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混战、卡位与颠覆——动力电池创新技术全景报告

时间:2022-09-29 点击:57

核心提示:作者/李泓霖动力电池技术创新与材料创新所遵从的原则一致,都以安全性为基石,高能量密度、高倍率性能为主要发展方向。当前,以宁德时代麒麟电池、比亚迪刀片电池、特斯拉468...

作者/李泓霖

动力电池技术创新与材料创新所遵从的原则一致,都以安全性为基石,高能量密度、高倍率性能为主要发展方向。

当前,以宁德时代麒麟电池、比亚迪刀片电池、特斯拉4680电池为代表的创新产品各领风骚,短时间内恐难决出绝对王者;钠离子电池、半固态电池等全新技术仍在大规模量产前夜,远不具备“颠覆”动力电池产业格局的条件。

在动力电池产业终局成形之前,行业大小玩家对新技术的探索不会止步。

本报告从CTP(cell to pack,无模组动力电池包)等锂电池结构体系创新、刀片电池等锂电电芯结构创新、钠离子电池等新技术路线、800V高压快充等配套技术创新领域入手,盘点国内动力电池产业链各环节主要创新技术路线,以及各大厂商的卡位与布局。

全文篇幅较长,主要从以下方面展开:

一、系统结构创新

1.1 CTP

1.2 CTB

1.3 CTC

二、电芯结构创新

2.1 刀片电池

2.2 4680大圆柱电池

三、全新技术路线

3.1钠离子电池

3.2半固态电池

四、动力电池配套技术创新

4.1 800V高压快充

五、结语

一、系统结构创新

动力电池原材料价格不断走高的背景,电池结构创新成为车企和电池厂降本增效的重要发力点。中金公司认为,电池结构创新将由电芯和系统层级协同推进。

2019年起,以宁德时代CTP1.0技术为代表,各大动力电池企业和车企相继推出去模组化、集成化的系统结构创新以推升动力电池的空间利用率和能量密度。截至目前,系统结构创新大致可分为CTP、CTB、CTC三种。其中,CTP为电池包技术,而CTB(Cell to Body,电池车身一体化技术)、CTC(Cell to Chassis,电池底盘一体化)则为整车技术。

据悉,尚不具备成熟CTP/CTC技术的车企会将电池包委托动力电池企业设计生产,电池厂则借机加深与车企的绑定;而具备CTP/CTC技术能力的车企会选择强强联合,与技术实力强劲的电池厂联合开发,其余电池厂商则会从模组供应商退化为电芯供应商,配套价值量或将下降。

中金公司表示,电池包结构迭代将加剧电池企业间分化,具备CTP/CTC领先技术能力电池厂有望进一步巩固配套份额并获得技术溢价带来的超额收益。

1、CTP

2022年6月,宁德时代发布了CTP3.0电池,即麒麟电池。通过提高电池包利用空间,麒麟电池比能量大增,磷酸铁锂系统能量密度160wh/kg,三元高镍可达250wh/kg,较4680电池能多装13%的电量。

这一领先的电池集成技术势必再度强化“宁王”的核心技术与市场竞争力,而它是否将推升CTP的行业渗透率以及对相关产业链的影响也备受关注。

1.1.1宁德、比亚迪领衔,电池厂商争相布局CTP

相较于传统“电芯-模组-电池包”三级结构,CTP技术省去或减少模组组装环节,将电芯直接集成至电池包。空间利用率提升、电池包减量,能量密度提升的同时成本下降成为CTP的“杀手锏”。

6月发布的“麒麟电池”是宁德时代第三代CTP电池包,体积利用率据悉从第一代的55%提升到67%。

此前在2019年,宁德时代发布了与北汽新能源携手打造的全球首款CTP电池包。作为宁德时代第一代CTP电池,它取消了模组侧板等零部件以及模组紧固件焊接等工序,使得电池包体积利用率提高20%-30%,零部件数量减少40%,生产效率提升50%。

第二代则将原有模组电芯电压电流采样等零件进行集成,进一步减少了模组附件数量,将电芯集成直接装入电池箱。

比亚迪2020年推出的刀片电池(GCTP)与宁德时代的CTP技术本质上是相同的。刀片电池直接采用了无模组的设计,大幅度减少内部的线缆和结构,电池体积利用率相较于传统电池包提升了50%以上、零部件数量减少40%、生产效率提升50%,最终成本下降30%。

二线电池厂中,蜂巢能源、中创新航也推出过CTP相关产品。与传统590模组相比,蜂巢能源CTP第一代减少24%的零部件;第二代成组效率提升5-10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%。中创新航推出的One-Stop Bettery无传统壳盖,通过多功能复合封装、一体桥接电连接、高剪切外绝缘等技术,使结构重量降低了40%、零部件数量减少了25%、空间利用率提高5%。

