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铅酸蓄电池的构成和工作原理

2018-04-13 10:10:31.0 来源:锂电联盟会长

(一)行业发展概况

1、电池行业发展概况

电池制造业在我国既是传统产业,又是新能源产业的重要组成部分,与新能源汽车、可再生能源、现代电子信息、新材料、装备制造等多个战略性新兴产业关联紧密,电池制造业也是我国国民经济建设中最重要的基础性产业,关系国计民生和建成小康社会的基础;电池产品在适应我国新形势下的国民经济发展,保障国防战略需要,满足大众工作、生活消费多样化需求等方面,具有广泛的应用领域和十分重要的作用。电池包括物理电池和化学电池。物理电池是利用物理效应,将太阳能、热能或核能直接转换成直流电能的装置,如太阳能电池、温差发电器、核电池等;化学电池是一种将化学能直接转变成直流电能的装置, 如铅酸蓄电池、锂离子电池、锌锰电池等。在电池中,化学电池是最主要的电池。化学电池按是否可以循环使用,分为一次电池和二次电池两大类。其中,一次电池是活性物质仅能使用一次的电池, 又称原电池, 如锌锰电池, 碱锰电池等;二次电池可充电、循环使用,又称蓄电池。蓄电池利用电池内活性物质在放电状态下发生化学反应输出电流,在充电状态下发生逆向化学反应储存电能。

蓄电池按电极材料和工作原理的不同,主要分为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池等四大类。其中,铅酸蓄电池具有性价比高、容量大、功率高、寿命长、安全可靠等优点,是目前世界上产量最大、用途最广的一种电池;锂离子电池凭借能量密度高的优势也占据一定的市场份额。

2、铅酸蓄电池概述

(1)铅酸蓄电池的构成和工作原理

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、塑料槽等组成。铅酸蓄电池正极活性物质为二氧化铅(PbO2),负极活性物质是铅(Pb),电解液是稀硫酸,正负极之间由隔板隔开,电解液中的离子可以通过隔板中的微孔,电极上的电子不能通过隔板。铅酸蓄电池放电后, 正极板的活性物质二氧化铅(PbO2)转化成硫酸铅(PbSO4)附着在正极板上,负极活性物质铅(Pb)也转化成硫酸铅(PbSO4)附着在负极上, 电解液中的硫酸扩散到极板中去, 电解液的浓度降低。 铅酸蓄电池在充电时,发生相反的反应。通过充电、放电反应,铅酸蓄电池可以反复使用,直到储存的容量达不到电器的要求时,寿命终止。

铅酸蓄电池单格电池(又称单体电池)的标准电压是 2V。为满足用电器高电压的需要,电池常通过串联组合成 6V、12V 等电池组;为满足用电器高容量需要,常通过增加极板面积或将相同极板并联焊成极群来实现。将完全处于充电状态的电池,按一定放电条件,放电到所规定电压时所释放出的电量称为电池的容量,单位一般用安培小时(简称安时,用“Ah”表示)。电池释放电量的能力称为能量,为电池的容量乘以平均放电电压,通常用伏安时(VAh)或千伏安时(kVAh)表示。

(2)铅酸蓄电池的发明

1799 年伏打(Alessandro Volta)用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片组装成电堆;1836 年,丹尼尔(John Frederic Daniell)利用伏打电堆的工作原理制成了第一个实用电池,标志着化学电池进入生产和生活中,但铜锌体系的电池用完后不能充电供重复使用,阻碍了其更广泛地应用。1801 年,戈特洛(Nicolas Gautherot)在实验中用伏打电堆和两根铂丝电解盐水产生氢气和氧气,在其撤走电源并将两根铂丝直接接触时,出现了短时间的反向电流(当时也被称为二次电流,今称放电电流),但电流维持的时间太短,没有实用价值。1802 年里特(Johann Wilhelm Ritter)用伏打电堆向一叠夹以盐水浸湿纸片的铜片进行充电,在撤走电源后,其发现两片铜片之间存在 0.3V的电压; 之后再用金属铅、 锡和铜替代铜片进行了实验, 均测到了不同的电压值。1854 年德国科学家辛斯特登(Wilhelm Joseph Sinsteden)在使用多种电池进行研究时,认识到浸没在硫酸中的铅电极具有一定的储能容量,即对电极充电之后可以向负载供电,并报道了其能量密度,但其未意识到这一发现的重要价值。1859 年,普兰特(Raymond Gaston Plante)独立于辛斯特登发现并报道了从浸在硫酸溶液中并充电的一对铅板, 在撤去充电电流并加上负载后可以得到有效的放电电流,这个体系的放电电流在诸多电极-电解液体系中可以维持最长的时间,并且电压也最高。普兰特根据这一原理设计了具有实用价值的蓄电池,并在 1860 年向法国科学院展示了这一可充电电池,这标志着第一个可以重复使用的电池问世。1870 年,发电厂开始使用直流发电机,并引入铅酸蓄电池进行负载调峰,即在晚上充电,白天供电。1879 年爱迪生(Thomas Edison)发明了白炽灯,让电力走进千家万户,同时激发了用户在输电线架设不到的地方使用电源的需求,这正是铅酸蓄电池的应用场合。限于制造工艺,当时铅酸蓄电池还无法大规模生产,但越来越多的研究者已开始参与铅酸蓄电池的研究。从此,铅酸蓄电池开始处于因市场需求而促进其研发的状态,人们对它进行不断地研究和改进,使其得到极大地发展。铅酸蓄电池是迄今发展时间最长,技术最成熟的电池技术。

