(报告出品方/作者:平安证券,皮秀)
一、过往历史:圆柱电池成就特斯拉行业领先地位,圆柱电池量产在即
1.1起源:圆柱电池兴起于特斯拉,成就特斯拉行业领先地位
动力电池专指为电动汽车辆提供动力的蓄电池,有圆柱、方形和软包三种封装形式。目前动力电池主要有锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池,其中锂离子电池占比超过99%,具有高能量密度、高循环寿命、高倍率、自放电小等优势。锂离子电池是指以锂为能量载体的二次电池(充电电池),主要依靠锂离子在正极和负极之间移动实现充放电。不同类型锂离子电池的结构和充、放电原理基本相同,区别主要在正极材料。目前已经量产的动力电池按照封装工艺主要分为圆柱、方形和软包三种。动力电池按正极材料的不同分三元电池和磷酸铁锂电池。三元正极材料是指由镍、钴、锰(或者铝)组成的正极材料,一般指化学方程式为LiNixCoyZ1-x-yO2的材料。其中,当Z为Mn(锰)时,该三元正极材料为NCM,当Z为Al(铝)时,该三元正极材料为NCA。而、、和等型号则指的是NCM材料中Ni/Co/Mn的摩尔系数比例,比如中的Ni:Co:Mn的比例为6:2:2,分子式为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。
圆柱动力电池的发展可以按照电池尺寸划分为三代产品。第一代圆柱动力电池(年)。以松下圆柱电池为主,初期采用钴酸锂(LCO)+石墨方案,供应特斯拉Roasder。之后松下将电池容量从2Ah提升至4Ah,化学体系改为镍钴铝(NCA)+石墨,开始在特斯拉ModelS/X上规模化应用。第二代动力电池(年)。为进一步降本增效,年特斯拉与松下共同研发出圆柱电池,并应用于特斯拉Model3,该电池采用镍钴铝(NCA)+硅碳方案,能量比提升50%,系统成本下降8%(从美元/kWh下降至美元/kWh)。第三代动力电池(年)。年,特斯拉申请大圆柱电池专利。年9月,特斯拉率先发布无极耳、硅负极、无钴电池,材料体系为镍锰(NMx)+硅碳方案,预计单体能量比提升5倍,整车续航里程提升16%、功率提升6倍,度电成本降低14%,从10%充电至80%仅需15分钟,而电池充电池至70%需要25分钟。特斯拉标准航版装车个电池,使用需要个,通过减少电池数量,BMS监控系统、冷却系统成本均可下降。年5月,特斯拉宣布拟正式向普通用户交付电池版ModelY,同时也要求松下加快开发和供应电池。
特斯拉以圆柱电池起家,助推圆柱动力电池装机量保持高速增长势态。从全球来看,全球圆柱动力电池绝大多数应用于特斯拉,在年以前,全球圆柱动力电池装机量增速与特斯拉汽车产量变化趋势近似。年特斯拉上海工厂建成投产后,引入宁德时代方形磷酸铁锂电池,导致圆柱电池装机量增速小于特斯拉整体汽车产量增速。年,圆柱电池依托特斯拉汽车的畅销实现快速放量,增速达到%。年特斯拉产能进一步扩大,全球圆柱动力电池装机量约58GWh,主要来自于松下、LGES。从国内来看,-年,国内圆柱动力电池承压,主要系补贴退坡导致乘用车车企加速淘汰、车规级电池产能稀缺、方形电池企业市场集中度上升挤压圆柱电池市场所致。年,国内圆柱动力电池销量回暖,主要系特斯拉国产车投产放量,LGES南京基地配套特斯拉量产圆柱电池;H1,圆柱动力电池装机量约为4.43GWh,同比下降17%,主要系LGES配套特斯拉ModelY/3的数量下降所致。
1.2性能:圆柱电池性能优异,大规模量产在即
