新能源汽車快充行業(yè)專題報(bào)告：從電池材料、零部件看投資機(jī)會(huì)

新能源汽車快充行業(yè)專題報(bào)告：從電池材料、零部件看投資機(jī)會(huì)1、電池2.0時(shí)代：快充直擊需求痛點(diǎn)為什么在此時(shí)提快充？提續(xù)航邊際難度增大+效用遞減，快充成為緩解里程焦慮的發(fā)力點(diǎn)電動(dòng)車發(fā)展的核心痛點(diǎn)——里程焦慮。解決里程焦慮有兩種途徑：1）提續(xù)航；2）提充電速率。提升續(xù)航里程邊際難度加大+效用遞減。過(guò)去10年，寧德通過(guò)升級(jí)化學(xué)材料將電池包能量密度提升了兩倍達(dá)到180wh/kg，讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程從不到200公里提升到超過(guò)700公里。此外主流車?yán)m(xù)航在400公里以上，已能滿足消費(fèi)者的基本通勤需求，繼續(xù)往上提升技術(shù)難度加大效用遞減。提升充電速率成為新的發(fā)力點(diǎn)。消費(fèi)者續(xù)航焦慮逐步化解的同時(shí)，但伴隨而來(lái)的是，需求側(cè)對(duì)充電便捷性的考量。能否像傳統(tǒng)車加油一樣實(shí)現(xiàn)快速充電，成為用戶端關(guān)注的新“痛點(diǎn)”?？斐涫鞘裁?？即大功率充電，可理解為充電功率大于125KW電動(dòng)車充電分為交流慢充和直流快充，要想實(shí)現(xiàn)“快充”需依賴直流快充，決定充電速率的指標(biāo)是充電功率。業(yè)內(nèi)沒(méi)有清晰的定義何為“快充”，我們將其定義為充電功率大于125kw。行業(yè)對(duì)大功率充電（快充）沒(méi)有明確規(guī)定，屬于較寬泛的行業(yè)術(shù)語(yǔ)，我們認(rèn)為可理解為125kW以上的充電功率為大功率。目前特斯拉第二代充電技術(shù)的最大功率為120kW，特斯拉第三代充電技術(shù)的最大充電功率能達(dá)到250kW（這個(gè)對(duì)應(yīng)到充電時(shí)間，60度電的車充電時(shí)間=60/250=0.48h約等于30min，但需要注意實(shí)際不能一直保持最大功率充電）。800V高電壓是實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充的重要途經(jīng)中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在多個(gè)場(chǎng)合坦言，解決充電的后顧之憂，需要更大功率的快充技術(shù)，超級(jí)快充是大勢(shì)所趨，行業(yè)需要推進(jìn)電動(dòng)汽車采用800V甚至更高的電壓平臺(tái)架構(gòu)。自保時(shí)捷Taycan全球首次推出800V高電壓電氣架構(gòu)以來(lái)，2021年，國(guó)內(nèi)外車企掀起一輪800V電壓平臺(tái)車型發(fā)布潮，以圖搶占大功率快充新高地。國(guó)內(nèi)：比亞迪、廣汽埃安、華為、極氪、極星、小鵬、嵐圖、理想等國(guó)內(nèi)主機(jī)廠也相繼推出或計(jì)劃推出800V平臺(tái)。海外：寶馬、通用、起亞、現(xiàn)代、戴姆勒、Lucid等啟動(dòng)800V高壓平臺(tái)的研發(fā)與布局，部分已發(fā)布800V平臺(tái)架構(gòu)或規(guī)劃。如起亞EV6全系車型支持400V和800V充電，電量從30%到80%僅14分鐘；現(xiàn)代IONIQ5最新800V高電壓平臺(tái)支持高達(dá)350kW的超大功率充電。2快充的投資機(jī)會(huì)在于：電芯材料、電池和800V高電壓趨勢(shì)下的零部件2.1、電芯材料和電池衡量電池的快充即電芯的倍率性能，高倍率需解決析鋰副反應(yīng)和熱效應(yīng)目前主流的動(dòng)力電池包，已經(jīng)能夠支持2C充電倍率（充電倍率是充電快慢的一種量度，充電倍率=充電電流/電池額定容量）。充放電倍率決定了電芯的脫嵌鋰反應(yīng)的速率，同時(shí)也會(huì)伴隨不同程度的產(chǎn)熱或析鋰，倍率越高析鋰和產(chǎn)熱越嚴(yán)重。析鋰副反應(yīng)：鋰離子電池是基于鋰嵌入反應(yīng)設(shè)計(jì)，但是當(dāng)負(fù)極電流過(guò)大或溫度過(guò)低時(shí)，負(fù)極電位低于Li/Li+參考電極的電位時(shí)，可能會(huì)發(fā)生鋰金屬電池才有的鋰轉(zhuǎn)化反應(yīng)，產(chǎn)生金屬鋰，這也就是所謂的析鋰，隨著更多的鋰在SEI膜下沉積使得SEI膜破裂，鋰表面又生成新的SEI膜，鋰鹽濃度逐漸降低。