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1 電池廠引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，材料體系+封裝工藝為核心

 

鋰電技術(shù)持續(xù)升級(jí)，電池龍頭引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

 

8-10年內(nèi)依舊在現(xiàn)有電化學(xué)體系內(nèi)持續(xù)升級(jí)，龍頭引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。電化學(xué)產(chǎn)業(yè)嚴(yán)格意義上屬于配方試錯(cuò)中平緩發(fā)展的行業(yè)，需要底層的長(zhǎng)期試錯(cuò)積累。因此過去30年鋰電池的基礎(chǔ)體系基本保持。我們判斷未來8-10年目前的電化學(xué)體系我們預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生顛覆性改變，目前電池企業(yè)所觸及的技術(shù)布局仍將存在延續(xù)性。電池龍頭公司引領(lǐng)全行業(yè)技術(shù)發(fā)展。

 

 

龍頭公司技術(shù)進(jìn)步的四大創(chuàng)新體系：材料體系創(chuàng)新、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、極限制造創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新。材料體系創(chuàng)新，需要深入地理解材料內(nèi)稟性質(zhì)及其界面性質(zhì)，幫助材料體系實(shí)現(xiàn)根本創(chuàng)新；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，包括 CTP、CTC等，主要是通過優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低、效率提高、成本降低；極限制造創(chuàng)新，六西格瑪?shù)幕A(chǔ)上，產(chǎn)品缺陷率由PPm級(jí)做到PPb級(jí)，同時(shí)保障全生命周期的可靠性。

 

2 材料體系升級(jí)：正極為核心，超高鎳與錳鐵鋰為趨勢(shì)

 

1. 三元正極：超高鎳化、單晶化為主要方向

 

三元材料：能量密度高于鐵鋰，符合長(zhǎng)續(xù)航需求

三元材料兼?zhèn)涓吣芰棵芏?、高電壓平臺(tái)、相對(duì)較低的成本，成為正極材料的主流。常見的鋰離子電池正極材料有層狀鈷酸鋰、橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰以及層狀三元材料，三元層狀金屬(Co, Mn, Ni/Al等)氧化物(LiNi1-x-yCoxMnyO2)以其高理論比容量(>250mAh/g)及較高工作電壓(~3.65 V)的特點(diǎn)，成為正極材料的主流。但三元材料隨著鎳含量的提升，熱穩(wěn)定性會(huì)降低，安全性較差于鐵鋰。

三元正極三種金屬元素作用：根據(jù)Ni、Co、Mn三種元素比例的不同，可以分為523、622、811型。鎳為電 池活性元素，提升電池能量密度的關(guān)鍵（能量密度）；鈷作為正極支架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，但價(jià)格昂貴，并對(duì)環(huán)境造成污染（循環(huán)性能） ；錳/鋁提高材料的導(dǎo)熱性，是熱穩(wěn)定性關(guān)鍵（安全性）。

高鎳化：

2020年為高鎳元年，2021年高鎳滲透率提升至30%+，高鎳技術(shù)逐漸成熟。2020年為高鎳元年，寧德時(shí)代高鎳電池開始起量，容百綁定寧德成為絕對(duì)龍頭，隨著高鎳技術(shù)趨于成熟，21年高鎳占寧德裝機(jī)占比提升至 30%，億緯、蜂巢、比亞迪等陸續(xù)有高鎳電池出貨，且高鎳三元材料占比提升至40%+，且二線廠商開始突 破，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

 

 

著高鎳技術(shù)趨于成熟，超高鎳為未來必爭(zhēng)之地，電池能量密度天花板進(jìn)一步提升，且為降成本的有效方式。 超高鎳方向的優(yōu)勢(shì)一是隨著Ni含量越來越高，容量越高，價(jià)格越便宜；二是燒結(jié)溫度隨Ni含量升高而降低，成本降低；目前高鎳三元電芯能量密度有望達(dá)到300wh/kg，成組后pack能量密度有望突破200wh/kg，超高鎳三元正極，配合硅碳負(fù)極應(yīng)用，能量密度有望達(dá)到350wh/kg-400wh/kg。