1881 年, 富莱(Camille Alphonse Faure)和布鲁希(Charles Francis Brush)二人制成涂膏式极板,即用铅的氧化物和硫酸水溶液混合制成铅膏涂在铅板上,较好地防止了活性物质的脱落,使铅酸蓄电池的制造工艺有了很大进步。1882 年赛隆(John Scudamore Sellon)采用铅-锑(Pb-Sb)合金制造板栅,克服了由于充放电前后电极活性物质体积膨胀、 收缩使得作为活性物质载体的板栅发生变形的问题,大大提高了电池极板的强度,使铅酸蓄电池的寿命有了较大提高。1970 年之前,铅酸蓄电池的极板需浸在可流动的硫酸中使用,在电池充电后期和过充电时,会发生电解水的副反应,氢气和氧气可无障碍地释放出来,这带来电解液失水, 电池需定期维护的问题。 于是研究人员一直试图研制“密封式”铅酸蓄电池,希望能克服上述问题。1957 年德国阳光(Sonnenschein)发明了 SiO2 胶体密封铅酸蓄电池,即阀控式密封铅酸蓄电池(valve-regulatedlead-acidbatteries,VRLA)的 Gel 技术 。 1971 年 美 国 盖 茨 (Gates ) 公 司 发 明 了 吸 液 式 超 细 玻 璃 棉 隔 板(absorbedglassmat)即阀控式密封铅酸蓄电池的 AGM 技术。Gel 技术和 AGM 技术的阀控密封铅酸蓄电池,实际解决了电池内部氧气的复合循环问题,运行及安全性能远远超过之前的技术。VRLA 从 1973 年于小型电池实现商业化之后至今,在外形及尺寸上均有了较大的发展,因而广泛适用于众多领域,成为蓄电池产品中的重要组成部分。

(3)铅酸蓄电池的分类

按照应用领域划分, 我国的铅酸蓄电池主要可分为备用电源电池、储能电池、起动电池和动力电池四大类。备用电源电池是主要用于通讯备用电源、不间断电源(UPS)、应急照明电源及其他备用电源的蓄电池。储能电池指适用于供太阳能发电设备和风力发电机以及其他可再生能源的储能用蓄电池。 起动电池是主要应用于汽车、摩托车、燃油发动机起动、点火和照明的蓄电池。动力电池主要应用于电动自行车、电动特种车(电动游览车、高尔夫车、巡警车、叉车等)、低速电动乘用车、混合电动车等电动车辆作为动力。

按照电池中极板的结构分为板式、管式和卷绕式等类别,分别称为平板式电池、管式电池和卷绕式电池。此外,根据铅酸蓄电池中电解液处于游离状态和吸附(或固定)状态,分为富液式蓄电池和贫液式蓄电池。贫液电池中,电解液吸附在玻璃纤维隔板中的蓄电池常设计成阀控密封式,称为阀控式密封蓄电池;电解液用二氧化硅胶体固定的蓄电池称为胶体电池。

3、铅酸蓄电池的比较优势和不足

铅酸蓄电池是工业化最早的二次电池,自 1859 年发明至今已经有 150 多年的历史,但是该产业的发展仍然方兴未艾。

铅酸蓄电池是化学电池中市场份额最大、使用范围最广的电池,特别是在起动和大型储能等应用领域,在较长时间尚难以被其他新型电池替代。铅酸蓄电池价格较低,具有技术成熟、高低温性能优异、稳定可靠、安全性高、资源再利用性好等比较优势,市场竞争优势明显。相对于其他电池金属材料,铅资源比较丰富,铅储量和再生铅保证铅酸蓄电池产业可持续发展的年限相对较长,铅酸蓄电池大量应用,较长时间内不会造成铅资源短缺。铅酸蓄电池不足之处在于:能量密度偏低、循环寿命偏短,主要原材料铅是一类有毒物质,电池生产和再生铅加工过程中存在铅污染风险,管理不善可能会对环境和人体健康造成危害。

随着新技术的突破和新结构的应用,铅碳电池、双极性电池、非铅板栅电池等先进铅酸蓄电池的不断问世,改变了质量能量比偏低、循环寿命较短等不足,并且随着法规制度的逐步健全和管理水平的提升,铅污染的风险也可防可控。为铅酸蓄电池产业的持续发展注入了新的活力。在未来,铅酸蓄电池仍将在备用电源、储能、起动、动力等应用领域发挥重要的作用。

(1)铅酸蓄电池的比较优势

①性能比较优势

目前,大规模产业化的二次电池主要有铅酸蓄电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池。镉镍电池含有剧毒元素镉,已逐步被其他电池所替代。目前,市场上应用最广泛的电池为铅酸蓄电池、锂离子电池和氢镍电池。

相较于其他二次电池,铅酸蓄电池主要有以下性能比较优势:A、实现工业化生产的时间最长、技术最成熟的电池,性能稳定、可靠,适用性好;B、采用稀硫酸作电解液,无可燃性,电池采用常压或低压设计,安全性好;C、工作电压较高、工作温度范围较宽,适用于混合电动车(HEV)等高倍率放电应用;D、能浮充电使用,浅充浅放电性能优异,适用于不间断电源(UPS)、新能源储能、电网削峰填谷等领域;E、大容量电池技术成熟,能制成数千安时的电池,为大规模储能提供了便利。

②成本比较优势

铅酸蓄电池是最廉价的二次电池, 单位能量的价格是锂离子电池或氢镍电池的 1/3 左右。此外,铅酸蓄电池的主要成分为铅和铅的化合物,铅含量高达电池总质量的 60%以上,废旧电池的残值较高,回收价格超过新电池的 30%,因此铅酸蓄电池的综合成本更低。

