汽车行业对有色金属的需求

2022年06月02日 10:55 5742次浏览 来源:   分类: 现货   作者:

导读: 近年来,传统燃油车的产销增速明显放缓,当前汽车行业新增的亮点主要聚焦在新能源车的增长上。我国汽车保有量与除美国外的主要发达国家相比,都是碾压式的量级,但人均汽车保有量非常低,仅0.2辆左右,与发达国家相比相差甚远。长期的视角下,汽车行业发展实际上与人均GDP及个人可支配收入等主要的经济指标是息息相关的。在我国人均GDP刚突破1万美元的低基数下,未来增长空间相对较大。因此,在我国的人均GDP在与其他发达国家缩小差距的过程中,汽车行业其实整体会有一个比较可观的发展和增长空间。

一、汽车行业对有色金属的需求

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传统燃油车车身结构示意图

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特斯拉ModelS车身结构示意图

汽车产业链涉及到的行业众多,广义的汽车产业链包括上游原材料(有色金属、橡胶、塑料、钢铁),中游零部件(发动机配件、传动系配件、制动系配件等等),下游的整车制造(乘用车和商用车),以及后汽车市场的汽车销售、汽车服务、维修养护等等。汽车行业对有色金属需求非常大,期货合约所有金属品种几乎都受到汽车行业需求的影响。

1、铜

2021年我国汽车用铜44.68万吨,从消费结构来看,铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管理、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。铜具有良好的导电及导热性,是传输大电流的主要载体,在新能源车领域,铜主要应用于汽车的驱动电机、动力电池、线束等部位。

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汽车用铜明细拆分

传统燃油车平均耗铜量在20kg以上,主要用于散热、同步器和电子系统:

l 汽车散热器属于汽车冷却系统,部件采用黄铜带焊接成散热器管子,用薄的铜带折曲成散热片,以及水箱主板;

l 汽车同步器齿环是一组布置在结合套和齿轮组上的摩擦片,原材料主要为杂锰黄铜和复杂铝黄铜等特种铜合金;

l 汽车电子系统用铜量比较大,约占全体机身40%至50%左右,主要用于电机线圈、换向器、接插件和电线电器。

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新能源车用铜明细拆分

根据《新能源车产业用铜分析》报告显示,动力电池包/低压线束/高压线束/驱动电机/连接铜排/高压连接器等部位单车用铜量分别为56/25/6/10/8/1kg。新能源车平均耗铜是传统燃油车的4倍以上,增量来源于电动机、锂电池、线缆以及充电桩:

l 新能源车采用的是大功率的电动机,其输电线束必须是能够承载高压大电流的线束,铜合金材料可以提升高压线束的性能;

l 由于铜箔具有良好的导电性、柔韧性和适中的电位,耐卷绕和辗轧,制造技术成熟,且价格相对低廉,在此过程中充当负极活性材料的载体和负极集流体。据国际铜业协会2017年的数据显示,锂电铜箔在纯电动汽车用铜量中占比达48%。近年来随着锂电铜箔持续轻薄化,电动汽车中锂电铜箔的平均重量逐步下降;

l 连接各种电子元器件的线缆,比如连接各种换流器、变压器的线缆。新能源车铜密度平均铜密度在60kg/辆左右,是传统燃油车的2-3倍;

l 新能源车的充电桩也额外增加了用铜量,一台公用交流式充电桩耗铜8kg,一台公用直流式充电桩耗铜60kg,一台私人桩用铜量约2kg;

l 此外,相较于传统燃油车,由于新能源车不含同步器齿环,每辆车减少约2.4kg的铜用量。

2、铝

随着环境污染、能源消耗日益加剧等问题的出现,汽车制造业对车身的轻量化提出了更高的要求,加之各国推行强制降低汽车油耗的政策,汽车轻量化成为全球趋势。2012年,我国出台了《节能与新能源车产业发展规划(2012—2020)》对汽车耗能提出了更高的标准和要求,轻量化已然成为国家的重要汽车产业技术路线之一。

