动力电池行业专题报告:为何电池环节注定赢家通吃?
发布时间:2020-03-24 11:55
关键词:动力电池

提升带电量解决多数问题,

电池成本决定汽车电动化前景

电池系统成本是撬动汽车电动化的支点

对车企来说,动力电池最重要的性能指标依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环次 数,其中安全性是压倒一切的考量。此外,根据麦肯锡 2016 年进行的一项电动车消费者习惯调查, 中美德三国消费者对于电动车的疑虑依次是产品价格、续航里程、充电便利性、车型/品牌。

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综合来看,汽车电动化的必要条件是在满足安全性的前提下,以能够接受的成本缓解消费者的续 航里程焦虑(>400 km)。

成本方面,:产能阶段 性过剩,五大因素塑造行业格局》里的测算,电池系统的价格需要下降至 0.6~0.7 元/Wh,才逐渐 具备替代燃油车的条件,这意味着电池层面成本至少还需要下降 35~40%。这一测算结果与上汽高 管在 2020 年汽车百人会上的发言几乎一致。因此,电池系统成本是左右汽车电动化进程最重要的 因素。

对电动车续航里程影响弹性较大的 变量依次是电机传动效率、带电量、车身重量、风阻系数和能量密度。值得注意的是,整车的设计 能力,如风阻系数、迎风面积以及电控效率对续航里程的影响甚至高于万众瞩目的电池系统,可见 整车自身仍有非常大的挖掘空间以提升续航里程及产品力。

进一步地,我们假设其他参数不变,仅调整带电量和能量密度。

不难发现,尽管理论上较低的能量 密度最终会导致新增的带电量边际效应为零,但计算得知该临界点已超过 1000kWh,在带电量低 于 100kWh 时,可以认为汽车续航里程与带电量呈线性关系。

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以蔚来汽车的电池系统为例,2018 年 ES8 上市时所用电芯的能量密度为 210Wh/kg,成组之后质 量能量密度仅有 132Wh/kg,重量成组率为 63.6%,体积成组率则仅有 31.7%,由于车身过重以及 风阻系数偏高,以 70kWh 的带电容量 NEDC 续航里程仅有 350km。经过设计改进之后,2019 年 推出的 ES6 基础版(70kWh)NEDC 续航里程达到 430km,高容量的车型(84kWh)续航里程达 到 510km,其质量能量密度和成组率也分别达到 170Wh/kg 和 70%,因此提高电池装载量是改善 汽车动力性的不二法门。

因此,对于电池系统而言,带电量是更具决定意义的参数,质量能量密度的影响相对有限。

值得一 提的是,提升带电量还可以缓解诸多困扰电动车的顽疾,以带电量分别为 30kWh 和 60kWh 的两 辆车为例,除了续航里程提升近一倍之外,大容量电池系统还有很多其他优点:首先,大容量电池 系统对于电芯的放电倍率要求降低,整车等速巡航阶段的输出功率约 10kW,但加速阶段输出功率 很大,峰值功率可达 100kW 以上,小系统的瞬时放电倍率要求达到 4C,这对电池寿命造成较大 伤害,而大系统的放电倍率要求仅为大系统的一半;其次,大电池系统的循环次数要求也大为降低, 假设汽车要求行驶里程达到 20 万公里,小系统的循环次数将达到 1100 次,而大系统的循环寿命 要求仅为 570 次,这为更高能量密度、低循环寿命的电池使用开拓了空间;三是充电功率显著提 高,在充电倍率相同的情况下,大系统快充半小时(soc 从 30%充至 80%)即可行驶 220 公里以 上,极大程度上缓解了充电压力,此外,车内空调等其他体验也有明显改善。

降低电芯成本是电池系统降本的核心任务

车企对于电池的需求可以简化为以尽可能低的成本装载更多的电池,

电池企业努力的方向可收敛 至 1)降低电池制造成本,为提升电池装载量提供经济性空间;2)提高电池系统体积能量密度, 提升电池容量潜在装载空间;3)定制化生产,满足参数设计的定制化要求。

如前所述,ES8 电池系统的重量和体积成组率分别仅有 63.6%和 44.2%,但电芯的成本占比却远 高于此。根据公开数据,软包电芯的系统成本占比达到 70%左右,方形电芯的成本比重则高达 80%, 随着电芯能量密度的提升,结构件的重量和成本占比还会进一步下降,因此降低电芯成本是系统降 本的核心人物。在目前一线电芯企业格局已基本清晰的情况下,电池企业下一步竞争的关键是在确 保安全性的前提下,尽可能降低电池制造成本,其他诸如能量密度、循环寿命等性能的优先级相对 靠后。

电芯成本解析:原材料成本占 9 成,非活性物质比例 较大

参数设计:定制化特征明显,容量提升推进电芯标准化设计

锂电池是有一定差异性的产品,汽车不同的功能需求对于电池的参数有着决定性的影响。

粗略来 看,根据使用情况可将锂电池分为两类,一类是功率型,主要用来为汽车加速提供短暂的动力,可 以储存的能量较少,不能长期提供能量,其能量释放时间通常持续几秒到几十分钟;另一类是能量 型,可以长期提供能量,但放电速率相对较小,一般情况下放电时间设计为 1 小时甚至更长,一般 纯电动汽车会用到能量型电池。

功率型电池与能量型电池的主要区别是功率/能量比,即放电倍率,

功率型电池的放电倍率可达 15C 以上,能量型电池的放电倍率不超过 2C,随着纯电动汽车带电量日益增大,对于放电倍率的要求 会进一步放宽。这两种需求反映在电芯层面,最显著的区别是功率型电芯极片由于电流密度较大, 为确保结构稳定,活性层的厚度很薄,能量密度较低,成本更高。因此工业上这两类电芯在设计方 面截然不同。

在同一类电芯内部,设计上也存在差异性。

以最普遍的能量型电芯为例,电池参数设计首先必须根 据用电设备需要及电池的特性,确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳以及其他部件的参数,对工 艺参数进行优化,并将它们组成有一定规格和指标(如电压、容量、体积和重量等)的电池组。

动 力电池设计时,必须了解用电设备具对电池性能指标及电池使用条件,一般应考虑以下几个方面:

电池工作电压,决定了电芯的数量与连接方式;

电池工作电流,及正常放电电流和峰值电流;

电池工作时间,包括连续放电时间、使用期限或循环寿命,与电池工作电流一起决定了电池 的容量;

电池工作环境,包括电池工作环境及环境温度;

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美国阿贡国家实验室提出了一套设计原则,规则要求用户输入多个设计参数,例如电池电量,电池 和模组数量,以及最大功率下的目标电压等。

