【文章內(nèi)容簡介】 m與nca的普及應用。未來動力電池比能量將主要從電池的物理性能與化學性能兩方面著手提高，物理性能方面主要從材料輕量化、相互之間的搭配銜接突破，化學性能則主要通過新型材料的試用以實現(xiàn)電池電化學性能的最佳狀態(tài)。物理方法：工藝改進仍有空間 電芯環(huán)節(jié)：圓柱路線目前成本最低，主要通過18650向20700與21700等大容量單體切換實現(xiàn)進一步降本；軟包路線成本最高，主要通過規(guī)?；a(chǎn)降成本以及改進工藝提升能量密度； 方型路線主要通過大容量與鋁殼輕量化實現(xiàn)降成本，潛在降本空間在三類封裝路線中最大。pack環(huán)節(jié)：目前的重點突破環(huán)節(jié)，主要通過提升成組效率提升系統(tǒng)比能量，產(chǎn)業(yè)目標為由目前65%水平提升至85%，對應30%比能量提升空間?；瘜W方法：提升正極材料性能最為關鍵正極材料：高鎳ncm材料與nca材料，高比能量的正極材料能夠大大減少負極、隔膜與電解液等材料的用量； 負極材料：硅碳負極替代切換； 隔膜：薄型化隔膜； 電解液：新型電解液lifsi。、物理方法：工藝改進仍有空間：輕量化+大容量電芯封裝方式按軟包、方形與圓柱分，成本也有所區(qū)別。其中，圓柱最低，軟包最高。主流大廠中catl與比亞迪走方形路線，力神、比克走圓柱路線，國軒高科同時走方形與圓柱路線，同時catl也在積極拓展軟包路線。圓柱路線：大容量電芯圓形鋰電池是指圓柱型鋰電池，最早的圓柱形鋰電池是由日本sony公司于1992年發(fā)明的18650鋰電池，因為18650圓柱型鋰電池的歷史相當悠久，所以市場的普及率非常高，圓柱型鋰電池采用相當成熟的卷繞工藝，自動化程度高，產(chǎn)品傳品質(zhì)穩(wěn)定，成本相對較低。圓柱的優(yōu)點包括1）結構成熟，產(chǎn)業(yè)化程度高，且只有卷繞這一條技術路線，不用糾結其他方法；2）設備自動化程度高，一致性高；3）結構穩(wěn)定，可以支持高能量密度材料使用；4）應用范圍廣，產(chǎn)品消耗渠道豐富，整體成本有優(yōu)勢。同時，其缺點也包括：1）高溫升、充電倍率是普遍詬病；2）循環(huán)次數(shù)上限在1000多次，使用壽命較短，應用場景局限在中低端。降成本方向：做大單體電芯。特斯拉已經(jīng)model3中用20700替代18650電芯，20700電池增加的尺寸大概為10%。根據(jù)特斯拉的估計，在達到與18650同樣的良率和產(chǎn)能后，20700能帶來能量密度增加34%，同時實現(xiàn)成本下降510%。軟包路線：規(guī)?；a(chǎn)軟包電池，又稱聚合物鋰電池，是使用高分子膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)的類方型電池，它們的制作工藝相似度很高，多用于手機、平板等高端3c產(chǎn)品上，因為高分子電解質(zhì)全憑人工合成，所以成本較高，目前應用到動力電池上，還沒有成本優(yōu)勢。軟包鋰電池所用的關鍵材料—正極材料、負極材料及隔膜—與傳統(tǒng)的鋼殼、鋁殼鋰電池之間的區(qū)別不大，最大的不同之處在于軟包裝材料（鋁塑復合膜）。軟包電池的優(yōu)勢主要在于安全性能好。軟包電池的優(yōu)點：1）安全性：在結構上采用鋁塑膜包裝，發(fā)生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發(fā)生爆炸；2）重量輕，軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%，較鋁殼鋰電池輕20%；3）內(nèi)阻小，軟包電池的內(nèi)阻較鋰電池小，可以極大的降低電池的自耗電；4）循環(huán)性能好，軟包電池的循環(huán)壽命更長，100次循環(huán)衰減比鋁殼少4%～7%；5）設計靈活，外形可變?nèi)我庑螤?，可以更薄，可根?jù)客戶的需求定制，開發(fā)新的電芯型號。軟包電池的不足之處是一致性較差，成本較高，容易發(fā)生漏液。未來成本下降主要通過規(guī)?；a(chǎn)解決，漏液則可以通過提升鋁塑膜質(zhì)量來解決。方形路線：大尺寸與鋁殼輕量化方形鋰電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，由于結構較為簡單、能量密度較高，在國內(nèi)普及率很高。