化机器的运行过程,从而可以减少计划的停机时间以及维修时间,由此产生机器正常运行时间的增加使得生产商购置小容量的机器,进而减少资本成本。这个技术需要用到监测机器运行的传感器、工厂中的本地数据分析平台以及本地数据存储。

材料加工过程。通过提高电机的生产效率,材料相关的加工过程(例如测量阴极材料浆料的实际组成以控制涂层和干燥过程)可使电池生产成本减少8%。传感器测量材料质量并提供实时反馈,以便机器可以调整过程,例如可以减少干燥时间,或改变压延成型的压力。除传感器外,这项技术还需要本地数据存储、分析工具系列以及数据分析系统和机器控制系统之间的接口。

智能参数设置。在电池组成和完成阶段采用智能化参数设置可降低电池的生产成本约10%。生产商可以利用电极涂层精度的数据来调整电极成型和材料合成过程中的参数设置,从而可以使复合公差的范围由±1.0毫米减少至±0.1毫米。更高的精度会产生更高的能量密度,从而降低了每千瓦时的生产成本。生产商还可以根据实际的电极特性和电流电池参数来调节形成参数进而缩短形成时间。资本支出的减少、电池容量的增加以及电池波动减少这些都使得生产成本降低。而为了实现这一点,生产商需要一个中央数据库来存储工艺参数以及在相关工作站上进行的产品质量检测。此外还需要一个大的数据分析工具系列,实时连接到测量装配参数设置的传感器。

智能在线质量控制。在电池完成过程中采用大数据分析来提高电池的质量控制可以降低电池的生产成本约15%。这项技术需要测量整个生产链质量的能力、大的数据库(原生的数据存储库)以及一种支持实时分析的分析数据库。制造执行系统(MES)向分析工具提供关键的数据输入。所有的工厂都必须有MES,从而使得生产者可以分析制造参数和相关的质量测量,而这些分析又有利于实现产品质量和运输安全的全球工业标准。BCG研究发现,大多数电池生产商认为MES仅仅是一个成本因素而不具有收益潜力。然而,通过将MES与先进的分析工具相结合,生产者可以极大地降低生产成本。

电池生产的每一步都可以从这些例子中获益(参见示图5)。

电池成本

电极生产。在电极生产过程中,原材料成分的变化会产生大量的废料。例如,材料浆料和涂层模具的变化都会导致电极形状的中心线偏差,从而导致电极报废。现阶段,工厂主要通过增加电极的容差范围来克服这一问题,但这又降低了电池的能量密度。

在未来工厂中,材料加工过程使用内联过程控制以使得机器主动响应中心线偏差。搅拌和涂层机器装配有材料传感器来确定活性材料浆料的成分,并通过干燥、切割、压延成型机器站点的实时反馈对其进行调整。此外,压延成型以及真空干燥过程中的智能参数设置将允许基于压延前后测量的孔隙度和湿度进行自我调整。这种自我调整可以使得生产商缩小电极的公差范围进而增加能量密度。总体而言,涂层和干燥过程的智能化控制可以使干燥时间缩短约40%。此外,未来先进的机器人将替代人工操作的加载、设置和卸载任务来完成电极生产。

电池组装。电池组装过程中的精度直接影响了电池的能量密度。由于目前的装配机器通常采用统计过程控制方法,不适合对几何图形的局部变化进行调整,因此这限制了机器的精度,进而降低了能量密度。在未来工厂中,在线检查零件几何尺寸的智能化参数设置可以提高装配机器的精度,从而增加电池的容量。与采用固定参数设置的传统装配工艺相比,智能化参数设置可以提高电池容量约15%。

目前,装配机器具有较高的可靠性,能够生产出特定类型的电池、化学以及设计,这也意味着每当生产一个新产品,生产商不得不对重新投资新的装配机器,甚至还需要新建工厂。在未来工厂中,由智能化参数设置系统指导和先进机器人支持的模块装配机器可以生产出不同类型的电池,允许生产商可以在原有的生产线上制造出更多类型的电池—一种转换不同类型电池生产的能力。新增的产品可以是如存储等非汽车应用的电池

电池完成。在未来工厂中对电池进行装配时,生产系统会产生一个数字孪生—包括组件规范和进程内质量测量等数据在内的电池的多维数字表示。基于数字孪生的电池装配在线质量控制可以极大地减少物理检测站的数量。电解液的浸润以及预充电的参数都是根据数字孪生所得到的特征自动调整的。例如,电解液浸润装置可以根据电极生产过程所记录的材料性能数据来调整浸润过程中的压力和电解液的流动,从而缩短浸润的时间。

目前工程师主要根据经验而不是物理关联来设置形成工艺中的参数,造成所有电池的生产都采用相同的经验参数。然而事实上由于每个电池会存在一定的允许误差,因此固定的参数不利于电池性能的最优化。而在未来工厂中,生产者通过分析数字孪生中的数据在电池形成工艺中设置相对应的参数,因此可以实时调整过程参数进而优化电池性能。此外,在电极生产和电池组装过程中采用质量控制技术最大可减少20%的电池形成时间。

