麒麟落地续航逆天 动力电池未来技术革新路径图(产业链梳理)

2022-10-04 红都财经资讯

8月27日,据宁德时代消息,宁德时代麒麟电池将落地极氪品牌及aito问界系列新车型,并与两家汽车品牌签署了5年长期战略合作协议。证通社了解到,麒麟电池可实现整车超过1000公里续航,同时,采用了全球首创的电芯大面冷却技术,可支持5分钟快速热启动及10分钟快充。麒麟电池是宁德时代第三代CTP技术的体现,是锂电池在封装技术上的大幅创新。实际上,全球范围,锂电池在正负极材料、电解液以及结构等诸多方面,都有明确的创新方向。这些方向也代表了未来的行业机会。


一、正极材料:三元朝高镍发展,磷酸铁锂朝锰基发展

正极材料占整个锂离子电池成本的40%以上,直接影响锂离子电池的能量密度、安全性、循环寿命等各项核心性能指标,是整个电池的核心近年来受益于汽车电动化快速推进带来的动力电池装机量同步攀升,正极材料出货持续快速增长,2021年我国全年正极材料出货量同比增长 116%,2022 年同比增长 61.05%。



锂电池正极材料上游为锂、钴、镍等矿物原材料,结合导电剂、粘结剂等制得正极材料,应用于不同的领域。目前商业化的主流正极材料包括钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)以及三元正极材料(NCM 及 NCA),其中动力电池正极主要采用磷酸铁锂与三元材料。 此前,因为三元材料能量密度高、续航能力强,是乘用车动力电池优选方案,2021年出货43万吨,2014年-2021年量复合增长50.75%,2022上半年同比增长 45.9%至28万吨。随着新能源车补贴大幅退坡、下游车企倒逼降低成本、技术进步等因素,磷酸铁锂出货量开始持续大幅增长,2021年出货48万吨,2014年-2021年量复合增长50.75%,2022上半年同比增长 45.9%至41.1万吨



从市场空间趋势上看,正极材料是最受益新能源车渗透率提升的板块之一,TrendForce预估至2025年动力电池正极材料需求有望突破215万吨。我国三元正极材料在全球占比达 60%,市场相对分散,其中容百科技(14%)、当升科技(12%)居前。磷酸铁锂方面,市场化相对集中,湖南裕能(25%)、德方纳米(20%)市占率即已高达45%。新能源车和储能巨大的增长空间吸引了众多竞争者。据统计,仅就磷酸铁锂而言,2021年公布的新增产能,叠加2022年上半年规划项目,规划产能已超过 972万吨。对比2021年全国磷酸铁锂48万吨的出货量,上游设备和原料资源的需求将大幅提升


从技术趋势上来看,动力电池对能量密度以及安全性要求越来越高,最有可能的方向一是高镍三元材料,二是锰基磷酸铁锂。


三元材料提升续航主要有高镍、高压、单晶等技术路线从实际情况来看,国内外车型高镍化趋势愈发明显。包括Model 3/Y、标致e-208、现代Kona、大众ID系列、宝马IX3/ X1、奔驰EQ系列、蔚来ES6、小鹏P7、哪吒 U、爱驰 U5、广汽 AionV、AION LX PLUS、吉利几何A等已上市车型均搭载了高镍电池。GGII统计数据显示,2021年全球高镍三元出货量为30.9万吨,同比增长120.71%,占三元正极材料总出货量的41.76%;其中,中国高镍(8系及以上)三元材料出货17万吨,同比增长181%。高镍三元电池作为国内外主机厂高端车型的主流选择,其应用不断加速。随着后期高镍电池成本进一步下降和固态电池产业化提速,预计高镍正极材料在未来10年仍将保持高速增长态势,到2030年全球出货量有望达500万吨以上


磷酸锰铁锂材料能量密度高、成本低、安全性能好,同时结合了磷酸铁锂与三元锂电池各自的相对长处,达成了更全面的性能组合。磷酸锰铁锂中掺杂金属离子是有效提升性能的手段,这种由磷酸锰铁锂和金属元素组成的材料称为M3P材料。有研究表明钒和镁的掺杂能够有 效提升材料的充放电性能和循环性能,具备较好的应用前景。但磷酸锰铁锂材料仍有短板,需要通过技术、制备工艺提升和规模化降本实现商业化发展。2022年8月初2022世界动力电池大会上,宁德时代表示公司M3P电池已经量产,明年将推向市场应用。根据容百科技在其战略发布会上的估计,随着中低端动力市场和储能市场的需求增长,到2030年磷酸锰铁锂材料在正极材料市场占比将达到30%以上