方形硬殼電池殼體多為鋁合金、不銹鋼等材料，內(nèi)部采用卷繞式或疊片式工藝，對電芯的保護作用優(yōu)于于鋁塑膜電池（即軟包），電芯安全性相對圓柱型電池也有了較大改善。鋁殼輕量化與統(tǒng)一規(guī)格是未來發(fā)展重點。鋰電池鋁殼在鋼殼基礎上發(fā)展而來，與鋼殼相比，輕重量和安全性以及由此而來的性能優(yōu)點，使鋁殼成為鋰電池外殼的主流。鋰電池鋁殼目前還在向高硬度和輕重量的技術方向發(fā)展，間接提升比能量。此外，由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一，未來成本下降還需要方形路線實現(xiàn)型號上的統(tǒng)一。方形路線在通過增大尺寸降成本的空間大于圓柱路線。美國卡內(nèi)基梅隆大學的一項研究分析了圓柱形電池和方形電池的成本情況，發(fā)現(xiàn)在目前的技術水平下，圓柱形進一步降低成本的空間很小，通過提升圓柱形電池的尺寸和增加電極厚度的方式來降低成本已經(jīng)收效甚微，而方形電池則有很大的潛力去降低鋰離子電池的成本，因此未來電芯封裝環(huán)節(jié)成本快速下降的機會很可能會出現(xiàn)在方形領域。 pack環(huán)節(jié)：提升成組效率電池pack系統(tǒng)利用機械結構將眾多單個電芯通過串并聯(lián)的連接起來，并考慮系統(tǒng)機械強度、熱管理、bms匹配等問題。pack是銜接整車、電池、bms的紐帶，而bms則是動力電池組的核心技術，是電池pack廠的核心競爭力，也是整車企業(yè)最為關注的環(huán)節(jié)。pack環(huán)節(jié)的成組效率是提升系統(tǒng)比能量的關鍵。同樣150wh/kg級別的電芯，65%與85%，前者是目前國內(nèi)的平均水平，而后者是工信部擬定到2020年的目標。成組效率從65%提至85%對應30%以上的系統(tǒng)比能量提升與較大幅度的成本下降，在各條路徑中顯得尤為關鍵。pack環(huán)節(jié)成組效率提升主要有以下方法：1）提升集成效率。通過去除贅余組件以及關聯(lián)組件的集成來最大限度地減少組件數(shù)量來提高集成效率。2）減重，采用輕量化的材料和設計。3）電池包與底盤一體化。pack體系經(jīng)歷了第一代的t字或者工字型，再到第二代的土字型和田字形，目前已經(jīng)來到第三代的一體化平臺，國際一線的特斯拉與大眾已經(jīng)在這么做。一體化平臺的好處是把部分電池包的承重轉移到底盤上，從而實現(xiàn)輕量化。大眾的meb平臺是其電池組未來實現(xiàn)成本大幅下降的關鍵。以大眾為例，大眾的針對電動車專屬研發(fā)的meb（mebelectrictoolkit）平臺是以大眾目前的mqb平臺為基礎，適用于電動車的全新的模塊化平臺。meb平臺的構架是由底部的電池組而展開，打造更長的軸距和更短的前后懸，營造出更大的內(nèi)部空間，從a到c級全系列乘用車或輕型商用車都可基于該平臺打造。電池組pack與bms設計也根據(jù)平臺打造，根據(jù)不同車型僅需要做一定的修繕與升級，設計與研發(fā)成本被最大化的攤薄。未來國內(nèi)車企自主搭建pack產(chǎn)線或由電池企業(yè)深度集成是趨勢目前國內(nèi)的pack產(chǎn)業(yè)是整車廠、電池廠、獨立第三方三足鼎立，且pack企業(yè)之間水平差距很大，不少pack企業(yè)的技術水平都還僅僅停留在簡單的電芯串并聯(lián)上，無法實現(xiàn)結合整車設計來進行pack設計和組裝，真正能達到下游整車廠商需求的優(yōu)質(zhì)pack廠商屈指可數(shù)。未來pack將以整車企業(yè)主導。我國電動汽車市場未來一定是以乘用車為主要驅動，而乘用車電池pack遠比商用車復雜，需要大量研發(fā)投入。電池企業(yè)技術儲備主要集中于電池本身的研發(fā)，在pack體系的關鍵環(huán)節(jié)如bms、熱管理等不具備較強實力。因此，未來的格局將是整車企業(yè)主導，第三方pack企業(yè)憑借專業(yè)能力也能得到一定空間，但仍然需要依附于整車企業(yè)或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。