除了方形电池厂商,远景动力、捷威动力等软包电池企业也在试水CTP方案。其中,远景动力软包CTP同等空间内电池容量将增加一倍,续航延长至1000km,预计2024年量产;捷威动力基于软包大模组概念推出的积木电池技术已成熟,送样国际车企,国内规模推广在即。

从上述企业的技术路线可以看出,虽然电池产品的具体名称不一样,但技术都是围绕CTP来展开。沪上一位券商新能源行业分析师对第一财经表示,宁德时代、比亚迪等推出的这些产品技术思路都是一样,着力增大空间利用率,只是内部结构,比如结构件、模组要求有差异,整体来看大同小异。

1.1.2麒麟电池面世,“宁王”规模效应或现

2022年8月,宁德时代微信公众号发布消息称,极氪是麒麟电池的全球量产首发的品牌。其中,极氪009为麒麟电池首发车型,而极氪001将成为全球首款搭载麒麟1000公里电池的车型。同时,宁德时代还表示,麒麟电池将落地AITO问界系列新车型,双方已签署五年长期战略合作协议。

比亚迪方面,刀片电池自2020年7月起逐步应用于汉、E2、宋plus、秦plus、D1、海豚等多种纯电动车型,目前刀片电池技术仍在持续研发并持续扩大应用。蜂巢能源的产品则主要服务于“老东家”长城汽车的欧拉车型。

宁德时代的CTP技术还已走出国门。

2022年5月,宁德时代与泰国Arun Plus有限公司签署战略合作备忘录,授权Arun Plus使用CTP技术。未来,Arun Plus和宁德时代计划向Horizon Plus和其他电动汽车品牌供应电池产品。

相较于电芯或电池包的出海,对海外企业进行专利授权既能彰显宁德时代的技术领先优势,同时带来不菲的收益。

而随着CTP3.0麒麟电池的推出,宁德时代有望进一步拉大与动力电池厂商二梯队的差距。

“麒麟电池在散热、快速充电、提升电池寿命、能量密度等方面都有不错进展,使得宁德在电池技术保持领先地位。”沪上有基金经理对第一财经称,宁德时代本来体量就是最大的,麒麟电池带来的规模效应肯定会有。

与此同时,换电业务也为宁德时代的CTP应用开辟了一条新的道路。宁德时代近日公布的EVOGO换电解决方案将采用新的CTP技术,单个电池块续航里程达到200km,能量密度超过160Wh/kg。

1.1.3宁德系CTP供应链引关注

华泰证券预计,到2025年CTP将会成为主流的电池系统设计方案,各类车企对CTP电池的需求数量可达800万块。

产业链相关企业已开启加速布局之路,除了锂电设备厂商有望迎来发展新机遇,麒麟电池将为结构件带较大变化,对电池托盘、水冷板等零部件的要求提升。

先惠技术(688155.SH)是国内较早进入新能源智能制造装备领域的龙头企业,为宁德时代、孚能科技、亿纬锂能等电池生产企业提供动力电池模组/电池包(PACK)生产线。

为深度绑定大客户,先惠技术2022年5月发布公告,拟以8.16亿元现金收购围绕宁德时代进行相关电池结构件服务的宁德东恒机械有限公司(以下简称东恒机械)51%股权。

和胜股份(002824.SZ)是宁德时代电池托盘第一大供应商,2021年新能源汽车业务50%以上的份额来自宁德时代,客户还包括蔚来、小鹏、理想、北汽等。

“祥鑫科技(002965.SZ)是宁德时代二供。”据业内人士称。该公司此前在互动平台表示,已向宁德时代、国轩高科等知名厂商供应新能源汽车动力电池箱体上盖、托盘等金属结构。

2、CTC

CTC作为最新一代电池系统技术,在特斯拉、零跑等国内外企业的助推下,正在从开发设计步入量产阶段。

什么是CTC技术?简单来说就是将电芯直接集成于车辆底盘,从而达到减少零部件数量、节省空间、降低车身重量等效果。

早在2020年8月,宁德时代就率先提出了CTC概念;2020年9月,特斯拉在电池日上同时发布了4680大圆柱电芯、CTC技术和一体化压铸技术,并将CTC概念推向高潮。

1.2.1特斯拉领衔CTC赛道

天风证券称,当技术尚处于概念阶段的时候,往往看来起来比较遥远;但当技术开始落地时,进展往往会超出预期。

据特斯拉介绍,公司的CTC技术是将电池组作为车身结构的一部分,连接前后两个车身大型铸件,取消原有座舱底板,将座椅直接安装在电池上盖上。

因此,CTC技术还可进一步降低制造成本。马斯克曾表示,CTC技术配合一体化压铸技术使用,可节省370个零部件、车身减重10%、每千瓦时电池成本下降7%。此外,CTC技术并非局限于4680大圆柱电芯,2170电芯同样适用,未来或将兼容其它尺寸电芯。