單晶化：?jiǎn)尉牧戏€(wěn)定性更強(qiáng)，更耐高電壓

單晶正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，同時(shí)前驅(qū)體制備難度更高：在多晶正極材料中，鋰離子充放電時(shí)，鋰離子進(jìn)出使單個(gè)晶體膨脹和收縮，在晶界中產(chǎn)生應(yīng)力，造成晶界撕裂，從而使晶體分解，電池循環(huán)性能不斷下降；而單晶正極材料中，因?yàn)閮?nèi)部排列取向一致，不存在晶界，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，循環(huán)性能更好，熱安全性 能也更優(yōu)，在高電壓時(shí)更穩(wěn)定，從而提升能量密度。

單晶正極材料穩(wěn)定性更好，更適合高電壓，從而提升電池能量密度：常規(guī)的二次顆粒團(tuán)聚體三元正極材料由許多小單晶一次顆粒構(gòu)成，在循環(huán)過程中，由于顆粒不斷膨脹收縮，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)二次球開裂、破碎，導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短；單晶三元正極材料可以較好地規(guī)避上述問題，材料經(jīng)壓實(shí)和高溫循環(huán)后，不易發(fā)生破碎，從而獲得更加優(yōu)異的高溫循環(huán)穩(wěn)定性；同時(shí)，由于大單晶一次顆粒的尺寸較大，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫性能，因而具備更好的安全性能。單晶正極比多晶正極更耐高電壓，可以使用更高的電壓去充電，從而使更多的鋰離子脫嵌，有效轉(zhuǎn)化嵌入負(fù)極中，提高鋰離子的活性，從而提升能量密度。

 

2. 鐵鋰正極：錳鐵鋰2023年落地，M3P提供新方向

 

磷酸鐵鋰：安全性高、成本低，但能量密度天花板低

磷酸鐵鋰電池具有安全性高、高溫性能好、使用壽命長(zhǎng)、原材料成本低的優(yōu)點(diǎn)。磷酸鐵鋰電池正極材料分解溫度在700℃左右，安全性較高；循環(huán)壽命2000次以上，而三元一般1000次；且其原材料不含金屬鈷， 目前成本低于三元近20%。

能量密度天花板低，但成組效率較高。鐵鋰振實(shí)密度與壓實(shí)密度低，理論能量密度190Wh/kg，目前行業(yè)基本達(dá)到160wh/kg，成組效率85%以上，Pack后能量密度130-140wh/kg。三元理論能量密度高于 350Wh/kg，目前單體能量密度以200-250為主，成組銷量75-80%左右，Pack能量密度140-160wh/kg， 高鎳三元可達(dá)180wh/kg。

低溫性能差。一塊容量為3500mAh的LFP電池在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，因此鐵鋰電池不適應(yīng)冬季北方。

磷酸錳鐵鋰：保持鐵鋰穩(wěn)定架構(gòu)，同時(shí)提升能量密度

磷酸鐵鋰循環(huán)性能較好，能量密度較低。磷酸鐵鋰具有橄欖石強(qiáng)架構(gòu)，容納鋰離子的空位相對(duì)較少（能量密度較低），但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)（循環(huán)性能較好）。

三元循環(huán)性能較差，能量密度較高。三元正極材料具有扁平的結(jié)構(gòu)，能容納更多的鋰離子的空位（能量密度較高），但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱（循環(huán)性能較差）。

磷酸錳鐵鋰保持鐵鋰穩(wěn)定架構(gòu)，同時(shí)提升能量密度。磷酸錳鐵鋰（LMFP），可以保持磷酸鐵鋰穩(wěn)定的橄欖石架構(gòu)，從而保留電池循環(huán)性能，同時(shí)通過提高電壓提升能量密度。但從結(jié)構(gòu)框架上看，即使摻入其他元素，橄欖石架構(gòu)所含的鋰離子空位仍與片層結(jié)構(gòu)有不小差距，因此能量密度提升有限（極限25%）。

