創(chuàng)新驅動新一代電池繁榮

吳光智貝特瑞新材料集團股份有限公司戰(zhàn)略市場部副部長許智斌亞德諾半導體（中國）有限公司中國汽車事業(yè)部總經(jīng)理在雙碳目標驅動的交通電動化加速轉型過程中，動力電池創(chuàng)新成為強化新能源汽車競爭水平、打造國家產(chǎn)業(yè)競爭力、穩(wěn)固企業(yè)競爭優(yōu)勢的關鍵，無論是新能源汽車先發(fā)國還是追趕國，或是動力電池鏈條各企業(yè)主體，紛紛瞄準新技術并布局新一代動力電池。當前動力電池創(chuàng)新潛力還很大，新技術競爭格局遠未形成，各市場主體有望通過創(chuàng)新技術發(fā)展重塑市場與產(chǎn)業(yè)格局。在動力電池技術創(chuàng)新百花齊放的關鍵時期，本報告特別關注車用動力電池材料創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、結構創(chuàng)新及體系創(chuàng)新1.材料創(chuàng)新是新一代動力電池技術發(fā)展的基礎，緩解上游資源供應風險、降低核心材料成本、提升核心指標與性能等是其創(chuàng)新主要驅動力，高鎳低鈷/無鈷等正極及硅基等負極材料成為主要發(fā)展方向。當前部分正極創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)處在規(guī)?；瘧?.工藝創(chuàng)新是新一代動力電池技術發(fā)展的保障，電池性能提升需求、結構創(chuàng)新發(fā)展需要及降本增效等成為工藝創(chuàng)新的主要驅動力，疊片工藝成為重要選擇且具有較廣闊的應用潛力。當前我國企業(yè)加快布局疊片機細分領域，并在疊片效率方面取得一定進展，2025年國內疊片機市場規(guī)模有望突破40億元。提升制造效率、降低設備投入成本、提升良品率，解決部分裝備卡脖子技術，加速方形電池疊片機設備3.結構創(chuàng)新是新一代動力電池技術發(fā)展的重要支撐，動力電池規(guī)?；c精細化驅動電池結構向集成化、平臺化發(fā)展。當前國內產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)引領結構創(chuàng)新發(fā)展，且正在加速動力電池包向大模組、無模組演化的速度。動力電池包高集成下的制造、維修以及標準化等是下一階段行業(yè)需要重點解決的問題，也將帶來電池和整車企業(yè)4.體系創(chuàng)新是新一代動力電池技術發(fā)展的戰(zhàn)略性布局，固態(tài)電池是被廣泛認可的新一代動力電池技術。目前歐美日韓中產(chǎn)業(yè)鏈主體積極布局固態(tài)電池，但技術路線仍存在差異性，其中日韓在硫化物上占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢?；旌瞎桃弘姵厥枪虘B(tài)電池中短期產(chǎn)業(yè)化重要發(fā)展方向，部分產(chǎn)品已經(jīng)搭載裝車示范應用，全固態(tài)電池規(guī)?；库c離子電池將成為鋰電池的重要補充。緩解上游資源供給以及與鋰離子電池兼容互補是鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要驅動力。當前鈉離子電池處于產(chǎn)業(yè)化階段初期，我國技術研究處于世界前列地位。鈉離子電池未來有望在儲能、低速車等領域占據(jù)優(yōu)勢，隨著技術成熟或逐步走向車用領域。提升能量密度、改善循環(huán)特性、完在下一階段，我國該如何保持動力電池技術創(chuàng)新的競爭力，本報告從國家、行1.國家層面，一是制定新一代動力電池國家級產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略；二是進一步完善動力電池創(chuàng)新體系建設；三是為動力電池產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新創(chuàng)造規(guī)范、良性的市場競爭環(huán)境；四是主導創(chuàng)建動力電池產(chǎn)業(yè)引導基金；五是圍繞鋰電池和新電池體系，對關2.行業(yè)層面，一是充分發(fā)揮電池相關行業(yè)研究機構的作用；二是提前布局新一代動力電池相關標準；三是促進動力電池產(chǎn)業(yè)鏈各主體高質量合作；四是加強新一代動力電池產(chǎn)業(yè)人才隊伍建設；五是加快綠色金融一攬子工具在動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的3.企業(yè)層面，一是加大動力電池創(chuàng)新技術的研發(fā)投入；二是明確保證產(chǎn)品質量是企業(yè)的立足之本；三是推動智能工廠在動力電池行業(yè)中的應用；四是基于新一代 1（一）碳中和加速交通電動化轉型，動力電池需求攀升 3 4 （四）高鎳低鈷/無鈷正極材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢 三、新一代電池驅動下的硅基負極材料創(chuàng)新發(fā)展 七、新一代電池驅動下的鈉離子電池創(chuàng)新發(fā)展 八、穩(wěn)固與提升我國新一代電池競爭力的發(fā)展建議 圖1全球新能源汽車銷量及滲透率 3圖2中國及全球動力電池裝機量 4 6 6 7圖6近年動力電池市場格局演變 9 鈷動力電池裝機量預測與在三元動力電池中的占比（下圖） 圖29負極材料的分類 圖36不同鋰電設備價值量占比 圖37卷繞工藝與疊片工藝對比 圖55清陶能源混合固液電池生產(chǎn)工藝 圖59液態(tài)電解質和固態(tài)電解質界面接觸示意圖 圖63基于固態(tài)電池全產(chǎn)業(yè)鏈搭建固態(tài)電池標準體系構想 圖67不同電芯單體能量密度對比 圖68不同電芯單體循環(huán)壽命對比 圖69國內鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈梳理（不完全統(tǒng)計） 圖70鈉離子電池和鋰離子電池材料成本對比圖 5 7表3國內外部分產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)在新一代動力電池技術方面的布局 9 表13硅與碳系材料復合后硅基負極性能改善 表20幾種補鋰方式的預鋰化效果對比 表23國內外部分動力電池企業(yè)當前方形疊片 表24疊片機類型及國內外主要鋰電設備企業(yè) 表30各類電池包成組效率匯總 表32寧德時代和弗迪電池部分結構創(chuàng)新應用整車 表38全球部分固態(tài)電池相關企業(yè)進展情況 表40液態(tài)電解質和固態(tài)電解質電導率 表42鋰離子電池和鈉離子電池部分性 11創(chuàng)新是動力電池行業(yè)發(fā)展的主旋律在雙碳目標驅動的交通電動化加速轉型過程中,動力電穩(wěn)固企業(yè)競爭優(yōu)勢的關鍵,無論是新能源汽車先發(fā)國還是追趕國,或是動力電池鏈條各企業(yè)主體,紛紛瞄準新技術并布局新—代動力電池。當前動力電池創(chuàng)新潛力還很大,新技術競爭格局遠未形成,各市場主體有望通過創(chuàng)新技術發(fā)展重塑1.碳中和目標驅動交通電動化轉型加速,新能源汽車滲透率不斷提高通工具1,碳中和目標勢必會帶來交通領域清潔化、電動化的變革,傳統(tǒng)燃油汽車的可再生能源占比不斷提升,新能源汽車成為道路交通碳減排的最佳選擇。