2022年3月,特斯拉德国柏林工厂正式开放。开放日信息显示,该工厂将生产搭载CTC技术的Model Y,特斯拉也成为全球首家量产CTC技术的车企。

沃尔沃、福特、LG等海外企业在CTC领域也有布局。其中,沃尔沃会在第三代电池系统集成技术中采用CTC技术,进一步减少模组层级不必要的结构,这也是继特斯拉之后,第一家正式发布乘用车CTC方案的整车企业;福特则仍处于设计构想阶段;LG则在2021年2月首次公开了一份CTC专利,其选择的方案是模组到车底盘的集成(Module to Chassis)。

国内方面,零跑的CTC技术已落地具体车型并即将上市售卖。

2022年4月,零跑汽车发布了CTC方案,将应用于C01车型,该车型已在2022年7月进入工信部第六批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》。公司官网显示,C01车型将于9月28日上市,截至9月21日,预定量已超10万台。

零跑资料显示,公司的CTC方案可以使电池布置空间增加14.5%、零部件数量减少20%、结构件成本减低15%,整车刚度提高25%,综合工况续航增加10%。

宁德时代也即将加入CTC大军。

按照计划,宁德时代将在2025年实现集成化CTC,2030年实现智能化CTC。宁德时代董事长曾毓群表示,公司的CTC技术将电芯与车身、底盘、电驱动等集成一体,使行驶里程突破1000公里、百公里电耗降至12度以下。

综合来看,华泰证券认为CTC方案将不断渗透,预计2025年各类车企对CTC的需求数量达400万辆左右。

1.2.2产业链竞争或加剧

华泰证券认为,CTC是未来电池技术方案发展的重要方向,将带来产业上下游重构。

对上游零部件厂来说,CTC技术意味着纳入的零件总成逐渐增多,整合零件总成成为上游零部件厂的布局方向。其中,电池托盘作为CTC技术中少量保留的结构件之一,其作用也被逐渐放大。随着电池托盘集成化趋势明显,产品价值量预计将一步提升。

2022年一季度,和胜股份获得预估交易额36亿-40亿元的项目定点意向书,周期约4-8年。2022年上半年,该公司电池托盘销售量约21万件,同比增长48%。客户方面,该公司已和宁德时代、比亚迪、广汽新能源等多家客户建立合作关系,并且已实现产品批量供货。

同时,一体化压铸技术也有望因CTC技术不断应用而获得关注。

2020年,文灿股份(603348.SH)就开始为特斯拉开发、生产车身结构件产品。

该公司拥有9000T压铸机,该压铸机吨位是全球生产汽车零部件产品中最大的。该公司现已在大型一体化结构件产品领域获得某汽车客户某车型全部的车身结构件共十个项目,预计2022年四季度贡献收入。

2022年9月,公司发布公告称,拟在重庆投资建设新能源汽车轻量化零部件生产基地项目,项目总投资约8亿元,主要用于生产中高端新能源汽车之轻量化一体车身结构件等产品。

对于中游电池厂来说,与下游整车厂之间的竞合关系成为一大看点。

CTC是以电池为核心的集成设计,多家研究机构认为这意味着电池厂的话语权将占据上风,在产业链中价值也将进一步上升。但是,CTC同样重要的部分还包括汽车底盘,这恰恰是整车厂的优势所在。

在整车厂力图迈向电池领域,掌握电池技术、价格话语权的同时,电池厂也可以借CTC延伸至底盘开发领域,逐步向整车渗透。在此背景下,第三方Pack企业的市场份额或被挤占,而电池厂与整车厂的竞争格局将更加激烈。

1.3 CTB

CTB是比亚迪新提出的一种全新电芯集成方式。从严格意义上来讲,CTB术是CTC技术的一种,也是CTP技术的延伸。

2022年5月,CTB以刀片电池为基础首次发布,将率先搭载于海豹车型。该方案可将电池包空间利用率提升至66%、能量密度提升10%,中金公司预计电池包能量密度或接近160kg/Wh,进而实现700km的续航里程。

CTB技术为比亚迪带来了结构、三电、操控、安全、空间的进化。

比如结构方面,相较于CTP技术,CTB将刀片电池的上盖与车身底板集成于一体,从“电池三明治”变成了“整车三明治”,减少了一定的空间损失。在这种模式下,电池既是能量体也是结构体,可参与整车的传力与受力,使侧面柱碰侵入量减少45%。

安全方面,搭载CTB技术的整车扭转刚度据悉提升一倍,实现超40000N·m/°,达到行业主流标准。空间方面,更薄的动力模组使得座椅纵向布置空间更加灵活,人体工程学设计也更加合理。