此外,用户必须输入以下三种能量测量值之一:电池 组能量,电池容量或车辆电气范围,定义其中一个值将决定其他两个值。然后,迭代过程通过改变 电池容量和电极厚度来解决用户定义的能量参数(能量,容量或范围)和剩余电池特性。结果是电 池,模组和电池组的尺寸,质量,体积和材料等方面的要求。

对于有容量要求的电池,在材料体系选定后,根据正极活性物质的比容量即可计算出正极活性物质 的质量,再根据正极配比(活性物质、导电剂、黏结剂的配比)和涂布量上限即可计算出这些活性 物质需要涂布在多大面积的集流体上,即求得正极总面积。随后根据电子平衡原则和防短路要求, 电芯的负极和隔膜用量也可求得,据此可以得出整个电芯的物料用量。因此,正极材料的性能和用 量是电芯容量的决定性因素。

随着电池系统容量的增大,电芯参数设计的差异性在降低,标准化程度日益提升,

原因在于大容量 电池系统消解了工作电压、放电功率、连接方式等电学要求,突出了电池体积、系统成本的约束, 使得不同电池系统的差异性日益集中到电芯数量/容量方面,其他参数的差异性大为降低。另一方 面,从工业生产角度,推进电芯设计、生产的标准化程度,也是降低电池系统成本非常有效的途径。因此,尽管电池定制化的需求仍然存在,但电池企业总体上在减少电芯规格的品类。

生产流程还原:批次与节拍工序交错,质量控制是难点

自 1991 年索尼公司实现锂电池商业化生产以来,锂电池在性能与生产工艺上实现了长足的进步, 但其工作原理、产品结构及其生产流程总体上并未发生很大变化。概而言之,锂电池电芯的制造可 以分为 3 个主要生产环节,约 15 个生产工序:

电极制片。

电极制片是将正极和负极材料涂在作为载体的金属箔材上,再加以干燥、压延, 该环节包括混浆、涂布、烘干、辊压和分切等工序。

单体装配。

将涂布好的正负极极片轮流交替铺上隔膜,加工成一个电极堆叠,然后再将堆叠 置入到外壳中包装好,并注入电解液。

化成、老化(续化成)和检测。

装配好的单体首先使用小的电流缓慢充电,再用较大的电流 循环多次进行充电和放电,以便达到生成单体全部功能的目的,并用以记录单体精确定义好 的各项功能。

混浆是将正负极活性材料与导电剂、粘结剂以一定比例,在溶剂中混合均匀。混浆过程对电池单体 的质量起着至关重要的决定性作用,每一组分都必须具备最高的纯度,最小的剩余含水量及最大的 干燥度,并且必须以最高的精度来加料,对集流体金属(铝箔和铜箔)的要求也要有最高的纯度 (>99.8%)。为了保证后续的涂布工艺过程能够安全、连续地运行,混拌好的涂布物质的一些关 键参数如均一性和粘度系数必须精确保持在设定值范围之内,不仅如此,混浆关键参数如均一性和 粘度系数的时间变化也必须考虑进来,因此混浆要求必须快速加工处理。

电极涂布的主要任务是将性能稳定、粘度适当、流动性好的浆料均匀地涂覆在铜箔(负极)或铝箔 (正极)上。电极涂布工艺的好坏,对锂电池的容量、一致性和安全性具有直接影响。据不完全统 计,在锂电池失效的全部原因中,约 10%是由电极涂布工艺引起的。浆料涂布过程中必须要保证 极片厚度和单位面积拉浆重量的高精度性,使用具备极片拉片和极片张力控制最高精度的涂布机 设备是优质出品的前提条件。

极片涂布后制成的极片必须进行干燥。干燥室通过热风对流在不同的干燥箱(悬浮带式干燥箱、对 流抽吸式干燥箱、滚动带式干燥箱)里实现的。干燥箱里设置的干燥温度曲线对极片附着在金属极 片上的附着强度以及整个极片厚度上粘合剂的分布意义重大。

电池装配过程要完成卷绕、装壳、封口、注液等步骤,是电芯制作的核心,对周围环境要求极高, 如湿度要控制在 1%以内,同时,这些流程自动化程度较高,一旦参数确定出现质量问题的概率反 而相对较低。

在老化工序中,从传送带上运送过来的电池单体被放置到一个加热到约 30℃的车间里存放 8~36 天不等。在老化过程的前期和后期分别测量单体的开路电压(OCV),测得的数据可以用来计算单 体的自放电率。老化过程之后会对存放的单体做一些功能测试,比如容量测试、内阻测试和自放电 测试等。以这些测量值和事先定义好的极限值为基础,可以再老化工序之后把单体进行容量等级的 多级分类,这个过程称之为分容。

老化工序最大的挑战性在于对空间场地的需求,因为存放单体需 要大量场地,导致费用大增,同时还有大量的专用托盘需求,这也带来了额外的高额成本支出。

在上述工序中,搅拌、涂层、烘干、压实、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序(batch), 而切片、层叠、加注电解液、封装等工序为节拍制造工序,

这导致锂电池的生产流程连续性较低, 自动化水平相对受限,对保持电池品质的一致性带来了巨大挑战。

方形卷绕电池:正极材料是降本最大来源,其他措施集腋成裘

美国 Argonne 国家实验室建立了一个非常精细的模型以研究锂电池成本,但研究对象是方形叠片 电池,我国锂电池厂商多采用方形卷绕路线,因此 Batpac 的经典模型并不适用。我们借鉴其思路, 搭建了简化的方形卷绕电芯成本模型,假设该电芯采用 622 三元正极材料和人造石墨负极材料, 其他参数假设如下:

我们将最经典的 PHEV-2 型电芯规格代入其中,电芯的长度、宽度、厚度分别为 148mm、92mm、 27mm;计算得到该电芯的容量约 51Ah,质量能量密度为 216Wh/kg,体积能量密度为 512Wh/L, 与实际数字吻合度较好。电芯的各组成部分以及重量组成如下:

该电芯中,正极活性材料的重量占比仅有 37.3%,箔材、电极以及封装壳体的重量占比则超过 20%;在成本构成上,正极材料的占比则达到 43.5%,物料成本中的占比高达 55.6%。由于正极活性材 料是电池容量的决定性因素,因此技术上降低电芯成本的主要方式是提升正极材料的重量占比。实 际上,在过去 20 年里,锂离子电池的能量密度每年稳步增长 3%,主要依赖于增加活性物质比例 技术方面的进步。

对成本模型中的主要参数进行敏感性分析,对成本影响最大的因素是正极材料的性能和价格,负极 性能和价格影响位居其次,但弹性系数已相差较远,此外,降低非活性材料的各项措施(提升活性 材料面密度、降低载体厚度、增大电芯尺寸等)尽管单项影响都不大,但累计起来降本效应也不容 小视。