時間2020A2021E2022E2025E中國（滲透率）134(6%)320（13%）500(18%)900(30%)歐洲（滲透率）140(10%)177(14%)175(20%)622(40%)美國（滲透率）33(2%)48(3%)100(6%)393(23%)其它（滲透率）17(1%)20(1%)53(3%)327(14%)資料來源:中金研究部與車百智庫1lEA數(shù)據(jù):2018年,交通領域二氧化碳排放占全球的25%,其中乘用車和商用車等道路交通工具碳排放占比為74%,/data-and-statisticsEV100PLUS?32.動力電池需求猛增,2025年裝機量規(guī)模將進入Twh時代新能源汽車的大幅增長將拉動全球動力電池需求猛增,202達到1370Gwh。過去十年,中國發(fā)展培育出了全球最大的新能源汽車消費市場,榮,將進—步加速電池規(guī)模釋放。預計未來五年,動力電池裝機量將不斷攀升,0海外市場主導海外市場主導圖2中國及全球動力電池裝機量(單位:Gwh)資料來源:中金研究部1.高能量密度、高安全性、低成本訴求驅動新—代動力電池創(chuàng)新動力電池作為電動汽車的核心裝備,其技術進步和性能水平直接決定了車輛里程、安全等關鍵性能指標。隨著普及率的不斷提高,電動汽車需要取代傳統(tǒng)燃4?EV100PLUS油車,滿足載客、載貨、短途、長途等多樣化場景需求,這就要求動力電池必須具備超越當前技術水平的優(yōu)秀性能?！矫?提高動力電池能量密度是解決消費者里程焦慮的關鍵,在減小電池包整體體積和質量的同時延長續(xù)航里程;另—方面,提升動力電池安全性能是解決消費者安全焦慮的關鍵,目前,動力電池安全標準已經(jīng)從單體安全轉向強調整體性、系統(tǒng)性安全,涉及單體設計、系統(tǒng)集成、關心因素美國德國韓國中國印度續(xù)駛里程28%28%充電基礎設施缺乏29%32%26%成本/價格溢價充電時間安全性29%車型選擇少4%5%3%4%其他2%4%資料來源:德勤消費者調研動力電池成本約占整車成本的40%,其成本下降是進—月三元電池包價格約775元/kwh(不含稅),相比2019年初下降了38%;磷酸鐵鋰電池包價格約625元/kwh(不含稅),相比2019年初下降了46%;雖然短期內受上游資源供應影響,企業(yè)成本壓力增大,但我們預計未來動力電池的價格仍將保持下降態(tài)勢,年降幅平均約在8%左右。四大材料在動力電池成本中占比接近50%,其中正極材料是占比最高的壓縮自身人工及制造費用控制成本;另—方面,部分電池企業(yè)向上游資源進行布局,通過買礦、股權投資、簽訂長協(xié)等方式控制上游原料的量與價,在—定程度EV100PLUS?5——Pack-方形三元 Pack-方形鐵鋰Cell-方形三元Cell-方形鐵鋰14001300120011001000900800700600400三元Pack：775元/kWh三元Cell：660元/kWh鐵鋰Pack：625元/kWh鐵鋰鐵鋰Cell：525元/kWh2019/22019/52019/82019/52019/122020/62020/32020/62020/92021/12021/4圖3動力電池價格變動情況(不含稅)資料來源:中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會三元電池系統(tǒng)成本構成粘結劑、導電電芯外殼等,PACK箱體及連接件,3.1%電芯外殼等,PACK箱體及連接件,3.1%正極材料,正極材料,負極材料,5.8%BMS及熱管理系統(tǒng),8.8%模組結構件,人工及制造費模組結構件,銅箔、鋁殼,9.6%磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)成本構成PACK箱體及連電芯外殼等,PACK箱體及連 接件, 接件,3.6%正極材料,負極材料,7.0%人工及制造費粘結劑、導電劑、模組結構件,模組結構件,銅箔、鋁殼,BMS及熱管理銅箔、鋁殼,資料來源:高工鋰電2.各國相繼出臺規(guī)劃目標,力爭在新—代動力電池發(fā)展中取得優(yōu)勢近年來,歐盟、美國、日本、韓國和中國等紛紛出臺動力電池規(guī)劃路線,力爭新—代動力電池技術發(fā)展中的國際領先競爭地位。雖然目前中日韓壟斷池市場的格局已經(jīng)形成,使得歐美國家在本輪動力電池競賽中處于被動,但由于歐美汽車和化工工業(yè)體系完備發(fā)達,創(chuàng)新研發(fā)能力強,在下—輪動力電池競爭中極有可能通過研發(fā)新—代電池來與中日韓競爭。電池技術方面,中國和歐盟側重6?EV100PLUS發(fā)展鋰離子電池、日韓和美國側重發(fā)展固態(tài)電池。電池能量密度方面,各國和地50040030020010005004003002001000300Wh/kg250Wh/kg235Wh/kg350Wh/kg330Wh/kg300Wh/kg400Wh/kg500Wh/kg能量密度（Wh/kg）2020年2025年2030年2030年后資料來源:中國《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，日本NEDO《二次電池技術開發(fā)路線圖2013》，美國家/地區(qū)時間動力電池技術發(fā)展規(guī)劃歐盟推出《BATTERY2030+》計劃,對動力電池的全生命周期進行了詳盡規(guī)劃。為提高動力電池的能量功率密度,推出電池界面基因組-材料加速平臺計劃,利用人工智能大幅減少電池材料的開發(fā)周期;為提高電池系統(tǒng)壽命和安全性,提出研發(fā)可探測電化學反應的傳感器,將新型傳感器嵌入電池中連續(xù)監(jiān)控其安全狀態(tài),并通過自愈合功能來提高電池容量和性能。此外,《BATTERY2030+》還對電池回收做出了規(guī)劃,未來電池的回收率至少達到75%,并實現(xiàn)關鍵原材料的回收率接近100%美國拜登政府推出基建計劃擬投資1740億美元發(fā)展電動汽車,推動從原材料到零部件的國產(chǎn)化,并幫助美國企業(yè)制造電池和電動車美國先進電池聯(lián)盟發(fā)布《美國鋰電池國家藍圖2021-2030》,推動鋰電高速發(fā)展。替代稀缺材料方面,計劃到2030年實現(xiàn)電池去鈷化和去鎳化;建設原材料生產(chǎn)能力方面,計劃到2025年將電池成本降至60美元/kwh,2030年規(guī)EV100PLUS?7國家/地區(qū)時間動力電池技術發(fā)展規(guī)劃?；慨a(chǎn)無鈷無鎳電池材料;電池組生產(chǎn)能力方面,計劃到2030年將動力電池組制造成本進—步降低50%;推進科研和保持技術領先方面,計劃到2030年實現(xiàn)固態(tài)電池和鋰金屬電池在內的前沿電池規(guī)?；慨a(chǎn),并將生產(chǎn)成本降低至60美元/kWh、能量密度達到500Wh/kg日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術開發(fā)組織(NEDO)投資90億美元啟動了固態(tài)鋰離子電池研發(fā)的第二階段,以開發(fā)具有高能量密度和高安全性的動力電池。目標至2030年普及第二代全固態(tài)電池,并將成本從3萬日元/kWh降至1萬日元/kWh、將能量密度從約150Wh/kg提升至約500Wh/kg。此外,日本還著力推進新型電池的研究,例如金屬空氣電池、硫化物電池等韓國韓國電池產(chǎn)業(yè)協(xié)會制定了動力電池路線圖,設定了單體電池能量密度的階段發(fā)展目標。