圆柱电池具有高比能量、快充、高安全、低成本和长寿命等特性,适配中高端乘用车。圆柱动力电池通过三元正极材料升镍降钴,石墨负极掺氧化亚硅,单体电池能量密度持续领先。圆柱电池逐步从钴酸锂发展为镍钴铝/镍钴锰,再到无钴正极(NMx),负极硅碳负极应用逐渐成熟,电池能量密度逐年稳步提升至Wh/kg,在三种封装工艺中单体能量密度持续领先。依据UCSanDiego数据,目前特斯拉量产的圆柱电池采用高镍三元正极+人造石墨负极,单体能量密度达到Wh/kg。
快充:依托圆柱电池全极耳设计,提高导电和导热面积,可实现4C-6C大电流充电,明显高于方形和软包电池。高安全:圆柱电池一致性高,减少过充、过放和局部过热危险;圆弧结构有利于电池间隔热,热失控阻隔性好。低成本:依托干法电极工艺和超高镍正极材料、硅碳负极材料等新型材料,圆柱电池成本实现大幅度降低。长寿命:电池设计寿命约次,单体电池一致性较好,电池系统层面整体寿命相对较长,满足乘用车用电需求。
特斯拉到年底有望实现圆柱电池6.8-10.2GWh年化产能,可装配9.0-13.7万辆ModelY。目前,特斯拉海外车型均为圆柱电池,国内高性能版ModelY/3搭载的是,标准续航版是LFP方形,主要目的是为了降本,未来计划高性能版和长续航版ModelY、Cybertruck、Semi采用圆柱电池。年Q2特斯拉德州工厂已开始交付带配套电池组的ModelY。截至年Q3,公司每周生产超过套电池包,按照标准续航版ModelY个电池计算,折年化产能3.4GWh,到年底预计能达到6.8-10.2GWh,但距离特斯拉远期目标GWh仍有不少成长空间。
二、发展趋势:46系大圆柱电池极具降本增效潜力,预计25年全球市场超GWh
2.1降本:超高镍/硅碳、干法电极助力46系大圆柱电池持续降本
总体来看,正负极材料和生产工艺设备加持,生产和设备投资成本有望砍半。特斯拉正在大力推动松下、LGES等电池供应商制造和开发46系大圆柱电池,通过采用无钴正极材料(NMx)、硅碳负极材料及离子聚合物涂覆技术、整车电池一体化及干电极生产极片技术等,共同推动电池度电成本从-美元下降到48-53美元,降幅为56%(电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降14%、12%、5%、18%、7%),参考松下、LGES、三星SDI在美产线投资成本,单GWh产线的设备投资额从1.09-1.33亿美元下降到0.34-0.42亿美元,降幅为69%(电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降7%、16%、4%、34%、8%)。
超高镍和硅碳负极实现双降本,适配圆柱电池。参考亿纬锂能发布公告数据,结合各单价假设条件,初步得到以NCM/Gr时,电池正极材料和负极材料成本分别为0.、0.元/Wh,当更换为超高镍Ni90正极和硅碳负极Gr-SiOx时,正极材料和负极材料成本分别降低为0.、0.元/Wh,分别降低11%、6%。假定其他条件不变时,正负极材料成本下降导致电池原材料成本由原来的0.元/Wh下降到0.元/Wh,降幅6%。超高镍正极和硅碳负极适配圆柱电池,且实现更低成本。正极适配方面,9系超高镍正极镍含量比8系更高,活性高,更容易和电解液发生副反应,圆柱电池电解液用量少,且壳体本身耐压能力强,对产气有较高的承受能力;负极适配方面,硅碳负极膨胀系数较高,圆柱电池耐压承受能力强,选用硅碳负极能有效提升电池能量密度。正极降本方面,一是材料本身成本低,9系高镍正极中钴含量低,后续价格比8系成本低;二是能量密度更高,9系镍含量比8系更高,导致能量密度更高,所以单Wh电池的正极材料用量减少。负极降本方面,随着硅碳负极工艺技术不断成熟,生产成本不断下降。