鋰金屬開(kāi)始垂直于極片表面生長(zhǎng)，形成鋰枝晶。如果枝晶刺破隔膜導(dǎo)致內(nèi)短路會(huì)較快電池產(chǎn)熱。熱效應(yīng)：根據(jù)焦耳定律，發(fā)熱量是電流的平方關(guān)系，800V高電壓只是降低了充電線纜中的發(fā)熱量，而鋰離子電池單體電芯的電壓是不可能大幅提高的，它們必須忍受大電流帶來(lái)的發(fā)熱量?jī)煞矫鎲?wèn)題：1）發(fā)熱總量：電芯本身的散熱性能和電池包整體的散熱性能都需要加強(qiáng)；2）不均勻性：在快充時(shí)電芯內(nèi)部的最大溫差高達(dá)10°C以上，正極溫度最高。實(shí)現(xiàn)快充關(guān)鍵在于負(fù)極，從而衍生出導(dǎo)電劑、電解液添加劑、粘結(jié)劑的需求負(fù)極對(duì)快充的影響強(qiáng)于正極。多項(xiàng)研究表明，正極的降解和正極CEI膜的增長(zhǎng)對(duì)傳統(tǒng)鋰離子電池的快充沒(méi)有影響。影響鋰沉積和沉積結(jié)構(gòu)（析鋰）的因素包括：1.）鋰離子在負(fù)極內(nèi)的擴(kuò)散速率（考慮石墨改性，通過(guò)加導(dǎo)電劑提升離子導(dǎo)電性）；2）負(fù)極界面處電解質(zhì)的濃度梯度；3）電極/電解質(zhì)界面的副反應(yīng)（改善電解液添加劑）。實(shí)現(xiàn)快充對(duì)材料產(chǎn)業(yè)鏈影響如下：負(fù)極：1）對(duì)石墨材料進(jìn)行改性處理（表面包覆、混合無(wú)定型碳）；2）采用硅負(fù)極。硅從各個(gè)方向提供鋰離子嵌入和脫出的通道，而石墨只能從層狀的端面方向提供鋰離子嵌入和脫出的通道，且硅嵌鋰電位高，析鋰風(fēng)險(xiǎn)小，能夠容忍更大的充電電流（Si:0.4VvsC:0.1V）。導(dǎo)電劑：碳納米管CNT在對(duì)石墨材料和硅負(fù)極的處理上均有應(yīng)用。石墨負(fù)極可以加CNT改性，硅負(fù)極離子導(dǎo)電性大大低于石墨負(fù)極，需添加高性能導(dǎo)電劑（單壁碳管）改善。電解液：在以酯類有機(jī)物為溶劑(碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯)(EC/EMC)的常規(guī)電解液中，含雙氟磺酰亞胺鋰鹽(LiFSI)的電解液具有比含其他鋰鹽(LiFSI>LiPF6>LiTFSI>LiClO4>LiBF4)電解液更高的電導(dǎo)率，且其含氟量較低，更為環(huán)保，因此LiFSI更利于快充。粘結(jié)劑：若采用硅負(fù)極，負(fù)極粘結(jié)劑采用PAA更為匹配（石墨體系下是SBR）。硅負(fù)極：預(yù)計(jì)25年全球市場(chǎng)空間有望達(dá)300億+，21-25年復(fù)合增速135%我們預(yù)計(jì)23/25年全球硅負(fù)極需求量有望達(dá)12/52萬(wàn)噸，市場(chǎng)空間88/319億元。核心假設(shè)如下：負(fù)極需求：根據(jù)鑫欏鋰電數(shù)據(jù)，21年負(fù)極全球產(chǎn)量88萬(wàn)噸，我們預(yù)計(jì)22年增速在55%，后續(xù)在40%。硅基負(fù)極滲透率：21年為歷史數(shù)據(jù)，我們預(yù)計(jì)硅負(fù)極在23年迎來(lái)放量拐點(diǎn)預(yù)計(jì)滲透率達(dá)6.5%，25年達(dá)14%，滲透率的假設(shè)和大圓柱放量相匹配。21年大圓柱未放量下硅負(fù)極滲透率在1.5%，23-25年大圓柱驅(qū)動(dòng)下，硅負(fù)極滲透率分別在6.5%、9.5%、14%。硅基負(fù)極單價(jià)：根據(jù)硅純品價(jià)格和人造石墨價(jià)格按照加權(quán)平均而得，純品硅摻雜比例在提升22年在5%，預(yù)計(jì)25年達(dá)10%，純品硅價(jià)格22年在45萬(wàn)元/噸，25年降至30萬(wàn)元/噸，人造石墨22年在6萬(wàn)元/噸，25年降至4萬(wàn)元/噸。我們預(yù)計(jì)硅基負(fù)極（復(fù)合品）22年單價(jià)在8萬(wàn)元/噸。25年降至6.1萬(wàn)元/噸，價(jià)格下降但性能顯著提升（硅摻雜比例在提升）。硅負(fù)極：貝特瑞在硅負(fù)極研發(fā)、量產(chǎn)、客戶端全面領(lǐng)先同行貝特瑞研發(fā)和量產(chǎn)供貨領(lǐng)先同行。公司2010年取得硅基負(fù)極材料的技術(shù)突破，并于2013年實(shí)現(xiàn)批量出貨，客戶系松下、三星。