动力电池行业深度分析报告( 99 页)

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目录

投资主题：拥抱全球电气化变革，开启电化学储能大时代 .... 9

化学电源的演进：实现电存储的绝佳方式 ...... 10

走进化学电源：多样体系的全面渗透 ....... 10

化学电源是具备存储与转换能量功能的装置 ...... 10

历经多年开发与推广，持续渗透生产生活场景 .......11

探秘电池本源：性能往往不可兼得，需有所取舍 ...... 12

能量密度：性能基石，上限由物质理化性能决定 ....... 13

高倍率性能：影响输出功率以及充电速度，本质是扩散能力 ..... 15

循环性能：衡量使用寿命的指标，全生命周期多因素影响 ..... 16

安全性能：商用首要考量的“红线”，持续改善增强可靠性 ...... 17

动力领域的体系演进：追求更高比能为主线，锂电体系脱颖而出 ..... 18

车用化学电源有更严格的标准要求 .... 18

动力的性能诉求持续推动更高比能电池在车用领域的发展 ..... 20

锂离子电池：动力电池的优选技术，内部体系多元 ....... 21

锂电材料开发：渐进迭代为主旋律，革命性突破需量变到质变 ...... 22

材料体系迭代升级，电池成本持续下降 .... 23

正极开发主旋律：高比能为主线，多维性能渐进革新 ....... 26

锂离子电池正极组分中，镍钴锰等过渡金属往往不可或缺 ..... 26

锂电正极的应用以高比能为主线 ....... 28

高镍正极是已商用，最明确的产业研发方向 ...... 29

正极“无钴化”是高镍的终极演进目标，“代钴”元素的引入是关键..... 34

改性已有的高比能潜力嵌锂化合物是“无钴”的另一路径...... 35

革命式的正极开发方向是无锂化，涉及多组分变动 ....... 40

硫化物是无锂正极开发热点，无人机应用测试顺利推进 .... 42

负极突破主基调：研制更高比容低成本的材料 ..... 46

负极当下格局：碳基是商用主流，钛酸锂因高安全应用于细分领域 ....... 46

现有负极比容已接近上限，高比容潜力负极中硅基优势显著 ..... 48

硅基负极产业化持续铺开，“硅基时代”临近 ....... 50

负极预锂化是硅基负极产业化的关键改性技术 ...... 51

负极的革命式目标是金属锂的产业应用，难点在于安全性 ..... 53

“无负极”电池：锂金属电池研发的可行创新策略 .... 55

电解质：匹配电池体系持续优化，固态则是革新形式 ....... 56

有机液态电解液是主流的锂电池电解质体系 ...... 56

电解液产品优化路径：针对溶剂、锂盐及添加剂开展改性 ..... 57

跟随体系升级，开发多元电解质产品 .... 58

电解质的形态演进：固态形式将大幅提升综合性能 ....... 59

隔膜：电池的安全屏障，未来部分场景或以电解质形式存在 .... 62

隔膜影响电池体系综合性能，动力领域要求严苛 ....... 62

聚烯烃微孔膜及改性产品是当下主流隔膜材料 ...... 64

基于隔膜生产工艺改进，隔膜产品性能持续升级 ....... 64

未来的隔膜形态：趋于轻薄，部分场景下将被固态电解质替代 ...... 65

材料从研发到商用的思考：多样出行场景意味着多元的性能推进路径 ...... 67

钠离子电池：性能比肩铁锂，或将在低速动力等场景规模导入 ...... 68

燃料电池：高能环保的终极形态，成本等限制短期发展，未来商用领域大有可为 ...... 70

材料到电芯：细节精益求精，体系紧扣实际 ...... 71

每一生产环节是“与”门的构成，乘数放大基于严格标准..... 72

工艺精进是非活性材料体系外，渐进集约化的性能提升抓手 ..... 73

电芯生产全环节有着高环境要求，追求精密优质高效 .... 74

小细节中的大价值：特斯拉干电极技术的启示 ...... 75

大体系中的充分竞争：电池封装演进下的格局之变 ...... 77

不同封装工艺存在性能和应用潜力的差异 ..... 77

封装的核心工序：卷绕更贴合实际，叠片代表高性能的未来 ..... 79

工艺格局演化之思：先进技术与产业实践的契合是发展关键 ..... 81

电芯到整车：演进理念是优化中间环节，提升集成效率 ...... 83

Cell to pack: 淡化模组概念，提高成组效率 ..... 83

模组在动力电池系统中起到提升稳定性的关键作用 ....... 84

无模组技术的演进：目标在于降本提效 ..... 84

