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动力电池新技术深度研究:锂电技术升级加速,新趋势新机遇

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本文来源 | 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(>250mAh/g)及较高工作电压(~3.65 V)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523、622、811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:

2020年为高镍元年,2021年高镍渗透率提升至30%+,高镍技术逐渐成熟。2020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300wh/kg,成组后pack能量密度有望突破200wh/kg,超 高镍三元正极,配合硅碳负极应用,能量密度有望达到350wh/kg-400wh/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2023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700℃左右,安全性较高;循环寿命2000次以上,而三元一般1000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190Wh/kg,目前行业 基本达到160wh/kg,成组效率85%以上,Pack后能量密度130-140wh/kg。三元理论能量密度高于 350Wh/kg,目前单体能量密度以200-250为主,成组销量75-80%左右,Pack能量密度140-160wh/kg, 高镍三元可达180wh/kg。

低温性能差。一块容量为3500mAh的LFP电池在-10℃的环境中工作,经过不到100次的充放电循环,电量 将急剧衰减至500mAh,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,4680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,2020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%,2021H1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372mAh/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4200mAh/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:4680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21700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。

4680电池及CTP/CTC技术加速落地。CTP技术全称为Cell To Pack,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、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。

1)方形电池:CTP/CTC技术升级,刀片电池

宁德时代:CTP技术2019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150-160wh/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811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)4680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

4680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。

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 (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(350Wh/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 2010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:800V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400V提升至800V,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2021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800V电压平台:电池包、电机以及充电接口均达到800V,车中只有800V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800V高电压平台。

双400V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800V平台高电压快充;在放电时,两个电池组并联成400V平台供汽车运 行时使用,直接使用原有400V的高压部件。

纯800V电压平台+额外DCDC:整车搭载一个800V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800V电压降至400V,车上其他高压部件仍采用400V电压平台。

 

 



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