干法电极技术减少极片生产工序,实现降本增效。特斯拉电池创新性地使用超级电容器中的干法电极技术,实现降本增效。电极制备方式中,传统湿法电极技术需要使用粘结剂、溶剂与活性材料混合再涂至电极上干燥,而干法工艺无需溶剂,直接将活性电极材料颗粒与四氟乙烯(PTFE)粘结剂混合,使其纤维化,直接将粉末擀压成薄膜,然后热压到极片上,可省略辊压、干燥、NMP溶剂回收等工序,大幅简化生产流程,提升生产效率,节省成本。据特斯拉电池日预测,干法电极工艺可以将生产成本降低16%,产线投资成本降低34%,极片生产占地减少70%。目前特斯拉已实现负极干法电极量产,正在攻关正极干法技术。根据美国加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院对特斯拉电池的拆解结果,目前特斯拉已在负极中使用干法电极技术,其负极使用的是人造石墨,本身带润滑作用,在粉体传输和辊压过程中流动性较好。正极材料干法工艺难度较大,正极材料在纤维化完成后,由于材料呈黏性絮状并相互交联,同时正极材料本身自润滑性差,在连续传输过程中,极易出现偏析、架桥、结团等现象,自支撑膜制作难度较高,目前特斯拉仍在攻关该项技术。
2.2增效:46系大圆柱电池具备快充、高安全、高比能优势
大圆柱全极耳方案减小内阻/增加热传导,可实现4C-6C快充,快充时间降至15分钟。大倍率充放电时正负极极耳温度最高,是快充的瓶颈。电池极片长度达到3.8米,如果采用单极耳,会导致电池内阻明显增加。将正负极集流体两端变成可以进行面接触的极耳,通过集流体与集流盘、正负极(盖板)的全面积连接,形成稳定的全极耳导电结构,使得集流体与正负极之间的电流传输方式由传统的线传输变为面传输,从而大幅提升导流面积和过电流能力,降低电池内阻和发热量,实现安全快充。ShenLi等人通过模拟仿真对全极耳电池和单极耳电池进行充放电过程发热对比,发现全极耳设计产热速率要比单极耳产热速率低两个数量级以上,验证了全极耳设计可以明显降低热效应。数据显示,圆柱电池能够在20分钟内完成从10%到80%SOC的快充,相较于电池的30分钟,时间缩短33%。
圆柱电池一致性高、热失控阻隔性好。圆柱电池是以卷绕工艺进行制造,通过加快转速来提高生产效率,而软包和方壳的叠片工艺的效率提高受限。在卷绕过程中,为保证电池具有高一致性,需要对卷绕张力进行控制。目前松下等国外企业对圆柱电池卷绕张力的控制较好,大批量生产的圆柱电池产品一致性高,良率能达到97%~99.0%,可以避免由于电池一致性差导致的过充、过放和局部过热等危险。
圆柱电池成组时相互接触面积小,热失控阻隔性好。从单体角度看,圆柱电池热膨胀时壳体均匀受热,不会出现侧面鼓胀、变形等影响电池寿命的问题。从模组角度看,圆柱电池蜂窝式排列,电芯间填充隔热灌封胶,电芯之间接触面积几乎为零,热量必须经过灌封胶再传至周边电芯,电芯隔热效果好,能做到热失控不蔓延,从而有效提高电池热失控安全性。
圆柱结构适配超高镍/硅碳,进一步提升电池能量密度。目前圆柱电池采用NCM正极和人造石墨负极,电池能量密度达到Wh/kg,相对于成熟的松下圆柱电池能量密度低9.2%,但是未来可以通过降低外壳壁厚和改用硅碳负极,可以将能量密度提升至Wh/kg。另外,超高镍正极材料及无钴材料等的应用将继续提升圆柱电池的能量密度。46系大圆柱电池正极可以用9系高镍,其钴含量低,后续成本比8系便宜,能量密度更高。电解液方面,应用高安全新型锂盐LiFSI,进一步稳固电池安全性。