Как устроена экономика производства литий-ионовых батарей в России и мире: инвестиционный обзор рынка

Опубликованная ниже статья - это не обзор на конкретную дату и не анализ того, что с компаниями из анализируемой отрасли может произойти в ближайшем будущем. Мы постарались абстрагироваться от текущей конъюнктуры, и попробовали собрать самое главное о том, что влияет на рассматриваемую отрасль в долгосрочном периоде, включая закономерности, которым подчиняются основные составляющие денежного потока участников рынка. Как любая модель, данная статья представляет собой упрощение - сказанное ниже не обязательно будет в точности применимо к любой компании из отрасли. Тем не менее, мы надеемся, что статья будет полезна тем инвесторам и аналитикам, которым необходимо быстро познакомиться с отраслью, чтобы в дальнейшем выводы, сформулированные в статье, дополнить результатами собственного анализа на конкретную дату и для конкретной компании.

Цепочка создания стоимости

Батареи (аккумуляторы) - это устройства для хранения энергии, то есть они обеспечивают возможность разделить процесс генерации и использования энергии. Упрощенно, все используемые сегодня батареи можно разделить на три основных класса (по типу используемых электродов - т.е. катодов и анодов):

• Свинцово-кислотные (lead batteries) - используют в качестве электродов свинец. Наиболее традиционная сфера применения таких аккумуляторов - автомобили с двигателем внутреннего сгорания.
• Щелочные (alkaline) - используют в качестве электродов щелочи, никельметаллгидрид и никель кадмий. Небольшие батареи, которые в основном используют в пультах дистанционного управления, камерах видеонаблюдения, детских игрушках, радиоприемниках и пр.
• Литий-ионные - используют литий для положительных электродов и графит для отрицательных электродов. Такие батареи используют в электроавтомобилях и портативной электронике (прежде всего в смартфонах), а также в различных промышленных устройствах, предназначенных для хранения больших объемов энергии.

Батареи - сквозная технология, то есть они участвуют в цепочке создания стоимости в большом количестве отраслей.

Факторы спроса на литий-ионовые батареи

Существует пять основных видов литий-ионных батарей. Каждый из этих типов используют ионы лития для передачи заряда между катодом и анодом. В большинстве случаев анод делается из графита, а вот в качестве материала для катода могут быть использованы разные материалы. В соответствии с этим выделяют следующие типы батарей:

• Lithium cobalt oxide (LCO) - батареи на основе кобальтита лития (LiCoO₂). Данные батареи обладают хорошими техническими характеристиками, но для их производства требуется большое количество кобальта. Так как запасы кобальта в мире ограничены, это приводит к удорожанию их стоимости. Поэтому данный тип батарей используется в основном в портативной электронике (смартфонах, ноутбуках и пр.) и практически не используется в электромобилях. Связано это с тем, что емкость батарей в портативной технике в разы меньше, чем емкость батарей в автомобилях, и потребность в кобальте существенно ниже.
• Nickel manganese cobalt (NMC) - батареи на основе оксидов лития, никеля, марганца и кобальта. Существует три основных разновидности таких батарей: 1) NMC111 (простейшая разновидность, в таких батареях никель, марганец и кобальт используются в одинаковых пропорциях) 2) NMC622 (имеет более высокую энергоемкость и более низкую цену за счет меньшего использования кобальта - на каждые 2 части кобальта приходятся 2 части марганца и 2 части никеля) 3) NMC811 (теоретически, имеет наиболее высокую эффективность среди всех трех видов). Это основной вид батарей (в первую очередь NMC622 и NMC811), используемый при производстве электромобилей - данная технология разрабатывалась специально для этой отрасли. Ожидается, что за счет использования данного типа батарей удастся максимально снизить их стоимость и создать электромобили, ориентированные на массовый сегмент авторынка.
• Lithium nickel cobalt aluminium (NCA) - батареи на основе оксидов лития, никеля, кобальта и алюминия. Данный тип батарей был первой коммерчески-успешной попыткой заменить дорогой кобальт никелем в батареях. Данный тип батарей возможно использовать как в электромобилях, так и в портативной электронике.
• Lithium iron phosphate(LFP) - батареи на основе феррофосфата лития(LiFePO₄). Данный тип батарей в меньшей степени защищен различными патентами, поэтому выбирается за основу некоторыми производителями. Обладает неплохими технически характеристиками, подходит как для портативной электроники, так и для электромобилей. Данный тип батарей не использует кобальт.
• Lithium manganese oxide(LMO) - батареи на основе диоксида марганца (MnO₂). Данный тип батарей использовался в первых электромобилях (таких как Nissan Leaf), так как обладал высокой надежностью и относительно низкой себестоимостью. Недостаток данной технологии - относительно непродолжительный срок службы батарей.