但是,比亚迪的CTB技术在散热效率、电池寿命、快充性能等方面略逊色于宁德时代CTP3.0技术与特斯拉CTC技术,还有一定的提升空间。

由于CTB关键技术掌握在比亚迪自己手中,目前涉及CTB的相关上市公司并不多。

和胜股份是比亚迪电池托盘主要供应商,已提前布局CTC/CTB等新一代电池托盘。祥鑫科技(002965.SZ)2022年8月在互动平台表示,公司与客户在CTC和CTB技术上建立了共同开发意向。该公司董秘称,主要向比亚迪供应新能源汽车车身结构件,包括车身高强钢结构件、座椅骨架部件、流水槽等,并已建立持续开发的合作意向。

二、电芯结构创新

作为动力电池的“心脏”,电芯的重要程度不言而喻。

早期由于电芯生产成熟度低、缺乏稳定性,需要用模组来弥补电池的安全性,从而降低维修成本。随着单体电芯技术的不断成熟,产品品质得到提升,电池企业开始研发大模组甚至无模组以减少内部零部件、提升成组效率,实现电池体积能量密度的提升。

其中,较为成功的创新案例是比亚迪的刀片电池、特斯拉的4680大圆柱电池。

2.1 刀片电池

2020年3月,比亚迪研发的刀片电池首次发布。

刀片电池对电芯进行局长化设计和减薄设计,成组时电芯直接充当电池包结构件,使集成效率得到大幅提升,空间利用率可提升至60%。

凭借高性能的刀片电池,比亚迪几乎以一己之力将磷酸铁锂电池把磷酸铁锂“从边缘化拉了回来”。

中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示,随着刀片电池加速装车,比亚迪动力电池装机量份额从2021年的16.2%提升至2022年前七个月的22.25%。

2.1.1“6S”超级技术理念领衔

刀片电池的“6S”超级性能技术理念据悉包含超级安全、超级强度、超级续航、超级低温、超级寿命、超级功率六大方面。

得益于刀片电池的扁长化设计,其散热面积大、内部回路长,在针刺测试过程中无明火、无烟、表面温度仅30℃-60℃。中国科学院院士欧阳明高表示,刀片电池的设计使得它在短路时产热少、散热快,表现“非常优异”。

“超级强度”则体现在可轻松满足60g级别碰撞加速度要求,相当于以45km/h的速度碰撞刚性壁障。同时,刀片电池还具备更强的挤压和抗压强度。以100-800kN最大挤压力,电池包仅轻微变形;而基于刀片电池的电池系统在抗压强度方面可以承受的压力达445kN,相当于45吨卡车的重量。

在用户体验方面,“超级续航”“超级低温”“超级寿命”“超级功率”均有良好表现。

2.1.2 成本优势仍突出

刀片电池采用磷酸铁锂正极材料。由于原料价格不断波动,目前三元与磷酸铁锂的价差有所缩窄,但整体价格还是三元高于磷酸铁锂。

从刀片电池构造来看,零件种类减少40%、零件数量减少70%、体积利用率增长50%,王传福表示“最终总成本可下降30%”。

北极星储能网预计,刀片电池pack成本未来或由0.6元/Wh降至0.42元/Wh。

从市场表现来看,比亚迪汉作为刀片电池的首发车型,已获得市场的广泛认可。2021年,比亚迪汉实现全年销量11.77万辆,2022年8月更是大卖2.60万辆,连续2个月霸占B级+C级轿车市场零售销量排行榜首位。

2.1.3 供应商均为行业头部企业

随着刀片电池应用范围的扩大,比亚迪动力电池整体也随之放量,亟需产业链稳定供应来降本增效。

据不完全统计,正极材料方面,刀片电池主要供应商有湖南裕能、湖北万润、龙蟠科技(603906.SH)等。

湖南裕能是国内最大的磷酸铁锂供应商,2021年对比亚迪的销售收入为29.18亿元,占总体营收的41.52%;湖北万润方面,磷酸铁锂产品占公司总收入的90%以上,2021年前三季度对比亚迪的销售收入为3.47亿元,占总营收的30.33%。

负极材料方面,主要供应商有贝特瑞(835185.BJ)、中科电气(300035.SZ)等。

2022年9月,中科电气宣布与比亚迪旗下电池公司重庆弗迪成立合资公司,共同建设10万吨负极产能。其中,中科电气持股65%,弗迪持股35%。一期5万吨产能争取在2023年8月投产,投产后3个月内达产;二期5万吨于一期投产后9个月投产。

早在2012年,中科电气负极业务板块前身星城石墨就成为了比亚迪合格供应商,2014年、2015年比亚迪分别是其第二、第一大客户。

隔膜方面,主要供应商有星源材质(300568.SZ)、中材科技(002080.SZ)等。

锂电设备环节,比亚迪关键工序的设备均为自行开发,外部供应商则包括赢合科技(300457.SZ)、金银河(300619.SZ)、德新交运(603032.SH)等。

2.2 4680大圆柱电池

4680大圆柱电池因特斯拉Model Y的搭载而受关注。亿纬锂能董事长刘金成曾认为,大圆柱电池可能是动力电池终极技术方向,因其体现出“绝对安全与成本优势”。但事实真是如此吗?