貝特瑞硅碳、硅氧兩手抓，且在持續(xù)更新迭代。截至20年，公司硅碳負(fù)極已開(kāi)發(fā)至第三代產(chǎn)品，比容量從第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g，正在開(kāi)發(fā)第四代硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品，硅氧負(fù)極部分產(chǎn)品比容量達(dá)到1600mAh/g以上。近期擬擴(kuò)產(chǎn)4萬(wàn)噸硅負(fù)極，我們預(yù)計(jì)公司硅負(fù)極放量拐點(diǎn)或至。22年2月17日，公司擬擴(kuò)產(chǎn)4萬(wàn)噸硅基負(fù)極，加上現(xiàn)有的3000噸產(chǎn)能，總產(chǎn)能在4.3萬(wàn)噸。單壁碳管：高性能材料，天奈科技有望在23年放量碳納米管(CNTs)是一種新型的石墨材料，分為單壁、雙壁和多壁。碳納米管是由石墨片層卷曲而成的圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑范圍一般為一納米至幾百納米，管狀纖維的長(zhǎng)度變化范圍很大，一般為幾微米到幾千微米，因此碳納米管的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑的比值）范圍為一千到十萬(wàn)。碳納米管可以分為單壁、雙壁和多壁碳納米管，其主要差別在于碳納米管結(jié)構(gòu)中石墨片層的數(shù)目。單壁碳管是碳納米管的發(fā)展方向，但目前價(jià)格高昂。單壁碳納米管直徑更小、長(zhǎng)徑比更大，理化性能更優(yōu)、導(dǎo)電性能更好、添加量更少、對(duì)能量密度和循環(huán)壽命提升效果更為明顯，且更適用于硅基負(fù)極材料中，因此成為各碳納米管生產(chǎn)企業(yè)未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。PAA粘結(jié)劑正處于國(guó)產(chǎn)替代中，技術(shù)溢價(jià)帶來(lái)高毛利，典型企業(yè)如茵地樂(lè)鋰電粘結(jié)劑正經(jīng)歷國(guó)產(chǎn)替代過(guò)程。鋰電用PVDF主要由法國(guó)（阿科瑪）、日本（吳羽）企業(yè)壟斷，負(fù)極粘結(jié)劑SBR、CMC主要由日本企業(yè)壟斷。正負(fù)極粘結(jié)劑正經(jīng)歷國(guó)產(chǎn)替代過(guò)程，正極粘結(jié)劑國(guó)內(nèi)企業(yè)主要有東岳集團(tuán)、東陽(yáng)光（璞泰來(lái)持股55%）等，負(fù)極粘結(jié)劑國(guó)內(nèi)企業(yè)有長(zhǎng)興材料（臺(tái)灣企業(yè)，產(chǎn)品為PA系）、茵地樂(lè)（產(chǎn)品為PA系）、研一新材料（產(chǎn)品為PA系）。從電芯倍率和技術(shù)儲(chǔ)備看看，寧德時(shí)代較為領(lǐng)先，已實(shí)現(xiàn)4C充電快充第二大問(wèn)題熱效應(yīng)考驗(yàn)的是電池廠，此外電芯最終能實(shí)現(xiàn)多少倍率快充也考驗(yàn)的是電池廠。目前主流電芯實(shí)現(xiàn)的1-2C的充電倍率，從年報(bào)數(shù)據(jù)看，寧德實(shí)現(xiàn)的倍率性能上限高于億緯鋰能（其他公司無(wú)可比數(shù)據(jù)），乘用車最大倍率在4C，億緯鋰能在3C。寧德時(shí)代快充技術(shù)能充分發(fā)揮自主研發(fā)的快充型電芯的快充性能，最快5分鐘充至80%電量。目前其超快充技術(shù)已經(jīng)涵蓋電子網(wǎng)、快離子環(huán)、各向同性石墨、超導(dǎo)電解液、高孔隙隔膜、多梯度極片、多極耳、陽(yáng)極電位監(jiān)控等。2.2、零部件電壓平臺(tái)提升，哪些零部件需要升級(jí)？電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從400V提升至800V，800V回路中功率器件電壓平臺(tái)要同步提升，高壓線、電機(jī)設(shè)計(jì)等相應(yīng)配套設(shè)施都要進(jìn)行優(yōu)化，電氣系統(tǒng)絕緣、散熱系統(tǒng)等也需要升級(jí)。800V回路中，電池、功率器件（電機(jī)電控、OBC、DC-DC，也包括里面的一些零部件：電容、電感等）、PDU(包括繼電器、熔斷器）、連接器等需要升級(jí)。我們重點(diǎn)探討繼電器、熔斷器、薄膜電容、電感：元器件：在450V下，Si-IGBT的實(shí)際耐壓需求接近6