③再生利用比较优势

铅酸蓄电池组成简单,再生技术成熟,回收价值高,是最容易实现回收和再生利用的电池。全球再生铅产量已经超过原生铅产量,美国废铅酸蓄电池铅的再利用率已超过 98.5%,我国废铅酸蓄电池的再利用率也达到 90%以上。镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池多为小型电池,且组成复杂,再生成本高,回收难度大,再生产业难以实现市场化运营。目前,前述电池全球的平均回收比例不足 20%,特别是锂离子电池,多数国家尚未实现有效回收和再生。

(2)铅酸蓄电池的不足

①能量密度偏低

传统的铅酸蓄电池质量和体积能量密度偏低, 能量密度只有为锂离子电池的1/3 左右,氢镍电池的 1/2 左右,并且体积较大,不适宜在质量轻、体积小的场合使用。未来,铅酸蓄电池能量密度仍有较大的提高空间,尤其是泡沫碳等采用新材料、新技术的铅酸蓄电池。

②循环寿命偏短

传统铅酸蓄电池循环寿命较短,理论循环次数为锂离子电池 1/3 左右。铅酸蓄电池的循环寿命提高的空间仍然比较大,特别是新材料、新结构和新技术的铅酸蓄电池,如双极性铅酸蓄电池、铅碳电池等。

③产业链存在铅污染风险

铅是铅酸蓄电池的主要原材料,铅占电池质量的 60%以上,全球铅酸蓄电池的用铅量占总用铅量的 80%以上。铅为重金属,铅酸蓄电池制造产业链(包括原生铅冶炼、电池制造、电池回收、再生铅冶炼)存在较高的铅污染风险,管理不善会对环境造成污染和对人体健康产生危害。

4、铅酸蓄电池与环保

铅酸蓄电池制造是用铅的主要行业,其产业链在原生铅冶炼、蓄电池生产、废旧蓄电池回收、再生铅冶炼存在铅污染风险,但是该产业链全过程的铅污染可以实现有效控制。铅污染防治的技术较为成熟, 国外已有成套有关原生铅和再生铅冶炼的技术和设备可以提供,国内的铅冶炼技术基本成熟,包括铅酸蓄电池制造在内,只要按规范配置先进的环保设备,环保设备正常运行,基本不会造成铅污染事件的发生。在铅酸蓄电池制造领域,先进的清洁化、自动化、机械化生产装备,以及先进的环保技术与装备,得到了广泛的应用,使得铅烟铅尘、水中铅化合物得到有效处理,铅污染得到有效控制。先进生产工艺有:一炉多机板栅铸造工艺、铅锭冷切技术、自动化包片与刷片、内化成工艺等。先进环保工艺有:高效脉冲式铅尘处理器、 多级湿式铅烟处理器、 碱雾喷淋式酸雾处理器、 废水中水回用系统等。过去我国频繁发生的铅污染事件主要是由于相关法规、 政策不够完善和全过程管理不足造成的。主要表现在五个方面:一是冶炼厂之间的无序竞争,特别是小冶炼、非法冶炼厂为了以低价争夺市场,采用土法冶炼的方法,无环保设施或设施运行不正常;甚至也有一些大冶炼厂为了降低成本,存在环保治理不规范的现象,造成原生铅企业污染事件的发生。二是铅酸蓄电池制造业小厂数量众多,其生产装备落后,无法配置齐全和先进的环保设备和卫生防护设施,不利于环境保护和资源利用。三是铅酸蓄电池回收完全处于无组织回收状态,这是造成铅、酸污染的重要环节。四是废旧蓄电池大量流向小型再生铅厂,因环节管理失控,造成经常性环境污染事件的发生。五是动力铅酸蓄电池存在镉污染风险。

美国也是全球铅酸蓄电池生产大国之一, 年用铅 200 多万吨, 由于法规健全、控制铅污染的措施得力,实现了铅使用的闭路循环,从原生铅冶炼、电池制造、再生铅冶炼实施“从生到死”的跟踪,生产者、运输者、运营者、产品拥有者以及各级政府“共同各自承担责任”,使铅酸蓄电池产业链的铅污染得到了有效控制。近年来,随着国内相关法规和行业政策规范的逐步颁布和严格执行,铅酸蓄电池企业环保意识的逐渐增强,污染治理技术的不断进步,行业主要企业的铅污染也已得到有效防治。特别是经过国家工信部、环保部组织进行的行业准入核查、行业规范条件核查、行业环保核查,行业企业环保状况得到显著的改善。与其它的有害金属相比,铅污染可控可防,铅中毒也可治,一定程度的铅中毒或血铅超标是可以逆转的,可以通过食疗、药物调节等得到恢复。

(二)行业竞争情况

1、行业供求状况及变动原因

(1)全球铅酸蓄电池市场供求状况

在全球市场范围内,铅酸蓄电池由于其技术成熟、安全性高、循环再生利用率高、适用温带宽、电压稳定、组合一致性好及价格低廉等优势,在电池市场占据主导地位。2015 年,全球铅酸蓄电池市场规模占全球电池市场规模的 54.67%。

铅酸蓄电池作为全球市场份额最大的电池类型, 全球市场规模预计仍将保持持续增长。2015 年全球铅酸蓄电池市场规模较上年增长 1.57%,达到 432.08 亿美元,预计未来 5 年将基本维持 1%-2%增长速度。

从全球铅酸蓄电池供给来看,2015 年铅酸蓄电池出货量较上年增长 2.75%,出货量达到 4.68 亿 kVAh,预计未来 5 年出货量将维持 2%-3%之间的增长速度。

(2)我国铅酸蓄电池供求状况

我国是全球最大的铅酸蓄电池生产国、消费国和出口大国。我国铅酸蓄电池行业主要实行以销定产, 铅酸蓄电池生产数量减去出口的数量大致为国内消费数量。从 2005 年至 2016 年,国内企业铅酸蓄电池产量呈波动式增长,年均复合增长率达 10.17%。