2.2.1三大优势吸睛,特斯拉力推4680大幅降本

特斯拉为什么选择4680?主要原因是能量密度、安全性的提升,以及成本的下降。

能量密度方面,4680单体电芯的能量密度能达到300Wh/kg,高于目前铁锂单体160-200Wh/kg及三元的200-300Wh/kg。

圆柱电池的安全性主要体现在热失控管理方面。有锂电池技术专家介绍,圆柱电池设计的最大特点就是,当圆柱电池的规格给到供应商以后,电芯工程师只要关注电芯的特性、常规比例、容量提高,后续模组和pack工程师就可以在这个规格上试验不同的热管理方案,所以圆柱电池在安全方面的可塑性比较强。

成本方面,4680主要通过扩大电池尺寸、CTC设计等手段进行降本。

“从整个封装线来看,圆柱比方壳的投资成本可能要降低30%-40%。”上述锂电池技术专家称。4680的电池数量可以从18650的6000多个减至960个,这意味着PACK空间利用率提高、BMS(电池管理系统)控制难度降低。

从电池成本来看,圆柱电池的优势已经显现,当前21700电池成本约为0.698元/Wh,2025年4680电池成本预计为0.323元/Wh。而方型电芯成本2022年为0.75元/Wh,兴业证券预计2025年为0.55元/Wh。

特斯拉宣称,有信心将4680单位成本下降56%,其中,电芯设计占14%、电芯工厂占18%、负极材料5%、正极材料占12%、电芯底盘集成占7%。

但观察人士认为,目前圆柱电池的成本曲线还处在相对比较高的位置,真正实现特斯拉的目标成本可能需要较长的时间,特别是当前高镍材料的价格和电池相关的配方还是偏贵的。

2.2.2国内电池厂商加速布局,何时量产仍需观察

2017年之后受新能源车补贴退坡影响,初期配套圆柱电池的短续航低端车型无法得到补贴,圆柱电池受到方形电池挤压。随着4680的出现,国内厂商再次将目光投向了圆柱电池。

“想做都能做的,圆柱电池产线扩张更快,资本开支更低,比方形电池生产容易。”有新能源基金经理称。

亿纬锂能2021年11月发布公告称,将投建年产能20GWh的乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目,投资总额约为32亿元。

刘金成曾表示,大圆柱电池和叠片铁锂电池将是公司在动力电池领域重点布局和发展的产品方向。当前,亿纬锂能开发进度有目共睹,但在快充能力、内阻、对应的能量密度等方面仍待提升。

2022年9月上旬,宁德时代与宝马集团宣布达成一项长期协议,从2025年开始,宁德时代将为宝马集团“新世代”车型架构的纯电车型供应圆柱电池。根据协议,宁德时代将为宝马供应标准直径为46毫米的新型圆柱电池,这些产品将在位于中国和欧洲的两座电池工厂生产,每座工厂供应宝马的年产能高达20GWh。

业内人士表示,宁德时代在溧阳有圆柱产线,2021年产量约2-3GWh。对宁德时代来讲,切入圆柱电池的速度会比预期要快。

此外,江淮汽车(600418.SH)、蜂巢能源、比克电池等在大圆柱电池方面均有布局。另有新势力和一些老牌企业,目前主要还在做圆柱电池的前期研究。

2.2.3技术迭代速度快,4680难成圆柱电池终极形态

从各大厂商加速布局4680的动向来看,大家并不怀疑特斯拉在电池层面的选择。光大证券预计2025年特斯拉搭载4680电池的车型销量将超160万辆,占总销量的近50%,装机量预计达123GWh。

基于乐观的商业前景预测下,有观点称4680很可能将成圆柱电池终极形态。但多位业内人士对第一财经表示,这种说法大概率是不成立的。

华安证券新能源与汽车首席分析师陈晓称,说是最终形态有点儿绝对,当前行业还处在发展阶段,什么都有可能,大家都在摸索。

华东汽车新材料技术研究院研究员林澍文表示,在未来一段时间内,大圆柱电池有可能与方形电池共存,正如目前三元锂电池与磷酸铁锂电池共存一样,为用户减少焦虑的多种技术探索都是有价值的。

三、全新技术路线

随着动力电池行业竞争加剧,各大厂商的研发创新已不局限于对电池系统结构和电芯方面的改造升级,更具性价比、创造力、前瞻性的技术不断出现,如钠离子电池、半固态电池等,以及更具颠覆性的固态电池。

