当前位置: 石墨 >> 石墨资源 >> 新能源锂电技术升级加速,新趋势新机遇
(报告出品方:东吴证券)
1电池厂引领行业技术进步,材料体系+封装工艺为核心锂电技术持续升级,电池龙头引领行业发展
8-10年内依旧在现有电化学体系内持续升级,龙头引领行业发展。电化学产业严格意义上属于配方试错中平缓发展的行业,需要底层的长期试错积累。因此过去30年锂电池的基础体系基本保持。我们判断未来8-10年目前的电化学体系我们预计不会发生颠覆性改变,目前电池企业所触及的技术布局仍将存在延续性。电池龙头公司引领全行业技术发展。
龙头公司技术进步的四大创新体系:材料体系创新、系统结构创新、极限制造创新、商业模式创新。材料体系创新,需要深入地理解材料内禀性质及其界面性质,帮助材料体系实现根本创新;系统结构创新,包括CTP、CTC等,主要是通过优化系统,实现系统能耗降低、效率提高、成本降低;极限制造创新,六西格玛的基础上,产品缺陷率由PPm级(百万分之一)做到PPb级(十亿分之一),同时保障全生命周期的可靠性。
2材料体系升级:正极为核心,超高镍与锰铁锂为趋势1.三元正极:超高镍化、单晶化为主要方向三元材料:能量密度高于铁锂,符合长续航需求三元材料兼备高能量密度、高电压平台、相对较低的成本,成为正极材料的主流。常见的锂离子电池正极材料有层状钴酸锂、橄榄石结构磷酸铁锂、尖晶石结构的锰酸锂以及层状三元材料,三元层状金属(Co,Mn,Ni/Al等)氧化物(LiNi1-x-yCoxMnyO2)以其高理论比容量(mAh/g)及较高工作电压(~3.65V)的特点,成为正极材料的主流。但三元材料随着镍含量的提升,热稳定性会降低,安全性较差于铁锂。三元正极三种金属元素作用:根据Ni、Co、Mn三种元素比例的不同,可以分为、、型。镍为电池活性元素,提升电池能量密度的关键(能量密度);钴作为正极支架结构坚固,但价格昂贵,并对环境造成污染(循环性能);锰/铝提高材料的导热性,是热稳定性关键(安全性)。高镍化:年为高镍元年,年高镍渗透率提升至30%+,高镍技术逐渐成熟。年为高镍元年,宁德时代高镍电池开始起量,容百绑定宁德成为绝对龙头,随着高镍技术趋于成熟,21年高镍占宁德装机占比提升至30%,亿纬、蜂巢、比亚迪等陆续有高镍电池出货,且高镍三元材料占比提升至40%+,且二线厂商开始突破,实现大规模量产。着高镍技术趋于成熟,超高镍为未来必争之地,电池能量密度天花板进一步提升,且为降成本的有效方式。超高镍方向的优势一是随着Ni含量越来越高,容量越高,价格越便宜;二是烧结温度随Ni含量升高而降低,成本降低;目前高镍三元电芯能量密度有望达到wh/kg,成组后pack能量密度有望突破wh/kg,超高镍三元正极,配合硅碳负极应用,能量密度有望达到wh/kg-wh/kg。单晶化:单晶三元材料稳定性更强,更耐高电压单晶正极材料结构稳定性更好,同时前驱体制备难度更高:在多晶正极材料中,锂离子充放电时,锂离子进出使单个晶体膨胀和收缩,在晶界中产生应力,造成晶界撕裂,从而使晶体分解,电池循环性能不断下降;而单晶正极材料中,因为内部排列取向一致,不存在晶界,因此结构稳定性更强,循环性能更好,热安全性能也更优,在高电压时更稳定,从而提升能量密度。单晶正极材料稳定性更好,更适合高电压,从而提升电池能量密度:常规的二次颗粒团聚体三元正极材料由许多小单晶一次颗粒构成,在循环过程中,由于颗粒不断膨胀收缩,会导致整个二次球开裂、破碎,导致循环寿命缩短;单晶三元正极材料可以较好地规避上述问题,材料经压实和高温循环后,不易发生破碎,从而获得更加优异的高温循环稳定性;同时,由于大单晶一次颗粒的尺寸较大,具有更好的结构稳定性和耐高温性能,因而具备更好的安全性能。单晶正极比多晶正极更耐高电压,可以使用更高的电压去充电,从而使更多的锂离子脱嵌,有效转化嵌入负极中,提高锂离子的活性,从而提升能量密度。(报告来源:未来智库)2.铁锂正极:锰铁锂年落地,M3P提供新方向磷酸铁锂:安全性高、成本低,但能量密度天花板低磷酸铁锂电池具有安全性高、高温性能好、使用寿命长、原材料成本低的优点。磷酸铁锂电池正极材料分解温度在℃左右,安全性较高;循环寿命0次以上,而三元一般次;且其原材料不含金属钴,目前成本低于三元近20%。能量密度天花板低,但成组效率较高。铁锂振实密度与压实密度低,理论能量密度Wh/kg,目前行业基本达到wh/kg,成组效率85%以上,Pack后能量密度-wh/kg。三元理论能量密度高于Wh/kg,目前单体能量密度以-为主,成组销量75-80%左右,Pack能量密度-wh/kg,高镍三元可达wh/kg。低温性能差。