对于锂电池而言,单纯提高正极材料 1 倍的储锂容量,在平均电位不下降的前提下,提高锂电池的 质量能量密度最大约为 40%;提高负极材料 1 倍的储锂容量,提高电池的质量能量密度最大约为 20%。由于电极储锂容量提高一般伴随着体积变化,单纯通过提高电极材料的储锂容量来提高电池 的体积能量密度,应该很难超过 40%。叠加工艺方面的进步,在现有体系不发生根本变化的前提 下,锂电池单体的能量密度达到 300Wh/kg 时可能会遭遇瓶颈。

降本之路知易行难,技术能力是核心驱动

电池的主要材料价格在 2018 年之后降幅已明显趋缓,这意味着电芯单体的 BOM 成本下降将进入 瓶颈期。在此背景下,提高单体的储能能力—即提升电池能量密度—以摊薄单位容量成本是电池厂 商的内在需求。能量密度提升的本质,是在确保安全的前提下,在一定空间内(外包装)将活性材 料的重量/体积占比不断提升,并升级活性材料的比容量。

能量密度提升有如下路径,一是采用高比容量的活性材料,即正极高镍化和负极用硅碳材料;二是 优化工艺提高活性材料的重量占比,包括提升面密度、压实密度、卷绕改叠片、降低铜箔、铝箔、 隔膜等材料的厚度;三是提高电芯尺寸,挖掘规模效应。此外,在系统层面上还可以改进成组技术, 降低模组、PACK 等封装成本。

材料:在比容量与安全性之间走钢丝

高镍正极:只有龙头能驾驭的降本利器。

从敏感性分析结果来看,提升正极材料的比容量是降低成本极为有效的途径。在材料层面,高比容 量的正极材料包括高镍三元和富锂材料,其中高镍三元材料已经取得了一定进展。

高镍化至少能带来两方面好处,一是降低钴资源的用量,减轻上游资源价格波动带来的价格波动,

NCM811 相比NCM523 的钴含量由12.21%降至 6.06%,折算到动力电池每kwh 用钴量从0.22kg 降至 0.09kg,因此在钴价越高时,NCM811 的材料成本优势将越明显。例如,在金属钴 20 美元/ 磅时,高镍三元材料单位容量成本低 8%;在金属钴 30 美元/磅时,高镍三元材料单位容量成本低 12%;二是提升能量密度,降低电池每 Wh 成本,2015 年以来三元材料从 333 过渡到 622,比容 量从 150mAh/g 提升至 170mAh/g 以上,电芯能量密度则从 180Wh/kg 提升至 260Wh/kg。目前广 受关注的 811 系材料已经开始使用,Ni 含量更高的材料也在研发之中,可以说高镍化是材料发展 不可动摇的趋势。

我们的模型测试结果表明,在其他条件不变的情况下,正极比容量从180mAh/g提升至200mAh/g, 电芯的能量密度从 218Wh/kg 提升至 232Wh/kg,增幅近 7%;物料成本则从 0.419 元/Wh 降至 0.386元/Wh,降幅近8%;如若比容量进一步提升至210mAh/g,则电芯能量密度提升至239Wh/kg, 成本进一步降至 0.372 元/Wh。

因此,对于电池企业来说,高镍化是降低电芯成本无法回避的路径。

另一方面,高镍化带来的技术挑战仍待攻克:

首次循环效率下降;热稳定性下降。

由于 Ni2+半径(0.069 nm)与 Li+半径(0.076 nm)较为 接近,在制备过程中容易导致锂镍阳离子混排,进入镍空位的锂在循环过程中难以脱嵌,导 致电池的首次库仑效率不够理想,并容易造成材料结构坍塌,由层状结构向尖晶石结构或 NiO 型岩盐相转变,从而导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。

由于 Ni4+具有还原性,容易生成 Ni3+,为了保持电荷平衡,材料中会释放出氧气,导致材料 结构被破坏

。副反应影响安全,材料表面的杂质在存储环境中的水份及氧气的作用下会与电 解液发生反应,生成 Li2CO3 和 LiOH 等物质, 从而在电极材料表面形成一种绝缘层,阻碍 Li+的扩散和电子的传输。

压实密度下降,目前三元电池极片的压实密度可以达到 3.3~3.6g/cm3,而高镍材料是一次颗 粒团聚而成的二次球形颗粒, 由于二次颗粒在较高压实密度下会破碎,对煅烧时的气氛要求 很高,压实密度目前很难突破 3.3g/cm3,从而限制正极活性材料比例的提升。

高镍材料表面的碳酸锂和氢氧化锂杂质不易控制,杂质容易超标,这些残留锂化合物主要是 Li2O、LiOH·H2O、Li2CO3等碱性物质,残留物越多,材料表面的 PH 值越大。碱性物质在 空气中容易吸潮,导致材料表面和水反应,或使材料在调浆时黏度变大,或者将多余的水分 带入电池中,造成电池性能下降。调浆黏度变大的原因是黏结剂 PVDF 团聚,使正极浆料黏 度变大难以过筛,情况严重时浆料变果冻状,成为废料。

正极材料生产条件苛刻,成本上升。8 系以上的三元材料较之前的 5 系、6 系理化性质出现了 很大变化,导致高镍正极在原材料合成、工艺装备(不易混合、需要二次煅烧及水洗等)、环 境控制(全程湿度低于 10%)、环保(氨水浓度大、氢氧化锂刺激气味大)等方面都不得不 面对更多的困难,因此尽管理论上高镍材料可以使原材料成本下降 6-8%,但目前高镍正极市 场价格较 5 系高出近 40%。

因此,高镍材料的商业化应用并非简单更换活性材料,而是要解决随之而来的材料、电池设计以及 循环特性方面所带来的一系列负面问题,这导致了高镍推广困难重重,迄今为止批量供应高镍电 池的企业仅有两家,其中松下自 2017 年起向特斯拉供应 NCA 高镍电芯,宁德时代自 2019 年下 半年起增加 NCM811 高镍电芯,其他诸如 LG、三星、SKI 等一线国际企业一再推迟高镍电池的批 量供货,二线企业在高镍化之路上则落后更远。

硅负极:极具性价比的降本良方

前述的成本敏感性分析表明,改善负极性能也是降低电芯制造成本的有效途径。目前商业化的锂电 池主要以石墨为负极材料,石墨的理论比容量为 372mAh·/g,而市场上的高端石墨材料已经可以 达到 360~365mAh·/g,因此基于石墨负极的锂电池能量密度优化空间相对有限。

在此背景下,硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温 4200 mAh·/g,室温 3580 mAh·/g)、低 的脱锂电位(<0.5 V)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能 量密度锂离子电池负极材料。