2020年達到300Wh/kg,2023年達到320Wh/kg,2025年達到韓國三大電池制造商LG化學、三星SDl和Skl宣布成立1000億韓元的基金,以推進全固態(tài)電池、鋰金屬電池、鋰硫電池相關材料、工藝和設備的研發(fā)中國推出《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》,對動力電池各階段技術發(fā)展提出了明確規(guī)劃和目標,提出發(fā)展高比容量和熱穩(wěn)定性好的正負極材料、耐高溫隔膜材料、耐高壓阻燃電解液等關鍵材料技術,并布局了全固態(tài)鋰離子和鋰硫電池等新體系電池的研發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中提出,開展正負極材料、電解液、隔膜、膜電極等關鍵核心技術研究,加強高強度、輕量化、高安全、低成本、長壽命的動力電池和燃料電池系統(tǒng)短板技術攻關,加快固態(tài)動力電池技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化資料來源:中國《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》、《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》,日本NEDO《二次電池技術開發(fā)路線圖2013》,美國《美國鋰電池國家藍圖2021-2030》、《BATTERY500》,3.全產(chǎn)業(yè)鏈技術創(chuàng)新使得動力電池產(chǎn)業(yè)競爭格局不斷深化至今,中、日、韓三國的動力電池企業(yè)在全球電氣化進程加速的背景下,不斷擴大產(chǎn)能規(guī)模、降本增效、整合下游產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢,導致全球動力電池市場格局不斷演變,座次排名變化頻繁,但逐漸形成了寧德時代、8?EV100PLUS威能威能2%SKI力神3%3%SKI力神3%3%LEJ4%三星SDI5%其他10%松下36%LG化學8%AESC8%比亞迪11%PEVE10%2016年其他21%其他21%比亞迪19%3%三星SDI松下松下17%PEVE3%AESC沃特瑪6%沃特瑪6%CATL16%LG化學4%國軒高科4%2017年松下17%其他松下17%AESC3%CATLAESC3%PEVE3%比克3%比亞迪LG化學3%比克3%8%沃特瑪4%三星SDI沃特瑪4%三星SDI4%2018年2020年SKI2019年2018年2020年SKI2%力神2%國軒高科中航鋰電2%2%力神2%其他10%其他13%PEVE2%力神其他10%其他13%PEVE2%力神3%三星SDI3%國軒高科其他19%PEVE2%CATL22%CATL25%CATL28%國軒高科3%AESCAESCCATL22%CATL25%CATL28%國軒高科3%AESC5%三星SDI3%三星SDI3%三星SDI松下21%比亞迪LG化學22%松下松下21%比亞迪LG化學22%松下24%9%4%LG化學LG化學10%松下18%LG松下18%LG化學8%比亞迪12%AESC3%AESC4%資料來源:SNEResearch整車、電池以及材料企業(yè)等重視新—代動力電池技術的開發(fā)。隨著電型進程的推進,動力電池在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的地位愈加重要。在各國電池技術發(fā)展規(guī)劃的指導下,產(chǎn)業(yè)鏈中整車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)等,紛紛加快新—代電企業(yè)類別企業(yè)名稱技術布局整車企業(yè)大眾2020年6月,增持在美國固態(tài)電池公司Quantumscape中的股份,并追加投資2億美元通用2020年5月,宣布正在和LG化學合作開發(fā)動力電池ultium,是—種NCMA四元鋰電池;同時,還在研究無鈷電池、固態(tài)電解質、超充等技術EV100PLUS?9企業(yè)類別企業(yè)名稱技術布局上汽2021年6月,宣布計劃2021年底投產(chǎn)零熱失控、高性價比、可快充、可快換、可升級的新—代動力電池;2025年投產(chǎn)技術全球領先的固態(tài)電池蔚來2021年1月,發(fā)布—款單體能量密度達360wh/kg的150kwh固態(tài)電池包產(chǎn)品,并宣布將于2022年四季度將該款固態(tài)電池裝配到旗下的量產(chǎn)車上電池企業(yè)宣布將從2021年開始向通用汽車供應鈷含量低于10%的NCMA電池,并與通用汽車成立合資公司共同進行電池研發(fā)SKl目前主要以NCM811為主,宣布將在2021年開始量產(chǎn)NCM9/0.5/0.5寧德時代目前NCM523及NCM811均有應用;全固態(tài)電池在開發(fā)中,公司預計2030年后實現(xiàn)商業(yè)化蜂巢能源2019年7月,發(fā)布了NCMA四元正極材料,公司預計2022年完成中高鎳四元正極C樣,進入量產(chǎn);2021年4月,無鈷正極材料在常州金壇工廠正式量產(chǎn)下線,7月首款無鈷電池量產(chǎn)下線衛(wèi)藍新能源2022年計劃推出混合固液電池產(chǎn)品,并和車企合作,實現(xiàn)裝車;2022年計劃在湖州建成2Gwh動力固態(tài)電池產(chǎn)線;公司預計2025年,全固態(tài)電池(氧化物路線)實現(xiàn)商業(yè)化,可以小批量生產(chǎn)材料企業(yè)韓國公司,正在研究NCMA高鎳正極材料,其中鎳含量達到92%,公司預計2021年實現(xiàn)四元正極材料量產(chǎn)林奈新能源美國林奈公司在中國分公司申請了四元正極材料的專利,并于2019年2月5日公開了公告容百科技布局無鈷層狀正極材料、NCMA四元正極材料,向下游客戶送樣,進—步完善性能各項指標貝特瑞較早布局硅基負極的研發(fā),公司硅基負極產(chǎn)品對日韓主流電池廠商大批量發(fā)貨(折合硅純品年發(fā)貨量達千噸級)資料來源:公司新聞、蜂巢能源調研、衛(wèi)藍新能源調研10?EV100PLUSEV100PLUS?111.動力電池生命周期長鏈條、多體系特點為創(chuàng)新發(fā)展提供了巨大想象空間動力電池產(chǎn)業(yè)鏈全面創(chuàng)新，推動新—代電池技術發(fā)展。動力電池資源、原材料研發(fā)制造到電芯制造集成、應用及回收的長極、隔膜、電解液材料與加工制造等方面多技術路線體系。目前動力電池技術仍處于快速創(chuàng)新發(fā)展迭代階段，新材料、新工藝、新結構不斷涌現(xiàn)，很多技術將逐對動力電池總體目標、系統(tǒng)集成、材料體系、智能制造及關鍵裝備、新體系電池普及型比能量>250Wh/kg壽命>3000次/12年成本<0.32元/Wh比能量>200Wh普及型比能量>250Wh/kg壽命>3000次/12年成本<0.32元/Wh比能量>200Wh/kg壽命>3000次/12年成本<0.35元/Wh能量型電池比能量>300Wh比能量>300Wh/kg壽命>3000次/12年成本<0.30元/Wh2035年商用型商用型比能量>225Wh/比能量>225Wh/kg壽命>6000次/8年成本<0.40元/Wh比能量>200Wh/kg壽命>6000次/8年成本<0.45元/Wh比能量>250Wh/kg壽命>6000次/8年成本<0.35元/Wh高端型比能量>350高端型比能量>350Wh/kg比能量>400Wh/kg比能量>500Wh/kg壽命>1500次/12年壽命>1500次/12年壽命>1500次/12年成本<0.50元/Wh成本<0.45元/Wh成本<0.40元/Wh總體目標總體目標兼顧型比能量>300Wh/kg兼顧型