一块容量为0mAh的LFP电池在-10℃的环境中工作,经过不到次的充放电循环,电量将急剧衰减至mAh,因此铁锂电池不适应冬季北方。磷酸锰铁锂:保持铁锂稳定架构,同时提升能量密度磷酸铁锂循环性能较好,能量密度较低。磷酸铁锂具有橄榄石强架构,容纳锂离子的空位相对较少(能量密度较低),但结构强度相对较强(循环性能较好)。三元循环性能较差,能量密度较高。三元正极材料具有扁平的结构,能容纳更多的锂离子的空位(能量密度较高),但结构强度相对较弱(循环性能较差)。磷酸锰铁锂保持铁锂稳定架构,同时提升能量密度。磷酸锰铁锂(LMFP),可以保持磷酸铁锂稳定的橄榄石架构,从而保留电池循环性能,同时通过提高电压提升能量密度。但从结构框架上看,即使掺入其他元素,橄榄石架构所含的锂离子空位仍与片层结构有不小差距,因此能量密度提升有限(极限25%)。3.负极:硅基负极方向明确,电池打开空间负极:起储锂作用,目前以石墨负极为主负极材料在电池中起储锂作用,对电池性能有直接影响,成本占比10%左右。锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后,涂抹在铜箔两侧,经过干燥、滚压制得,是锂电池储存锂的主体,锂离子在充放电过程中嵌入与脱出负极。充电时正极锂被氧化为锂离子,通过隔膜到达负极,锂离子嵌入负极中。放电时锂离子脱出负极,在正极被还原为锂。人造石墨为当前主流路线,硅碳负极引领新方向。目前负极材料中应用最广的是人造石墨与天然石墨两类,其中,人造石墨渗透率逐年提升,为当前主流路线,年中国负极材料出货36.5万吨,人造石墨占比达到84%,天然石墨占比16%,H1人造石墨出货量占比为85%。硅碳负极可提升电池能量密度,有望成为未来材料升级的方向。硅基负极:硅负极高能量密度优势明显石墨的理论能量密度是mAh/g,目前应用的石墨比容量已经接近极限。而硅负极理论能量密度高达4mAh/g,为目前已知的能用于负极材料理论比容最高的材料,硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量。硅负极安全性能优于石墨:硅电压平台高于石墨,充放电过程中硅表面不容易析锂,提高电池安全性。硅材料成本较低:硅材料来源广,储量丰富,制作成本较低,对环境友好。采用3封装工艺改进:大圆柱落地,CTP/CTC体系升级不同封装形式各有优劣,高集成化为大趋势不同封装形式各有优劣,国内以方形电池为主导。方形、圆柱和软包为三种分装形式,国内以方形电池为主导,欧洲以软包电芯为主导,特斯拉使用21圆柱电池,圆柱电池工艺成熟度和生产效率高,过程控制严格,但BMS复杂,使用门槛较高;软包电芯能量密度高,对电芯的保护程度高,但是成组效率较低;方形电芯制造工艺相对简单,成组效率高,为国内电池主流。电池及CTP/CTC技术加速落地。CTP技术全称为CellToPack,CTP电池包即是电芯直接集成到电池包内,这种电池由于省去了电池模组,可以使体积利用率提升15%-20%,同时刀片电池、电池均通过增大单体电池容量,进一步提升电池空间利用率,降低电池成本。1)方形电池:CTP/CTC技术升级,刀片电池宁德时代:CTP技术年推出,布局领先行业原理:宁德时代CTP电池与比亚迪刀片电池类似,不同点在于其应用“大模组”概念,仍保留部分模组,但是通过减少模组的使用,增加电芯数量或体积,提升集成效率。CTP铁锂大批量应用,CTP三元逐步切换,CTP布局领先行业:宁德时代CTP技术受多方认可,其中特斯拉铁锂电池采用宁德时代CTP技术,成组能量密度达-wh/kg,成本方面将低于三元电池15%左右。此外三元电池中CTP也逐步切换,北汽EU5、哪吒等车型率先应用,大众MEB平台也采取高镍大模组方案,进一步提高能量密度,降低电池成本。比亚迪:刀片电池提升安全性,大幅提升空间利用率刀片电池是一种长电芯CTP方案(基于方形铝壳的叠片电池),对电芯的厚度减薄,并增大电芯的长度,跳过模组由电芯直接阵列在电池包中充当结构件,从而增加整个系统的强度。单块刀片电池是由多个并联的电芯组组成(电压3.2V),两个相邻的极芯组之间设置有隔板,将电芯的空间分隔成若干个容纳腔,这些容纳腔形成类似的蜂巢结构,并且具备密封和注液通道。优点:增加了安全性,提升空间利用率,降低电池成本;1)边梁内含排气管道,防爆阀开启后内部一旦有火焰、烟雾等,可以通过排气管道排出,避免对单体产生二次伤害;2)扁平化设计,大大增加了散热面积,内部回路长;3)磷酸铁锂失控温度高,产气量少;4)陶瓷阻燃层;缺点:增加电池内阻(铜/铝箔被迫加厚),维护成本高,磷酸铁锂能量密度上限较低,生产效率低。