、化學方法：提升正極材料性能最為關鍵興業(yè)證券認為，相比物理改進，動力電池的關鍵性突破仍然大概率要從提升電池電熱化學性能著手，通過新型的電池材料以及相互間的搭配、工藝的改進實現(xiàn)能量密度的進一步提升。而本土企業(yè)在未來幾年內(nèi)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的路徑也非常清晰，就是三元高鎳ncm電池與nca電池。本土三元龍頭企業(yè)正在加速實現(xiàn)高比能三元電池量產(chǎn)。以本土高比能電池的代表企業(yè)比克電池為例，在本土企業(yè)中位列第2，僅次于catl，其商業(yè)規(guī)劃具備一定代表性。根據(jù)其規(guī)劃，比克的ncm與nca電池量產(chǎn)計劃齊頭并進，目前能量密度達248wh/kg的nca電池已實現(xiàn)量產(chǎn)，而下一代285wh/kg的nca電池將于年內(nèi)量產(chǎn)。就能量密度來看，已經(jīng)達到特斯拉與松下水準。：高鎳ncm材料與nca材料正極材料是電池能量的短板，提高正極材料比容量是提高電池能量密度的最佳方式，未來高比容量的nca和高鎳ncm是大勢所趨。正極材料的比容量一般為100200mah/g，而石墨負極材料的比容量高達400mah/g，所以電池中負極和電解液等一般采用冗余配置，電池的最終能量密度由正極材料決定。采用高容量的正極材料，能夠帶來負極、隔膜、電解液用量的大幅減少，電池最終能量密度的提升幅度遠大于正極材料比容量提高的幅度。所以采用高容量的正極材料對于減輕電池重量，提高電動車的續(xù)航性能具有重要意義。本土正極材料龍頭企業(yè)正在加速實現(xiàn)高鎳三元正極材料量產(chǎn)。目前國內(nèi)ncm111和ncm523型三元正極材料產(chǎn)品相對成熟，而622ncm于2016年開始逐步在部分動力電池企業(yè)中推廣，未來將逐步拓展至811ncm以及nca材料。以材料龍頭杉杉股份為例，公司現(xiàn)有三元材料以ncm53ncm523和ncm622為主，目前正在積極推進高鎳三元產(chǎn)線，在建產(chǎn)能包括寧鄉(xiāng)二期1萬噸ncm622產(chǎn)能，預計2017年年底投產(chǎn)，以及寧夏5000噸ncm811產(chǎn)能，預計2018年投產(chǎn)。 負極材料：硅碳負極硅負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mah/g，通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業(yè)界公認的方向之一，但其也有技術難點，主要在于在充放電過程中會引起硅體積膨脹100%~300%。據(jù)報道特斯拉將在model3中采用了電池新材料，“特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mah/g以上”。本土進展方面，國內(nèi)前幾大負極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對硅碳負極材料進行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負極材料產(chǎn)品，上海杉杉正處于硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化進程中，星城石墨已將硅碳新型負極材料作為未來產(chǎn)品研發(fā)方向。貝特瑞研發(fā)的s1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mah/g，盡管離硅的理論比容量4200mah/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負極材料比容量的3倍，性能大幅度地提高。：薄型化隔膜隔膜工藝主要分干法與濕法兩類。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜技術路線主要分為干法與濕法兩種，干法成本較低但不適合大功率電池，濕法更薄能夠滿足大功率的要求，但是成本較貴。最早的主流是干法；2015年三元產(chǎn)量上升后濕法使用較多，預計2020年干濕法占比50%，分別應用于中低端與高端領域。國產(chǎn)隔膜距離海外一線龍頭仍有距。日本的旭化成是隔膜行業(yè)的龍頭，市占率在50%以上。