锂矿的重要性无需赘述,股价的反应程度也相对充分,不过还有一块目前属于明显低估的方向,参考证通社8月14日文章,结合市场趋势与技术趋势,镍、锰乃至钴上游资源有布局的企业未来受益有最强的确定性。


鹏欣资源在全球布局镍钴铜等有色金属。他与宁德时代共同投资的江苏力泰锂能主打产品是磷酸锰铁锂材料据鹏欣资源公告显示,力泰锂能在磷酸锰铁锂的研发周期长达8年,在该领域拥有较强竞争力,并已取得相关专利,现处于产品推广阶段。公司还与与润中国际成立合资公司,合作开展锰矿勘探开发。公告显示,经初步勘查,矿权区内已发现红土型锰矿(化)体。此外,容百科技、当升科技、湘潭电化、德方纳米、中伟股份、振华新材、厦钨新能、合纵科技等正极材料供应商,以及格林美、洛阳钼业等有上游资源布局的企业值得关注。


二、负极材料:硅负极关注度提升,产业化加速进行时

负极材料现阶段以石墨材料为主流,未来将呈现多样性的特点。石墨系负极材料仍是目前的主流,随着技术的进步,负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、人造石墨为主,中间相碳微球、软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。



中国是全球锂电负极材料产业聚集地供货全球,国内负极材料供应商主要有贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、凯金能源、中科电气、翔丰华、尚太科技等。根据高工锂电数据,2021 年中国锂电负极材料出货量72万吨(人造石墨占84%),同比增长97%,2022年上半年中国锂电负极材料出货量54万吨,同比增长 68%。 新能源汽车市场景气延续,加上储能的巨大潜力,预计2022年负极材料总需求约83万吨,2025年需求183万吨,复合增长率达30%,需求持续向好。



从技术趋势上,硅负极优势明显,有望成为未来发展方向。石墨的理论克容量为 372mAh/g,目前部分厂家产品可以达到 365mAh/g,已经接近理论极限值。目前新能源汽车仍在追求更高的续航里程,三元电池长期高镍路线不改,锂电池企业需要克容量更高的负极材料以生产更高能量密度的电池。根据电池中国网数据,纯硅负极的理论克容量高达 4,200mAh/g,是石墨类负极材料的10倍以上,且硅具有较低的嵌锂电位、不存在析锂问题、储量丰度远高于锂,是理论上最为理想的下一代负极材料。



2021年以来,硅负极参与车企明显增加。特斯拉将硅负极应用于Model 3,在人造石墨中加入10%的硅,将负极容量提升至550mAh/g,单体能量密度达 300Wh/kg;蔚来发布预锂化硅碳负极、带电量 150kWh、续航里程达1,000km 的半固态电池,配套蔚来ET7,预计将于2022年四季度推出;广汽埃安AION LX采用海绵硅负极片电池技术,电芯比能量超过280Wh/kg,NEDC续航超过1,000km。尤其值得注意的是特斯拉的4680大圆柱电池。4680电池采用了高镍正极,需要使用比容量更高的硅负极与之匹配,最大限度地提升电池整体能量密度。其次,4680 圆柱形的体积相较于方形和软包结构,更容易控制硅负极的体积膨胀。特斯拉在2022年2月份宣布已生产了100万块4680电池,预计4680电池会在2022年出货,在2023年迎来放量,带动硅负极增长。


国内企业已经纷纷有所动作,翔丰华、新安股份、中科电气、贝特瑞、璞泰来、杉杉股份等已经取得了不同程度进展。




三、电解液

电解液是锂电池的“血液”,约占锂电池总成本的 10-15%。锂离子电池电解液的作用是在电池内部正负极之间形成良好的离子导电通道,在正负极之间传导锂离子,为锂离子提供一个自由脱嵌的环境,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液由溶质(电解质锂盐)、溶剂、 各类添加剂等原料按一定比例配制而成。溶质和添加剂以及配方是电解液的核心,溶剂则相对来说影响不大。目前主流的溶质为六氟磷酸锂(LiPF6)。随着新能源汽车产业对动力电池能量密度、安全性能等要求的不断提升以及正极材料向高镍化方向不断发展,需要更高性能的电解液与之相匹配。在此背景下,锂盐双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)等新型电解质材料也开始逐渐应用于电解液的配方中。



LiFSI 与 LiPF6 相比,在热稳定性能、电导率、循环寿命、低温性能等有更优异的表现,可以显著弥补六氟磷酸锂的缺点,并能够很好的契合三元正极高镍化的趋势。长远来看,LiFSI 既可代替六氟磷酸锂作为新型锂盐使用,又可作为添加剂使用。 由于其工艺复杂、良品率低,导致其成本高昂,目前主要用作电解液添加剂。 根据产业反馈,此前全球头部电池企业的 LiFSI 添加比例在 0.5-2%之间,目前添加LiFSI 的主流配方已经提升至 2-10%。部分 HEV 电池产品由于需要高倍率放电,LiFSI 添加比例更高。作为优异的溶质锂盐,各大电解液相关厂商纷纷入局,LiFSI 未来市场前景可期