 

3. 負(fù)極：硅基負(fù)極方向明確，4680電池打開空間

 

負(fù)極：起儲(chǔ)鋰作用，目前以石墨負(fù)極為主

負(fù)極材料在電池中起儲(chǔ)鋰作用，對(duì)電池性能有直接影響，成本占比10%左右。鋰電池負(fù)極是由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)過干燥、滾壓制得，是鋰電池儲(chǔ)存鋰的主體，鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出負(fù)極。充電時(shí)正極鋰被氧化為鋰離子，通過隔膜到達(dá)負(fù)極，鋰離子嵌入負(fù)極中。放電時(shí)鋰離子脫出負(fù)極，在正極被還原為鋰。

人造石墨為當(dāng)前主流路線，硅碳負(fù)極引領(lǐng)新方向。目前負(fù)極材料中應(yīng)用最廣的是人造石墨與天然石墨兩類， 其中，人造石墨滲透率逐年提升，為當(dāng)前主流路線，2020年中國(guó)負(fù)極材料出貨36.5萬噸，人造石墨占比達(dá)到 84%，天然石墨占比16%，2021H1人造石墨出貨量占比為85%。硅碳負(fù)極可提升電池能量密度，有望成為未來材料升級(jí)的方向。

硅基負(fù)極：硅負(fù)極高能量密度優(yōu)勢(shì)明顯

石墨的理論能量密度是372mAh/g，目前應(yīng)用的石墨比容量已經(jīng)接近極限。而硅負(fù)極理論能量密度高達(dá)4200mAh/g，為目前已知的能用于負(fù)極材料理論比容最高的材料，硅碳復(fù)合材 料能大大提升單體電芯的容量。

硅負(fù)極安全性能優(yōu)于石墨： 硅電壓平臺(tái)高于石墨，充放電過程中硅表面不容易析鋰，提高電池安全性。

硅材料成本較低：硅材料來源廣，儲(chǔ)量豐富，制作成本較低，對(duì)環(huán)境友好 。

 

3 封裝工藝改進(jìn)：4680大圓柱落地，CTP/CTC體系升級(jí)

 

不同封裝形式各有優(yōu)劣，高集成化為大趨勢(shì)

不同封裝形式各有優(yōu)劣，國(guó)內(nèi)以方形電池為主導(dǎo)。方形、圓柱和軟包為三種分裝形式，國(guó)內(nèi)以方形電池為主導(dǎo)，歐洲以軟包電芯為主導(dǎo)，特斯拉使用21700圓柱電池，圓柱電池工藝成熟度和生產(chǎn)效率高，過程控制嚴(yán) 格，但BMS復(fù)雜，使用門檻較高；軟包電芯能量密度高，對(duì)電芯的保護(hù)程度高，但是成組效率較低；方形電芯制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成組效率高，為國(guó)內(nèi)電池主流。

4680電池及CTP/CTC技術(shù)加速落地。CTP技術(shù)全稱為Cell To Pack，CTP電池包即是電芯直接集成到電池包內(nèi)，這種電池由于省去了電池模組，可以使體積利用率提升15％－20％，同時(shí)刀片電池、4680電池均通過增 大單體電池容量，進(jìn)一步提升電池空間利用率，降低電池成本。

1）方形電池：CTP/CTC技術(shù)升級(jí)，刀片電池

寧德時(shí)代：CTP技術(shù)2019年推出，布局領(lǐng)先行業(yè)

原理：寧德時(shí)代CTP電池與比亞迪刀片電池類似，不同點(diǎn)在于其應(yīng)用“大模組”概念，仍保留部分模組，但是通過減少模組的使用，增加電芯數(shù)量或體積，提升集成效率。

CTP鐵鋰大批量應(yīng)用，CTP三元逐步切換，CTP布局領(lǐng)先行業(yè)：寧德時(shí)代CTP技術(shù)受多方認(rèn)可，其中特斯拉鐵鋰電池采用寧德時(shí)代CTP技術(shù)，成組能量密度達(dá)150-160wh/kg，成本方面將低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換，北汽EU5、哪吒等車型率先應(yīng)用，大眾MEB平臺(tái)也采取高鎳811大模組 方案，進(jìn)一步提高能量密度，降低電池成本。