Основным техническим показателем литий-ионных батарей является удельная энергоемкость. Она измеряется в киловатт-часах на килограмм. Чем больше этот показатель, тем больший объем энергии хранит батарея в пересчете на единицу своей массы. Это связано с тем, что, батареи должны обеспечивать, с одной стороны, длительный срок работы без подзарядки, а с другой - не должны слишком много весить. Батарея занимает существенный объем массы автомобиля и её большой вес приводит к росту расхода энергии на единицу пройденного расстояния (что является основным экономическим показателем при эксплуатации автомобиля). Аналогично, портативная техника предполагает возможность её простого перемещения с места на место, при высокой массе носимых гаджетов люди начнут отказываться от их использования.

Обращаем внимание, что выше речь шла именно про удельную энергоемкость в пересчете на килограмм веса, а не энергоемкость батареи в целом. Батарея состоит из большого количества ячеек, каждая из которых хранит определенное количество энергии. Варьируя количество ячеек, можно получать батареи разной емкости. Например, увеличив мощность батареи, можно повысить запас хода автомобиля без перезарядки. Но, увеличивая количество ячеек, мы также увеличиваем массу изделия, что уже, в свою очередь, влияет на объем потребляемой автомобилем энергии при движении.

На сегодняшний день необходимость частой перезарядки ограничивает возможность перехода на электричество в ряде автомобильных сегментов. Как правило, электромобили ориентированы на использование в городе, где люди перемещаются на относительно небольшие расстояния и имеют возможность перезаряжать свои автомобили ночью. По этой же причине электрическую тягу очень часто используют в автобусах, ориентированных на внутригородские перевозки. Уже несколько десятилетий электромобили применяются в сегменте складской техники, где расстояния перемещения ещё меньше. А вот в сегменте дальнобойных грузовиков, ориентированных на перевозки грузов на большие расстояния, электрификация идет гораздо медленнее.

Ниже приведены технические характеристики по основным типам литий-ионных батарей:

Сегодня технология LCO является основной технологией для портативной электроники (смартфонов, ноутбуков). Технологии NMC622 и NMC811 являются основными в сфере создания электромобилей. При этом в условиях нехватки кобальта и высокой патентной защите двух основных технологий перспективной и востребованной остается технология LFP. Две оставшиеся технологии применяются в среднем реже.

Спрос на литий-ионные батареи определяется спросом на конечные изделия, в которых они используются. Технология LCO является сегодня доминирующей при создании смартфонов, поэтому у данного типа батарей нет близких заменителей. А вот NMC батареи зависят от спроса на электромобили, которые конкурируют с автомобилями на бензиновых и дизельных двигателях. При этом стоимость батареи составляет 20-30% от стоимости электромобиля. Считается, что при падении её стоимости до 100 долларов за кВч стоимость традиционных и электромобилей сравняется (сегодня эта цена около 130 долларов за кВч). Это способствует резкому росту парка электромобилей и росту спросу на литий-ионные аккумуляторы.

Факторы предложения литий-ионных батарей

В краткосрочном периоде предложение литий-ионных батарей ограничено доступными мощностями производства и практически неэластично по цене. В долгосрочном периоде предложение литий-ионных батарей эластично и может быть легко увеличено по мере роста спроса путем строительства новых фабрик. Срок строительства нового завода по производству батарей составляет 3-4 года.

