新能源专题篇三：动力电池篇（下）
目录一、 动力电池结构和种类（一）动力电池的整体结构（二）电芯种类（三）不同材料的动力电池优劣二、电池发展方向（一）总体方向（二）电池的技术升级三、前沿电池技术和产品四、动力电池装机量一、 动力电池结构和种类（一）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。（二）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。国内动力电池大多使用方形电池；特斯拉使用的是圆柱形电池。1、方形电芯结构方形电芯可以拆分为：顶盖、裸电芯、壳体、电解液及其他零部件。顶盖主要是正、负极极柱以及泄压阀（也称防爆阀/安全阀）。在电芯热失控产生大量气体的情况下，方形电芯上顶盖上的泄压阀会打开释放气体，避免电芯内部压力过大造成爆炸，是电芯安全的一道保障。结构件包括电池盖板和壳体。电池盖板由10多种元器件组合而成，主要由盖板、正负极极柱、注液孔、翻转片、防爆片等结构组成，价值量约是壳体的2倍。壳体一般用钢壳或铝壳。2、圆柱形电芯结构典型的圆柱电芯结构包括：正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、盖帽/正极帽、垫片、安全阀等。圆柱电芯一般以盖帽为电池正极，以外壳为电池负极。圆柱电芯标准化程度较高，常见的型号有：14650、14500（5号电池）、18650、21700等。型号的的前两位数字代表圆柱电芯的直径（单位mm），第3、4位代表圆柱电芯的高度（单位mm），0指的是圆柱。4680电池排布3、软包电芯结构软包电芯其实很常见，我们的手机用的就是小型软包电芯。动力电池的软包电芯更大，铝塑包装膜替代金属壳体，包裹着正负极材料、隔膜、电解液。它的体型纤薄，单体能量密度较高，内阻小，但在安全性、可靠性和成组效率上存在一定的劣势。安全方面，软包特有的铝塑膜包装无法分担外部挤压力，挤压时易造成内部卷芯变形而发生热失控，且无法保证内部发生热失控后爆破或者热传导的方向，会鼓气裂开。（三）不同材料的动力电池优劣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。二、电池发展方向（一）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。5、倍率性能：影响充电时间，与负极克容量、倍率密切相关。（二）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。1、三元正极：超高镍化、单晶化镍元素有助于提高比容量和能量密度，钴有助于提高电导率和倍率性能，高镍低钴化使得电池比容量提高，但安全性和倍率性能减弱。单晶因为内部排列取向一致，不存在晶界，因此结构稳定性更强，且通过提升充电电压，迫使更多的锂离子脱嵌，提高参与反应的锂离子的数目，从而提升能量密度。容百科技、当升科技、中伟股份、格林美、巴莫科技已经有镍含量90%以上的三元材料及三元前驱体。宁德时代、松下等超高镍电池已有供应。NCMA通过Al元素掺杂，提升高镍三元材料稳定性。格林美、中伟股份、华友钴业、容百科技、浦项化学有NCMA出货。单晶正极材料稳定性更好，更适合高电压，从而提升电池能量密度。振华新材、长远锂科、厦钨新能、当升科技、容百科技、巴莫科技、杉杉股份参与高镍单晶化业务。2、铁锂正极：锰铁锂方向铁锂材料能量密度低，但成组效率高。铁锂振实密度与压实密度低，理论能量密度190Wh/kg，目前行业基本达到160wh/kg，成组效率85%以上，Pack后能量密度130-140wh/kg。三元理论能量密度高于350Wh/kg，目前单体能量密度以200-250为主，成组销量75-80%左右，Pack能量密度140-160wh/kg，高镍三元可达180wh/kg。铁锂材料低温性能差。一块容量为3500mAh的LFP电池在-10℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至500mAh，因此铁锂电池不适应冬季北方。磷酸锰铁锂保持铁锂稳定架构，同时提升能量密度。但从结构框架上看，即使掺入其他元素，橄榄石架构（铁锂）所含的锂离子空位仍与片层结构（三元）有不小差距，因此能量密度提升有限（极限25%），接近NCM523，可替代部分低端三元市场。磷酸锰铁锂的玩家有德方纳米、鹏欣资源、当升科技、宁德时代。宁德时代2022年2月率先提出M3P概念，可替代5系、6系三元电池。区别于磷酸锰铁锂，为磷酸盐三元体系，还含有其他金属元素，利用磷酸根橄榄型结构，能量密度介于LFP和高镍三元之间，可替代523，622三元，能量密度可以在210-260wh/kg左右，低温性能比铁锂高很多，且比较便宜，但能量密度上无法替代高镍电池。M3P电池本质可能为掺杂了锰、镁（推测）等金属元素的磷酸铁锂电池。3、负极材料：硅碳负极方向负极材料在电池中起储锂作用，对电池性能有直接影响，成本占比10%左右。石墨的理论能量密度是372mAh/g，目前应用的石墨比容量已经接近极限。而硅负极理论能量密度高达4200mAh/g，为目前已知的能用于负极材料理论比容最高的材料，硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量。