比能量>300Wh/kg壽命>5000次/12年成本<0.55元/Wh比能量>250Wh/kg壽命>5000次/12年成本<0.60元/Wh比能量>325Wh/kg壽命>5000次/12年成本<0.50元/Wh能量動力兼顧型電池快充型比能量>250Wh/kg快充型比能量>250Wh/kg壽命>3000次/10年成本<0.65元/Wh充電時間<12分鐘比能量>225Wh/kg壽命>3000次/10年成本<0.70元/Wh充電時間<15分鐘比能量>275Wh/kg壽命>3000次/10年成本<0.60元/Wh充電時間<10分鐘功率型型比能量>80Wh/kg壽命>30萬次/12年成本<1.20元/Wh比能量>100功率型型比能量>80Wh/kg壽命>30萬次/12年成本<1.20元/Wh比能量>100Wh/kg壽命>30萬次/12年成本<1.00元/Wh系統(tǒng)集成成組效率>70%成組效率>73%成組效率>75%熱擴散時間>90分鐘不發(fā)生熱擴散不發(fā)生熱擴散標準化比例>30%標準化比例>60%標準化比例>90%材料體系橄欖石結構磷酸鹽類材料、層狀結構高鎳多元氧化物材料、富鋰錳基材料、尖晶石結構氧化物材料和其他新型高電壓、高容量正極材料石墨類材料、軟硬碳材料、硅等合金化負極材料、鈮酸鈦等高電位負極材料LiPF、LiFSI、LiTFSI等電解質鹽，酯類、醚類及氟代酯類、醚類溶劑，新型電解質鹽、溶劑及功能添加劑，固體電解質等PE、PP及其復合膜、表面改性膜劑及新型耐高溫隔膜等智能制造及關鍵智能化、無人化、潔凈化，Cpk>2.0，材料利用率>98%，動力電池新型工藝技術（如干電極、復合固體電解質電極等），電池、模組及電池系統(tǒng)實現(xiàn)規(guī)格化、標準化新體系電池材料體系的構效關系與材料設計、電極/電解質固固兩相界面調控與反應機制研究、固態(tài)體系中鋰離子嵌脫過程引起的材料應力分布變化和對電池性能的影響及調控；新型固態(tài)電池結構設計和制造；硫正極穩(wěn)定性提升和鋰負極循環(huán)性能提升等新體系資料來源:《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，中國汽車工程學會12?EV100PLUSEV100PLUS?132.新—代動力電池技術發(fā)展集中體現(xiàn)在材料創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、結構創(chuàng)新、體系創(chuàng)新本報告研究的新—代電池技術主要聚焦在,未來5-10年內具有產(chǎn)業(yè)化前景的、可應用于新能源汽車中、當前較受關注的技術方向。由于時間和篇幅所限,本報告在材料、工藝、結構、體系創(chuàng)新方向中選取了部分技術產(chǎn)業(yè)化進展進行調研分析,未來將跟隨技術和產(chǎn)業(yè)最新進展持續(xù)對報告進行完善和更新。材料創(chuàng)新是新—代動力電池技術發(fā)展的基礎,正負極材料作為重要活性組分對電池性能影響大。通過電池材料創(chuàng)新,將從根本上改善電池系統(tǒng)的性能表現(xiàn)、產(chǎn)品質量;正負極材料是四大材料中的重要活性組分和關鍵資源消耗中心,通過發(fā)展高鎳低鈷/無鈷正極材料、添硅/補鋰負極材料等,能夠有效提升電池性能、工藝創(chuàng)新是新—代動力電池技術發(fā)展的保障,疊片工藝具有廣泛應用多種電芯形狀的潛力。通過應用新型鋰電設備,實現(xiàn)生產(chǎn)工藝進步、改善制造效率;新型疊片機的成功研發(fā),可將疊片工藝廣泛應用在軟包、方形電芯,通過減少設備投入、提高生產(chǎn)效率,降低電池生產(chǎn)成本。體系創(chuàng)新是新—代動力電池技術發(fā)展的戰(zhàn)略布局,固態(tài)電池是后鋰電時代的結構、供應鏈等方面的綜合創(chuàng)新,通常其技術迭代周期較長,是各主體在新—代動力電池布局中的重要戰(zhàn)略目標。固態(tài)電池在擁有高能量密度的同時兼具安全性等優(yōu)勢,能夠解決目前液態(tài)鋰離子電池存在的問題,是被廣泛認可的新—代動力電池技術;但固態(tài)電池固/固界面接觸性和穩(wěn)定性較差的問題,給材料和制造工藝離子電池具有鈉資源豐度較高、低溫性能好、快充性能好等優(yōu)勢,與鋰電池兼容互補,在儲能和動力電池領域擁有應用潛力;但鈉離子電池在能量密度、循環(huán)性能等方面仍有較大的提升空間,全產(chǎn)業(yè)鏈完整配套仍需進—步完善。2新一代電池驅動下的高鎳低鈷/無鈷正極材料創(chuàng)新發(fā)展為主要發(fā)展方向,當前部分正極創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)處在規(guī)?；瘧秒A段,其中高鎳低鈷/無鈷正極材料理論價值有望在2025年突破百億。下—階段,部分材料的安全性解決、制備工藝攻關以及成本下降等依然是行(一)降本增效是新一代正極材料主要發(fā)展驅動力1.電池關鍵性能、材料成本、上游資源應用主要取決于正極材料的選用正極材料決定動力電池性能,是電芯材料主要成本中心和鈷資源消耗中心。正極材料的選用對電池的能量密度及安全性起主導作用,縱觀正極材料的發(fā)展歷程,從鈷酸鋰、錳酸鋰到磷酸鐵鋰(LFP)再到三元材料(NCM),能量密度逐漸礦山鈷產(chǎn)量僅為14萬噸左右,且70%鈷產(chǎn)量集中在剛果(金)。指標鈷酸鋰(LCO)錳酸鋰磷酸鐵鋰(LFP)三元材料鎳鈷錳酸鋰鎳鈷鋁酸鋰比容量工作電壓(V)循環(huán)壽命(次)≥500≥500≥2000≥1000≥500壓實密度(g/cm3)安全性差優(yōu)秀較好差成本高低低中中原材料資源鈷資源貧乏錳資源豐富磷與鐵資源豐富鈷資源貧乏鈷資源貧乏優(yōu)點充放電穩(wěn)定,生產(chǎn)工藝簡單錳資源豐富,價格低,安全性好高安全性,環(huán)保,長壽命電化學性能穩(wěn)定,循環(huán)性能好高能量密度,低溫性能好EV100PLUS?17三元材料指標鈷酸鋰(LCO)錳酸鋰磷酸鐵鋰(LFP)鎳鈷錳酸鋰鎳鈷鋁酸鋰缺點鈷價格昂貴,循環(huán)壽命較低能量密度低,電解質相容性差低溫性能較差,放電電壓低用到—部分金屬鈷,鈷價格昂貴高溫性能差,安全性能差,生產(chǎn)技術門檻高主要應用領域電子產(chǎn)品專用車乘用車乘用車資料來源:長遠鋰科招股說明書其他14%14%箔材8%電解液正極9%55%隔膜6%負極8%其他其他19%正極34%箔材14%負極隔膜10%電解液15%8%圖8NCM523電芯材料成本構成(左圖)和LFP電芯材料成本構成(右圖)資料來源:真鋰研究平板電腦筆記本電腦Powerwall7kg飛機4000kg手機5-10g電動工具HH混動汽車4kg電動汽車TT22.5g資料來源:M2Cobalt:Rejuvenatinganddevelopingcopper-cobaltprojectsinugand,CaesarsReport,2018年2月18?EV100PLUS其他,其他,9%150000單位：噸148000加拿大,2%俄羅斯,3%146000144000142000140000菲律賓,4%138000單位：噸148000加拿大,2%俄羅斯,3%146000144000142000140000菲律賓,4%138000136000201820192020巴布亞新幾新喀里多尼亞,2%澳大利亞,古巴,4%剛果金,71%資料來源:《鈷行業(yè)專題:供需關系改善,價格有望觸底反彈》,東莞證券,2020年7月;《鈷行業(yè)深度:鳳凰涅槳,強勢崛起》,天風證券,2021年7月2.降本增效需求驅動高鎳低鈷/無鈷化成為新—代正極材料未來趨勢隨著未來電動汽車規(guī)?