然而,由于硅负极材料在充放电过程中存在巨大的体积变化(320%),导致纳米硅颗粒与电极极 片的机械稳定性变差、活性颗粒之间相互的接触不好、以及表面 SEI 钝化膜的稳定性降低,严重影 响电池寿命;硅的膨胀会在电池内部去产生巨大的应力,这种应力会对极片造成挤压,从而出现极 片断裂;还会造成电池内部孔隙率降低,促使金属锂析出,影响电池的安全性。

因此目前硅负极主要通过与石墨负极材料复合使用,解决体积膨胀的问题可以通过控制碳材料中 硅的含量、减小硅体积到纳米级;或改变石墨质地、形态,实现碳和硅的最佳匹配;或者采用其他 物质对硅进行包覆,促进膨胀后的复原;还可以采用更适宜的电极材料等一系列方法来减少硅膨胀 带来的诸多问题。

实践证实,要想取得比较理想的电化学性能,复合材料中的硅颗粒粒径不能超过 200-300nm。但 是在比表面、粒径分布、杂质以及表面钝化层厚度等关键指标技术壁垒都很高,国内厂家目前还达 不到,而外购纳米硅粉成本极高,导致硅碳负极的价格较石墨类产品高出 1 倍左右。

现在行业用硅普遍在8%-10%。据测算,采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8% 以上,体积能量密度可以提升 10%以上,同时每千瓦时电池的成本可以下降至少 3%,因此硅负极 材料将具有非常广阔的应用前景。同时,

与高镍推广面临的问题类似,硅碳负极的应用条件更加严 苛,同时以硅碳材料为负极的电池负极片压实密度和首次效率都会下降,

导致多数电池厂家只能望 洋兴叹,我国目前硅碳负极的出货量占比还不足 1%。主要电池厂家中松下的步伐较早,供给特斯 拉的高比能量电池即采用硅碳负极,其他电池企业尚无大批量供货的记录。国内负极龙头贝特瑞和 江西紫宸已有不同规格的硅碳负极产品,预计未来几年有望逐渐推广。

设计:螺狮壳里做道场,工艺优化无止境

一颗锂电池容量由正极材料多寡决定,提升能量密度除了采用高比容量的材料之外,另一路径是在 有限的空间内装入更多的活性材料,即提升电芯内部的填充度。根据我们搭建的模型测算,

PHEV2 型电芯内部填充度约为 82%,填充不完全在横向和纵向上都有原因。

横截面上,在电池设计中,通常采用群裕度这个概念来表征电芯的空间填充度。群裕度是指电池实 际内部横截面积与最大内部截面积的比例,即,将电芯横向切开,其中卷绕式电芯中各种物质的截 面积与电池壳体内径包含的面积的比值,可以表征卷绕式电芯的入壳的困难程度、电芯充电膨胀后 对壳体的压力等。

纵向的不完全填充主要来自顶层集流体、绝缘层等内伸的部件需要占据的空间,一般为顶盖的内侧 部件留出 5mm 空间,此外,为防止极片短路,宽度方面隔膜>负极>正极,涂布时正极材料比隔膜 少 4mm 左右,这进一步降低了正极材料的用量。

此外,目前方形电池的装配多选用卷绕工艺,卷芯成型后弯曲的部位难以避免留下空隙,这进一步 降低了内部空间的填充率。

因此,改善空间利用率也多从如下途径实现,一是选用叠片装配工艺, 二是减少非活性材料的体积占比,三是增大电芯内部尺寸摊薄非填充空间的比例。

卷绕改叠片:有效提升群裕度,生产效率是主要阻碍

目前的方形电池多数采用卷绕工艺装配电芯,卷绕工艺非常成熟,成本也相对较低,但卷绕工艺装 配的电芯对内部空间利用率不足,从而限制了电池能量密度的提高和成本的下降。我们模型测算的 结果表明,卷绕电池空间利用率仅有 82.3%,偏低主要源于三个方面,一是纵向上为顶盖和极柱焊 接留出空间,一般为 5mm 左右,对 PHEV-2 型电池影响空间利用率约 6.2%;二是横向上由于卷 绕电芯易膨胀,按照群裕度第二重定义,一般设计为群裕度 93%左右,为卷芯厚度增加留出弹性 空间;三是卷芯两侧边缘位置存在较大曲率,也造成了空间浪费,我们模型测算结果显示曲度部分 影响填充率约 5.7%。此外,在充放电的过程中,卷芯弯曲部位易变形和扭曲,会导致电池性能下 降,甚至有安全隐患。

和卷绕工艺相比,叠片工艺具备天然的优势。叠片式极组呈长方形,几乎可以充满方形壳体空间;而卷绕式极组呈椭圆形,必然造成壳体四角的空间浪费。另外,卷绕式极组长时间使用后容易扭曲, 两侧圆弧处断裂造成内部短路。未来方形电池做大做长,电池管理更加简易高效,可以更好地适应 电动汽车模块化生产,这也是圆柱电池所不具备的优势。

在产品性能方面,根据蜂巢能源披露的信息,叠片工艺生产的方形电池优势明显:因为极组有更好 的结构适应性,电池变形和膨胀的几率大幅下降;边缘结构更简单,电池安全性更高;能量密度可 以相应提高 5%;循环寿命提升 10%-20%;内阻更低,可以实现更高倍率放电;电池的规格更加 灵活,一致性更佳。

我们的模型测算结果表明,在同等规格尺寸下,采用叠片技术之后,按照群裕度第一重定义,设计 值可达 96%左右,较卷绕提高 8 个百分点,从而使得能量密度提高 12%,电芯每 Wh 物料成本下 降近 10%。

尽管叠片工艺潜在优势明显,但当前仍然面临诸多需要克服的问题,包括更高的工艺门槛和生产成 本等,其中最大的难题是生产效率。日韩厂商曾经攻关叠片工艺,但是生产效率提升始终无法取得 实质上的突破。当下卷绕机的水平,可实现线速度 3m/s,张力波动控制±5%,对齐精度为±2mm, 整机合格率≥99%,时间稼动率≥98%,故障率≤1%,叠片机水平目前是电芯整体对齐精度±0.5mm, 产品合格率≥99.5%,时间稼动率≥98%,故障率≤1%,叠片效率(五工位)在 4 片/s,与卷绕效率 相差较远。据测算,在电芯尺寸较小的情况下,只有单工位效率提升到 0.2 秒/片左右时,叠片工艺 才可能与卷绕工艺成本相当。

另外,叠片工艺需要将每个极片进行两次分切,一个电芯则涉及到数十次分切,而卷绕工艺每个电 芯只需要进行正负极各一次分切。每次分切都存在极片的截面产生毛刺的风险,这就增加了电池质 量控制的难度。正是因为受制于这两个主要的短板,叠片工艺的渗透率还有待突破。但总体而言, 效率与分切的问题并非不能克服,