在负极中掺杂硅或氧化亚硅可显著提升电池容量,但硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化(硅在充放电过程中容易产生%的体积膨胀,而石墨只产生10.6%的体积膨胀),从而引发SEI膜破裂使未钝化的表面暴露出来,导致电池充放电循环期间电解液在硅表面持续分解,致使电池容量衰减。电池的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收负极的膨胀力,同时卷绕结构的电池极片各个位置膨胀力均匀,减少破损和褶皱的出现,而方型电池在R角处易出现应力集中而导致破损和褶皱。
2.3市场:预计25年46系大圆柱动力电池需求量将超过GWh
从产能投产及规划预测来看,-年特斯拉、松下、LGES、三星SDI、亿纬锂能、宁德时代等企业产线将陆续投产。最早实现量产的是特斯拉,到今年年底初步实现约10GWh产能,其次是松下,预计明年3月份初步实现10GWh圆柱电池产能并逐步放量。LGES、三星SDI、亿纬锂能加快构建46系大圆柱电池产线,规划产线均为10GWh左右,宁德时代预计到年建成12GWh的46系大圆柱电池新产线并实现量产。
预计特斯拉年全球销量突破万辆,年均增长44%。参照特斯拉美国加利福尼亚工厂、中国上海工厂、柏林工厂、美国得州工厂、美国雷诺工厂及两座新工厂(预测规划年产能超过万辆)建设及产能爬升速度,预测特斯拉-年全球新能源汽车产量将分别达到.6、.4、.0、.5万辆,YOY分别达到54.4%、37.9%、35.9%、47.8%。年增速提升主要系新工厂及新车型产能爬升放量所致。
预计年特斯拉搭载电池的车型销量预计接近万辆,占特斯拉当年总销量的37.2%,装机量预计达.8GWh,-年年均增长率达到%。年圆柱电池量产在即,特斯拉领衔推广,未来市场需求明确。特斯拉电池需求量测算假设边际条件如下:1)电池与高镍+硅碳三元电池体系适配度高,预计在ModelY、Cybetruck等中高端车型中渗透率逐步提升,预测在高端电车ModelS/X上也将大批量使用。2)参考替代圆柱电池的速度,预计到25年ModelY市场替代率为50%。圆柱电池量产3年后对市场替代率提升至50%。随着圆柱电池技术不断成熟,22年上半年已实现装机,23年将实现规模量产。3)根据TroyTeslike预测,单个圆柱电池容量依次为-年分别为26.5/29.3/32.0/32.0Ah,按照标准版(块电池)和长续航版(块电池)平均电池数量推导出特斯拉ModelY车型带电量分别达到74.4/82.2/89.7/89.7kWh。同时ModelS、ModelX和Cybetruck单车的电池容量分别预测为//kWh。暂未计入Model3、SEMI、新车型上可能应用的电池用量。
除了特斯拉,多家车企看好46系圆柱电池市场应用。宝马、Rimac、蔚来、江淮等车企均在大力布局46系大圆柱,其中宝马在9-10月分别与亿纬锂能、宁德时代、远景动力达成46系大圆柱电池供货协议,总规规模超GWh,按照每辆车kWh计算,满产装车量达到万辆。
25年全球46系大圆柱装机规模将突破GWh,市场规模超过千亿。特斯拉德州工厂已开始向客户交付带电池组的ModelY。截至年Q3,预计年底能够达到6.8-10.2GWh。按照特斯拉、宝马等车企46系大圆柱电池需求规划,预估年46系大圆柱电池装机量将达到.8GWh,全球动力电池装机量市占率将达到14.0%。假设导年三元动力电池单价降至0.5元/Wh,推测46系大圆柱电池市场规模将超过亿元。
三、产业链机遇:46系大圆柱电池及上游关键材料企业有望率先受益
46系大圆柱电池降本增效明显,市场前景广阔,对电池产业链影响较大,我们重点