3.1 钠离子电池

相较于磷酸铁锂和三元锂电池,钠离子电池在成本、安全、快充和低温性能上有较大优势。以中科纳海为代表的专业初创企业,以及以宁德时代(300750.SZ)为代表的拥有成熟技术的锂电产业链企业纷纷进入这一赛道。

目前,钠离子电池在政策利好加持下正加速开启产业化进程,产业链也在稳步完善中。

3.1.1安全性能优异,能量密度有待提升

由于钠、锂元素物化性质有所差异,两种电池性能优势各异。

首先,钠离子正极材料在能量密度方面落后于锂电池。其次,钠离子第一电离能更低,使得钠离子更稳定,安全性、稳定性与低温性能也更加优异。

随着技术的进步与新材料的诞生,钠离子电池的能量密度在不断提升。

普鲁士蓝类似物、层状氧化物是两种不同的钠离子电池正极材料路线,都具备较高的理论能量密度。2021年7月,宁德时代在第一代钠离子电池发布会上表示,普鲁士白(普鲁士蓝类化合物)和层状氧化物两类材料最具潜在商业化价值。

有研究表明,普鲁士蓝正极材料在实验室中可测得能量密度超111Wh/kg;另有一种新型铁基普鲁士白(NaMHCF)的能量密度至少可达182Wh/kg。层状氧化物方面,中科院物理所胡勇胜团队研究的P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2钠离子电池正极材料具有高可逆氧变价特性,理论最高能量密度可达700Wh/kg,最高可逆比容量270mAh/g。

3.1.2原料价格不足锂的1%,成本优势突出

成本优势是钠离子电池的一大亮点。

从原料储备来看,钠资源非常丰富,其在地壳中的丰度位于第6位。

丰富的原料储备保障了供给稳定,因此价格波动也较小。WIND数据显示,2022年以来碳酸锂平均单价高于40万/吨,而钠离子电池所需的轻质纯碱价格还不足碳酸锂的1%,仅维持在0.2万-0.4万元/吨。

从成本占比最高的正极材料来看,钠离子电池的正极材料不仅无须使用昂贵的锂盐,还能采用铜基正极材料来避开价格较高的过渡金属元素化合物。同时,负极材料可通过价格较低的无烟煤加工获得,隔膜成本基本与锂电池相近。

根据中科海钠的综合测算,钠离子电池成本相较于磷酸铁锂电池可降低约30%-40%;目前,钠离子电池尚处于发展阶段,制造成本约为1元/Wh,与三元锂电池相当。中科海钠预测,若行业迎来大规模量产,钠离子电池成本有望降至0.2元-0.3元/Wh。

3.1.3“宁王”领衔,产业化进程加速

总体来看,当前钠离子电池技术还不是特别成熟。中南大学唐有根教授认为,钠离子电池可以借鉴锂电池的发展经验,避免走弯路,可能3-5年就能达到锂电池20年的效果。

目前,在非上市公司中,中科海钠技术为最领先,公司钠离子电池的能量密度已达到145Wh/kg。

2021年,由中科院物理所与中科海钠联合推出的全球首座1MWh钠离子电池储能系统投运。同时,中科海钠与三峡能源(600905.SH)正在合作建设全球首条钠离子电池1GWh级规模化量产线。

上市公司中,宁德时代持续保持领先地位。

2021年7月,宁德时代发布第一代钠离子电池,电芯单体能量密度达到160Wh/kg,为全球最高水平;常温下充电15分钟电量可达80%。据悉公司下一代钠离子电池能量密度有望突破200Wh/kg。

7月11日,公司在互动平台表示,致力于推进钠离子电池2023年实现产业化。

除电池外,另有多家上市公司覆盖正极、负极等多个生产环节。

正极材料方面,振华新材(688707.SH)已具备层状氧化物材料千吨级生产能力;容百科技(688005.SH)也已具备纳电正极吨级生产能力,正在配合下游客户规划开发的钠离子电池。负极材料方面,杉杉股份(600884.SH)的硬碳石墨复合材料已进入中试阶段;璞泰来(603659.SH)在硬碳负极、钠电涂覆薄膜等方面均有技术积累。

3.2 半固态电池

固态电池“难产”,折中产品半固态电池率先迎来量产契机。

2022年7月,工业和信息化部新闻发言人、总工程师田玉龙表示,半固态电池接近量产状态。第一财经采访获悉,孚能科技(688567.SH)、国轩高科(002074.SZ)、卫蓝新能源等多家锂电厂商已有较成熟产品在手,年内有望实现装车。

3.2.1液态电池与全固态电池的折中产品

固态电池可以分为三类——液体电解质质量百分比<10%的半固态(Half solid)、液体电解质质量百分比<5%的准固态/类固态(Nearly solid)、以及不含有任何液体电解质的全固态(All Solid)。