；?、多樣化發(fā)展,降本增效需求驅動正極材料向高鎳低鈷/無鈷化方向發(fā)展。高鎳低鈷正極材料主要包括高鎳三元(如NCM811和降低鈷用量并提升能量密度;無鈷正極材料主要包括無鈷二元(NMx)ㄋ無鈷富鋰 0.51.5O4(LNMO)等,其中無鈷二元等將成為新—代正極材料的重要技術路線。另外,由于富鋰錳基正極材料具有高電壓和高容量的特點,也被認為是具有較大應用潛力的新—代正極材料之—,但由于缺少匹配的成熟商業(yè)化的高電壓電解液ㄋ材料在循環(huán)過程中平均放電電壓逐漸衰減等,仍存在較多問題;此外還有5V高電壓鎳錳酸鋰材料,材料研究進展較好,但同樣缺少匹配的高電壓電解液,產(chǎn)業(yè)化面臨—定瓶頸,因此本報EV100PLUS?19正極簡稱相應代表正極材料化學式鈷金屬含量(質量分數(shù)占比)3.0%3.0%x資料來源:中國知網(wǎng)單位：Wh/kg400單位：Wh/kg4000資料來源:蜂巢能源20?EV100PLUS全固態(tài)，400全固態(tài)，400Wh/kg富鋰正極+Li金屬準固態(tài)，350Wh/kg高鎳NCM+SiOx-Li280Wh/kg NCMA+Gr/SiOxNCMA四元NCM三元343Wh/kg，軟包高鎳NCM+SiC278Wh/kg高鎳NCM+Gr/SiOx[20%]275Wh/kgNCM+Gr/SiOx[10%]220Wh/kgNMx+Gr2018201920202021202220全固態(tài)，350Wh/kg高鎳NCM+Si-Li265Wh/kgNCMA+Gr/SiOx306Wh/kg高鎳NCM+SiCNMx+Gr/Si-based293Wh/kg高鎳NCM+264Wh/kg高鎳255Wh/kgNCMA+Gr255Wh/kgNMx+Gr245Wh/kgNCM+GrGr/Si-basedNMx無鈷固態(tài)資料來源:蜂巢能源(二)高鎳低鈷/無鈷正極材料產(chǎn)業(yè)化進展1.高鎳低鈷/無鈷正極材料,是正極材料發(fā)展的重要方向高鎳三元目前研究較多,技術積累較為豐厚。高鎳三元材料的結構式為x2型的層狀巖鹽結構,屬六方晶系。高鎳三元材料中,Co為其中Ni是主要的電化學活性物質,有助于提高材料的容量;Co可以提高材料的倍率性能,減少陽離子詂硓,降低阻抗值,提高電導率;Mn是非電化學活性物質,主要起骨架支撐作用,鋰離子脫嵌時能夠使晶體結構保持不變?！愣?鎳含量越高,三元材料的實際放電容量越高,但過多的Ni2+會使材料的循環(huán)性能度和較完整的層狀結構,有利于提高材料的電化學性能。為了提高其安全性和穩(wěn)定性,常采用離子摻雜和表面包覆的方法進行改善。目前,NCM811已經(jīng)可以實EV100PLUS?212型資料來源:《鋰電池三元正極材料的最新研究進展》，韓彬，電源技術，2020年2月2型層狀巖鹽結構ㄌ無鈷二元材料中,Ni為活性元素,其價態(tài)—般為唄痩紆2ㄌ5-7系二元無鈷正極材料,容量較唄,大約在160-180mAh/g之間,熱穩(wěn)定性高,可通過提高電壓進行改善;8-9系二元無鈷正極材料,容量較高,大國漢陽大學及韓國紆土動力電池企業(yè)共同提出4ㄌ因為Al常規(guī)三元材料中通常都摻有少量馯Al,但當其含量超過—定比例時,作為主元素存在,就稱為NCMA四元正極材料5ㄌ目前,蜂巢研發(fā)馯中高鎳單晶四元材料中,含量約在1-3%,與高鎳三元相比,性能相當,安全性更高些6ㄌ2《無鈷高鎳鋰離子正極材料LiNixMn1-xO2(0.5<x<1)研究進展》,龐國耀等,2020年9月3《蜂巢能源無鈷正極材料技術及應用》,李子郯,ClBF會議,2021年3月4“鎳含量90%NCMA四元電池要來了?”,2020年12月,/news/news-1106483-1.html5華友鈷業(yè)調研6蜂巢能源調研22?EV100PLUSEV100PLUS?232型二元無鈷正極材料的結構示意圖資料來源:《無鈷高鎳鋰離子正極材料LiNixMn1-xO2(0.5<x<1)研究進展》,龐國耀等,稀有金屬,2020年9月2.高鎳低鈷/無鈷正極通常采用高溫固相燒結法進行制備,前驅體是關鍵材料前驅體是生產(chǎn)高鎳三元/無鈷二元等正極材料最關鍵的原材料,其理化指標與前驅體生產(chǎn)過程類似,原理基本相同。以三元前驅體為例,—般采用氫氧化物共沉淀法進行制備,將硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸錳在反應釜中按—定比例配成可溶性的混合溶液,然后與氨、堿混合,通過控制共沉淀反應與結晶條件得到類球形氫xz234度、氨水濃度、反應釜構造等,均會對前驅體產(chǎn)品性能產(chǎn)生顯著影響,最終使得產(chǎn)品的元素成分、晶體微結構、形貌、粒徑及分布、比表面積等產(chǎn)生波動,因此三元前驅體—般為非標定制產(chǎn)品,各家技術標準并不統(tǒng)—。液堿、氨水液堿、氨水反應除鐵除鐵反應除鐵除鐵包裝硫酸鎳晶體硫酸鈷晶體硫酸錳晶體 三元前驅體成品 三元前驅體成品資料來源:《中偉股份(300919):客戶結構優(yōu)質,正極前驅體龍頭迎高增長期》,中泰證券,2021年1月去離子水高鎳三元/無鈷二元等正極多采用高溫固相燒結法進行制備,工藝控制是關鍵。以三元正極為例,其生產(chǎn)流程主要包括燒結前工序(稱量、混料、裝缽等)、燒結工序和后道工序(篩分、除鐵、包裝等)。首先將三元前驅體和鋰源按比例稱量后進行混合,然后在窖爐中,控制—定的溫度、時間和氣氛進行燒結,將燒結產(chǎn)物粉碎、篩分、除鐵后,得到三元正極材料成品。燒結工序是三元正極材料生產(chǎn)過程中最核心的工序,高性能產(chǎn)品—般要求做二次燒結,—次燒結溫度較高,去離子水氧氣三元前驅體氧氣三元前驅體篩分混料、裝缽投料粗碎、細碎洗滌一次燒結篩分混料、裝缽投料粗碎、細碎洗滌一次燒結氫氧化鋰氫氧化鋰脫水干燥包覆二次燒結篩分裝缽脫水干燥包覆二次燒結篩分裝缽氧氣氧氣包覆劑包覆劑除鐵批量包裝成品除鐵批量包裝成品資料來源:《當升科技(300073)深度報告:高鎳大勢所趨,正極龍頭迎來高增》,民生證券,2021年3月3.高鎳低鈷/無鈷正極產(chǎn)業(yè)鏈基本與現(xiàn)有三元體系兼容,國內外產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)紛紛布局新型正極材料高鎳低鈷/無鈷正極材料產(chǎn)業(yè)鏈基本與現(xiàn)有三元正極體系兼容,部分環(huán)節(jié)競爭各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)主要供應商也基本沿用當前廠家,但部分產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的競爭格局會發(fā)生變化。如在前驅體環(huán)節(jié),我國三元前驅體行業(yè)的中偉股份、華友鈷業(yè)、格林24?EV100PLUS美和湖南邦普這四家龍頭企業(yè),在2020年全球三元前驅體行業(yè)中合計占率已超過50%,它們也是新—代正極材料前驅體的主要供應現(xiàn)有三元正極材料市場集中度較分散不同,高鎳三元正極材料行業(yè)集中度明顯提升,2020年國內高鎳三元正極材料供應商主要為容百碳酸鋰/氫氧化鋰資料來源:產(chǎn)業(yè)鏈調研容百科技,其他,容百科技,優(yōu)美科,天津巴莫,南通瑞翔,長遠鋰科,貴州振華,長遠鋰科,當升科技,新鄉(xiāng)天力,湖南杉杉,9%當升科技,新鄉(xiāng)天力,湖南杉杉,9%當升科技,其他,湖南杉杉,當升科技,其他,天力鋰能,容百科技,46.0%貝特瑞,容百科技,46.0%天津巴莫,資料來源:《高鎳與漲價齊驅,邁向增長新階段》,國信證券,2021年3月EV100PLUS?25資料來源:《高鎳與漲價齊驅,邁向增長新階段》,國信證券,2021年3月新能源汽車在全球的推廣應用以及快速發(fā)展,消費市場對于新能源汽車在續(xù)航里程、成本、充電、安全等方面的綜合訴求不斷,相比于磷酸鐵鋰NCMA電池;蜂巢能源的無鈷正極材料已于2021年4月量產(chǎn)下線,使用的中高下線,在第346批公告中,無鈷電池已經(jīng)配套長城歐拉櫻桃貓6。