铝合金材料相对其他金属在汽车轻量化中具有比较优势。按照国内汽车轻量化目标,到2035年,燃油乘用车整车轻量化系数降低25%,纯电动乘用车整车轻量化系数降低35%,载货车载质量利用系数提高15%,牵引车挂牵比平均值提高15%,客车整车轻量化系数降低15%。在汽车轻量化材料中,铝合金材料综合性价比要高于钢、镁、塑料和复合材料,无论应用技术还是运行安全性及循环再生利用都具有比较优势。

未来驱动汽车用铝的动力来自两个方面:

l 传统燃油车的轻量化改造,尽管从自身产量角度,燃油车产量难以大幅增长,但由于轻量化的需要,燃油车的铝消费占比提升,带动总消费量增长,根据国际铝业协会测算,未来10年单车铝消耗量将保持年均复合增速在6%左右;

l 新能源车的快速增长,2018年新能源车的平均铝消耗量估计为141.5千克,2030年将比2018年将增加近20倍,并贡献全国铝消费量的7.2%。

传统燃油车的制造以往大程度使用的是钢材,一方面由于钢材各类部件生产制造技术成熟,另一方面铝合金存在成本、生产工艺等方面的限制,因此铝合金材料的应用范围并不广泛,由于簧下(底盘、悬架、发动机、传动、车轮等)质量减重性价比高于簧上质量(车身等),同时考虑到铝合金散热等性能,传统燃油车中铝合金材料主要应用在发动机系统、车轮、传动系统,至于车身与其他底盘系统的轻量化部件,在中高端的豪华车品牌中渗透率更高。但由于国家对汽车轻量化的要求,叠加汽车生产过程中成本的考虑,在此背景下,对钢材的使用呈负反馈,对铝的使用呈正反馈。

传统燃油车轻量化有利于提高动力性能、减少燃料消耗、降低排气污染。同时,轻量化还有利于增加新能源车续航里程、降低电池成本等。近年来,汽车轻量化已经逐渐成为汽车行业发展的大趋势。在此背景下,铝合金具备密度小(约为钢铁的1/3)、可回收性强、耐腐蚀性强、易加工成型等诸多优点,已经成为轻量化过程中的首选材料。

传统燃油车单车用铝量方面,根据国际铝业协会发布的《中国汽车工业用铝量评估报告(2016-2030)》,2018年国内乘用车与商用车单车用铝量分别为119.7千克、99.3千克。伴随汽车轻量化进程的加快,该报告预测到2030年二者将分别达到242.2千克、253.2千克,较2018年分别增长102%、155%。用铝总量方面,2018年国内汽车用铝量386万吨,其中变形铝合金290万吨(约占75%),该报告预测到2030年国内汽车用铝量将达到1070万吨,年均复合增速达到8.9%。假设铸造铝合金始终占比维持75%,则2018-2030年间国内车用铸造铝合金需求增量预计将达到513万吨。

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新能源车的部件中,底盘和悬架、车轮和制动、电池、车身密合等系统中对铝的消耗拉动较大。电动车不同部件渗透率差异较大,底盘和悬架铝用量提升空间较大。目前电动车电池系统、换热器等部件铝渗透率已基本达到100%,但占车身比重较大的底盘和悬架、车身结构件等部分铝渗透率仍较低,据国际铝业协会预测,2018~2025年电动车底盘和悬架、车身结构件铝用量CAGR分别为19.1%、9.3%。

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3、镍

除极少量以镍合金的形式用于汽车车架制造,传统燃油车和非三元电池的新能源车对镍金属几乎没有需求,新能源车对镍金属的需求主要体现在新能源车使用三元电池,使用量增加的原因主要是三元电池高镍化的发展。基于2025年新能源车1900万辆对应三元装机量以及不同三元电池占比的假设(单Kwh用量的NCM523/622/811电池对应镍用量0.58kg、0.68kg和0.8kg),三元电池新能源车单车耗镍约50千克,预计2021-2025年动力电池领域用镍增长迅速,2025年用量有望超过50万吨,占全球镍消费量20%以上。

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三元电池单车用量边际增量在近两年开始,高镍化是指提升三元材料中镍的含量,从而提升能量密度,并通过降钴降低原材料成本。随着三元电池高镍化的持续,越高系的正级材料镍含量更高,单位瓦时能量密度对应的镍含量也更高,未来这个三元电池高镍化发展还有相当大的空间,且具有重要的意义。钴的作用在于稳定材料层状结构,提升循环与倍率性能,价格波动较大,锰具有良好的电化学惰性,起到降低材料成本、提高材料安全性和结构稳定性的作用,镍是锂电材料重要活性物质,掺镍比例提高可提升正极材料能量密度。