在“十三五”期间铅酸蓄电池产量预计复合增长率为 10.76%,至 2020 年铅酸蓄电池产量达到 35,000 万 kVAh。近年来,通过行业持续的技术引进、消化、吸收和欧、美、日、韩等国家在我国的投资建厂,我国铅酸蓄电池主要类产品的制造技术已经接近国际先进水平。目前,我国已成为全球铅酸蓄电池生产、消费和出口大国。近年来,我国出口铅酸蓄电池产量保持较快速度增长,2015 年出口产量为 3,078.48 万 kVAh,同比增长 9.44%,2016 年出口产量下滑产量为 2,804.49 万 kVAh,同比下降 8.90%。

(3)铅酸蓄电池细分市场需求概况

铅酸蓄电池作为最古老的化学电源,经久不衰,被广泛用于电信通讯、电力系统、计算机系统及自动化控制系统、应急照明等备用电源电池领域,新能源和储能电池领域,汽车、船舶、摩托车、坦克、拖拉机、柴油机等起动电池领域,电动自行车、电动汽车、电动三轮车、电动叉车及高尔夫球车等动力电池领域。

①备用电源电池需求

A、UPS 电池需求

UPS 电源是 UninterruptablePowerSupply 的英文缩写,即不间断电源,作为一种具有储能装置的电子交流变换系统,其基本功能是在中断供电时,能不间断供电,始终向负载提供高质量的交流电源,达到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪音、补偿电压下陷、长期低压等因素干扰。UPS 电源系统按其应用领域可分为信息设备用 UPS 电源系统和工业动力用UPS 电源系统二个大类别。信息设备用 UPS 电源系统主要应用于:信息产业、IT行业、交通、金融行业、航空航天工业等计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的安全保护问题,其作为计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的重要外设,在保护计算机数据、保证电网电压和频率的稳定,改进电网质量,防止瞬时停电和事故停电对用户造成的危害起到重要的作用。 工业动力用 UPS 电源系统主要应用于:工业动力设备行业电力、钢铁、有色金属、煤炭、石油化工、建筑、医药、汽车、食品、军事等领域,其作为电力自动化工业系统设备、远方执行系统设备、高压断路器的分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等的交、直流不间断电源设备,质量直接关系到电网的安全运行,是发电设备和输变电设备的“心脏”。2016 年我国 UPS 市场规模预计为 55.19 亿元,未来市场将保持较快的增长速度。

B、通信电力用电池需求

铅酸蓄电池在通信行业主要用在移动基站的备用电源, 在电力行业主要用在发电厂、变电所的控制保护和动力直流供电系统的备用电源和储能电源,其产品类别是阀控式密封免维护固定型铅酸蓄电池。因此,通信电力用铅酸蓄电池的市场需求与通信电力行业的发展前景、投资力度密不可分。通信行业是目前发展最快、最具创新活力的领域之一。“十三五”期间,国家将继续加强“宽带中国”建设力度,推进基础通信网络建设。加快推进全光纤网络城市和 4G 网络建设,2015 年网络建设投资超过 4300 亿元,2016-2017 年累计投资不低于 7000 亿元。推进光纤到户进程,扩大移动通信覆盖范围,提升移动宽带速率。国内通信业对阀控式密封铅酸蓄电池需求将稳定增长。此外,电力系统变电站备用电源,可充电照明灯具、可充电电扇等电器应急类电器产品对铅酸蓄电池的需求也较为旺盛。

②储能电池市场需求

储能用铅酸蓄电池是指适用于供太阳能、 风能等新能源发电设备的储能用铅酸蓄电池。新能源(风能、太阳能等)的发展以其推动可持续发展和新经济增长点双向利好一直受到政府部门的大力支持,也是未来的发展重点。储能电池技术是制约目前新能源储能产业发展的关键技术之一。储能技术应用广泛,市场需求潜力巨大,是能源互联网中的关键环节,主要体现在以下几个方面:

第一、光伏与风电等间歇性电源输出功率不稳定,当其发电占比达到较高比例时,会对电网造成一定的冲击,从而需要配套一定比例的储能来稳定光伏、 风能电站的输出功率。 

第二、 用电价格相对上网电价较高的地区,波峰波谷电价差异很大的地区,分布式储能往往很容易具经济性;微网、离网对于储能的需求也很直接。

第三、储能应用于电力系统中将改变电能生产、输送和使用同步完成的模式,弥补电力系统中缺失的“储放”功能,以达到优化电力资源配置、提高能源利用效率之目的。

第四、储能技术进步还带动了电动汽车的迅速发展。第五、在日渐兴起的能源互联网中,由于可再生能源与分布式能源在大电网中的大量接入,结合微网与电动车的普及应用,储能技术将是协调这些应用的至关重要的一环,储能环节将成为整个能源互联网的关键节点;能源互联网的兴起将显著拉动储能的需求,助推储能产业实现跨越式发展。铅酸蓄电池目前是储能电池中较优选择。从成本角度看,与锂电池等其他化学储能方式相比,铅酸蓄电池具有较好的经济性。从产品性能看,铅酸蓄电池技术成熟、安全性高、适用温度范围大;锂电池在大电池组应用上存在一致性等问题,在大型动力电池单体方面存在安全性问题。铅酸蓄电池的新产品铅碳电池进一步提升了电池的性能,循环次数得到大幅提升,也降低了单位次数使用成本。铅酸蓄电池产品在储能领域具有相对较好的应用前景。