比亞迪：刀片電池提升安全性，大幅提升空間利用率

刀片電池是一種長(zhǎng)電芯CTP方案（基于方形鋁殼的疊片電池），對(duì)電芯的厚度減薄，并增大電芯的長(zhǎng)度，跳過模組由電芯直接陣列在電池包中充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，從而增加整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度。

單塊刀片電池是由多個(gè)并聯(lián)的電芯組組成（電壓3.2V），兩個(gè)相鄰的極芯組之間設(shè)置有隔板，將電芯的空間 分隔成若干個(gè)容納腔，這些容納腔形成類似的蜂巢結(jié)構(gòu)，并且具備密封和注液通道。

優(yōu)點(diǎn)：增加了安全性，提升空間利用率，降低電池成本；1）邊梁內(nèi)含排氣管道，防爆閥開啟后內(nèi)部一旦有火焰、煙霧等，可以通過排氣管道排出，避免對(duì)單體產(chǎn)生二次傷害；2）扁平化設(shè)計(jì)，大大增加了散熱面積， 內(nèi)部回路長(zhǎng)；3）磷酸鐵鋰失控溫度高，產(chǎn)氣量少；4）陶瓷阻燃層 ；

缺點(diǎn)：增加電池內(nèi)阻（銅/鋁箔被迫加厚），維護(hù)成本高，磷酸鐵鋰能量密度上限較低，生產(chǎn)效率低。

2）4680大圓柱：22Q1率先量產(chǎn)，遠(yuǎn)期規(guī)劃龐大

大電芯+全極耳+干電池技術(shù)，改善電池性能

4680電池為特斯拉推出的直徑為46mm，高度為80mm的新一代圓柱電池。對(duì)于電池來講，能量密度提升時(shí)，功率密度會(huì)下降，直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優(yōu)選擇。

4680電池核心創(chuàng)新工藝為：大電芯+全極耳+干電池技術(shù)，4680電池大幅提升了電池功率（6倍于2170電池），降低了電池成本（14%于2170電池），優(yōu)化了散熱性能、生產(chǎn)效率、充電速度，能量密度、循環(huán)性能有進(jìn)一步的提升空間，根據(jù)特斯拉測(cè)算，4680尺寸更大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，其作為結(jié)構(gòu)電池成為車結(jié)構(gòu)的一部分，既提供能源，也用作結(jié)構(gòu)起支撐作用，節(jié)省了空間也減少了重量（10%），續(xù)航里程有望提升 （14%）。

 

4 其他技術(shù)路線：鈉離子電池、固態(tài)電池等

 

固態(tài)電池：高性能+高安全，各項(xiàng)指標(biāo)領(lǐng)超液態(tài)電池

電池發(fā)展經(jīng)歷了由鉛酸電池到鎳氫電池再到液態(tài)電池的發(fā)展階段，目前液態(tài)電池技術(shù)相對(duì)成熟，但能量密度即將達(dá)到上限（350Wh/kg）以及電池起火問題未能得到有效解決，新的電池時(shí)代即將到來。

固態(tài)電池是下一代電池發(fā)展方向。從性能對(duì)比來看，固態(tài)電池在離子電導(dǎo)率、能量密度、耐高壓耐高溫、循環(huán)壽命等方面均優(yōu)于液態(tài)電池，且固態(tài)電池安全性更高，解決了熱管理問題，有效防止燃燒事故。自 2010年出現(xiàn)以來不斷取得技術(shù)突破，因此固態(tài)電池有望成為下一代電池的發(fā)展方向。

