新能源动力电池详解——锂电池篇电芯正极磷酸铁

动力电池产业链:分为电池材料、动力电池及系统两部分,根据平安证券测算,电池材料市场规模超6000亿,动力电池及系统超5200亿。

电池材料包括:正极材料(磷酸铁锂、三元)、负极材料、电解液、隔膜、铜箔、其他,是制造动力电池的原材料。

下游规模:根据中国汽车工业协会数据,2022年国内新能源汽车销量688.7万辆,2023E年国内新能源汽车销量907.8万辆,同比+31.8%。根据平安证券数据,2022年国内动力电池出货量达到465.5GWh,同比+111.6%,其中出口达到68.1GWh,占比14.6%。预计2023年国内动力电池出货量达到666.7GWh,同比+43.2%。

电池类型:据乘联会数据,2022年方形电池占比超90%;三元占比37.5%、磷酸铁锂62.4%,磷酸铁锂比例持续上升、三元下降。(三元价格高于磷酸铁锂)

竞争格局:国内玩家占优,包括宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、欣旺达、孚能科技。

电池材料

从毛利率看,五大关键材料的毛利率排名为隔膜49%、电解液32%、负极材料24%、铜箔20%、磷酸铁锂15%、三元材料13%。(2022,平安证券测算)

1)正极材料

成本占比超45%,常见材料包括磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂材料。三元锂电池理论比容量(能量密度)比磷酸铁锂高60%,充电倍率更高,低温性能好,适合于中高端乘用车。三元材料的发展方向是高镍化、无钴化、单晶化(51.7%,2022)。磷酸铁锂价格更低,近年来市占率持续上升(37.7%,2022)。锰酸锂主要用于两轮车,增速不高。

2)出货竞争格局

2022年磷酸铁锂国内产量前十:湖南裕能(29%)、德方纳米(15.9%)、龙蟠科技、融通高科、湖北万润、安达科技、国轩高科、富临精工比亚迪、圣钒科技。

2022年三元材料国内产量前十:容百科技(15.5%)、华友钴业(13.8%)、当升科技(11%)、长远锂科、南通瑞翔、厦钨新能、振华新材、贝特瑞、广东邦普、巴斯夫杉杉。

3)负极材料

主要由天然石墨(15%)和人造石墨(84%)构成,2022年产量前十的企业:贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、广东凯金、中科电气、尚太科技、翔丰华、广东东岛、河北坤天、深圳斯诺。

4)电解液

电解液用途可分为:动力、储能、3C,占比分别为68.7%、12.4%、18.9%。

2022年电解液前十的企业:天赐材料、新宙邦、比亚迪、国泰华容、昆仑化学、中化蓝天、法恩莱特、珠海赛纬、杉杉新材、亿恩科天润。

5)锂电铜箔

2022年锂电铜箔前十企业:龙电华鑫(15.5%)、德福科技(13.1%)、嘉元科技(11.2%)、诺德股份、铜博科技、长春化工、华创新材、中一科技、铜冠铜箔、江铜铜箔。

锂电铜箔主流厚度是6um,2022年市占率78%,发展方向是极薄化。

6)隔膜

隔膜主要包括湿法隔膜和干法隔膜,市占率分别为78.7%和21.3%。

2022年隔膜前十企业:恩捷股份(38.1%)、星源材质(12.8%)、中材科技、中兴新材、河北金力、惠强新材、江苏厚生、北星新材、蓝科途、沧州明珠。

动力电池结构和种类

动力电池的整体结构

1、电池单体:组成动力电池的最小单元;

2、电池模组:由数个电池单体并联焊接在一起;

3、电池单元:由数个电池单体或电池组串联在一起构成;

4、CSC采集系统:每一个电池内部都有一个CSC信息采集系统,来检测每个电池单体或电池组的电压、温度等信息;

5、控制单元:电池控制单元(BMU)安装在动力电池内部,用来将电池的电压、电流、温度等信息上报给整车控制器(VCU)并根据VCU的指令完成对动力电池的控制;

6、电池高压分配单元:安装在动力电池总成的正负极输出端,由高压正极继电器、高压负极继电器、预充继电器、电流传感器和预充电阻等组成;