Технология производства

Принцип работы литий-ионных батарей

Существует несколько архитектур и конструкций литий-ионных батарей - на основе цилиндрических ячеек (cylindrical cells), карманных ячеек (pouch cells), жесткого корпуса с различными положениями для выступов (hard casing with a variety positions for the tabs). Однако вне зависимости от выбранной архитектуры производственный процесс состоит из трех основных этапов.

Первым этапом является изготовление электродов (катода и анода). Активный материал, проводящие агенты, растворители и связующее смешивают в суспензию, которая наносится на токосъемник (алюминий для положительного вывода и медь для отрицательного). После этого электроды сушат, чтобы добиться испарения растворителей. Чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение между суспензией и токоприемником электроды каландрируются, что заключается в их плотном прижатии. Далее электроды обрезаются до нужного размера.

На втором этапе изготавливается многослойная последовательность положительного электрода, разделителя (separator) и отрицательного электрода. Одна комбинация, состоящая из положительного электрода, разделителя и отрицательного электрода называется ячейкой. В готовой батареи таких ячеек много. Такие многослойные структуры создаются путем укладки или намотки. В зависимости от используемой архитектуры наматываются цилиндрические или карманные ячейки. После этого ячейки упаковываются в жесткую или мягкую оболочку и временно пломбируются. Ячейки проходят процедуру сушки, чтобы гарантировать отсутствие растворителей. После этого они заливаются электролитом и герметизируются.

На третьем этапе, для обеспечения стабильного и хорошего качества функционирования батареи, они проходят несколько циклов перезарядки. Эти циклы очень важны и влияют на срок службы батареи, так как с их помощью удается стабилизировать их химическую структуру.

Структура и основные драйверы себестоимости производства батарей

В таблице ниже приведена структура себестоимости для двух наиболее популярных видов литий-ионных батарей:

Как видно из таблицы, около 60% себестоимости - это расходы на материалы (различные элементы батареи). Эти расходы можно назвать условно-переменными. Особенно большую часть в себестоимости батареи занимает катод. Второй по значимости компонент - накладные расходы, они являются условно-постоянными. Туда входят расходы на амортизацию (как основных средств, используемых в производственном процессе), так и различных патентов и технологических ноу-хау, а также расходы на энергию, управление заводом и прочее.

При этом надо понимать, что стоимость материалов - это не только стоимость сырья (лития, никеля, кобальта и пр.), но также и стоимость самих комплектующих (катода, анода, электролита, разделителя и пр.), которая включает прочие вещества и затраты на работу по их изготовлению. Например, у катода стоимость сырья (которое включает такой дорогой элемент как кобальт) - не больше половины от общей стоимости катода, все остальное - это цена за сопутствующее сырье и накладные расходы, связанные с производством самого катода. А стоимость лития в себестоимости батареи может составлять всего 2-3%.

Так как в себестоимости батарей крайне высока доля накладных расходов, то их производство характеризуется существенным эффектом масштаба.

В течение 2010-х себестоимость литий-ионных батарей снизилась с 600-700 USD/kWh до 120 USD/kWh. Это связано с двумя основными факторами - совершенствованием технологии и эффектом масштаба. В течение 2010-х появлялись новые технологические решения и внедрялись новые материалы, которые позволили сделать себестоимость батарей ниже, при этом не понизив (а даже повысив) их удельную энергоемкость. Более того, показатель удельной энергоемкости батарей даже улучшился. Но помимо этого, рос спрос на батареи, что позволяло выпускать их все большими объемами и запускать для их производства все более крупные фабрики. Это позволило запускать крупные производства, так называемые гигафабрики, выпускающие батареи в огромном количестве. Аналогичный процесс происходил на производствах, выпускающих сырье и компоненты для батарей. Наконец, сам производственный процесс стандартизировался и оптимизировался, что также сказывалось на себестоимости. Этот путь аккумуляторной отрасли в целом схож с тем, который в прошлые десятилетия проходила сфера производства полупроводников.