目前主流电池厂中,除了 LG 一直采用叠片和软包路线之外,宁 德时代、比亚迪也纷纷布局该路线,三星 SDI 于近日宣布在匈牙利的新产线将采用叠片工艺,我 们预计未来几年内叠片有望取代卷绕成为电芯的主流生产工艺。

大尺寸电芯:提效降本一举多得,工艺水准决定成果

增大单体电芯容量是降低电池生产成本的重要手段。大容量电芯一方面通过优化设计调整材料结 构,降低单位电量所使用材料,另外一方面通过提高单片电芯电量,有利于降低生产损耗。由于电 芯为模组和电池包的主要材料投入,大容量电芯带来的单位材料成本下降也带动模组和电池包材 料成本的下降。以特斯拉的电池系统为例,2019 年起特斯拉采用松下的 21700 圆柱电芯代替使用 了 5 年之久的 18650 电芯,切换之后,电池单体电池容量可以达到 3~4.8Ah,大幅提升 35%,电 芯能量密度则从 250Wh/kg 提升 20%至 300Wh/kg,生产成本降幅达 9%以上。

具体而言,大电芯的第一个优势是提升了活性材料的重量比例,从而提升电芯的能量密度,降低电 芯生产成本。我们的模型测算结果表明,方形卷绕电芯厚度从 27mm 增加至 79mm 时,由于非活 性物质用量被摊薄,正极材料在电芯总重量的占比从 37.6%提升至 39.4%,其质量能量密度从 218Wh/kg 增加至 229Wh/kg,增幅达 5%,电芯综合成本从 0.54 元/Wh降至 0.506 元/Wh,降幅 约 7%。

二是有利于提高成组率,进一步提升系统能量密度。现在比较成熟的实际中,PACK 系统层级按照 电芯处理方式可分为四级:电芯级、模组级、模块级和电箱级。其中电芯级是一个基础,后面每一 级都会使用一定的零部件来对电芯进行处理,所以后面每一级都有一个成组效率(电芯重量占每一 级部件的百分比)的问题,最后系统的成组率是前面几个层级相乘。层级越多,最后的成组效率就 相对越小。在进行 PACK 系统层级设计时,可以合理规划,尽量减少层级,已达到更高成组效率 的目标。

以宁德时代电芯变化轨迹为例,2017 年宁德时代电芯规格以标准尺寸为主,成组效率仅有 67%;随后几年里凭借更大的电芯和模组,电池系统的成组率不断提升,2019 年下半年公司推出 CTP (cell to pack)产品,直接省略了模组的保护,其成组效率有望达到 80%。在材料体系没有发生 根本变化的情况下,将系统能量密度提升了 50%。

三是解构车企推动模组标准化的努力,提升电芯企业的产业链地位。目前车企和电池厂业务的分界 点在模组环节,车企希望在实现模组的标准化,让电池厂成为纯粹的电芯供应商,加剧电芯环节的 竞争,如大众 MEB 平台适用的 590 模组,可同时兼容方形和软包电池,两大电池供应商 LG 和宁 德时代的产品无论是技术路线还是尺寸都完全不同;电池厂则力图将触角延伸至模组环节,无论是CTP 还是大电芯本质都是提升电芯环节的差异性,在降低成本的同时,提高电芯的技术壁垒,从 而进一步绑定车企,消解车企模组标准化的意图。

理论上,大电芯在设计和制造层面的实施并不困难,难点在于保持电芯的高品质。对于卷绕式电芯, 单个卷芯极片卷绕长度约 6-7 米,更长会出现应力不均匀,从而导致电芯循环性能受限,卷绕式大 电芯会采取多个卷芯并联的方式,其实质是减少封装壳体的用量,一旦卷芯出现膨胀,会影响其它 卷芯的正常充放电;对于叠片式电芯,更大容量意味着同一壳体内叠层数量增加,边缘毛刺、叠片 错位等问题出现的概率急剧上升。

因此,目前市场上大电芯的供应商数量相当稀少,宁德时代最大 规格的电芯单体容量已达到 200Ah 以上,国内其他厂家都在 120Ah 以下。

非活性材料减量:降本累积效果明显,削减冗余设计增加安全隐患

从前述分析可知,正负极活性材料占电芯的重量比仅有 60%左右,集流体、电解液和壳体等非活 性材料重量占比达 35%以上,设法减少非活性材料的重量比例也是提升能量密度、降低电池成本 的有效途径。非活性材料减重减厚主要从如下途径着手:

提升正负极片的压实密度,即降低正负极片活性层的孔隙度。

模型中假设正负极片的孔隙率 分别为 25%和 27%,相应的压实密度分别为 3.38g/cm2和 1.55g/cm2,如将正极极片孔隙度 降至 20%,则正极面密度可达 3.60g/cm2,电池能量密度从 216Wh/kg 提升至 219.7Wh/kg。增大压实密度的潜在风险在于导致极片过压或者极片掉粉,从而导致电池容量降低、循环恶 化以及内阻增加等问题。

提升极片面密度。目前极片都采用双面涂布,正极单面面密度约 20mg/cm2,相应的正积极片 厚度约 130 微米,其中正极箔材厚度(铝箔)占比达 10%,提升面密度可进一步减少箔材的 空间占用,从而提升能量密度。我们的模型测算表明,如将单面面密度从 20mg/cm2 提升至 25mg/cm2,电池能量密度可提升 2.7%,综合成本下降 2.1%。面密度提升的主要障碍在于负 极,由于负极浆料的溶剂为水,随着极片厚度增加,烘干过程变得难以控制,或者在极片底部留下残余水,或者导致极片底部出现裂缝,二者都会导致使用过程中的质量风险。目前主 流电芯企业负极面密度控制在 18~20 mg/cm2(双面),而国际领先的电芯企业则可以达到 25 mg/cm2左右。

降低 N/P 比。N/P 比(Negative/Positive)是在同一阶段内,同一条件下,正对面的负极容量 超正极容量的余量,计算方法为 N/P=单位面积负极容量/单位面积正极容量。石墨负极类电 池 N/P 要大于 1.0,一般 1.04~1.20,这主要是出于安全设计,主要为了防止负极析锂,设计 时要考虑工序能力,如涂布偏差。但是,N/P 过大时,电池不可逆容量损失,导致电池容量偏 低,电池能量密度也会降低。我们的模型里假设 N/P 比为 1.1,如果将 N/P 比调整为 1.05, 电池能量密度将增加 2%,成本下降 0.8%。

减少隔膜、负极、正极材料留白面积。为了防止电池短路以及极片边缘毛刺导致的风险,涂 布时往往会在集流体边缘处留下空白,其规律是负极活性层宽度比隔膜少 2mm 左右,正极比 负极也少 2mm,这些留白造成的体积能量密度损失达 3%以上,因此提高涂布精度,增大活 性材料填充也成了电池企业面临的重要课题。