其中,高鎳電池的商業(yè)化進展最快,從2021年4月的上海車展來看,外資/合資、傳統(tǒng)品牌、公司屬性產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)研發(fā)進展材料企業(yè)格林美完成了四元正極材料的研發(fā)與量產(chǎn)工作,NCMA前驅體正在與客戶進行噸級認證容百科技布局無鈷層狀正極材料、NCMA四元正極材料,向下游客戶送樣,進—步完善性能各項指標7“上海車展觀察:高鎳電池“春意漸濃””,/art-42655.html26?EV100PLUS公司屬性產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)研發(fā)進展貝特瑞目前主要布局高鎳正極材料,包括NCA和高鎳NCM系列,8系NCM正極克容量約在210mAh/g左右韓國公司,是LG化學的NCMA四元鋰電池正極材料的主要供應商,并正在研究NCMA高鎳正極材料,其中鎳含量達到92%,正極能量密度為228mAh/g,預計2021年實現(xiàn)四元正極材料量產(chǎn),主要下游客戶是LG化學和三星SDl林奈新能源美國林奈公司在中國分公司申請了四元正極材料的專利,并于2019年2月5日公開了公告電池企業(yè)寧德時代目前NCM523及NCM811均有應用,高鎳電池已供應包括奔馳、寶馬、奧迪、極氪、極狐、歐拉、蔚來、小鵬、哪吒、零跑、智己等車型蜂巢能源2021年4月無鈷正極材料在常州金壇工廠正式量產(chǎn)下線,7月首款無鈷電池(115Ah電芯)量產(chǎn)下線,在第346批公告中,無鈷電池已經(jīng)配套長城歐拉櫻桃貓;2019年7月發(fā)布會上發(fā)布了NCMA四元正極材料,目前中高鎳四元正極在B樣階段,高鎳四元正極在A樣階段、預計2022年完成C樣進入量產(chǎn)弗迪電池開發(fā)NCM811電池,已供應福特MustangMach-E全系列車型欣旺達開發(fā)NCM811產(chǎn)品,也在布局二元層狀無鈷正極材料NMx(Ni65/75),計劃2-3年內實現(xiàn)量產(chǎn)宣布將從2021年開始向通用汽車供應鈷含量低于10%的NCMA電池,并與通用汽車成立合資公司共同進行電池研發(fā)三星SDl目前主要以NCM622為主,正在與EcoProBM共同研發(fā)鎳含量達92%的NCA正極材料;計劃通過自產(chǎn)正極降低成本并實現(xiàn)自給自足,目標是到2030年將其正極材料自供占比由當前的20%提升至50%SKl目前主要以NCM811為主,宣布將在2021年開始量產(chǎn)NCM9/0.5/0.5資料來源:公開資料;貝特瑞、蜂巢能源、弗迪電池、欣旺達調研表7搭載高鎳電池的部分新能源汽車車型情況(不完全統(tǒng)計)品牌類型車企型號續(xù)航(km)電池容量(kwh)上市時間外資/合資奔馳770(WLTP)奔馳415(NEDC)EV100PLUS?27品牌類型車企型號續(xù)航(km)電池容量(kwh)上市時間奔馳500(CLTC)寶馬-寶馬600(WLTP)奧迪福特600(CLTC)-起亞凱迪拉克上汽大眾588(NEDC)上汽奧迪450(WLTP)傳統(tǒng)品牌吉利極氪001北極極狐阿爾法S上汽智己長城歐拉好貓紅旗EHS9造車新勢力蔚來小鵬合眾零跑資料來源:高工鋰電4.高鎳低鈷/無鈷正極材料理論原材料成本有所降低正極材料成本結構中,原材料成本占比最高,達到70-90%左右(根據(jù)金屬原材中鈷作為稀缺資源,其材料價格高且波動也較劇烈。降低鈷用量能夠在—定程度上降低正極材料的原材料成本,根據(jù)理論測算,高鎳低鈷/無鈷正極材料的理論原28?EV100PLUSx制造費用,8%人工成本,2%直接材料,資料來源:容百科技招股說明書9/0.5/0.5中低鎳x高鎳x每GWh對應正極材料用量(噸)鋰含量(噸)鎳含量(噸)鈷含量(噸)00錳含量(噸)鋁含量(噸)0000300對應的鋰鹽價值(萬元)對應的鎳鹽價值(萬元)對應的鈷鹽價值(萬元)00對應的錳鹽價值(萬元)EV100PLUS?299/0.5/0.5中低鎳x高鎳x對應的鋁鹽價值(萬元)0000700理論原材料成本(萬元/Gwh)資料來源:電源物理化學協(xié)會,東吳證券注:原材料理論成本計算方法:根據(jù)元素守恒定律、各正極材料的化學式,以及原材料損耗率,計算出每Gwh正極材料所需上游原材料的質量,乘以每種上游原材料價格,得到原材料成本,其中各原材料價格均取自2021年第—季度的平均價值(三)高鎳低鈷/無鈷正極材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸1.高鎳低鈷/無鈷正極體系電池,安全性問題需高度重視高鎳低鈷/無鈷正極熱穩(wěn)定性較低,動力電池安全需加強管控。—般而言,無材料體系為例,由于充放電過程中Li+(0.076nm)和Ni2+(0.069nm)的離子半徑接近,容易發(fā)生離子混排,導致材料結構逐漸坍塌,影響循環(huán)壽命。其中,Ni含量上升可以提高材料容量但會影響循環(huán)壽命和穩(wěn)變并提高倍率性能。從2020年新能源汽車著火事故分析來看,國內高鎳材料體系的不明原因起火比例略高2個百分點,海外高鎳體系起火比例沒有明顯偏高。目前,高鎳材料體系的安全問題從材料熱穩(wěn)定性上很難進行本質改善,釋氧溫度難以提高,現(xiàn)在主要通過系統(tǒng)設計如阻止熱擴散、采用高安全電解液等,來延緩熱失控速度,提高設計要求8。未來在原材料、電芯設計、pack熱管理系統(tǒng)以及BMS等方面,應持續(xù)迭代更新,使高鎳低鈷/無鈷正極體系電池的熱穩(wěn)定性得到提升,加強安全性管控。8欣旺達調研30?EV100PLUS資料來源:ComparisonofthestructuralandelectrochemicalpropertiesoflayeredLi[NixCoyMnz]O2(x=1/3,0.5,0.6,0.7,0.8and0.85)cathodematerialforlithium-ionbatteries,J.PowerSources,2013,233,121-1300%0%47%46%中低鎳高鎳0%47%46%鐵鋰內圈：2020年海外新能源汽車不明原因起火電池材料體系外圈：2013-2020年海外累計新能源汽車不同材料保有量情況4%9%9%7%9%9%0%82%\80%u中低鎳高鎳鐵鋰其他內圈：2020年國內新能源汽車不明原因起火電池材料體系外圈：2015-2020年國內累計新能源汽車不同材料保有量情況圖22海外(左圖)和國內(右圖)高鎳體系新能源車起火比例資料來源:《當升科技(300073)深度報告:高鎳大勢所趨,正極龍頭迎來高增》,民生證券,2021年3月EV100PLUS?312.高鎳低鈷正極材料的制備更復雜,存在—定技術壁壘高鎳三元采用氫氧化鋰作為鋰源,加工條件要求高?！?相比普通三元,高鎳三元材料的燒結溫度不宜過高,否則影響容量與倍率以上均采用熔點較低的單水氫氧化鋰作為鋰源5,而氫氧化鋰易揮發(fā)且堿性很強,窖爐材質須耐堿腐蝕。二是,由于高鎳三元中的二價鎳難以氧化成三價鎳,因此必須在純氧氣氛中進行高溫合成,導致生產(chǎn)成本攀升。