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          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?

          時間:2022-06-14 08:52:39 點擊次數:

          最近幾年,隨著電動車普及率大幅提高,動力電池迎來全面爆發時刻。電動車中最重要的零部件非動力電池莫屬,寧德時代、比亞迪、容百科技等多家上市公司大漲,一級市場也頻現巨額融資,甚至最上游的鋰、鈷、鎳等金屬原材料也因需求大而暴漲。



          經歷了多年技術革新,動力電池經歷了多條技術路線混戰,最終磷酸鐵鋰和三元勝出,過度依賴政府補貼的電池公司都難再生存,也推動整個行業步入了新的階段。



          但動力電池沒有摩爾定律,不會像半導體那樣飛速迭代。動力電池的技術基礎是電化學,元素周期表在100多年前就已經基本定下,它需要通過排列組合不同的化學元素,以及解決一個又一個工程學問題,來漸進式升級迭代。



          這種迭代主要分為材料升級和結構革新,其中正極是決定動力電池能量密度的核心。目前的技術格局中,正極材料成熟且優化空間較小,短期突破點聚焦在負極材料上,而對固態電池顛覆式創新的期望,正推動很多冒險者激流勇進。



          • 在材料升級上,正極已形成磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面,離理論極限還有空間,這個局面中短期不會改變;負極處于突破期,正在從石墨向硅基演進。



          • 在結構革新上,則是對電芯、模組、封裝方式等改進和精簡,以提升電池的系統性能,例如比亞迪的刀片電池、寧德時代的CTP和特斯拉的4680等等。



          • 其他技術路線:例如鈉離子電池、氫燃料電池等等,各自有優劣勢,可能會覆蓋適合的應用場景。



          • 固態電池的可能性:固態電池相比于液態電池,在能量密度和安全性方面都更好,但這項技術并不容易突破,量產時間越推越久,還有待觀察。



          我們在此刻,想結合歷史梳理與對未來的展望,來全面分析動力電池。如今動力電池產業鏈已經形成了專業化程度高、分工明確的產業鏈,鋰、鈷、鎳礦等等在上游,隔膜、電解液、正負極等等廠商在中間(比如做正極的容百科技),匯聚到下游的電池廠(比如寧德時代、比亞迪),以及配套服務商例如電池回收(比如西恩科技)等等。



          動力電池是一個長坡厚雪的大賽道。今天,我們這篇文章主要分析動力電池的兩大技術迭代路徑——正負極的材料升級與結構創新,我們會在另一篇中專門分析固態電池。歡迎從業或創業的小伙伴與我們交流,Enjoy:


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖1)

          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖2)


          1



          第一種升級——用更合適的材料



          • 正極材料混戰,最終還是堅定技術路線的人勝出



          在2019年諾貝爾化學獎的頒獎臺上,來自美國、英國和日本的三位科學家獲得了這一年的化學獎,以表彰他們對“開發鋰離子電池”的貢獻。



          其中斯坦利·威廷漢在70年代首次采用金屬鋰作為負極材料,制作出了首個鋰電池。而約翰·B·古迪納夫更是被稱為鋰電池之父,他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩定,也是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰正極材料的發明人,他們令電動汽車進入新能源時代。



          如今,動力電池正極呈現了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。如果看演進史,你會發現電池的技術升級周期比較長。這是因為電池屬于電化學行業相對穩定,更多是漸進式創新。



          這就意味著,這個行業的推動力并不是依靠有人突然間合成了原來沒有的東西,而是通過對不同元素間的排列組合,或是加入一些輔助手段,來發現更好的性能。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖3)


          比如三元鋰電池的正極材料,主要是鎳鈷錳酸鋰,以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,其中鎳鈷錳的比例根據需要調整。我們常聽到的“8系”NCM811,NCM就是鎳鈷錳的化學元素符號,811是指鎳、鈷、錳的配比按照8:1:1。



          三元材料的技術演進,就是從3系到5系(5:2:3)再到6系(6:2:2)、8系(8:1:1),直至現在的9系高鎳。這個演進的本質就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。



          我們在投資容百科技時,行業主流正處于3系和5系,一些廠商在布局6系,那時容百押注技術變革,想直接跨越到8系,因為8系是相對終極的解決方案。容百的創始人白厚善是行業老兵,并且有足夠大的視野與格局。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖4)


          容百還在很早就押注了動力電池的高鎳化,高鎳化是近幾年里出現的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷,最早之所以要加鈷,是為了防止電池自燃、爆炸。在動力電池沒有普及之前,鈷是夠用的,主要用在手機等消費電子電池里。但一輛新能源車,動力電池的用鈷量,相當于上千臺手機,導致對鈷的需求激增。



          但鈷的產量嚴重不足,鈷在地球上的總儲量不是很大,且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經成為限制動力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示,鈷的比例必須下降,不然電動車的成本永遠降不下來。