降低铜箔、铝箔和隔膜等材料的厚度。铜箔、铝箔、隔膜等材料在电芯质量的占比接近 10%, 厚度占比接近 7%,因此降低箔材的厚度和重量对于提升能量密度、降低成本意义重大。自 2010 年以来,铜箔的厚度已从 12μm 降至 6~8μm,领先企业已在尝试 4.5μm 厚度的铜箔;铝箔和隔膜厚度从 20μm 降至 12μm 左右。另一方面,箔材的应用并不是越薄越好,需要保 证电池的安全性。然而,更薄的箔材对于材料供应商和电芯企业都带来了巨大的技术挑战, 材料企业需要解决负荷率和成品率下降、成本上升的问题,电芯企业则需要解决涂布、辊压 和卷绕等一系列问题,因此,能够应用更薄的箔材已成为表征电芯企业技术能力的一大标志。以铜箔为例,宁德时代早在 2019 年已全面采用 6μm 的铜箔,并已在尝试 4.5μm 产品,而国 内多数企业仍然停留在 8μm 的水平。

上述所有措施全部采用之后,电芯单体的质量能量密度从 218Wh/kg 提升至 248Wh/kg,电芯成本 则从 0.55 元/Wh降至 0.515 元/Wh,物料成本从 0.43 元/Wh降至 0.39 元/Wh。另一方面,上述的每一条措施都意味着降低了安全冗余设计,假如工艺能力没有提升,减少非活性材料的用量实际上 增加了质量风险,在安全性压倒一切的前提下,甚至可能导致电池厂商失去客户。

因此,与一般制 造业相反,电池企业反而是龙头公司在压缩冗余设计,因为非活性材料的减量都是建立在工艺和 技术能力有富余的基础之上。

过程能力—质量/一致性决定市场份额,良品率拉开成本差距

锂电池单体大量成组后才能使用,因此电芯的各项参数指标合格只是基本要求,品质一致性在供应 商评估过程中具有很高权重。此外,进行大批量生产的时候,一个单体的成本主要是取决于材料成 本和生产过程中的废品率。因此,电池在材料和设计上的优点能否得到大批量高品质的复制才是决 定其成本和市场竞争力的关键,这主要取决于工业生产的过程能力。

定性:多材料/工序非线性耦合而成的流程型制造业,复杂度极高

一般而言,制造业主要可以划分为流程型制造业和离散型制造业两大类。离散型制造业以机械制造 为代表,在离散制造过程中,尤其是加工、组装、运行过程一般只发生几何形状和时/空变化,而很 少发生物理、化学和生物性质变化,只要计算机的能力足够强,算法得当,离散型制造的加工过程、 运动过程的物理机制和模型就较易数字化、网络化,这是离散型制造较易智能化的重要原因。

流程型制造以化工、冶金、建材等工业为代表。流程型制造过程中既有时/空、几何形状变化,又 有涉及物理-化学变化的状态、成分、性质变化,其中工艺参数众多而又互相关联、互相作用、互 相制约,属于开放复杂系统,不少事物难以有确定的数字解,难于数字化。

其生产模型以配方为核 心,具备较强的易变动性和伸缩性,往往具有较高的技术难度。

锂电池制造是高复杂度的流程型制造业。

锂电池生产可粗略分为 15/16 道工序,其中既涉及到物 理变化(主要是极片制造),也涉及到化学变化(SEI 膜的形成),工艺点数以千计,这些不同结 构和功能的工序通过非线性耦合构成一个复杂系统,并且由于降本提效的需求,其配方在不断变 化,因此锂电池批量生产的技术复杂性在制造业里处于很高水平,其生产流程具备如下特点:

配方型。

离散制造企业的产品结构,其最终产品一定是由固定个数的零件或部件组成,这些 关系非常明确并且固定。在流程生产行业 MES 中,一般采用配方的概念来描述这种动态的产 品结构关系。MES 在描述产品结构的配方的时候,还应具有批量,有效期等方面的要求。

非线性耦合。

流程企业的产品结构往往不是很固定—上级物料和下级物料之间的数量关系, 可能随温度,压力,湿度,季节,人员技术水平,工艺条件不同而不同,最终产品的性能则是 上下级物料和加工环境非线性耦合的结果。

仍然在进化。

多数流程制造业的产品是原材料,其产品性能和工艺配方在很长一段时间里保 持稳定,而锂电池提效降本的需求仍然迫切,其生产配方仍在不断变化,生产工序也需要相 应调整升级,因此锂电池生产工艺的难度也在不断提高。

综上,锂电池生产是多材料/工序非线性耦合而成的流程型制造业,复杂度极高,需要控制数以千 计的工艺点才能保证电池品质的高一致性,非线性耦合的特性意味着配方的每次调整都需要调整 所有关键工序的参数以实现最佳性能,因此锂电池的技术进步大概率由研发实力雄厚的龙头推动, 个别材料/工艺的创新很难实现弯道超车。

一致性是获得市场份额的前提,决定了过去三年国内格局

电动车的电池系统由数百个甚至数千个电芯连接而成,由于木桶效应,电池系统的性能取决于电池 包里性能最差的电芯。此外,与消费电子产品相比,电动汽车由于放电电流、工作电压以及工作环 境都更加严苛,动力电池允许的故障率较消费锂电池低 2-3 个数量级,因此质量要求更加苛刻。

电芯的品质通常从两个维度衡量,一是常规的电、热和机械性能,这类性能区分标准明确,而且 影响因素较少,容易监测和控制;二是电芯性能参数的一致性,相对而言,电芯一致性的重要性 难以直观量化,主要是不一致所导致的问题需要更长的时间才会暴露,但后果同样严重,电芯性 能不一致往往带来如下方面的问题:

容量损失,电芯单体组成锂电池组,容量符合“木桶原理”,最差的那颗电芯的容量决定整 个电池组的能力。

寿命损失,小容量电芯,每次都是满充满放,出力过猛,很大可能最先到达寿命的重点。一 只电芯寿命终结,一组焊接在一起的电芯,也就跟着寿终正寝。

内阻增大,不同的内阻,流过相同的电流,内阻大的电芯发热量相对比较多。电池温度过高, 造成劣化速度加快,内阻又会进一步升高。内阻和温升,形成一对负反馈,使高内阻电芯加 速劣化。

单体电池在制造出来后,本身存在一定性能差异。初始的不一致度随着电池在使用过程中连续的 充放电循环而累计,导致各单体电池状态(SOC、电压等)产生更大的差异;电池组内的使用环 境对于各单体电池也不尽相同。这就导致了单体电池的不一致度在使用过程中逐步放大,从而在 某些情况下使某些单体电池性能加速衰减,并最终引发电池组过早失效。