三是,由于鎳元素呈堿性,高鎳三元材料表面殘堿含量較高,會影響后續(xù)涂布,因此需要對三元材料進行水洗,水洗過程中固液比、水洗時間和干燥過程等需要精細控制。四是,高鎳三元材料對濕度高度敏感,包裝車間環(huán)境要求相對濕度小于10%,包裝工序最好采用全自動化和連續(xù)包裝,物料輸送和儲存采用密封管道和密封儲罐9。流程類別工藝流程細分環(huán)節(jié)高鎳三元普通三元生產(chǎn)工藝煅燒前工藝混料鋰源單水氫氧化鋰碳酸鋰前驅體制備要求高,品質要求高品質要求相對較低裝缽匣缽裝料量裝料量小裝料量大煅燒工藝煅燒煅燒時間時間長,需多次煅燒時間短煅燒溫度溫度低溫度高煅燒氛圍純氧氣氣氛空氣氣氛煅燒后工藝粉碎硬度小硬度大水洗需要水洗水洗可選干燥要求高要求低包覆工藝需要包覆,要求高可選,要求低噴霧造粒/機械融合可選—般不使用包裝需抽真空或充氮氣包裝無特殊要求生產(chǎn)設備煅燒前工藝混合設備設備種類高速混合機部分使用球磨機密封性密封控濕無特殊要求9《高鎳三元正極材料產(chǎn)業(yè)化過程中難點問題探討》,胡國榮,2019年8月32?EV100PLUS流程類別工藝流程細分環(huán)節(jié)高鎳三元普通三元自動化要求要求高要求低耐腐蝕性要求高要求低裝料抽真空抽真空無需抽真空匣缽剛玉含量高低耐腐蝕性強弱缺口需特殊設計無需特殊設計價格較貴便宜逽辌工藝?軕耐腐蝕性耐堿耐氧氣腐蝕耐堿腐蝕密封性要求高要求低溫控精度高低逽辌屜工藝其他設備密封性要求高無特殊要求濕度10%以下無特殊要求資料來源:《正極材料深度報告:三元路線主導,高鎳化大勢所趨》,財通證券,2021年3月表10三元材料表面堿(LiOH和Li2CO3)含量隨鎳含量提升而增加材料LiOH(mg/kg)總堿量(mg/kg)資料來源:《高鎳趨勢明確,研發(fā)優(yōu)勢領先,未來充分享受技術溢價》,東方證券,2018年9月EV100PLUS?3334?EV100PLUS3.高鎳低鈷正極材料價格仍需要進—步下降的價格息息相關,還取決于單體電芯能量密度,與需求量和生產(chǎn)工藝水平有關5?！愣?隨著Ni含量升高,Co含量下降,正極的原材料成本有所降低,但生產(chǎn)制造難度增大,加工成本上漲。其中,高鎳正極單位產(chǎn)能投資大,如5萬噸高產(chǎn)制造技術逐漸成熟,以及市場規(guī)模的擴大,其市場價格有待進—步下降,以提25202020/52020/62020/72020/82020/92020/102020/112020/122021/12021/22021/32021/42021/5NCM523NCM622NCM811資料來源:鑫欏鋰電10貝特瑞調研EV100PLUS?35(四)高鎳低鈷/無鈷正極材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢1.高鎳低鈷/無鈷正極材料具有較大發(fā)展?jié)摿?預計到2025年原材料理論價值將突破百億規(guī)模池企業(yè)技術逐漸向高能量密度發(fā)展,高鎳三元材料占比逐年增加。高鎳材料在占比分別為8%、15%和24%,提升十分明顯,發(fā)展?jié)摿薮蟆?%8系,5系及以下,5系及以下,單位：萬噸單位：萬噸502017201820192020高鎳三元正極三元正極資料來源:《正極材料深度報告:三元路線主導,高鎳化大勢所趨》,財通證券,2021年3月中短期磷酸鐵鋰電池裝機份額提升,中長期三元電池高鎳低鈷/無鈷電池應用潛力大。受整車成本壓力等因素影響,中短期內磷酸鐵鋰電池在純電動乘用車市場中的裝機量預計將增長,根據(jù)測算,到2025年國內磷酸鐵鋰電池裝機量占比據(jù)較多的市場份額,并隨著技術進步升級,中長期看高鎳低鈷/無鈷電池將逐漸占據(jù)—定市場份額,根據(jù)測算,到2025年國內高鎳低鈷/無鈷電池在三元電池中的450400350單位：GWh單位：GWh2502001501000201920202021E2022E2023E2024E2025E磷酸鐵鋰三元140120單位：GWh單位：GWh806040200201920202021E2022E2023E2024E2025E50%40%30%20%10%0%高鎳低鈷/無鈷電池在三元電池中的份額圖252019-2025年分材料類型國內無鈷動力電池裝機量預測與在三元動力電池中的占比(下圖)資料來源:東吳證券,車百智庫預測注:測算方法,根據(jù)新能源乘用車、客車、專用車銷量和不同車型中分電池材料類型占比等數(shù)據(jù)對磷酸鐵鋰和三元動力電池裝機量進行預測。極為主;高鎳無鈷二元電池在蜂巢能源等公司的推動下,份額也將逐漸擴大;超36?EV100PLUS單位：億元單位：萬噸單位：億元單位：萬噸50NCM811正極NCM9/0.5/0.5正極NCMA正極NMx正極4002021E2022E2023E2024E2025ENCM811正極NCM9/0.5/0.5正極NCMA正極NMx正極圖262021-2025年國內高鎳低鈷/低鈷/無鈷正極材料理論原材料價值預測(下圖)資料來源:東吳證券,車百智庫預測2.未來三元正極材料市場集中度將進—步提升高鎳三元技術門檻較高,有助于重塑三元正極市場格局。目前三元正極市場略微呈上升趨勢。未來隨著高鎳產(chǎn)品逐漸發(fā)展,由于其技術難度高、產(chǎn)品附加值高,對于具備高鎳技術優(yōu)勢的正極材料企業(yè)來說,有望主導行業(yè)格局,獲得可持EV100PLUS?37續(xù)的長遠發(fā)展,使得三元正極行業(yè)市場集中度進—步提升。55%50%45%40%35%30%.25%20%201820192020CR3一CR5資料來源:《當升科技(300073)深度報告:高鎳大勢所趨,正極龍頭迎來高增》,民生證券,2021年3月3.未來高鎳低鈷/無鈷正極材料將更具成本優(yōu)勢高鎳三元和無鈷二元正極成本優(yōu)勢將凸顯。首先是高鎳三元正極,其能量密度高,可以滿足消費者對于高續(xù)航里程的需求。高鎳材料中Co含量降低,原材料成本比中鎳三元具有優(yōu)勢,未來隨著高鎳體系在市場上的滲透應用,研發(fā)制造技術逐漸成熟,生產(chǎn)規(guī)模上量后,其加工成本存在較大下降空間,具備降成本潛力。其次是無鈷二元正極,其能量密度中等,與中鎳三元相比,成本相當,安全性類似,循環(huán)性能更好6,可以滿足市場需求,而且不含鈷元素,擺脫了稀缺鈷資源的限制。無鈷二元正極及其前驅體的制備和商業(yè)化的三元正極相似,供應商體系可以共用,不存在特殊工藝,加工成本相當,成本差異主要在Ni、Co、Mn比例方面,當Co價較高時,無鈷材料的成本優(yōu)勢會更加突出。38?EV100PLUS3新一代電池驅動下的硅基負極材料創(chuàng)新發(fā)展提高動力電池能量密度的訴求驅動負極材料由石墨系材向硅基材料發(fā)展,國外企業(yè)率先實現(xiàn)硅基負極應用,中國企業(yè)逐步發(fā)力追趕。當前硅基負極仍處于導入階段,大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍存在—些困難。下—階段負極材料性能改善、制備工藝提升、EV100PLUS?41(一)提高動力電池能量密度的訴求驅動負極材料由1.負極材料對動力電池能量密度等技術指標有重要影響更高的負極比容量是高能量密度電池的理論實現(xiàn)路徑之—。解決的續(xù)航里程焦慮,提高動力電池能量密度是關鍵之—,增加電芯能量密度的根本重任集中在改進電芯體系和材料上。根據(jù)下圖可知,電芯能量等于正負極電勢差與電芯容量的乘積,提高電芯的能量密度的本質是提高正負極電勢差與理論比容量,而電勢差與理論比容量由材料自身決定,故而負極材料的選擇對于單體電芯QQVa：負極平均電位資料來源:中國知網(wǎng)2.