          在車企和電池廠商的推動下,2020年成為了高鎳元年,寧德時代高鎳電池開始起量,而容百作為正極材料供應商,綁定了寧德成為該領域絕對龍頭。隨著高鎳技術越來越成熟,2021年高鎳在寧德時代的總裝機量中,占比提升至30%。



          高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料,其工藝流程對于窯爐設備、匣缽、反應氣氛等均有特殊要求,且往往涉及二次甚至更多次的燒結,成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料,要在氧氣氛圍燒結,還要去離子水洗滌。但常規三元正極材料則只需要碳酸鋰原料,空氣氛圍燒結,也無需去離子水洗滌。



          另一方面,與三元材料的優缺點互換,幾乎就是另一條技術路線——磷酸鐵鋰。如今磷酸鐵鋰和三元并駕齊驅,成為當下動力電池的另一大帝國。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖5)


          磷酸鐵鋰電池的優缺點十分明顯,優點包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。



          磷酸鐵鋰的橄欖石結構,非常穩定。本身磷酸根就能構成一個三維結構,鋰脫出去之后,它自身還能保持結構的穩定性,不會坍塌。但很多三元材料,在鋰脫出去之后,自身的結構穩定性會受到一定程度的破壞。所以磷酸鐵鋰的循環壽命很長,在2000次以上,而三元一般在1000次。



          磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度,高達700℃,非常安全;且其原材料不含金屬鈷,這就讓成本低于三元近20%。



          與優點相對,磷酸鐵鋰的兩大缺點也十分明顯,首先是能量密度天花板低,理論能量密度在190Wh/kg,遠低于三元的350Wh/kg。



          并且在低溫下的性能衰減很大,那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動車,多數用的都是磷酸鐵鋰電池。一塊容量為3500mAh的電池,如果在-10℃的環境中工作,經過不到100次的充放電循環,電量將急劇衰減至500mAh,因此鐵鋰電池不適合北方的冬天。



          不過當鐵鋰電池連在一起,成組效率高達85%以上,如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元雖然單體能量密度在200-250為主,但成組效率低一些,只有75-80%左右,Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg,高鎳三元在180wh/kg左右。



          但相比于成本優勢,磷酸鐵鋰漲價了才60-70元/公斤,三元幾乎貴了三倍,要在180-190元/公斤,是它的3倍了,這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖6)


          2017-2018年,當國家補貼高能量密度材料時,三元是很有優勢的。但自補貼退坡以后,磷酸鐵鋰的價格優勢就完全體現了出來。從2021年開始,磷酸鐵鋰的裝機量一直在增加,從幾年前的只剩20%左右,增長到今天的一半一半,與三元分庭抗禮。



          如果從整個動力電池產業鏈來看,當下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講,一個成熟行業會是下游最賺錢,就可能是整車的利潤率大于電池,大于材料,大于礦。但現在的實際情況是,由于整車發展速度很快,但上游礦的投資周期很長,一時間供給跟不上需求,現在鋰礦、鎳礦價格飆升,反而擠壓了下游,在一定程度上影響了正極材料的技術路線選擇。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖7)


          • 負極突破有限已成拖累,從石墨到硅基?



          隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元已經逐漸優化到極致,人們把目光投向負極。



          目前,我們廣泛使用的負極材料是石墨,但石墨的理論能量密度是372mAh/g,現在已經優化到了350-360mAh/g,急需用新的材料來突破。



          負極材料的工作原理是在電池中起到儲鋰的作用,鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出負極,充電時正極鋰被氧化為鋰離子,通過隔膜到達負極,鋰離子嵌入負極中;放電時鋰離子脫出負極,在正極被還原為鋰。



          下一步,我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達4200mAh/g,是石墨的十倍多。但硅有一個問題,就是在電池的充放電循環過程中,隨著鋰離子的嵌入和脫出,硅的體積膨脹率非常大,純硅高達300%,這會引起電解液的消耗,進而導致電池使用壽命的急劇下滑。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖8)


          石墨之所以好用,就是因為它的體積膨脹率比較低,只有10%-13%左右。目前,產業界想到的折中方案是,用5%-20%的硅來形成石墨+硅的復合負極材料,在可以接受的體積膨脹率之下,盡可能去提升容量。



          不過,目前硅碳負極出貨量還不高,一方面一些技術難題還沒有被攻克,比如說石墨本來可以循環3000次,但加了硅就減半到1500次,同時硅碳的成本也居高不下。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖9)


          人們對正負極材料曾經做過很多探索,其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源(原珠海銀?。┑目毓晒蓶|,而這家2008年成立的公司,就致力于探索鈦酸鋰技術路線。