7、冷却系统:对动力电池进行散热,使其处于最佳工作状态。

电芯种类

根据封装方式、电芯形状的不同,市场上的电芯可分为三大类:方形电芯、圆柱电芯和软包电芯,前二者是用硬壳封装,钢壳、铝壳居多。

国内的动力电池主要使用方形电池,特斯拉主要使用圆柱形电池。三元材料成本、能量密度高于磷酸铁锂材料,安全性低于磷酸铁锂材料。国内磷酸铁锂增长速度快于三元材料。

电池发展方向

总体方向

1、安全性:通常有针刺、过热、过充、短路等测试,代表意外情况下电池燃烧的概率。

2、一致性:长期稳定工作的前提,包括材料一致性和PACK工艺一致性。

3、能量密度:影响续航里程,材料端围绕正极搭建化学体系,PACK成组效率提升是工艺手段。

4、循环次数:影响使用年限和里程。

电池的技术升级

三元正极向高镍化、单晶化发展;铁锂正极向高压实、锰铁锂方向发展;负极材料向掺硅发展。方形电池向CTP、CTC发展;圆柱形电池向大圆柱、CTC发展;刀片电池升级发展。固态电池代替电解液、隔膜;钠离子电池发展。

前沿电池技术和产品

宁德时代:3.0 CTP麒麟电池

CTP(Cell to Pack),从“电芯-模组-电池包”的三级装配模式,发展到直接将电芯集成在电池包上,省去了中间模组节,有效提升了电池包的空间利用率和能量密度。3.0 CTP麒麟电池,用的是磷酸铁锂电池,能量密度可达255Wh/kg,续航1000公里。

比亚迪:CTP刀片电池

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。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:4680电池

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。Tesla采用的CTC技术为结构化电池,将电池直接集成在电动车底盘上,取消了4680电池阵列上的电池盖板。4680有利于实现快充、高能量密度、降低成本,未来或成为主流封装形式,取代部分软包市场。

宁德时代:M3P电池

该电池基于新型材料体系,能量密度高于磷酸铁锂电池,成本优于三元锂电池,并且目前已经量产,预计在今年推向市场。应该是为掺杂了锰、镁(推测)等金属元素的磷酸铁锂电池。M是Metal的简写,M3代表有三种金属元素(所谓的三元),而P代表磷元素,即架构仍为LFP中磷酸根组成的橄榄石架构。可理解为三种磷酸盐化合物的组合(磷酸铁锂+磷酸锰锂+磷酸镁锂),本质上并未脱离锰铁锂技术路线(锰铁锂本质就是磷酸铁锂中掺杂锰元素)。目前宁德时代未披露该技术原理。

CTC技术

CTC(Cell to Chassis),电芯直接集成于车辆底盘的工艺,由特斯拉首先发布。将电芯或模组安装在车身,连接前后车身铸件,并在电池上盖取代座舱底板。

CTC并非CTP的简单延伸。CTP并没有突破PACK本身,电池企业/专业PACK企业可以独立完成开发,技术并没有延伸至下游。而CTC的出现,则将打破PACK 的限制,直接涉及到汽车底盘,这是整车最为关键的核心部件,是整车厂商经历长期发展所积累的核心优势所在,是电池企业/专业PACK企业难以独立开发的。因此,在商业模式和分工协作上,CTC与CTP将具有很大的差异。

二线厂商拳头产品

电池发展的主要方向是安全性、一致性、能量密度、循环次数、倍率性能,性能提升从(主要)正极材料、负极材料、电解液(次要)导电剂、铜箔、正负极补锂剂等方面入手,主要以高容量为目标。

动力电池装机量

2022年宁德时代(不含合资)装机量119GWh,稳居行业第一,同比+71%,市占率45%。排在后面的有比亚迪(24%)、中创新航(6%)、国轩高科(5%)、亿纬锂能(2%)等。

国内企业动力电池从出货量看,宁德时代处于绝对领先地位,比亚迪作为第二名也拉开第三名一大截,出货量二线厂商有中创新航、国轩高科、亿纬锂能、蜂巢能源、孚能科技。

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THE END
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