站在电池企业角度,生产高一致性的电芯要求掌握极强的过程能力。过程能力通常用过程能力指数 Cp 来表征,其定义为标准规格(公差幅度)与工序能力的比值,工序能力可根据工序标准差来计 算,其定义公式如下:

其中,T 表示公差幅度,TU表示公差上限,TL表示公差下限,CP可以表示工序的精确度,即质 量特征值分布的集中程度,该公式用于质量特征值分布中心与标准规格中心重合时,若二者不重 合,则公式修正为:

其中,k 为偏移系数,可以表示工序的准确度,M 为公差中心,x 为特征值中心。对电池厂而言, CP体现厂家的加工能力(工序能力),k 则与其设计能力有关。

当质量特性值的分布服从正态分布时,一定的过程能力指数对应着一定的不合格品率。在一般的制 造业中,Cpk达到 1.33(对应良品率为 99.36%),即表明该产品/工序过程能力充分;如达到 1.67 (对应良品率 99.978%),表明该产品/工序过程能力很高;如 Cpk在 1.67 以上,甚至意味着工艺 能力过剩,存在粗活细作。

然而,电芯生产对于工序能力的要求要高得多。以一个约 50kWh 的电池系统为例(主流 A 级车系 统容量),大约包含 280 个 PHEV-2 规格电芯,我们计算了不同过程指数值所对应的电芯和系统 不良率表现:

不难发现,一般制造业较好的过程能力指数(1.33)对电芯而言几乎意味着全面不合格。目前我国 二线电池企业在电芯层面的 Cp可以达到 1.33,成组后的电池系统成为不良品的概率达 80%以上;国内一线龙头的过程能力指数可以达到 1.67,即便如此电池包的不良率也达 6%以上;海外圆柱电 芯龙头的工序能力指数可以达到 2,但圆柱电芯单体容量小,成组时需要的电芯数量数以千计,以 特斯拉为例,其电池系统由约 7000 个圆柱电芯组成,假设电芯 Cp值为 2,则电池包的不良率约为 2.35%;如果 PHEV-2 电芯的 CP值达到 2,成组后电池包不良率可降至 0.1%以下,这在目前还是 很难实现的目标。

我们假设车企能接受的电池系统良率为 85%,则电芯的良率要达到 99.92%以上,对应 CP值为 1.55,这仍然是极高的工序能力要求,国内多数电池企业很难达标。

我们认为,电芯一致性的差异是过去几年国内锂电池格局迅速集中的重要原因。

我国锂电池的名 义产能处于严重过剩状态,2019 年全行业产能利用率不足 30%。与此同时,龙头公司宁德时代 的市场份额却甩开同行绝尘而去,无论是政策引导的三元,还是市场认为偏低端的磷酸铁锂,宁 德时代的市占率都已达到 50%以上。

考虑到磷酸铁锂电池的固有安全特性,技术难度低于三元, 而且各厂家的材料选用、结构设计乃至能量密度等性能参数均相差不大,宁德时代在铁锂领域的 全面胜出主要是凭借产品的高一致性。

突破质量、成本、效率(制造周期)不可能三角,是行业强者恒强的根源

过程能力的差异在成本端也有显著影响,过程能力不足造成的损失主要体现在如下方面:

一是不良 流程/产品造成的质量损失,二是为了确保最终产品质量所付出的成本,包括分选环节增加和制造 周期延长,三是份额不足、开工率低造成的停机损失。

生产过程中不良流程/产品造成的损失用直通率和不良品率来衡量。锂电池制造的多数流程无法返 工,而是在关键工序上对性能参数实时监测,采用直通率(流通产出率)能够揭示不良品造成的损 失,直通率由每一个流程的首次产出率(first time yield, FTY)乘积得到,锂电池生产的关键工序有 6 个,质量特征值则有 9 个。不良品则是在最后的分容阶段筛选出来废弃,这些不良品是质量 损失的重要来源。

阿贡国家实验室假设的电芯良率及主要材料的直通率拆解如下所示,实际上各厂家的相关数据差 异较大。良率方面,一线企业的电芯良率可达 96~97%,较好的二线企业仅有 92~93%,在其他条 件均不变的情况下,5 个百分点的良率差异会导致成本端相差 0.023 元/Wh;直通率方面,一线企 业正极材料的直通率可达 95%以上,二线勉强接近 90%,5 个点的直通率差异导致成本端相差 0.015 元/Wh。因此,仅考虑质量损失,一二线企业之间即可造成 0.035 元/Wh 以上的成本差异。

工序能力对成本的另一显著影响是拉长产品制造周期。电芯的完整生产周期覆盖从投料到出厂,时 间长达 3~6 周,其中涂布、分切、卷绕等机械制程耗时 1~2 天,且各家企业差异不大,但化成时 间差异较大,优秀企业化成时间可控制在 2 周左右,二线企业则需要 2-3 周时间。化成时间的区别 主要源于前道工序质量控制的差异,对于工序能力强的企业,一次分容即可完成筛选,多数企业则 需要二次化成,这种情况下电学参数一致的电芯可能使用了不同批次的原料,随着使用次数增加, 其先天的不一致会逐渐体现。

此外,由于化成占用的厂房面积较大,长期的化成分容一方面会增加设备和厂房折旧,另一方面成 为整个流程的瓶颈环节,拖累整体周转率。

以固定资产周转率为例,即使在 2016 年的行业历史性 高点,一二线企业的周转率也有显著差异,我们认为这种差异主要来自制造周期。

对于流程制造业,规模效应能够提高生产效率,降低生产成本。由于工序能力存在差异,车企倾向 于选择产品一致性更好的供应商,这导致一二线电池企业产能利用率的急剧分化。以 2019 年数据 为例,宁德时代全年出货量达33GWh,产能利用率约75%,其他企业的产能利用率多数徘徊在40% 以下,产能利用率的分化导致了成本差异的增加。2018 年宁德时代动力电池出货量达 23.5GWh, 其折旧总额约 20 亿元,国轩高科出货量 3.1GWh,折旧总额 3.33 亿元,这还不考虑宁德时代折旧 年限较国轩高科短一半。

因此,锂电池生产打破了一般制造业品质—成本—生产效率的不可能三角,反而通过提升品质,降 低了质量损失,并且缩短生产周期,最终降低了整体的生产成本,更高的品质进一步促进了市场份 额的提升,从而强化了成本优势。

5M1E 分析:工艺(Method)与环境(Environment)是拉开质量差距的 决定因素

产品质量通常取决于六大因素:5M1E(人/Man、机器/Machine、材料/Material、方法/Method、测 量/Measurement、环境/Environment)。

人(Man):

锂电池产线由于尚未实现全自动化生产,大量工序仍需人力操作,目前每 GWh 产线需配备 400-500 员工,另一方面,对员工的学历要求并不高,宁德时代 79%的员工学历 在本科以下,这表明操作人员对锂电池质量的影响相对较小。