          鈦酸鋰是優劣勢都非常明顯的材料。優勢是倍率性能、循環性能特別好,電池的循環壽命幾乎是無限的,非常適合公交車等營運時間長,需要考慮循環壽命和成本的應用場景。



          但鈦酸鋰的電壓平臺太高了,導致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規模商用,只能在一些特殊的場合,比如-40度的超低溫,需要特別高的功率。在政府補貼時代,鈦酸鋰紅極一時,但當補貼退坡后,還是很難自負盈虧。



          一項技術從實驗室走向大規模商用并不容易,經常會出現技術路線斗爭,無論是磷酸鐵鋰和三元,還是石墨、硅、鈦酸鋰等等,但從結果來看,最終格局不一定是一邊倒的局面,而是各自找到了最適合的細分賽道。



          2



          第二種升級——不一樣的電池結構



          當人們不斷嘗試新材料的同時,電池結構也是升級的另一大重點。



          如何改進底盤電池包的設計?如何提升空間利用率?如何降低零件數量、降低電池包成本?都是提高動力電池綜合表現的重要手段。



          在材料上,比如從3系減少了鈷,加了更多鎳,材料的變化導致理論容量產生了變化,從300mAh/g變到了500mAh/g,但這只是理論容量,在生產成最終安裝在車上的電池包時,需要各種結構設計,其中又會造成一些損耗,實際做完可能會從500降到400,這就變成了一個工程問題。



          各家紛紛亮出了自己的“武器”,比亞迪研究出了“刀片電池”、寧德時代拿出了CTP/CTC技術、特斯拉祭出了4680……當然本質上,封裝路線其實只有三種:圓柱、方形與軟包。



          比亞迪和寧德時代都走的方形封裝路線,特斯拉的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術路徑,從消費電子開始,采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來,一直是生活中最常見的電池。這種工藝成熟,良品率很高,但BMS復雜,使用門檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼,成組效率最高;軟包則是能量密度最高,但經歷了一系列安全事故和價格高昂,曾經遭遇挫折,但在2020年后隨著歐洲市場的放量滲透率大幅回升。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖10)
          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖11)


          • 特斯拉的4680電池要面對什么難題?



          2020年9月,馬斯克在特斯拉電池日上發布了第三代4680電芯。之所以叫“4680”,是因為它的直徑為46mm,高度為80mm。



          4680的亮點是,相比于上一代2170,能量提升了5倍、續航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時成本降低14%。



          這意味著更少電芯數量,更高成組率。比如同樣用于75kWh的電動車里,需要4400個2170的電芯,若換為4680電芯僅需要950個;同時,更少的電芯數量降低了組裝時間,提升成組效率,帶來了成本優勢。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖12)


          特斯拉4680電池



          不過大家明知道電池尺寸大的好處,卻不敢往大了做,是因為需要解決很多非常難的挑戰。



          第一,顯而易見的是當電池尺寸越大,發熱就越多,散熱也越難,從而影響充電速度和循環使用壽命。



          這一次,特斯拉試圖通過全極耳技術,來搞定這個問題。極耳,是指從電芯中將正負極引出來的金屬導電體,是電池充放電時的接觸點。極耳間距越短,電池輸出功率越高。



          傳統電池只有兩個極耳,分別連接正極與負極,而4680電池實現了全極耳,直接從正極/負極上剪出極耳,大大縮短了極耳間距,進而大幅提升了電池功率(6倍于2170電池)。而且電子更容易在電池內部移動,電流倍率提高,因此充放電速度更快。



          第二,電池容量提升還會帶來電芯一致性的問題。電池組由一個一個電芯單體組成,它遵循的是“木桶原理”,即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。如果每個電芯的容量區別很大,會導致電池組整體的容量損失。



          而內阻的不一致性,也會導致單個電芯的發熱量不同,相同的電流,大內阻電芯的發熱量更大,因此劣化速度更快,折損整個電池組的壽命。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖13)


          第三,是生產工藝問題。全極耳電池生產起來并不容易,通俗理解就是如何把極耳折在一起的工藝。目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種。揉壓極耳時,極耳形態不受控,容易短路,制造時兩段封閉,電解液滲入阻礙大。而如果切跌極耳,斜切成片卷起,比無規則擠壓好一些,占空間較小,但表面起伏度較大。多極耳很難折疊整齊,極耳位置誤差在外圈易被放大。特斯拉目前用的是切跌極耳路線。



          全極耳也對焊接技術提出了更高要求。在傳統雙極耳中,與集流盤或殼體連接時,只需要點焊即可,但4680的全極耳要求面焊,激光強度和焦距都不容易控制,容易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊到。所以以往2170電池只需要脈沖激光器點焊,但4680要求激光點陣焊接,需要連續激光器,在生產上也需要全面提升。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖14)