過去12年，中國還有不少企業(yè)進入市場，但無法對龍頭地位構成撼動。旭化成干法現(xiàn)在可量產(chǎn)出貨的是12微米，濕法還是67微米。由于原料、技術、工藝與制備設備的差距，目前國產(chǎn)隔膜一致性較差，且厚度無法達到要求，干法2040微米仍為主流。未來發(fā)展：薄型化隔膜。隨著動力電池比能量快速提升，16微米、12微米甚至8微米的隔膜開始應用，而濕法工藝制成的隔膜能夠達到要求。而干法隔膜隨著工藝的逐步改進近幾年也能夠應用于低比能量的三元電池中。：新型電解液lifsi 電解質(zhì)中添加lifsi后，可提高離子導電率及電池充放電特性。比如，反復充放電300次后，％，保持率可超過80％。目前l(fā)ifsi已經(jīng)被行業(yè)中大部分企業(yè)進行過性能測試，特別是行業(yè)排名靠前的企業(yè)，如松下、lg、三星、索尼，以及日本的主流電解液生產(chǎn)商，如宇部化學、中央硝子等，同時其年使用量也處于趨勢性上上升階段。他山之石可以攻玉 放眼海外上下求索興業(yè)證券認為，動力電池從電池材料、電芯的生產(chǎn)、電池模組化再到電池pack，整條產(chǎn)業(yè)化路徑并不是相互割裂的，而是有機的整體。未來要實現(xiàn)成本下降，不論是通過生產(chǎn)模式與商業(yè)模式上的改進還是通過物理與化學手段提升電池能量密度，都并非由某幾個環(huán)節(jié)單向突破能夠達成，而是基于全局角度設計達到最終優(yōu)化。例如，高比能量正極材料的使用需要相應負極、電解液與隔膜的升級配合，同時需要pack成組系統(tǒng)中的bms的升級，同時配合性能更好的溫控系統(tǒng)。比能量的提升是以成本上升為代價的，對應到單位wh的成本是否下降則需要不斷地調(diào)試與優(yōu)化，這方面海外已經(jīng)走在前列。因此本章聚焦海外實現(xiàn)成熟商業(yè)化的車型與對應的電池技改降本之路，以窺未來國產(chǎn)高比能時代的降成本前景。全球動力電池產(chǎn)業(yè)集中在東亞目前，動力電池產(chǎn)能90%以上集中在日本、韓國與中國等東亞國家，松下、lg、三星、比亞迪、catl等企業(yè)供應了全球絕大部分的鋰電池。日本早在上世紀90年代就大力投入鋰電池研究，韓國與21世紀初跟進，而中國雖然進入時間較為滯后，但巨額補貼資金的投入也帶來了巨大的收效。日韓企業(yè)在技術上具備優(yōu)勢國際一線車企主要車型的電芯供應幾乎由日韓電池企業(yè)包辦。2016年銷量排行前20車型中，對應的電池供應商有日本的松下和aesc，韓國的lg化學、三星sdi和ski，北美電動汽車電池的供應商基本被日本和韓國壟斷。本土暫時由于政策因素使得日韓巨頭未能大規(guī)模進入，但是仍然不能掩飾本土企業(yè)在技術儲備上相較日韓巨頭的劣勢。本土企業(yè)在成本方面具備優(yōu)勢，未來中國將成世界電池工廠然而，單就成本而言，中國在主要的產(chǎn)地已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)勢，在包括四大材料在內(nèi)的主要電池材料供應環(huán)節(jié)均涌現(xiàn)一批規(guī)模化的企業(yè)，具備價格優(yōu)勢同時具備一定技術能力。根據(jù)cemac的測算，由于在勞動力成本與材料成本上的優(yōu)勢，截止2015年底，中國動力電池不論在成本還是在售價上均已處于全球最低水平?？紤]到今年以來本土電池掀起的新一輪降價潮(20%降幅)，成本已經(jīng)成為中國動力電池的核心優(yōu)勢所在。未來動力電池產(chǎn)能持續(xù)向中國轉移是大趨勢，而中國也將成為世界的動力電池工廠，培育出一批具備國際競爭力的動力電池龍頭企業(yè)。本土模仿吸收海外成熟技術是必由之路興業(yè)證券認為國內(nèi)動力電池企業(yè)在成本上較日韓巨頭有優(yōu)勢，但在技術儲備上處于劣勢。國內(nèi)企業(yè)未來的降成本提技術之路必然是在對于國外的模仿基礎上實現(xiàn)超越，模仿的對象不應局限在電芯級別，而是目前已在全球暢銷車型中實現(xiàn)商業(yè)化的主流電池包及其采取的技術路線。興業(yè)證券對三款最為主流的車型電池組進行剖析，而這三款電池也正好對應三家日韓巨頭電池企業(yè)，松下、lg與三星。以及三種主要的封裝形式，圓柱、軟包與方形路線。