国际能源署预测,从 2011 年到 2035 年全球能源需求将增长三分之一,可再生能源所占比重将从当前的 13%增加至 2035 年时的 18%, 风电和太阳能等新能源的并网应用和分布式电网应用将会给储能电池提供广阔的市场空间。国务院《能源发展战略行动计划(2014-2020 年)》将能源结构调整上升为国家战略,到 2020 年非石化能源占一次能源消费比重达 15%,煤炭消费比重控制在 62%以内。该计划要求大力发展风电,风电装机量由 2015 年的 1.45 亿千瓦增长至 2020 年的 2 亿千瓦,年均增长率为 6.64%;加快发展太阳能发电,光伏装机量由 2015 年 4318 万千瓦增长至 2020 年的 1 亿千瓦,年均增长率达 18.19%。全球以及我国太阳能、 风能等新能源的快速发展对高性能储能电池产生较大的需求。

③起动电池需求

起动电池主要为配备内燃机的汽车或摩托车的起动电机提供能量, 从而驱动发动机飞轮旋转实现发动机的起动,也提供照明用电源。起动电池要求能在短时间内提供较大电流,即使在零下 20 度以下低温时也能正常工作,同时在内燃机起动后持续为电池充电时具备良好的抗过充能力。 铅酸蓄电池恰好以其适用温差范围广、大电流放电性能好、安全稳定、性价比高的优势,满足了这一领域的需求。其他蓄电池无论在容量、价格、安全性还是环境适用性上均较铅酸蓄电池有一定的差距,在起动电池领域无法与铅酸蓄电池形成实质性竞争。起动电池市场主要包括汽车起动市场和摩托车起动市场。

A、汽车起动市场

汽车起动电池下游市场分为一级市场(配套市场)与二级市场(维护市场),在汽车产销量和保有量持续增长的背景下, 汽车起动电池市场规模呈现快速增长态势。一级市场是为汽车整车生产厂家提供配套供货,每辆新车一般配备一只电池。二级市场是指存量车客户在车辆维修保养过程中通过汽车零配件经销商、汽车 4S 店、蓄电池经营部和汽车修理店等经销商购买蓄电池。汽车起动电池属于汽车零部件中的消耗品,平均寿命约 2 年,因此汽车起动电池市场需求数量为新车销量与汽车保有量一半之和。我国汽车销量从2010年的1,806.2万辆增长至2016年的2,802.8万辆,年均增长率为7.60%;我国汽车保有量从 2010 年 7,802 万辆增长至 2016 年的 19,400 万辆,年均增长率达 16.39%。持续增长的汽车销和存量为汽车起动电池的发展提供了良好的市场环境。

B、摩托车起动市场

我国是世界摩托车第一生产国和消费国,摩托车产量、销量占世界产量、销量的一半以上,同时我国摩托车保有量也居世界第一,接近全球摩托车保有量的三分之一。截至 2015 年 6 月底全国摩托车保有量约为 0.9 亿辆,若考虑未上牌的车辆,全国摩托车保有量约为 1.2~1.3 亿辆。2016 年,摩托车产量和销量分别为 1,682.1 万辆和 1,680.0 万辆,摩托车起动市场依然较大。

③动力电池需求

动力电池要求大功率充放电性能,主要运用在电动自行车、电动三轮车和低速电动汽车等领域,市场需求呈稳步增长态势。动力电池市场分一级市场和二级市场,其中一级市场为新车市场,二级市场为维护市场,目前铅酸蓄电池的更换周期约为 2 年。中国市场电动自行车铅酸蓄电池的销售量于 2016 年至 2021 年间将以 5.4%的年复合增长率稳定增长。电动三轮车具备代步和载货的双重功能,在农村和二、三线城市广受欢迎,蓬勃兴起的快递业最后一公里的派送基本依靠电动三轮车完成。 2015 年 10 月 26日,中国国务院印发了《关于促进快递业发展的若干意见》。根据该意见,2020年我国将基本实现乡乡有网点、村村通快递,快递年业务量达到 500 亿件,将研究出台快递专用电动三轮车国家标准以及生产、使用、管理规定。中国快递业的高速发展和城镇化建设的加快,势必推动电动三轮车市场爆发式增长。2015 年中国销售电动三轮车 1,500 万辆,同比增长约 30%,预计到 2020 年,中国电动三轮车保有量将接近 1 亿辆。随着行业规范化迎来健康发展,低速电动车用铅酸蓄电池成为新的增长点。目前使用铅酸蓄电池的低速电动车主要集中在山东、河南等省份。2014 年以来,地方行业规范陆续出台,行业规范性有所提升,比如 2014 年 6 月 12 日山东省发布了《山东省汽车行业标准(小型纯电动车)》,以及《山东省小型电动车生产企业准入条件》,2014 年 3 月河南省洛阳市发布《洛阳市低速四轮电动车生产及管理暂行办法》。2015 年山东省生产小型电动汽车 34.7 万辆,同比增长约 53.7%,产量连续三年增长超过 50%,山东省提出了到2020 年每年生产 100 万辆微型电动汽车的计划目标。