CTP 与刀片电池出世：精巧的设计用以满足轻量紧凑诉求 .... 86

CTP 方案的开发热度提升，车企的电池子公司入局 ...... 88

无模组技术的推出将增强电池环节的议价，将改变产业格局 ..... 89

集成大势所趋，是做减法，更是做加法 .... 90

高集成的下一步：CTC 技术 ..... 91

集约化的代表：特斯拉优秀的垂直整合理念与实力 ....... 91

投资建议：紧跟具备核心竞争力的技术型龙头企业 ...... 94

回溯行业格局：把握市场主流技术变化，是企业关键生存之道 ..... 95

深厚多元的技术积淀既提升抗风险力，又是下一代体系的基础 ..... 96

强者更强，全球电池龙头持续拓宽能力辐射圈 ..... 98

风险提示 ...... 99

图表目录

图表1：化学电源工作原理图（以锂离子电池为例）...... 11

图表2：化学电源技术发展的历史可追溯至2000 年前，电池如今已成为现代社会不可或缺的储能设备.......12

图表3：根据不同电池类型的性能特征，适配不同的应用场景......12

图表4：能量密度公式及能斯特方程推导......13

图表5：周期表上方元素的电位与电化学当量，能够依据数值构成多个高理论比能电池体系......14

图表6：实际比能量与理论比能量关系示意图......15

图表7：不同类型电池电芯级别的能量比较拉贡图，比能的提升往往伴随的是比功率的下降......16

图表8：影响锂离子电池高倍率性能的主要因素......16

图表9：铅酸电池的循环次数随放电深度的增加而降低......17

图表10：从设计到工艺，再到产品使用层面，均会影响电池的循环性能 .......17

图表11：电池老化衰减机理与安全性能演变的关系....18

图表12：1881 年Gustave Trouve 制造可充电铅酸电池三轮车，推进电动车应用 .......19

图表13：电动汽车用动力电池性能要求....19

图表14：不同类型电动汽车对动力电池能量和功率的要求....19

图表15：市面上主流的电池性能比较，锂离子电池的优势突出 .......20

图表16：锂电池技术发展时间相对较短但性能提升较快，且仍在持续改善 .......22

图表17：通过不断优化现有材料并寻找新材料组合，持续的提升锂离子电池的综合性能 .......23

图表18：2010 年以来动力电芯能量密度已增长2 倍至300Wh/kg ......24

图表19：2020 年全球电池包均价同比下降13%至137 美元/千瓦时.......24

图表20：新能源车售价指数预计在2025 年前后低于燃油车售价指数.....24

图表21：解构电池包，能够了解到发挥核心功能的基石是电极材料 .......24

图表22：PHEV 37Ah 的三元/石墨型电芯中材料成本占74.9%....25

图表23：该款电芯的材料成本占比中，正极份额为49.5% .......25

图表24：6 种主要的材料改性思想，不仅是当下提升已有材料性能的手段，也是构造复合新材料的方法 ....26

图表25：Co、Ni、Mn 等是嵌锂化合物中合适的过渡金属之选 ....27

图表26：磷酸铁锂正极是主要的商业化聚阴离子材料，未来磷酸锰铁锂的开发是提升比能的重要路径 .......28

图表27：常见的正极材料性能对比....29

图表28：不同材料组成的锂离子电池性能有所差异，也因此带来应用的区别 .......29

图表29：比容与电位的提升都能增加以电极质量计算的能量密度 .......30

图表30：钴含量的减少使高镍三元的成本具备竞争力....30

图表31：不同组分三元材料放电比容量、热稳定性和容量保持率的关系 .......31

图表32：三元材料的工业合成过程中，每个步骤均对高镍三元的生产有更严格的要求，从而在工艺上形成挑战 .......31

图表33：充电电压提升，三元的比容量也将提高....32

图表34：但同时会使得正极材料的循环性能降低，容量保持率下降 .......32

图表35：单晶没有晶界，可以有效应对传统多晶晶界破碎的问题 .......32

图表36：1000 次充放循环后，单晶三元颗粒不发生破碎，性能相对稳定......32

图表37：2020 年中国高镍装机达到17.9GWh，占三元比例46%.......33

图表38：2020 年1-9 月LG 化学与CATL 高镍总装机份额达95.1% ......33

图表39：LG 化学自产正极，在正极开发与生产上有先进的技术及工艺储备 .....33

图表40：LG 化学官网上列出的多元正极产品可满足动力及储能应用需求 .....33