基于规模化、商业化、成本等方面仍存诸多问题,全固态电池“可能在2030年前都很难实现大规模量产”,半固态电池得以率先步入市场。

与液态电池相比,半固态电池在安全性、能量密度与循环寿命方面更具优势。

液态电解液被看作电池起火自燃的罪魁祸首,而半固态电池中的液态物质大幅减少,当电池发生损坏、被穿刺时,或在一定程度上减轻自燃或者产生爆炸等情况,提升安全性。

同时,电池重量也将随着液体的减少而降低。原先由隔膜、电解液填充的正负极之间的距离在半固态电池中可以缩短到只有几到十几个微米,厚度大幅减少,进而提升储存能量和能量密度。

循环寿命方面,公开资料显示,目前半固态电池常温循环2000次、容量保持率85%以上,高于普通液态电池循环1200次,以及80%左右的容量保持率。

北汽集团副总经理廖振波认为,当固混电池中含有5%-10%液态时应该是比较安全的,同时能量密度也满足汽车企业的要求,建议电池企业尽快将固混电池产业化,为整车企业提供安全可靠的固混电池。

浙江锋锂新能源总经理许晓雄甚至表示,固液混合的半固态电池或是动力电池领域的终级路线。

3.2.2年内迎来量产装车关键时点

欧阳明高曾预计,2025-2030年将是半固态电池取得大发展的黄金时期。而在一众动力电池企业推动下,半固态电池年内就将迎来量产装车的关键时点。

此前在2020年底左右,卫蓝新能源的半固态电池已用于北汽EU260车型,清陶科技则用于北汽样车和哪吒U。彼时电池包能量密度仅约200Wh/kg。

目前,卫蓝新能源正在与蔚来合作,计划基于蔚来ET7推出单次充电续航1000km的混合固液电解质电池,且该电池最早预计于2022年底或2023年上半年开始量产。

上市公司方面,国轩高科(002074.SZ)工程研究院总院副院长徐兴无在公司第11届科技大会上透露,公司研发的单体能量密度高达360Wh/kg、系统能量密度达到260Wh/kg的半固态电池将在2022年实现装车。同时,公司研发的400Wh/kg三元半固态电池目前在实验室已有原型样品。

软包电池龙头孚能科技(688567.SH)在半固态电池研发方面也取得了突破。

2022年1月,孚能科技在互动平台表示,公司第一代半固态电池(能量密度330Wh/Kg)送样给整车厂客户获得了良好反馈,已经具备量产条件,将根据客户需求决定量产时间。

孚能科技称,固态电池被认为是下一代锂电池技术的重要发展方向。作为达成此结果的必经之路,半固态电池是每个入局者必须面临的一次测验。

四、配套技术创新

除了动力电池本身,相关配套设施也在快速升级迭代中,能显著提升补能效率的800V高电压快充渐成主流,各车企纷纷迭代跟进800V架构。

4.1 800V高压快充

解决新能车里程焦虑,提升续航里程和充电速率是两大主要途径。

当前,主流车型的续航里程可达400km以上,比亚迪EV和极狐阿尔法S甚至超过700km,基本满足驾驶者的日常需求,想要再有跨越式发展难度较大且边际效用递减。提升充电效率成为另一发力点。

4.1.1 高电压成实现快充主要方式

所谓“快充”是相对于交流慢充而言,在业内并没有清晰的定义。至于充电速度的快慢,则由充电功率决定。

快充可通过充电功率的增大来实现,充电功率则由电流和电压共同决定【功率(kW)=电压(V)*电流(A)】。因此,高电压、大电流是实现快充的主要方式。

由于大电流能量损失严重、转化效率低,还会对热管理系统造成较大负担,高电压被认为是实现快充的主要途径。

800V快充作为高电压快充的主流,共有三种实现方式,分别是纯800V电压平台、800V电池组搭载DC/DC转换器、两个400V低压电池组,各有优劣。

纯800V电压平台能量转换效率高,但原本的IGBT电驱功率芯片需要全部用SiC替代,零部件成本高;800V电池组搭载DC/DC(指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压)转换器则继续使用当前的架构,车端改造费用低,但电压经DC/DC转换后会损失部分能量,导致能量转换效率低;两个400V低压电池组采用串并联的形式,即充电时串联800V、放电时并联400V,这种方式仅需改造BMS(电池管理系统),成本低,但充电效率提升有限。

民生证券根据搭载800V架构的已上市车型预测,2022年国内800V快充车型的销量约5万辆,渗透率达3%,2025年销量达99.9万辆,3年CAGR达270.9%,渗透率达到30%。