固態(tài)電池制備流程簡(jiǎn)化，但技術(shù)尚未成熟

固態(tài)電解質(zhì)既具有鋰離子傳導(dǎo)的能力又很好的將正負(fù)極阻隔，同時(shí)替代了電解液和隔膜，減少了隔膜、注液、冷卻等步驟，制備流程簡(jiǎn)化；同時(shí)，不再受限于電解液的流動(dòng)性，可設(shè)計(jì)為柔性電池，在外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面具有較大設(shè)計(jì)空間。但目前制備技術(shù)尚未成熟，生產(chǎn)成本是傳統(tǒng)電池2-3倍，因此固態(tài)電池在單體電芯容量、快充時(shí)長(zhǎng)和成本等 方面仍有較大改善空間，對(duì)空氣敏感、與鋰金屬的相容性低等問題亟待解決。

固態(tài)電池電解質(zhì)及正負(fù)極發(fā)展方向

固態(tài)電池的核心是用固體電解質(zhì)替代電解液和隔膜。固態(tài)電解質(zhì)主要有三類聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)，其中聚合物發(fā)展最為迅速，已開始小規(guī)模量產(chǎn)；硫化物電解質(zhì)性能最優(yōu)，最適用于電動(dòng)汽車，商業(yè)化潛力巨大。固態(tài)電池正極材料需要滿足高比能量、高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命等條件。目前氧化物正極在全固態(tài)電池中應(yīng)用較為普遍，但界面抗阻嚴(yán)重；而5V尖晶石材料因其高容量、高安全性被視為最佳選擇。在鋰離子電池中石墨負(fù)極應(yīng)用廣泛，但理論容量較低，適配固態(tài)電池的可能性不大；高容量、低電位的金屬鋰負(fù)極被視為固態(tài)電池負(fù)極材料的最佳選擇，加入其他金屬合成新型合金材料可進(jìn)一步改善性能。

5 新充電方向：800V高壓平臺(tái)加速應(yīng)用

高電壓快充：車用/充電樁高壓部件供應(yīng)鏈逐漸成熟

功率 = 電壓×電流，因此提高充電功率（輸出功率）可以從增大電流或提高電壓的方式：1）采用更大的電流：以特斯拉為代表，但大電流對(duì)應(yīng)發(fā)熱增加，導(dǎo)線橫截面積增大，對(duì)應(yīng)整車耗電增加，重量增加，減少續(xù)航里程；2）采用更高的電壓：以保時(shí)捷為代表，電壓平臺(tái)從400V提升至800V，提升整車的動(dòng)力性能及續(xù)航里程，但需要串聯(lián)更多數(shù)量的電池，并將相關(guān)高壓部件重新適配。

高壓零部件逐漸成熟，電池包需適配快充+高壓BMS。從電動(dòng)車端看，高壓架構(gòu)下，電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC 、空調(diào)、車載充電機(jī)等零部件都需重新適配，從全產(chǎn)業(yè)鏈角度看，目前PTC和空調(diào)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，高壓OBC、 DCDC等其他主要高壓零部件有望于2021年年底基本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。從充電樁端角度看，高壓零部件的成熟度比車端高，只有充電槍、線、直流接觸器和熔絲等需重新選型，目前均有成熟產(chǎn)品。

高電壓快充：快充系統(tǒng)架構(gòu)方案共三種選擇

純800V電壓平臺(tái)：電池包、電機(jī)以及充電接口均達(dá)到800V，車中只有800V和12V兩種電壓級(jí) 別的器件，OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC以及PTC均重新適配以滿足800V高電壓平臺(tái)。

雙400V電池組串并聯(lián)組合：利用電池管理系統(tǒng)將電池組在串聯(lián)、并聯(lián)之間轉(zhuǎn)換，在充電時(shí)，兩個(gè)電池組可串聯(lián)成800V平臺(tái)高電壓快充；在放電時(shí)，兩個(gè)電池組并聯(lián)成400V平臺(tái)供汽車運(yùn)行時(shí)使用，直接使用原有400V的高壓部件。

純800V電壓平臺(tái)+額外DCDC：整車搭載一個(gè)800V電池組，在電池組和其他高壓部件之間增加一個(gè)額外的DCDC將800V電壓降至400V，車上其他高壓部件仍采用400V電壓平臺(tái)。