通过智能在线质量控制技术,记录整个生产链的产品测量数据,最大可将老化时间缩短80%。这种先进的分析技术可以帮助生产者确定每个电池是否发生微短路的问题而无需通过物理测量手段。通过数据分析后质量不达标的电池才会经历老化过程,即按需老化方法。由于这一方法可以有效的减少老化过程中的电池数量,进而减小仓库空间及相关的设备。

即使在电池组投入使用后,数字化技术还可以发挥作用。例如,通过分析行驶电动车的电池使用情况和电厂性能数据,进而优化电池的设计和制造工艺。

Battery Producers Must Retrofit Plants or Build New Ones电池厂家必须改造或新建智能工厂

这一步主要由工厂处于运营还是规划状态来决定。

现有的工厂。考虑到将工厂4.0应用到现有工厂所要面临的挑战,电池生产商应该将设备的改造投资控制在初始资本的10%以内。高的改造投资会导致长时间的停产,进而提高改造的成本。相比之下,新建生产线可能更加经济。为了选择并实施合适的技术,生产商应该采取下列的措施:

评估包括数字化应用程度在内的工厂现状并且确定生产链中成本最高的关键因素。

选择可以解决成本问题的新数字化技术方案。

对已确定的方案进行价值量化并排序:量化每个方案的潜在成本节省以及相关优点。

建立技术方案示范点并制定详细的实施路线。

规划阶段的工厂。对于处于规划阶段的工厂,生产商有更多的自由去全面打造未来工厂,下面的步骤有助于识别和获得其价值:

价绘制值流程图,对过程和成本自下而上进行总结。

确保工厂计划明确过程中所需的信息流以及采用高级分析所需的传感器、机器控制和相关工具

工厂设计中应详细介绍工艺流程和物质流以便为设备规范的指定和供应商的选择提供依据。

建立涵盖工厂生产初始阶段的详细路线实施图,并且向过程和产品设计的团队提供所需的工程测量和数据流信息。

Automakers Should Seize a Landed-Cost Advantage汽车制造商应该利用抵岸价格的优势

目前由内燃机汽车的制造转型为电动车的制造是一个很难的过程。建立未来的电池工厂不仅可以促进转型,而且还有利于汽车制造商与专注于电动汽车的设计和制造的初创企业进行有效的竞争。

如今,大部分电动汽车制造商从已经实现经济规模的生产厂家那里购买标准化电池。然而使用标准化电池会限制制造商对电动动力系统的设计。为了继续保持竞争力,汽车制造商需要针对不同车型规格定制不同的电池。例如可以通过增加电池寿命以及运行范围进而实现更好的车辆性能。

电池技术的进步使得电池定制设计成为可能,同时未来工厂可以有效地降低定制电池的成本。事实上,我们预计2030年以后,电力动力系统的专用化程度将超过现在内燃机的动力传动系统。

汽车制造商应该打破传统的供应商关系,与应用尖端技术领先的电池生厂商建立战略合作关系,从而尽早从这些先进技术中获益。这种战略伙伴关系可以帮助汽车制造商深入了解电池生产所面临的挑战,促使他们能够参与开发新的技术解决方案。同时汽车制造商和电池生厂商之间的密切合作也将使得双方能够迅速调整生产工艺以适应新的电池尺寸和化学成分,并将新的电池设计集成到车辆中。

从长远来看,汽车制造商建立自己的电池工厂来为未来的电动车生产定制电池可能会经济一些。作为行业的基准,每年10千兆瓦的产量可能是实现成本竞争力所需规模效应的下限。这对应于每年约150000辆电动汽车。根据最新的公告,很多大型汽车制造商正在努力实现在2030年前汽车年销售量不低于100万辆。在这样的销售水平上,电池内部生产将会成为经济可行的。而且考虑到他们在批量优化生产上具有几十年的经验,从而使许多制造商也可以优化电池的规模生产。

事实上,对于美国和西欧的汽车制造商而言,建立未来电池工厂(无论是供应商还是他们自己)可以极大地降低抵岸成本从而可以在2030年之前实现与传统内燃机汽车竞争的价格水平。此外成本的降低也会使得这些制造商可以同中国和东欧的同行进行竞争(参见示图6)。

成本的降低也会使得这些制造商可以同中国和东欧的同行进行竞争

中国和东欧现有以及正在建立的电池工厂没有应用未来工厂的概念,这为美国和西欧的汽车制造商创造了一个可以利用抵岸成本的优势。通过未来的电池工厂可以降低生产成本20%左右进而减少资本支出、全时间的花费以及能量消耗。由未来工厂带来的成本节省将使得美国和西欧汽车制造商的抵岸成本比中国的低12%和17%。此外,西欧电动汽车制造业的抵岸成本将比东欧的低。

通过应用未来工厂,电池生产商可以消除由于产能过剩而导致的低价格并且有助于整个移动行业实现电动汽车的潜力。仅通过优质的电池化学材料无法挽救行业的经济,因此必须减少制造成本以确保盈利性。未来工厂涵盖了实现这一目标所需的技术和系统,可使成本降低20%。最先完成未来工厂实现盈利的生厂商将成为整个行业的领军者。未来电池生产的竞争将从今天开始。

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