图表41：对比新旧两款雷诺Zoe 的性能指标，NCM712 体系提升续航......33

图表42：从不同方面展示钴在高镍中的关键作用仍可由Al、Mg 或Mn 元素所发挥.....34

图表43：NCMA 与NCM、NCA 材料相比，性能优势突出 .......35

图表44：从横断面SEM 图像来看，NCMA 对于微裂纹抑制效果更好 ....35

图表45：蜂巢能源2019 年7 月全球首发的NCMA 四元电池的能量密度达到265Wh/kg，各项性能指标优异....35

图表46：不同三元材料的半电池和软包电池的电化学性能表征 .......35

图表47：NMA89 有更高的热效应温度，具备更好的热稳定性 .....35

图表48：层状镍锰酸锂材料的SEM 图像 .....36

图表49：层状镍锰酸锂在2.5-4.5V 之间约有200mAh/g 的比容量 ......36

图表50：蜂巢能源已规划四款无钴电池量产产品，覆盖全部车型超长里程 .......36

图表51：无钴H 系列的115Ah 产品已率先量产装车 .....37

图表52：无钴E 系列电芯比能达220Wh/kg，成本接近铁锂....37

图表53：富锂锰基材料与NCM811、LFP 正极相比，综合性能优异，能量密度指标突出.......38

图表54：首次充电结束后净脱出Li2O，在随后的嵌锂过程中，Li2O 无法回到材料中，造成循环效率低的问题 ......38

图表55：采用慢速扫描循环伏安估计的尖晶石材料的氧化还原电位 .......39

图表56：5V 级尖晶石型LNMO 具备较高的比能量，达到650Wh/kg .....39

图表57：尖晶石型镍锰酸锂与其他传统正极材料相比，具有较突出的成本与比能优势 .......40

图表58：掺杂Al 后材料的循环性能提升 ......40

图表59：掺杂Al 后高倍率下容量保持率优于未掺杂的材料 ......40

图表60：根据热力学计算筛选出低成本、低毒、比能＞1200Wh/kg 的部分无锂正极，主要是过渡金属氟化物、硫化物和氧化物 ......41

图表61：1972-2019 年由锂金属电池到锂离子电池的发展时间线 .......41

图表62：一些无锂正极的充放电曲线和循环性能，转化反应是主要机理 .......41

图表63：严重的过电位和材料体积变化大是无锂正极应用的主要阻碍 .......42

图表64：无锂正极开发过程中遇到的阻碍及相应的改善方式 .......42

图表65：基于转化反应的锂硫电池充放电原理示意....43

图表66：循环过程S-S 键断裂，会生成多种硫化锂中间产物.......43

图表67：与锂硫电池相关的文章发表逐年增加，2020 年截至2 月2 日发表123 篇，中美韩三国发表量占比大 ....43

图表68：实现高能量锂硫电池的过程中，硫正极的持续改性以及电解液、负极的匹配是必经之路 .......44

图表69：在实验室中取得的锂硫电池体系的性能难以在产业应用中复制 .......45

图表70：Oxis Energy 拥有一流的产业合作伙伴，对于推动锂硫电池应用能形成较好的正向循环.....45

图表71：Oxis 开发的锂硫电池样品具备较高的能量密度，但同时较差的循环性能也限制其应用 ......45

图表72：当下实现商用的一些锂电负极材料的性能对比....46

图表73：按结构特点分类的碳负极材料，其中人工石墨是动力领域主流 .......47

图表74：中国锂电负极材料历年出货量中，人造石墨占比持续提升 .......47

图表75：通过强碱改变孔隙结构表面，增加表面微孔和嵌锂路径 .......47

图表76：在石墨颗粒周围充填炭黑，构筑锂离子的传输孔道 .......47

图表77：Li4Ti5O12 嵌锂向Li7Ti5O12 转变示意 ......48

图表78：温和煅烧温度使LTO 材料保持较小粒径，倍率和循环性能提升 ......48

图表79：LTO 及掺杂Co3+的LCTO 材料的SEM 图像.......48

图表80：硅具有较高的比容和适宜的嵌锂电位....49

图表81：硅的丰度高，价格低廉....49

图表82：硅材料与锂反应，经历体积膨胀，产生裂纹直至粉化的结构破坏过程 .......49

图表83：采用现代分析与结构改性结合的方式处理硅负极实用化遇到的三大问题 .......49

图表84：硅基负极专利申请总量排名中，中日美韩位居前四 .......50

图表85：日本、韩国和美国注重海外专利的布局....50

图表86：全球前100 名专利申请人中，日本申请人数量具备优势.......50

图表87：中国国内专利申请人中，以海外申请人为主....50