2、行业竞争格局和市场化程度

近十年来,汽车、通信、电动自行车以及新能源储能等需求的增长,推动我国铅酸蓄电池工业保持较为稳定的增长。随着我国市场经济进程的加快,我国的铅酸蓄电池企业已经形成民营、外资、中外合资、国有等多种经济成分及多元化所有制在竞争中共同发展的格局。随着江森自控、杰士汤浅、艾诺斯等国际知名铅酸蓄电池企业将生产转移至我国,铅酸蓄电池市场已日趋国际化,并呈现优胜劣汰趋势。此外,专业化、地域性规模企业逐步形成并壮大,市场份额逐年增长。未来,随着我国环保政策的严格执行,行业规范条件等相关政策的贯彻和实现,铅酸蓄电池行业的环保投入将进一步加大,成熟、先进、适用的清洁生产技术、新工艺将被推广。未来只有那些实力雄厚、研发能力强、产品质量稳定,同时也具备较好的环保治理能力的企业, 有望在市场中赢得更大的市场份额。因此,面对激烈的市场竞争和环保政策压力,铅酸蓄电池行业整合、兼并重组的进程将加快,行业优势企业规模将不断扩张,小型企业将因无法承担较高的环保投入及先进的生产工艺、设备投入而逐步被兼并、淘汰。在备用电源电池和储能电池用途领域,市场分布在电信、金融、政府、新能源以及工业制造等行业领域, 细分行业集中度较低, 优势企业主要包括南都电源、雄韬股份、圣阳股份、双登集团、理士国际。在起动电池用途领域,起动电池市场主要在新车市场和维护市场,行业集中度相对较高,优势企业主要包括中国动力、骆驼股份、江森自控和杰士汤浅。在动力电池用途领域,动力电池市场主要在电动自行车、低速电动车等,行业集中度相对较高,优势企业主要包括天能动力和超威电池。

3、进入本行业的主要障碍

(1)政策壁垒

根据《中华人民共和国工业产品生产许可证管理条例》、《中华人民共和国工业产品生产许可证管理条例实施办法》和《铅酸蓄电池产品生产许可证实施细则》等相关规定,蓄电池生产企业须获得国家质量监督检验检疫总局颁发的《全国工业产品许可证》方可开展生产。此外,根据工信部《铅蓄电池行业规范条件》(2015 年本),铅酸蓄电池行业企业要在企业布局、生产能力、不符合规范条件的建设项目、工艺与装备、环境保护、职业卫生与安全生产、节能和回收利用等方面符合规范条件,并以规范条件为依据对铅酸蓄电池生产项目生产许可、信贷融资等方面予以管理。

(2)技术壁垒

普通开口式铅酸蓄电池被列为淘汰类轻工类产品, 目前铅酸蓄电池的发展重点是阀控密封免维护铅酸蓄电池。为保证铅酸蓄电池产品质量及其一致性,企业电池生产的诸多生产工序技术如板栅铸造、和膏、涂板、穿壁焊和跨桥焊等均需要较长时间的摸索和积累,并逐步形成自身的技术路线和特点。其中铅膏配方等重要工序内容一般作为行业企业的商业秘密进行保护。 行业企业尤其是较为大型的生产企业一贯注重研发投入,不断提升产品质量及质量的一致性,降低次品率和生产成本。未来,新型铅酸蓄电池的发展方向为降低铅耗量、提高电池质量能量密度、质量功率密度、循环寿命和快速充电能力。目前,行业内研究开发的新型铅酸蓄电池包括新结构的双极性铅酸蓄电池和双极耳卷绕式电池、 新材料的陶瓷隔膜电池和泡沫石墨铅酸蓄电池以及铅碳电池。 新型铅酸蓄电池的研究开发需要持续的研发投入和相关的技术积累,只有技术实力雄厚的企业才有优势研发相关技术,进入相关领域。

(3)环保及资金壁垒

根据工信部发布《铅蓄电池行业规范条件》(2015 年本)的规定和要求,行业企业同一厂区生产能力应达到规定的最低要求, 应采用行业内较为先进的工艺和自动化生产设备以提高效率减少环境污染,同时还需符合环境保护、职业健康和安全生产的相关要求。上述规范条件的要求将大幅提升行业企业的固定资产投资和运营成本, 资金实力较弱的企业难以符合规范条件要求而面临相关政府部门在生产许可证的续期、信贷融资、环保核查等方面的管理。

(4)市场壁垒

中高端客户对铅酸蓄电池产品质量及其一致性方面的考量使得生产企业产品的口碑、检测结果、质量表现更被看重,因此市场声誉和质量表现对生产企业的销售影响较大。蓄电池产品虽属耗材,但是部分电池的使用寿命最长可达 20年,因此市场声誉的建立需较长时间,行业的新进入者短期内在声誉和口碑方面较难达到行业成熟生产企业的水平。

4、行业利润水平及变动趋势

影响行业利润水平的主要因素包括主要原材料价格的变动——铅价的变动和市场需求的变动。 得益于行业内主要企业均已形成的产品销售价格与铅价的联动机制以及市场需求的稳步提升, 行业主要企业的盈利水平保持在相对稳定的水平。同行业上市公司近三年的毛利率水平如下表所示:

(三)影响行业发展的有利因素和不利因素

1、有利因素

(1)蓄电池行业发展前景良好

铅酸蓄电池以其安全性能高、性价比高、质量稳定可靠,以及可再生循环利用的独特性,成为国民经济中不可或缺的基础性产品。随着行业本身技术水平的进步以及外部经济的发展和科技水平的提升,行业发展前景良好。铅酸蓄电池应用范围广阔,目前主要应用于:通信、电力、自动控制、应急设备的备用电源电池,风能、太阳能等新能源的储能电池,汽车、摩托车、燃油机发动机的起动、照明,电动自行车、低速电动车和特种电动车的动力电池。已有百余年历史的铅酸蓄电池由于材料廉价、工艺简单、技术成熟、自放电低、免维护要求等特性,未来依旧将在电池市场中发挥重要作用。上述行业在未来将持续发展,带动铅酸蓄电池的需求持续增长。同时,随着铅酸蓄电池技术水平的进步,铅酸蓄电池的应用范围将越来越广,新的行业需求也将不断涌现。