目前国内三元前驱体NCM811和NCA占比从2015年7.8%提升至32.7%,年均市占率提升约6.3%。2021年国内高镍材料(811及NCA型)总产量达到15.23万吨,同比增长222.4%。从结构上看,5系三元材料尽管占据主流地位,全年市占率已下滑至47.7%,反观高镍材料(811型及NCA)占比提升明显,达到38.3%。

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2021年磷酸铁锂电池(LFP电池)装机量占比首次超过三元材料电池,但将时间维度拉长来看,在2016年至2022年期间,三元电池和磷酸铁锂电池是互相替代的过程。当政策推动要求这个能量密度要上升时,三元电池的用量也会随之有一定的上升。近期三元电池的占比下降比较快,主要是因为原材料成本端的压力较大,磷酸铁锂电池的成本其实相较于三元电池来说有非常明显的优势,因而短期内发生了快速的替代。整体来说,未来动力电池会随着新能源车的发展会有非常明显的进步,三元电池并不是真正的发展放缓、下行甚至消失,后续随着原料成本的下降及对能量密度要求的提高,叠加三元电池技术的突破,使得安全性得到更高的保障,预计其占比会发生较为明显的回转。

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4、不锈钢

在汽车行业中不锈钢主要应用于汽车排气系统、发动机零部件、燃油箱和装饰用零部件。其中排气系统的不锈钢用量达到整车不锈钢用量的一半以上,同时不锈钢作为一种轻型材料,在发动机零部件等领域也有广泛的应用:

l 汽车排气系统:排气系统是汽车不锈钢应用最多的部件,多采用铁素体型和奥氏体型,如409L、436L,形状主要为管材。考虑到实用性和经济性,欧美国家汽车的排气系统常选用0Cr11Ti型铁素体不锈钢,日本基本上是采用13Cr至17Cr铁素体不锈钢及其改进型;

l 汽车燃油箱:用不锈钢材料制造的燃油箱除了没有燃油渗漏的危险,且具有卓越的耐腐蚀性和良好的成形性能,并可以省去或简化涂装过程,而且易于回收。常用的不锈钢材料有304L、JFE-SX1等;

l 汽车车架:不锈钢车架可使汽车抗撞击性能好、重量轻、安全可靠性高且寿命长,还可以完全回收利用。常用的材料有409L、3Cr12、304L等都是常用的不锈钢材料钢种;

l 汽车不锈钢零部件:主要有不锈钢密封圈和热交换器,密封圈一般采用301不锈钢,热交换器一般使用SUS304、SUS430和SUS409L等不锈钢材料;在部分零部件上也使用Cr-Ni奥氏体不锈钢;0Cr17、0Cr18Ni9用于油冷却器板式换热器;0Cr17一般可用于头灯护圈、大型客车扶手、安全栏杆等;

l 汽车装饰用不锈钢:小型汽车上使用不锈钢嵌条、天线、车轮盖等,在大型客车、车辆的扶手、安全栏杆、吊手杆上也采用不锈钢。为了降低成本,后视镜主要采用SUS430J1L系不锈钢,部分高级轿车的后视镜采用SUS436J1L系不锈钢;汽车雨刷多采用SUS430、SUS304、SUS301等;头灯护圈采用SUS430等钢种。汽车上的安全装置也经常使用不锈钢材料。例如安全带紧线器采用SUS301不锈钢材料,安全气囊的传感器和增压泵主要使用SUS304和SUS304L不锈钢材料,ABS感应环采用SUS434、SUS444等钢种;

l 汽车车架或汽车整体外壳:由含11%至12%Cr的不锈钢制造的汽车车架或汽车整体外壳,常用的牌号有00Cr11Ti、0Cr11Ni4Ti、00Cr12NiTi等。

此外,不锈钢在汽车的使用中,也有防腐的作用。不锈钢概述近年来,随着对汽车零部件耐腐蚀性要求的日益提高、排放法规的日益严格,《汽车禁用物质求》标准颁发及汽车零件用钢板高强塑积、优良安全性、优良耐腐蚀性等材料应用发展趋势,具有优良耐热、耐腐蚀性、高强塑积等特点的奥氏体不锈钢及具有优良耐热、耐腐蚀性、成相对较低的铁素体不锈钢材料在传统燃油车产品的使用范围有所增大。