          所以4680的量產還面臨難度。一般來說,90%的良品率是實現量產的要求,但在初期,4680的良品率只有20%,在經過不斷的技術改良后,才提高至70%-80%。



          另一方面,特斯拉還為4680準備了CTC技術——電池既是能源設備,也是結構本身。



          CTC(Cell to Chassis)直接將電池集成在電動車底盤上,取消了原來的電池蓋板,電池上表面的零件,通過一種兼顧結構膠+耐火阻燃膠的新型多功能膠,直接與車身結構連接,集成了座椅固定及車身橫梁的功能,同時承擔電池密封,增加了空間利用率。



          綜合來說,4680是一款有潛力成為行業標準品的電池,它的材料體系應用激進,采取了超高鎳低鈷正極+硅碳負極的方案,疊加CTC提升布置效率,節省了370個零部件,為車身減重10%,將每千瓦時的電池成本降低7%,增加14%的續航,彰顯了特斯拉的野心。



          • 比亞迪“刀片電池”與寧德時代CTP技術如何?



          比亞迪刀片電池與寧德時代CTP電池,都是一種基于方形鋁殼的疊片電池。



          CTP(Cell to Pack)技術,可稱為無模組設計,其靈感是直接將多個電芯布置于箱體,而無需先把多個電芯組裝成模組。這使得零部件數量大幅減少,底盤空間利用率也提高了很多,進一步降低了制造成本。



          比亞迪的“刀片電池”在無模組設計上更加徹底,一刀片一電池,單塊刀片電池是由多個并聯的電芯組組成,兩個相鄰的極芯組之間設置有隔板,將電芯的空間分隔成若干個容納腔,形成類似的蜂巢結構,空間利用率極高。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖15)


          比亞迪刀片電池陣列



          當然,刀片電池也有其局限性。這種設計適用鐵鋰體系,三元比較難。原因是三元高鎳正極存在氣體膨脹,硅碳負極存在固體膨脹問題,而刀片電池導電路徑長,阻抗大不利于散熱,磷酸鐵鋰的失控溫度高,產氣量少,整體更加安全,但用不了三元導致能量密度天花板較低。



          所以比亞迪主要走性價比路線,在便宜的同時令其最終產品的能量密度,不比三元電池包差太多。2021年比亞迪旗下電動車切換刀片電池,出貨量在快速提升。



          寧德時代的CTP電池,與比亞迪刀片電池類似,不同點在于其仍保留了部分模組,但是通過減少模組的使用,增加電芯數量或體積,提升集成效率。



          這種不那么激進的策略,令寧德時代CTP電池可以應用鐵鋰或三元,例如特斯拉的鐵鋰電池就是采用寧德時代CTP技術,成組能量密度達150-160wh/kg,成本方面低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換,北汽、大眾等很多車企,采取了高鎳三元811大模組方案。



          CTP的技術難點,在于怎么把它們整合在一起,怎么保持電池的一致性。在生產過程中,每家電池廠的CTP技術也不完全一樣,各自有各自的專利布局,模仿難度很高。


          動力電池全面爆發時刻,誰將引領下一次產業革新?(圖16)


          在繼2019年提出CTP后,2020年寧德時代公布了電池結構的開發路線圖,除了第二代、第三代CTP電池系統以外,與特斯拉類似,還提出了從電芯直接跨越到底盤的集成化CTC電池系統,計劃在2025年左右推出。



          從以上的技術細節中,我們不難看出動力電池的提升,是一種工程化的步步為營。無論是4680從多功能膠的使用、激光點陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負極的應用,再到刀片電池富有創意的排布、CTP向CTC電池越來越集成化,每個環節都缺一不可,是現代工程學的結晶。



          動力電池更強調步步為營,把每一步技術做扎實;這個行業也不喜歡投機者,過度依賴政策補貼是行不通的。



          所以這個行業最終還是需要企業家,要有對技術路徑的嗅覺、要有解決一個又一個工程細節的執著,以及穿越產業周期的格局,才能在隘口突圍。



          如果您正在動力電池產業鏈做科研或是創業,歡迎與我們聊聊,可以聯系我們關注這一方向的投資董事劉壯(zhuang.liu@matrixpartners.com.cn)。如果您對本文有獨特的見解與想法,也可以聯系作者劉一鳴(yiming.liu@matrixpartners.com.cn)。



          引用:



          德勤:中國鋰電行業發展——“電池風云”



          東吳證券:鋰電技術升級加速,新趨勢新機遇瑞信:中國燃料電池電動汽車行業



          華安證券:三元高鎳化大勢所趨,四個維度考量盈利成本經濟性



          天風證券:汽車行業特斯拉引領新技術系列一:4680電芯、CTC技術和一體化壓鑄技術



          天風證券:高鎳+高電壓+大圓柱:放量拐點,看好硅負極及衍生新材料投資機會



          遠川科技評論:磷酸鐵鋰的第二春


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