图表88：新型硅负极的应用使电池能量密度提升，缓解里程焦虑 .......51

图表89：循环过程中SEI 的生长于锂离子的扩散路径示意，不稳定的SEI 膜使锂损耗增加.......52

图表90：通过负极预锂化降低首次活性锂损耗....52

图表91：针对提高ICE 所采用的几种预锂化技术 .......52

图表92：d-SiO/G/C 复合材料制备流程、SLMP 预锂化过程及所带来的性能提升 ....53

图表93：检索系统显示中国国内具备丰富的补锂相关技术专利 .......53

图表94：宁德时代的新型极片补锂装置能够保证生产产能....53

图表95：锂是最轻的金属元素，是能够大幅提升比能的理想的负极材料 .......54

图表96：高反应活性叠加不均匀的沉积脱出，使安全性能显著下降 .......54

图表97：LiPON 作为人造SEI 膜，有效抑制锂金属与电解液的反应 ......55

图表98：玻璃纤维放置在锂负极表面，避免突起周围锂离子的积累 .......55

图表99：NCA 正极+石墨负极的体系转换为NCA 正极的“无负极”体系后，能量密度有望达到500Wh/kg 以上.......55

图表100：无负极电池容量衰减快，只有当库伦效率达到99.99%时，循环寿命才能与商业化的石墨负极体系相当.......56

图表101：不同电解质体系性质比较 .....56

图表102：电解液是动力电池重要组分（以铁锂电芯为例展示成本结构） .....57

图表103：锂离子电池有机液态电解质主要组成结构 .....57

图表104：部分有机溶剂的物理性能（若非特殊指明，一般为25℃）....58

图表105：电解质锂盐的种类、典型代表及特征 .....58

图表106：电解液添加剂的不同类型、典型代表及作用原理 .....58

图表107：根据电池应用需求以及正负极等组分匹配要求，需要开发不同类型电解液 .....59

图表108：全固态电池中，电解液、隔膜、粘结剂等均不需要使用，大大简化电池的结构 .....60

图表109：在渐进式的路线中，由混合固液体系逐渐转变为全固态体系，正负极材料体系能够不断拓展 .....61

图表110：现有固态电解质特性一览，聚合物、氧化物和硫化物是主要的适合产业化的固态电解质......61

图表111：隔膜置于正负极之间，将正负极隔开，防止两极直接接触发生短路 ......63

图表112：锂离子电池对隔膜材料的性能要求......63

图表113：已商业化的三种聚烯烃微孔隔膜的综合比较......64

图表114：通过不同的改性手段能够提升基材的综合性能......64

图表115：干法与湿法工艺比较，湿法隔膜具备性能优势......65

图表116：星源材质主要产品工艺流程......65

图表117：锂离子电池用隔膜/固态电解质的发展历程 ....66

图表118：两种先进隔膜的制备以及性能参数......66

图表119：中国动力电池技术路线图2.0 版本不再一味追求能量密度，将充分考虑市场需求的多样性 ......68

图表120：铅酸电池、锂离子电池与钠离子电池性能对比，锂离子电池具备比能优势，钠离子电池具备原料成本竞争力 .....68

图表121：宁德时代第一代钠离子电池在部分性能上优于铁锂 .....69

图表122：钠离子与锂离子电池的集成混合共用方案有助于取长补短 .....69

图表123：全球主要钠离子电池生产厂家产品性能对比 .....69

图表124：多种一次/二次储能体系的理论能量密度（kWh/kg）.......70

图表125：主要燃料电池类型的性能参数与应用范围 .....70

图表126：氢燃料电池与锂电池相比存在的优势 .....71

图表127：根据大众测算，电池驱动下汽车动力效率在70%以上，而氢动力电动车的效率仅25%~35% .....71

图表128：材料到电芯的关键在于，组合后材料之间能够较好匹配，保持良好性能 .....72

图表129：奥迪Q7 e-tron 动力电池系统结构拆分 ......73

图表130：NCM523 电池包成本构成.....74

图表131：LFP 电池包成本构成 .....74

图表132：CATL 展示的动力电池产品工艺全流程 ......74

图表133：动力电芯制造工艺全流程及各工序所需设备 .....75

图表134：特斯拉子公司Maxwell 的干电极制造工艺 .....76

图表135：Maxwell 的干电极技术具备较强的竞争力，能够降本增效，更加适配下一代材料体系......76

图表136：特斯拉展示由960 个4680 电芯组成的电池包......77