尽管不锈钢具有优异的耐腐蚀性,且汽车车身也要求具有较好的抗腐蚀性,但是目前不锈钢在传统燃油车车身上的应用还较少。究其原因,主要有以下几点:

l 目前的抗腐蚀性技术足够达到OEM要求,无需不锈钢。目前汽车制造中可以起到防锈作用的方法有很多,比如:常用的镀锌钢板、车身表面的喷涂工艺等都具有较好的防锈效果;空腔注蜡还可以实现车身内部的防锈;

l 不锈钢造车成本太高,一般是镀锌钢板的3倍,这是限制其在车身中应用的主要因素;

l 不锈钢的密度是7.64-8g/cm?,将近是铝合金的3倍,与汽车钢板相比也没有优势。因此,不锈钢的应用不利于车身轻量化;

l 不锈钢的强度不足。304不锈钢的强度在205-400MPa,对于A柱、B柱这种安全件来说,强度无法满足。此外,由于拉伸强度的限制,不锈钢不适合冲压成型。

总体来看,不锈钢相较于其他金属,在汽车行业发展及新能源车替代传统燃油车的过程中呈负反馈。由于新能源车不再有排气系统的安装需求,即不再需要安装排气钢管,因此对不锈钢的需求存在明显下降。反映到单车的用量,目前传统燃油车单车用量约为24至30kg,新能源车的用量将骤减一半以上,大约为8至10k,因此不锈钢在汽车行业的应用将面临一定边际需求减量的风险从2020年到2022年预期来看,汽车行业整体销量增加,新能源车销量也在增加,但是不锈钢的用量几乎没有增量,后续预计还将继续挤压传统燃油车的不锈钢用量,甚至不排除出现减量的情况。

5、锌

在汽车行业中锌最主要的应用是防腐作用的镀锌钢板,镀锌钢板是一种涂有一定厚度的锌以提高耐蚀性的钢板。从上世纪70年代开始,车身钢板开始镀锌。组装时,为提高车体耐腐蚀性,将镀锌表面置于车内,而将非镀锌表面置于车外喷漆。随着汽车对耐蚀性要求的不断提高,镀锌钢板的重量不断增加,镀锌层也有了双层镀锌钢板。但是增加镀锌重量也会大大增加镀锌的电耗,导致材料成本增加。因此,在20世纪70年代末,出现了一种由热镀锌工艺生产的镀锌钢板,称为热镀锌钢板。目前,镀锌钢板已广泛应用于汽车上,镀锌钢板厚度为0.5至3.0mm,其中车身覆盖层多采用0.6至0.8mm厚的镀锌钢板。由于不锈钢在防腐过程中用量较少,所以镀锌钢板的被不锈钢替代的可能性不强。

我国汽车用镀锌钢板占比在50%左右,从世界范围看镀锌汽车板的应用量已经占到汽车板总量的75-100%,较为高档的车型全部采用镀锌板。当下国外通行的防腐要求是5年不腐蚀,10年不穿孔,欧洲最高的标准已经提升到12年。我国尚且没有官方防腐标准。因此在没有规范的约束之下,国产汽车品牌镀锌板使用率较低。

总体来看,由于轻量化需要铝的大范围替代,无论传统燃油车还是新能源车,钢材的用量必然会有所萎缩。由于被铝以及一些其他金属所替代,进而导致镀锌钢板的用量也明显减少,甚至面临部分减量。

同时,锌有一部分将投入到锌空气电池的使用。锌空气电池是通过大气中的氧气和锌之间的化学反应产生电力的电池,并被认为是替代锂离子电池的新一代电动汽车的候选者。理论上它们满足了下一代二次电池的所有要求,比如,能量密度高、爆炸风险低、环保、不排放污染物、材料成本低(锌和空气,很容易从自然界获得)。但是目前锌空气电池的发展还处在研究的初期,三元电池以及磷酸铁锂电池的广泛应用是历经非常长的时间,锌空气电池能否落地还有待考究。

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责任编辑:叶倩

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