Таким образом, сегодня себестоимость выпускаемых батарей в значительно большей степени зависит от масштаба производства (и емкости целевого рынка), чем от стоимости используемого в процессе производства сырья.

Капитальные расходы

Капитальные расходы при производстве батарей определяются в первую очередь мощностью возводимой фабрики.

Капитальные расходы на строительство заводов по производству батарей на единицу мощности (Goldman Sachs, 2016)

Как видно из графика, чем больше мощность фабрики, тем ниже капитальные расходы в пересчете на единицу мощности, однако заводы схожего масштаба имеют сопоставимый уровень капитальных расходов. В этом плане особенно выделяются гигантский завод Тесла, который по своей производственной мощности существенно превосходит основные существующие заводы.

Прогнозирование выручки и ценообразование

Цена на литий-ионные батареи напрямую привязана к издержкам. Рынок батарей - глобальный, технология производства у большинства участников отрасли схожа. На их себестоимость обычно действуют схожие факторы (цены на основные ресурсы - литий, кобальт, никель и пр.). Поэтому рост себестоимости происходит чаще всего одновременно у всех участников рынка и ведет к общему росту цен на батареи.

В долгосрочном периоде рентабельность производителей батарей остается достаточно стабильной, что связано с высокими барьерами входа в отрасль. Однако в краткосрочном периоде колебания возможны. Это связано с высокой эластичностью спроса на электромобили по ценам на товары-заменители (наличие близких заменителей и возможность отложить/отменить покупку автомобиля в принципе), а также с высокой долей постоянных расходов в структуре себестоимости производителей батарей (из-за чего им бывает выгодно поддерживать объемы производства даже при снижающемся уровне цен).

Объемы производства у игроков рынка аккумуляторов определяются доступной производственной мощностью фабрик и не могут быть увеличены без модернизации производственных комплексов. На текущий момент в мире сохраняется нехватка таких мощностей.

Основные участники и преобладающие стратегии ведения бизнеса

Почти весь мировой рынок производства литий-ионных батарей контролирует 6 компаний. Это китайские BYD, CATL и SK Innovation и южно-корейские LG Energy Solution, Panasonic и Samsung SDI. Для отрасли характерен эффект масштаба - чем выше объем производства, тем ниже себестоимость, и, как следствие, цена батареи. Поэтому высокая концентрация производителей в этой отрасли определяется в первую очередь эффектом масштаба. Новый производитель, даже обладая всеми необходимыми технологиями, будет вынужден создавать крупномасштабное производство, в противном случае он будет неконкурентоспособен с другими производителями с точки зрения себестоимости.

В России основным производителем литий-ионных батарей является компания Рэнера (входит в дивизион ТВЭЛ Группы Росатом). Она заключила договор о технологическом партнерстве с южнокорейской Enertech. При производстве батарей Рэнера использует технологию NMC 811. Ещё одним производителем литий-ионных батарей в России является компания Лиотех. Она производит батареи в относительно небольших объемах на основе технологии LFP.

В отрасли есть отдельные примеры, когда автопроизводители владеют производителями батарей. Но все же чаще всего производство батарей - отдельный бизнес, не встроенный в вертикально-интегрированную цепочку производителей электроники или автомобилей. Как правило, производители батарей поставляют свои изделия нескольким крупным производителям автомобилей.

Почему одни страны, города или компании добиваются экономического успеха, а другие - вынуждены влачить жалкое существование? Почему экономический рост такой слабый, а неравенство доходов все выше? Как новые технологии могут изменить глобальный экономический ландшафт? Присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте, чтобы получать больше информации о долгосрочных трендах в экономике и бизнесе.

Авторизация через:

Здесь пока нет комментариев. Чтобы их оставить, авторизуйтесь вверху страницы или с помощью аккаунта ВКонтакте либо зарегистрируйтесь .

1