图表137：大众推出标准化电芯，预计2030 年内部占比达到80% .....77

图表138：主流的动力电池产品具有三种不同的封装形式：圆柱、方形、软包，及其相应的电池组实物图 .....78

图表139：不同封装形式的电池类型各有优缺点 .....78

图表140：方形电池和圆柱电池分别的卷绕工艺 .....79

图表141：方形或软包电池可以通过叠片工艺制作而成 .....79

图表142：不同封装形式的电芯制造在核心工艺上有差别，对应的制造设备也不同 .....80

图表143：卷绕电芯存在弯折区域，是影响产品综合性能的重要因素之一 .....80

图表144：卷绕工艺更贴合实际，生产效率高，叠片工艺生产的电芯性能更优 .....80

图表145：2020 年全球动力电池装机142.8GWh，CATL 装机34.3GWh 排名第一 .....81

图表146：2020 年中国方形动力电池出货量占比达到80.8% .......81

图表147：中国2020 年装机TOP10 大部分主营方形电池（GWh）.......81

图表148：松下为特斯拉供应圆柱电芯，由18650 逐渐过渡至21700，未来特斯拉主导下将推出4680 大圆柱 .....82

图表149：宁德时代与三星SDI 主要以方形产品为主，覆盖多元动力场景（因企业持续开发新产品，图中性能参数仅供参考）.....83

图表150：LG 化学具有深厚的软包电池开发工艺技术积淀，供应的产品包括电芯、模组及电池包 .......83

图表151：奥迪Q7 e-tron 的模组结构图 ......84

图表152：早期空间的多样带来模组的多样化 .....85

图表153：标准化到无模组化布置的演进史 .....85

图表154：CATL 推出的CTP 电池技术将是降本的重要手段 ....86

图表155：搭载刀片电池的比亚迪汉最高续航达600km 以上，安全性高 .......86

图表156：宁德时代与比亚迪各自无模组技术的细节展示 .....87

图表157：宁德时代CTP 技术与比亚迪刀片电池的全面对比 .......87

图表158：据蜂巢能源，其开发的长电芯方案具有较强的兼容性，并且正在探索不同材料体系的应用 .....88

图表159：沿车身宽度放置模组形成电池包的宝能CTP 方案 .......89

图表160：宝能CTP 方案中，采用多个电芯串联形成长电芯 .......89

图表161：多个电芯水平叠放后一步焊接形成叠片体，再构成大模组 .....89

图表162：冷却组件及导热元件的加入提升软包CTP 的安全性 .......89

图表163：动力电池制造工艺及相应的不同电池类型的成本拆分测算，磷酸铁锂电池Pack 极限度电成本预计可达442 元/kWh.....90

图表164：2021 年1-8 批推荐目录中，新能源乘用车领域配套铁锂车型的占比提升至39%.......90

图表165：系统结构创新时间线，CATL 预计2028 年前后推出智能化CTC 电动底盘系统 .....91

图表166：特斯拉已经通过多种技术创新进行电池系统的升级，降低系统成本 .....92

图表167：特斯拉计划3 年内通过垂直整合，使每kWh 的电池成本下降56%，推动续航提升54% .....93

图表168：电芯的无极耳设计能够降低电阻，提高散热能力 .....93

图表169：开发4680 大圆柱电芯，续航能够提升16% .....93

图表170：采用表面覆膜稳定结构的方式减少硅负极的应变 .....93

图表171：高镍正极+生产工艺优化+上游延伸+金属回收方式实现降本 ......93

图表172：高度集成的电池+车身工厂将降低投资成本，减少占地面积 .......94

图表173：锂基电池供应链全貌，涵盖上游资源、中游材料及电芯制造、下游电池系统以及丰富终端，极具纵深和广度 .....95

图表174：历年热门车型销量份额持续变动，直接影响供应电池的上游企业份额 .....96

图表175：2015-2020 年全球动力电池装机份额的格局演变 .....96

图表176：全球4 家动力电池龙头均有长期的电池开发历史，具备深厚的技术储备，并且持续积极开展基础研究 .....97

图表177：动力电池龙头历年来保持较大的研发投入（亿人民币） .....97

图表178：企业研发占收入比重在行业中属于高水平，体现强研发特质 .....97

图表179：拥有独特优势而产品线丰富，是海外动力电池龙头竞争力的一大体现 .....98

图表180：基于创新研发理念，宁德时代形成完整动力电池研发链条，开发出综合性能优势突出的产品 .....99