硅负极存在的问题是体积变化大、低电导性：（1）硅在脱嵌锂过程中体积会膨胀到原来的3倍以上，导致活性物质在充放电循环过程中发生急剧粉化脱落，同时SEI膜无法稳定地存在，导致容量快速衰减，电池循环性能较差。（2）硅的低电导性限制其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能；体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差，导电性下降；硅表面的SEI膜厚且不均匀，影响导电性与电池整体比能量。硅基负极的玩家有中科电气、贝特瑞、翔丰华、江西紫宸、深圳斯诺、正拓能源。受膨胀性能影响，目前硅基负极主要应用于圆柱电池，如4680。4、电解液：LIFSI添加比例提升电解液主要由三部分组成：1）溶剂：为获得高离子导电性，溶剂一般采用混合材料，目前溶剂一般采用DMC（碳酸二甲酯）+EC（碳酸乙烯酯），比例不定；2）锂盐：目前首选六氟磷酸锂，其具体优秀的导电率、稳定性和环保优点；3）添加剂：大规模有VC和FVC，各家电解液差异化所在，满足不同电池不同性能要求。六氟磷酸锂综合性能稳定，但缺点有：1）对水分敏感、热稳定性差、易分解；2）最终产品含有氟化氢，影响高温下电池性能；3）在低温环境下，在电解液中易结晶，导致电导率下降。新型锂盐LiFSI（双氟磺酰亚胺锂）稳定性、导电性能更强、水敏感度低、热稳定性好。但是对铝箔产生腐蚀较高。主流的LiFSI厂商有天赐材料、康鹏科技、新宙邦、永太科技、时代思康、多氟多等。5、导电剂：碳纳米管方向导电剂是锂电池的关键辅材，与正负极材料混合用于生产电极极片。碳纳米管是一种新型石墨材料，性能优异，为一种新型导电材料。其中，单壁碳纳米管可有效解决硅基负极热膨胀、导电率低等问题，提升循环寿命。国内从事单壁碳纳米管的企业是天奈科技。6、铜箔：PET方向铜箔在锂电池中充当负极集流体，即负极活性物质的载体，铝箔在锂电池中为正极极集流体，箔材对锂离子电池的内阻及循环性能有很大的影响。PET铜/铝箔是一种以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为导电薄膜，两边分别以铜/铝箔为镀层的夹层状动力电池集流体材料。优点是提升了安全性、提升能量密度、减少铜箔厚度。缺点是生产效率低、存在箔材穿孔问题、增大电池内阻影响输出功率。短期内规模不大，主流仍为传统铜箔/铝箔。7、正/负极补锂剂：电极预锂化预锂化对电极材料进行补锂，以抵消充放电中的活性锂损失，以维持电池的总容量和能量密度。正极补锂的安全稳定性高，与现有电池生产工艺兼容性好。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。三、前沿电池技术和产品（一）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。（二）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。（三）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。（四）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。（五）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。（六）二线厂商拳头产品总结来说，前沿电池的发展方向是高能量密度，为提升续航；去模组化，电池直接作为强度结构件；安全性，不易燃易爆。四、动力电池装机量（一）总观2022年国内动力电池装机261GWh，同比+86%。2022年国内新能源汽车平均单车装机量47kWh，同比+2%。分电池材料类型看，2022年国内三元电池装机105GWh，同比+41%。2022年国内磷酸铁锂装机155GWh，同比+137%，装机量与增速均超过三元。分电池结构类型看，2022年国内方形电池装机241GWh，同比+99%。2022年国内圆柱电池装机同比-21%。（二）分企业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。头部企业下游装机量分布（来源：中信证券、GGII）：1、宁德时代：特斯拉（19%）、吉利（12%）、上汽（11%）、蔚来（7%）、东风（5%）。2、比亚迪：比亚迪（95%）、一汽（3%）、长安（&lt;1%）。3、中创新航：广汽（40%）、小鹏（2%）、零跑（1%）、上汽（&lt;1%）、长安（&lt;1%）。4、国轩高科：上汽（20%）、奇瑞（19%）、江淮（14%）、吉利（12%）、长安（11%）。5、亿纬锂能：小鹏（51%）、广汽（15%）、三一（10%）、吉利（8%）。6、蜂巢能源：长城（46%）、零跑（41%）、合众（9%）、吉利（2%）。7、欣旺达：东风（80%）、吉利（20%）。8、孚能科技：广汽（48%）、北汽（20%）、南京金龙（10%）、江铃（9%）、吉麦新能源（7%）。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。其他优质标的可参考【二、电池发展方向】中参与各个前沿技术的头部玩家。