2)大圆柱:22Q1率先量产,远期规划庞大大电芯+全极耳+干电池技术,改善电池性能电池为特斯拉推出的直径为46mm,高度为80mm的新一代圆柱电池。对于电池来讲,能量密度提升时,功率密度会下降,直径46mm是圆柱电池兼顾高能量密度和高功率密度的最优选择。电池核心创新工艺为:大电芯+全极耳+干电池技术,电池大幅提升了电池功率(6倍于电池),降低了电池成本(14%于电池),优化了散热性能、生产效率、充电速度,能量密度、循环性能有进一步的提升空间,根据特斯拉测算,尺寸更大结构强度更高,其作为结构电池成为车结构的一部分,既提供能源,也用作结构起支撑作用,节省了空间也减少了重量(10%),续航里程有望提升(14%)。4其他技术路线:钠离子电池、固态电池等固态电池:高性能+高安全,各项指标领超液态电池电池发展经历了由铅酸电池到镍氢电池再到液态电池的发展阶段,目前液态电池技术相对成熟,但能量密度即将达到上限(Wh/kg)以及电池起火问题未能得到有效解决,新的电池时代即将到来。固态电池是下一代电池发展方向。从性能对比来看,固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压耐高温、循环寿命等方面均优于液态电池,且固态电池安全性更高,解决了热管理问题,有效防止燃烧事故。自年出现以来不断取得技术突破,因此固态电池有望成为下一代电池的发展方向。固态电池制备流程简化,但技术尚未成熟固态电解质既具有锂离子传导的能力又很好的将正负极阻隔,同时替代了电解液和隔膜,减少了隔膜、注液、冷却等步骤,制备流程简化;同时,不再受限于电解液的流动性,可设计为柔性电池,在外部形态和内部结构等方面具有较大设计空间。但目前制备技术尚未成熟,生产成本是传统电池2-3倍,因此固态电池在单体电芯容量、快充时长和成本等方面仍有较大改善空间,对空气敏感、与锂金属的相容性低等问题亟待解决。(报告来源:未来智库)固态电池电解质及正负极发展方向固态电池的核心是用固体电解质替代电解液和隔膜。固态电解质主要有三类聚合物电解质、氧化物电解质和硫化物电解质,其中聚合物发展最为迅速,已开始小规模量产;硫化物电解质性能最优,最适用于电动汽车,商业化潜力巨大。固态电池正极材料需要满足高比能量、高比功率、长循环寿命等条件。目前氧化物正极在全固态电池中应用较为普遍,但界面抗阻严重;而5V尖晶石材料因其高容量、高安全性被视为最佳选择。在锂离子电池中石墨负极应用广泛,但理论容量较低,适配固态电池的可能性不大;高容量、低电位的金属锂负极被视为固态电池负极材料的最佳选择,加入其他金属合成新型合金材料可进一步改善性能。5新充电方向:V高压平台加速应用高电压快充:车用/充电桩高压部件供应链逐渐成熟功率=电压×电流,因此提高充电功率(输出功率)可以从增大电流或提高电压的方式:1)采用更大的电流:以特斯拉为代表,但大电流对应发热增加,导线横截面积增大,对应整车耗电增加,重量增加,减少续航里程;2)采用更高的电压:以保时捷为代表,电压平台从V提升至V,提升整车的动力性能及续航里程,但需要串联更多数量的电池,并将相关高压部件重新适配。高压零部件逐渐成熟,电池包需适配快充+高压BMS。从电动车端看,高压架构下,电池包、电驱动、PTC、空调、车载充电机等零部件都需重新适配,从全产业链角度看,目前PTC和空调已实现量产,高压OBC、DCDC等其他主要高压零部件有望于年年底基本实现量产。从充电桩端角度看,高压零部件的成熟度比车端高,只有充电枪、线、直流接触器和熔丝等需重新选型,目前均有成熟产品。高电压快充:快充系统架构方案共三种选择纯V电压平台:电池包、电机以及充电接口均达到V,车中只有V和12V两种电压级别的器件,OBC、空调压缩机、DCDC以及PTC均重新适配以满足V高电压平台。双V电池组串并联组合:利用电池管理系统将电池组在串联、并联之间转换,在充电时,两个电池组可串联成V平台高电压快充;在放电时,两个电池组并联成V平台供汽车运行时使用,直接使用原有V的高压部件。纯V电压平台+额外DCDC:整车搭载一个V电池组,在电池组和其他高压部件之间增加一个额外的DCDC将V电压降至V,车上其他高压部件仍采用V电压平台。报告节选:(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议)智慧和觉悟是无为之法,看不见摸不到,它可以帮助很多人,却丝毫没有利害换取的观念。欢迎搜索
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