4.1.2多方联动推进产业协同

快充的应用普及,需要电池、车、桩三方共同努力。

电池方面,孚能科技(688567.SH)作为国内首个拥有可量产的800V高电压平台的企业,其800V快充系统有望于年内在某品牌装车,于2023年初交付用户。

欣旺达开发的800V平台快充电池可同时支持三元和磷酸铁锂路线。其副总裁张耀2022年3月在中国电动汽车百人会论坛上表示,欣旺达2022年底量产的BEV超级快充电池续航里程可达到700公里,充电10分钟续航可达到400公里,不限快充次数,做到不起火无热蔓延。

据天风证券,欣旺达下游配套主打快充的理想L9、小鹏G9两款车型,未来有望凭借快充优势在动力电池市场占据一席之地。

汽车方面,2019年保时捷推出了第一台800V快充量产车型Taycan,最大充电功率可达350KW,5%-80%SOC充电时间约23分钟,此后各大车企纷纷开始抢占快充领域的高地,仅2021年,就有极狐、比亚迪、岚图、小鹏等车企发布800V技术。

充电桩方面,据星星充电高级副总裁李宏庆介绍,2018年之后建设的所有公共充电场站都支持到了1000V,电压范围在200V-1000V,恒功率段是300V-1000V,对于800V车型的兼容完全可以做到。随着投建的进一步扩大以及对前期场站的改造升级,消费者可以放心地在公共充电场站享受800V车型带来的充电便利。

特锐德(300001.SZ)则在互动平台表示,公司在市场上的布局也是以快充为主,特来电的群管群控系统,每个变压器为800-1000kVA。同时,广汽埃安的超级快充系特来电研发生产。

4.1.3材料和零部件升级打开空间

800V快充的广泛应用离不开电池电芯倍率性能的提升。

据天风证券,目前主流的动力电池包已能支持2C充电倍率,往上提升类似木桶效应,短板在负极,负极析锂问题还待解决。由于硅的析锂风险小,且相较于碳所能接受的0.1V电压,硅可忍受0.4V,采用硅负极是解决负极短板的方法之一。

贝特瑞(835185.BJ)自主研发的氧化亚硅表面改性技术、高容量硅碳产品开发技术已实现量产,可改善电池的放电倍率和循环行为。

解决负极问题的另一种方法是对石墨材料进行改性处理,比如表面涂覆、混合无定型碳等。

2019年,璞泰来(603659.SH)在溧阳自建炭化产能以满足高端产品对快充的需求。同时,硅负极量产带动 PAA 粘结剂需求, 璞泰来则参股了PAA 龙头茵地乐。

此外,导电剂碳纳米管CNT可同时应用在石墨材料和硅负极中,对石墨负极的作用是可以加 CNT 改性,而硅负极离子导电性较差,需添加单壁碳管改善。天奈科技(688116.SH)和道氏技术(300409.SZ)在碳纳米管、单壁管领域均有布局。

电压平台从400V提升至800V,充电端零部件也需升级改造。

例如,上文提到的拉高纯800V电压平台成本的SiC功率器件。比亚迪半导体作为国内首批自主研发并量产应用SiC器件的公司,在2022年6月推出1200V 1040A SiC功率模块。该产品在不改变原有模块封装尺寸的基础上将模块功率大幅提升了近30%,主要应用于新能源汽车电机驱动控制器。

同时,熔断器、薄膜电容、继电器、高压连接器等元件需求量也会随着800V高电压充电的放量而增长。民生证券预计,这五类产品2025年市场空间分别可达5.38亿、19.37亿、30亿、64.58亿元。

五、结语

动力电池技术路径远没有定局。

“现在动力电池还处于创新非常活跃、百花齐放的时候。”欧阳明高表示,相信再过10年局面应该会比较清晰。

其间无论技术如何变革,创新势必始终是我国动力电池产业竞争力提升的最有效手段,也将决定谁将成为我国乃至全球动力电池产业的终极王者。

参考资料:

20220817-信达证券-电池新技术专题(三):动力电池结构创新百家争鸣

20220624-中金公司-从“麒麟电池”看动力电池结构演化趋势

20220323-东吴证券-动力电池新技术专题:锂电技术升级加速,新趋势新机遇

20220530-国海证券-—比亚迪(002594)公司深度研究:海豹+CTB,腾势D9,星际,比亚迪加速向上

20220521-白露-你根本不了解比亚迪CTB技术的恐怖之处!(汽车扒一扒)

20220902-东北证券-和胜股份(002824)2022年半年报点评:汽车部件营收翻倍增长,电池托盘成长性十足

20220527-华泰证券-新能车前沿技术之一——CTP和CTC

20220324-天风证券-特斯拉引领新技术系列二:从概念到量产CTC技术进展研究

20220606-方正证券-比亚迪(002594)系列二:供应商(1)——比亚迪动力电池供应商体系

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