(2)国家产业政策的支持

国家发改委发布的《产业结构调整指导目录》(2011 年本)(2013 年修正),明确列示新型结构(卷绕式、管式等)密封铅酸蓄电池等动力电池,新型大容量密封铅酸蓄电池,超级电池和超级电容器为第一类鼓励类产业。《国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006-2020》提出重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术、燃料电池关键材料技术、高容量储氢材料技术、高效二次电池材料及关键技术、 超级电容器关键材料及制备技术, 发展高效能量转换与储能材料体系。《轻工业发展规划(2016-2020 年)》明确指出要推动电池工业向绿色、安全、高性能、长寿命方向发展,加快卷绕式、铅碳电池等新型铅蓄电池;支持电池行业进行连铸连轧连涂等连续极板生产技术改造, 动力型铅蓄电池组装线自动化集成技术改造。《电池行业“十三五”发展规划》, 要将我国电池工业初步实现由大变强,进一步提高准入门槛,淘汰落后产能,基本实现机械化制造。《铅蓄电池行业规范条件》(2015 年本)不限制卷绕式、双极性、铅碳电池(超级电池)等新型铅蓄电池,或采用连续式(扩展网、冲孔网、连铸连轧等)极板制造工艺的生产项目的生产能力。

(3)行业规范等政策的严格执行有利于铅酸蓄电池行业集中和产业升级

自 2003 年开始在铅酸蓄电池行业实施工业产品生产许可证制度以来,我国对于铅酸蓄电池行业制造及回收出台了一系列的环保政策、标准,如《关于 2011年深入开展整治违法排污企业保障群众健康环保专项行动的通知》(环发【2011】4 号)、《关于加强铅酸蓄电池及再生铅行业污染防治工作的通知》(环发【2011】56 号)、《铅蓄电池行业准入条件》(工信部和环保部公告【2012 年第 18 号】)等并淘汰了一批铅酸蓄电池行业落后产能。2015 年,工信部颁布实施《铅蓄电池行业规范条件》,其是对《铅蓄电池行业准入条件》的替代和升级。该项政策的实施将有利于改善企业的工艺水平和环保管理水平,降低环境污染,提升我国铅酸蓄电池生产行业集中度,促进我国铅酸蓄电池行业持续健康发展,同时将推动行业洗牌,有利于行业优质企业的持续快速发展。此外,随着我国经济增长方式的转变,国家对铅酸蓄电池行业的环保要求将日益提高,相关清洁生产技术、工艺和设备将逐步得到推广,有利于行业集中和产业升级,推动行业实现跨越式发展。

(4)废旧铅酸蓄电池的原材料循环利用

废旧铅酸蓄电池主要包括铅钙合金板栅、铅膏、电池壳和硫酸等成分。这些成分都可以通过适当的技术进行回收再利用,回收利用率超过 90%,可以实现铅酸蓄电池行业与其上下游“资源-产品-再生资源”的良性循环。2009 年 11 月,国家环保部颁布了《废铅酸蓄电池铅回收业清洁生产标准》,对于废旧铅酸蓄电池收集、运输、再生产、综合利用等环节提出了明确和具体的要求。同时国家还将在以下两个方面出台鼓励政策对行业的良性发展给予指导:制定优惠的经济政策鼓励生产厂家采用先进的无污染再生铅工艺, 促使我国的再生铅及铅酸蓄电池产业持续可循环发展;再生铅企业提高装备水平,同时加强再生铅行业和蓄电池行业的合作。2010 年国家环保部针对于废旧铅酸蓄电池的回收发布了《废铅酸蓄电池收集和处理污染控制技术规范(HJ519—2009)》,《清洁生产标准:废铅酸蓄电池铅回收业(HJ510—2009)》两部国家标准。2015 年工信部联合财政部、商务部、科技部制定了《关于开展电器电子产品生产者责任延伸试点工作的通知》,试点实施生产者责任延伸制度,引导产品生产者承担产品废弃后的回收和资源化利用责任,激励生产者推行产品源头控制、绿色生产,从而在产品全生命周期中最大限度提升资源利用效率,减少污染物产生和排放。此外,《规范条件》等行业政策鼓励生产企业利用销售渠道建立废旧铅酸蓄电池回收机制, 并与符合有关产业政策要求的再生铅企业共同建立废旧电池回收处理系统。 相关政策措施的出台势必对废旧铅酸蓄电池回收产业的发展起到规范及促进作用,引导该产业的健康发展。

2、不利因素

(1)缺乏技术创新的能力和环境

虽然铅酸蓄电池仍然占据二次电池领域市场的主要市场份额,但是近年来,受其它新材料电池即将取代铅酸蓄电池等论调的困扰, 行业内部分优势资金与科研实力被转移,一定程度上限制了铅酸蓄电池科技创新的发展。此外,2016 年开始对铅酸蓄电池行业征收 4%的消费税进一步降低了行业企业的技术创新的投入意愿和投入能力。

(2)国际大型企业的竞争压力

随着我国制造行业能力的提升, 我国铅酸蓄电池行业企业规模和实力也不断扩大和增强,行业集中度也不断提升。但是相比国际大型行业生产企业,我国铅酸蓄电池行业企业规模仍然尚小,研发技术、资金实力和品牌影响力仍然较弱。国际大型企业凭借领先行业的技术、资金和规模优势,对我国铅酸蓄电池企业形成较大的竞争压力。

(3)行业发展面临较大的社会舆论压力

铅酸蓄电池生产过程大量使用重金属铅,如果不能有效控制污染物排放,会对环境造成不良影响,铅酸蓄电池发展面临着较大的社会舆论压力。事实上,铅酸蓄电池是循环利用性最好、回收率最高的电池。铅酸蓄电池产业只要管理得力,其污染完全可实现有效控制。美国铅酸蓄电池的用铅量约占全国用铅总量的 95%以上,由于法规健全和有效的管理,铅酸蓄电池生产造成的铅排放仅占总排放量的 1.5%,2008 年美国政府已将铅酸蓄电池生产从主要铅污染源中排除。在我国,随着国内相关法规和行业政策规范的逐步颁布和实施,铅酸蓄电池企业环保意识的逐渐增强,污染治理技术的不断进步,行业主要企业的铅污染也已得到有效防治。特别是经过国家工信部、环保部组织进行行业准入核查、行业规范条件核查、环保核查,行业企业环保状况得到显著的改善。