机器(Machine):

目前锂电池的设备投资强度约 3 亿元/GWh,单厂投资 2GWh 以上。精度 和效率是锂电设备的关键技术指标,也是设备的研发与制造过程需要重点考虑的因素,其主 要包括结构设计的合理性、零件加工精度、装配技能水平以及设备生产调试时的工艺适应性 等。生产设备的精度和自动化水平决定了锂离子电池的质量,例如极片涂布的涂覆精度、极 片制片的极耳位置精度、极片卷绕的电芯对齐精度等对锂离子电池的容量、电压、内阻以及 可靠性能和安全性能等方面有重要影响。目前锂电设备的国产化率已接近 100%,部分设备 企业甚至已进入国际厂商供应链,因此各厂家设备的区别并不大,另一方面,由于各厂家会 根据自身的技术对产线作调整,因此锂电设备有一定的定制化需求。此外,圆柱、方形、软 包三种装配路线对产线的自动化水平也有一定影响,圆柱电池产线可以接近全自动化生产, 方形和软包电池只能半自动化生产,因此方形和软包电池的一致性要弱于圆柱。

材料(Material):

锂电池生产用到多种材料,对纯度、颗粒尺寸、含水量等各项指标要求都 非常苛刻。同设备一样,目前国内锂电材料国产化率也接近 100%,前驱体、正极、负极、电 解液等主要材料供应商已进入国际一线电池厂商的供应链,电池企业在材料性能上要求略有 区别,但不是造成质量差异的核心因素。

方法(Method):

锂电池生产的工艺方法总体上相近,但是具体的工艺点都有特色,例如, 仅在制片环节,正极、负极浆料的配方、搅拌速度、添加剂种类和用量都有无数种组合,卷 绕时张力调节、烘干的温度和时间也各有差异,锂电池生产流程非线性耦合的特点决定了各 厂商在这上千个工艺点的区别是造成产品质量差异的主要原因。

测量(Measurement):

测量主要是观测关键工序质量特性是否满足标准,所采用的的手段、 设备和分析方法差异不大,因此对产品质量没有决定性影响。

环境(Environment):

锂电池生产对于环境的要求非常苛刻,主要是温度、湿度、颗粒物管 理等,温度方面,锂电池所有工序温度波动不超过 2℃;湿度方面的要求更为严格,涂布和辊 压过程要求湿度不高于 15%,电芯装配和注液过程需要湿度降至 1%以下,值得一提的是, 随着高镍材料的推广,电池生产对湿度的控制将进一步严苛,所有流程必须控制在10%以下;颗粒物附着在极片表面,制成电芯后会严重影响电池的循环性能,甚至可能造成短路引发热 失控,并且随机分布不易观测,因而对电芯一致性有着巨大的影响,颗粒物一方面来自外部 环境,而在混浆、涂布、辊压、模切等环节也会导致新的颗粒物产生,厂房里工人的活动也 会有影响,涂布、辊压和装配环节要求环境的洁净度至少达到 ISO 7 级标准,即细颗粒物浓 度为 30 万个/立方米,实际上标准越高越好,颗粒物浓度一方面取决于厂房硬件设施,另一 反面取决于工厂的管理水平,因此环境控制能力的差异对电芯品质也有很重要的影响。

我们认为,在六大要素中,导致电池品质差异的因素主要是材料、技术和环境控制,企业基于各自 的偏好制定不同的竞争战略:国际一线电池企业力求做到全方位最优,因此电池品质最好,成本相 对较高;国内一线巨头追求成本与品质的平衡,选用的材料品质并非最优,但工艺和环境控制能力 出色,因此对内与竞争对手拉开质量差距,对外则具备性价比优势,目前在国内已占据绝对优势, 在海外市场竞争中也能不落下风;国内二线企业前几年过于追求性能参数,工艺能力相对较差,导 致被边缘化。

龙头推动成本下降,行业集中大势所趋

降本目标并非遥不可及,成本下降依赖技术沉淀

我们将各项降本措施全部实施,不考虑卷绕转成叠片,电芯的综合成本可以降至 0.4 元/Wh,假设 电芯成本占系统为 85%,则系统成本可降至 0.47 元/Wh,毛利率为 25%时其售价可降至 0.7 元 /Wh(含税),从而实现 2025 年的行业降本目标。

从前述分析可知,尽管在材料和电池设计方面,锂电池生产成本下降的路径非常清晰,但在安全性 与过程能力的双重约束下,推行降本工艺都以技术进步为前提。考虑到电池生产非线性耦合的特性, 某一环节的优化都需要整个生产体系的工艺参数重新校验,因此技术领先企业的护城河非常宽阔, 锂电池生产体现出非常鲜明的先发优势特点。

品质、规模、成本形成正反馈,降价压力加速市场集中度提升

我们认为,动力电池的产品品质与市场份额(规模)及其生产成本已经形成了正反馈闭环,在技术 路线没有根本变化的情况下,龙头公司的领先地位将不断强化。我们比较了三类电芯的生产成本, 综合来看,目前国内一二线电池企业的技术能力和成本已经全面拉开差距,国内市场格局出现大变 动的概率不高。但与海外巨头相比,尽管国内龙头成本优势比较明显,但物料成本相差不大,优势 主要源自人工、折旧等方面。

国内市场竞争已充分演绎了正反馈闭环的威力。技术上,一线电池的单体能量密度较二线高出 6.4%, 从而摊薄了物料成本;品控方面,一线电池的良率较二线高出 5 个百分点,材料直通率高出 3 个 百分点,影响成本 0.026 元/Wh;规模对折旧成本影响显著,目前一线龙头 OEE 可达 80%左右, 二线不足 50%,成本差异进一步放大;折旧政策方面,国内外一线企业均采用五年加速折旧,国 内多选择 10 年折旧,一定程度上遮掩了二者成本差距。

国内外龙头的竞争仍然胶着。技术上,海外巨头采用软包技术,质量能量密度优势明显,尽管原材 料采购价格较国内高出 10%左右,但综合物料成本差异较小;人工方面,海外巨头的产线自动化 程度稍胜一筹,但人均工资远高于国内,导致人工成本较国内高出 0.02 元/Wh;折旧方面,海外 产线的投资额较国内高出 40%,但 OEE 高达 85%,因此折旧成本差异也不大。总体而言,国内外 龙头电芯的成本差异约为 0.03 元/Wh,同时,由于软包电池成组成本较高,到系统层面国内电池 的成本优势将拉大到 0.1 元/Wh 左右。

我们认为,随着降价压力与日俱增,产业链的盈利空间将日益收窄,国内外龙头之间的竞争力将取 决于成本控制能力。相较而言,国内企业在供应链上的采购优势完全可以覆盖能量密度与过程能力 差距带来的成本增加。

稿件来源: 未知
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