目前前全球只有少数企业具备 LiFSI 大规模商业化的量产能力,主要生产企业包括国内的天赐材料、康鹏科技(拟IPO),以及海外的日本触媒、韩国天宝等。经过近10 年的工艺探索,目前全球头部供应商对 LiFSI 的工艺路线选择已渐进尾声,国内外电池材料的重点企业目前均已开始布局 LiFSI,并预计在 5 年内陆续投产。国内有包括新宙邦、永太科技、多氟多等数家企业着手布局 LiFSI 项目,国外有日本触媒等计划大幅扩产,未来5年 LiFSI 有望逐步进入产业导入、需求显著提升阶段。




四、电池封装结构:麒麟电池、刀片电池、4680等引领创新大潮

2019 年为动力电池结构创新元年,各动力电池企业以及各大车企积极探索动力电池结构创新,推出各类去模组化、集成化的电池结构创新技术,并在新能源汽车市场逐步予以应用。以电池形态和集成程度为参考,麒麟电池为代表的CTP技术是从模组优化的角度提升体积利用率,比亚迪的刀片电池、特斯拉的4680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



CTP技术方面,自2019 年 9 月,宁德时代全球首款 CTP 电池包量产下线至今,已经历了多轮迭代,宁德时代今年发布了第三代CTP的麒麟电池,将在 2023 年量产,引起业界广泛关注。 CTP(Cell to Pack)在定义上是指省去模组的环节、将电芯直接集成进电池包,再将电 池包与车身框架进行链接。值得注意的是,实际的 CTP 技术并不如名字所说完全省去模组,而是包括了使用大模组或不使用模组两种形式。从性能上看,宁德时代推出第一代 CTP 电池,带动电池体积利用率首次突破 50%。相较传统电池包,该产品做到体积利用率提高了 15%-20%,零部件数量减少 40%,生产效率提升了 50%;在能量密度上,传统的电池包能量密度大多处在 140-150Wh/kg,CTP 电 池包能量密度则可达到 200Wh/kg 以上。 今年 6 月 23 日,宁德时代推出的 CTP3.0 技术麒麟电池的系统集成度更是创全球新高, 体积利用率超 72%,能量密度达 255Wh/kg。



全球首创的电芯大面冷却技术是麒麟电池的核心创新点之一麒麟电池电池包的构造从上至下分别是上盖、三合一弹性夹层、电池、 托盘。创新重点之一是高度集成化的三合一弹性夹层,将结构梁(纵横梁)、隔热垫和 水冷板替换为弹性夹层,布置在每排电芯间,同时起到结构支撑、冷却散热、电芯隔热 和膨胀缓冲四个功能。 据宁德时代报告,麒麟电池可以做到 4C 快充技术,实现 5 分钟热启动、10 分钟快充至 80%。


比亚迪的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这一方案,增加了安全性,提升空间利用率,降低电池成本,但同时也增加了电池内阻(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。未来刀片将采用软包+铝壳的方式,改用CTC的一体化方案提升续航


特斯拉的4680电池(直径为46mm,高度为80mm)也是当前最有代表性的结构创新。4680电池核心创新工艺为:大电芯+全极耳+干电池技术,4680电池大幅提升了电池功率(6倍于2170电池),降低了电池成本(14%于2170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,4680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%),续航里程有望提升约14%。



Tesla同样采用CTC技术,将电池直接集成在电动车底盘上,取消了电池阵列上的电池盖板,使用一种兼顾结构胶和耐火阻燃胶的多功能胶,将电芯与上下结构件的固定起来,电池上表面的零件与车身结构连接集成了座椅固定及车身横梁的功能,同时承担电池的密封功能。因此节省了一层上盖板的设计,增加了空间利用率。 Tesla采用了CTC技术后,配合一体化压铸技术,整车可以节省370个零部件,为车身减重10%,将每千瓦时的电池成本降低7%,增加14%的续航


无论是宁德时代的麒麟电池,比亚迪的刀片电池还是特斯拉的4680大圆柱,这些创新都会带来结构件以及散热材料的变化。银轮股份、银邦股份、科创新源等有水冷板产品和技术的企业,以及联瑞新材、壹石通等有导热球铝产品和技术的企业,将受益CTP\CTC的应用。国内科达利、斯莱克、昇兴股份等结构件厂商积极布局 4680 电池壳,易拉罐设备生产厂商将大 批量自动化产线和超薄金属成形技术运用于电池壳产线,或带来技术升级、降本增效的机会。


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