高比能量性能驅動硅基負極是新—代負極材料的重要發(fā)展方向硅通過合金化方式儲鋰,理論比容量是石墨的10倍以上,因此負極摻硅是提升能量密度的有效手段?，F(xiàn)階段改性天然石墨和人造石墨負極比容量達到量高達4200mAh/g,是石墨的10倍以上,硅材料的應用理論上可以提升單體電芯的能量密度。同時,硅是地球上儲量排名第二大的元素,資源豐富。此外,硅還具有較低的電化學嵌鋰電位,在充電時可以避免表面的析鋰現(xiàn)象,展現(xiàn)出其可快充的應用前景。因此,新—代負極材料的研發(fā)熱點集中在硅基材料。項目天然石墨負極材料人造石墨負極材料硅基負極材料理論容量(mAh/g)首次效率循環(huán)壽命較好較差安全性較好較好倍率性較好成本較低較低較高優(yōu)點能量密度高、加工性能好膨脹低,循環(huán)性能好能量密度高缺點電解液相容性較差,膨脹較大能量密度低,加工性能差膨脹大、首次效率低、循環(huán)性能差資料來源:貝特瑞公開發(fā)行股票說明書(二)硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化進展1.石墨是目前負極材料的主流，硅基負極是未來發(fā)展方向來源廣泛,是目前主流的鋰電池負極材料,人造石墨負極出貨量占比近80%。其42?EV100PLUS他負極材料中,硬碳、軟碳在技術上還不夠成熟;中間相炭微球具有高倍率性能優(yōu)異等特點,但其產(chǎn)率低、制備工藝復雜、成本難以下降,導致其發(fā)展受限;鈦但其克容量低、且成本極高,限制其在電動汽車領域中的廣泛應用;而硅基負極因其高比容量和豐富的硅資源儲量,被認為是最具有應用前景的負極材料之—。天然石墨天然石墨石墨化碳人造石墨石墨化碳人造石墨復合石墨復合石墨中間相炭微球中間相炭微球碳材料碳材料硬碳硬碳無定形碳軟碳軟碳碳納米材料負極材料石墨烯碳納米材料負極材料石墨烯鈦基材料鈦基材料非碳材料錫基材料非碳材料錫基材料硅碳復合材料硅基材料硅碳復合材料硅基材料氮化物氮化物資料來源:《中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2020)》,中汽中心,2020年10月40單位：萬噸單位：萬噸252050201720182017201820192020人造石墨其他負極材料人造石墨資料來源:高工鋰電EV100PLUS?432.硅材料納米化是早期硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化應用技術路線為克服硅顆粒破碎的問題,必須將尺寸限制在納米級別,150nm是硅材料體積膨脹質變的“門檻”。研究表明11,當硅顆粒的粒徑低于150nm時,硅在體積變嫇的過程中能夠保持結構的穩(wěn)定,不會發(fā)生鱬鳧現(xiàn)象;而當粒徑大于150nm時,在體積變嫇的過程中顆粒表面會先發(fā)生鱬裂,之后隨著循環(huán)增加,整個顆粒都會納米硅材料可以有多種結構,其中納米硅顆粒商業(yè)化應用價值最大。硅納米嫇材料可以有不同的形貌特征,包括零維的硅納米顆粒,—維的碳納米線、納米管,二維的硅薄膜、硅納米片,三維的多孔硅等ㄌ其中,硅納米顆粒的制備方法比較成熟,成本較低,且容易與現(xiàn)有的鋰電材料生產(chǎn)工藝相匹配,表現(xiàn)出很強的項目詳情納米嫇零維結構:硅納米顆?！S結構:硅納米線、納米管二維結構:硅薄膜、硅納米片三維結構:多孔硅吋輷納米尺度的硅可以有效平衡循環(huán)過程中的體積膨脹應力,增強結構穩(wěn)定性,抑制循環(huán)過程中電極的剝離、鱬鳧及粉嫇增強電極/電解液/集流體接觸,縮短鋰離子擴散路徑以獲得高倍率性能缺輷與微米級材料相比,納米材料合成更為困難,材料的形貌和粒徑更加不易控制,制備工藝更復雜,成本也更高高的電解液/材料表面的接觸比例,意味著在首次循環(huán)中生成更大面積的SEI膜(solid-electrolyteinterphase,SEI),消耗更多的鋰離子導致容量下降相比于微米級材料,納米材料的振實密度降低從而使電極整體的體積比容量下降資料來源:《硅負極復合材料及其電化學界面特性研究》,馬天翼,清華大學,2017年4月;《硅碳復合納米材料的制備及作為鋰離子電池負極材料的應用》,陳逸凡,浙江大學,2017年4月11Size-DependentFractureofSiliconNanoparticlesDuringLithiation,xiaoHuaLiu,etal.,ACSNano,44?EV100PLUSEV100PLUS?45僅將硅材料的尺寸降低并未解決所有問題。盡管通過構建復雜的納米結構能夠提高硅負極的電化學性能,但是多數(shù)納米結構具有高比表面積,導致低首周庫侖效率;低壓實密度導致低體積比容量和低能量密度;高成本且復雜的制備過程難以產(chǎn)業(yè)化。由此可見,僅將硅材料的尺寸降低并未解決所有問題,還需將硅與其他材料復合來協(xié)同改性,才是硅基負極的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。3.硅與其他材料復合改性是當前硅基負極產(chǎn)業(yè)化應用的重要技術路線硅與碳系材料或金屬材料復合改性,能夠改善硅基負極性能。當硅顆粒尺寸過小時,在充放電過程中大的比表面積會與電解液發(fā)生更多的接觸,形成更多的SEI膜,且細小的納米顆粒容易發(fā)生團聚,導致容量衰減加快。因此,需要引入其他材料和硅復合來協(xié)同改性,主要包括碳系材料和金屬類材料。與碳系材料復合是硅負極最常見的改性方式,其中與石墨復合是當前商業(yè)化程度最高的方式。雖然硅、碳的物化性質有很大的差異,但作為電池負極材料時,兩者非?；パa,復合后優(yōu)勢明顯。碳系材料種類眾多,包括傳統(tǒng)的石墨類碳、不定形碳以及新型的碳納米管、石墨烯等。硅與這些材料復合后,可滿足商業(yè)化的性能要求。目前,與石墨復合是商業(yè)化程度最高的方式,與不定形碳、碳納米管性能指標硅與碳系材料復合后性能改善比能量以石墨為代表的碳系材料比容量低,但硅的比容量很高,兩者復合可以得到比石墨高得多的比容量循環(huán)性能碳材料具有—定的機械強度和延展性,可以緩沖硅的體積膨脹效應,增強抵抗機械應變的能力,改善硅的循環(huán)性能電子導電率硅是半導體材料,電子電導率不高,但碳的導電性比較好,將硅與碳復合,將得到比純硅更高的電子電導率,促進電荷的轉移和傳遞資料來源:《多孔硅基復合材料的制備及作為鋰離子電池負極材料的應用》,張亞光,浙江大學,2018年4月碳系材料種類硅與不同碳系材料復合性能梳理與石墨復合石墨是目前應用最廣泛、工藝最成熟的負極材料,硅與石墨復合就成了實現(xiàn)硅商業(yè)化最快捷的方式,石墨優(yōu)秀的導電性和結構穩(wěn)定性可以與硅的高比容量形成良好的互補;目前,球磨法是最成熟的復合工藝,具有成本較低、混合均勻的優(yōu)勢,適合于大規(guī)模量化生產(chǎn)與不定形碳復合—般是硅/碳核殼結構,即在硅表面包覆—層致密的碳層,來提高導電性,限制硅的體積膨脹,增強結構的穩(wěn)定性;但在增加碳層厚度時,整體容量會下降與碳納米管復合硅可以被限制在高機械強度的碳管內,中間的孔隙使得硅可以自由的膨脹和收縮,就算由于循環(huán)多次而發(fā)生破裂,也不會發(fā)生容量的衰減,依舊可以在碳管內部保持鋰電活性;同時,碳管阻擋了電解液與硅的直接接觸,使得SEl膜沉積在碳管外壁,維持了SEI膜的穩(wěn)定與石墨烯復合硅顆粒被緊緊包覆在石墨烯內部,緊密連接保持了硅顆粒與集流體的電接觸;同時石墨烯薄層良好的機械性能,可以有效緩沖硅體積膨脹。與純硅材料相比,具有更優(yōu)的循環(huán)穩(wěn)定性能資料來源:《多孔硅基復合材料的制備及作為鋰離子電池負極材料的應用》,張亞光,浙江大學,2018年4月硅氧化物與碳