(四)行业的主要特点

1、行业技术水平及技术特点

随着环保核查力度逐步增大以及《规范条件》实施的逐步深入,铅酸蓄电池行业将进一步提高准入门槛,淘汰落后产能,基本实现机械化制造,技术水平得到有效提升。在极板制造领域,集中供铅的重力浇筑板栅生产技术得到较为广泛的运用,连铸连轧和拉网式板栅生产技术也逐步在行业内获得推广使用。此外,球磨法制铅粉、自动涂板等自动化生产技术在行业内被广泛采用,大大提高了生产效率。在电池制造领域,国内普遍在生产阀控式密封免维护铅酸蓄电池,既包括AGM 技术的铅酸蓄电池也包括 GEL 技术的铅酸蓄电池;行业内自动铸焊、自动注胶等自动化设备逐步替代手工生产, 大大提高了生产效率并减少了环境污染和对职工健康的安全威胁。

未来,提高比容量和比功率、提高循环寿命以及提供快速充电能力仍将是阀控密封铅酸蓄电池的研发趋势。目前,铅酸蓄电池行业主要向新材料、新结构和综合技术等方向发展。新材料电池包括陶瓷隔板电池和泡沫石墨铅酸蓄电池,其中陶瓷隔板电池的隔膜材料有新突破,循环寿命长、充放电效率高;泡沫石墨铅酸蓄电池采用泡沫石墨代替铅板栅,在板栅材料方面有新突破,相对原板栅用铅量减少 70%。新结构电池包括双极性铅酸蓄电池和双极耳卷绕式电池,其中双极性铅酸蓄电池可减少用铅量 50%、寿命延长、容量提高;双极耳卷绕式电池能量密度高、高低温性能好、超高倍率放电。采用综合技术的电池包括超级电池和铅碳电池,其中超级电池是指电池与超级电容内联、兼顾容量和功率特性;铅碳电池在负极采用碳替代铅, 在负极材料上有新的突破, 循环寿命延长、 可快速充电、重量轻、无硫酸盐化。

2、行业特有的经营模式

(1)采购模式

铅酸蓄电池企业一般结合订单情况按需采购。 由于铅在原材料采购中占比较大占用资金也较多,行业企业一般与大型铅冶炼企业建立较为紧密的合作关系,也部分通过大宗商品代理商进行采购。

(2)生产模式

行业企业一般采取以销定产的生产模式, 部分常用规格产品设置一定的安全库存。

(3)销售模式

极板产品主要销售至国内铅酸蓄电池制造商。铅酸蓄电池行业企业产品一般销售至国内和国外。 国内销售主要是直接销售至通信运营商、UPS 制造商、应急电器制造商等,汽车起动维护市场、电动自行车维护市场一般采用经销模式。国外销售主要销售给国外贸易商、或通过在当地设立办事处等方式直接销售给通信运营商、UPS 制造商等。

3、行业的周期性、区域性和季节性特征

铅酸蓄电池行业周期性特征不明显。一方面,铅酸蓄电池广泛运用在交通运输、通讯、电力、铁路、国防、计算机和科研等各个领域,是国民经济的基础产品。另一方面,铅酸蓄电池具有一定使用寿命需要定期更换的特性决定了其需求的刚性。铅酸蓄电池行业区域性不明显,主要是因为其为国民经济的基础产品。铅酸蓄电池一级市场(配套市场)季节性不明显,二级市场(更换市场)有一定淡、旺季的差异。秋冬季由于气温下降,室外用途的蓄电池受温度影响,容量、性能下降,更换需求相比春夏季增加。

(五)上下游行业的关联性及发展状况

铅酸蓄电池行业的上游行业主要是铅冶炼和铅贸易(大宗商品代理商),下游行业则包括交通运输、通讯、电力、计算机、科研等领域。随着铅酸蓄电池回收体系的建立和完善,铅酸蓄电池产业链将形成良性的“资源-产品-再生资源”的闭环结构,有望成为资源节约型的循环发展产业。

1、与上游行业的关系

铅酸蓄电池的上游行业主要为铅冶炼行业和铅贸易商(大宗商品代理商)、硫酸生产、塑料制造等。

(1)铅冶炼行业

铅贸易商的上游为铅冶炼行业, 同时铅及铅钙合金占铅酸蓄电池成本的大部分,因此,铅冶炼行业对行业企业影响较大。目前,国内铅冶炼企业数量较多,竞争较为激烈,铅原料供应较为充足。铅冶炼行业产业链不长,主要环节是采选和冶炼。冶炼技术决定了企业的环保水平和产品质量,随着国内环保压力增大和对产品质量要求严格,众多技术落后的中小冶炼企业生存空间将进一步缩小,行业内的兼并重组将会加速,铅冶炼行业的集中程度将进一步提高。铅原料价格主要参照上海有色金属网发布的价格。 为减少原材料价格波动对行业盈利能力的影响,行业企业一般与客户就产品销售价格建立铅价联动的机制。

(2)其他上游行业

硫酸生产、塑料制造行业发展成熟,市场竞争较为充分,供应较为充足。

2、与下游行业的关系

铅酸蓄电池是国民经济的基础产品,广泛运用在交通运输、通讯、电力、铁路、国防、计算机、应急设备等各个领域。随着经济和科技的发展,这些行业对铅酸蓄电池的需求不断增加。与此同时,铅酸蓄电池技术水平的不断提高,产品质量和性能也不断提高,其应用领域不断扩大,下游行业需求不断涌现。

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