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刀片电池带磷酸铁锂重回焦点

时间:2022-11-03 18:17:12 | 浏览:277

【能源人都在看,点击右上角加"关注"】北极星储能网讯:电芯价格占电池总价维持在70%左右的水平,而剩余30%由模组、PACK环节构成。刀片电池在体积能量密度上比传统磷酸铁锂电池提升了50%,从251Wh/L提升至332Wh/L。由于单体电池

【能源人都在看,点击右上角加"关注"】

北极星储能网讯:电芯价格占电池总价维持在70%左右的水平,而剩余30%由模组、PACK环节构成。刀片电池在体积能量密度上比传统磷酸铁锂电池提升了50%,从251Wh/L提升至332Wh/L。由于单体电池可以承受机械加强作用,是一种无模组方案,降低了电池包制作工艺,节省了物料和人工费用,预计可降低综合成本达30%。

1.1 动力电池发展历史

全球汽车电动化逐渐加速,在逐渐脱离补贴扶持、市场化程度加深、竞争愈加激烈的督促下,不断提高能量密度、降低单位成本成为锂电池企业的必选之路。在当下三元与磷酸铁锂并行的主流技术路线下,格局基本稳定,然而纵观电池技术的发展与迭代历程,动力电池的发展之路并不顺利。

早期电动车型仅存在于实验阶段,受到技术发展阶段以及成本的限制,并未实现真正的量产。1997年,丰田将高功率镍氢电池搭载于普锐斯混合动力汽车正式推出首款商业化电动车。2000年起在北美、欧洲及世界各地公开发售。动力电池正式在乘用车领域开启商业化之路。动力电池的发展历程可大致分为以下四个阶段:

  • 起步阶段(2000~2007年):以混合动力汽车为主,技术路线摇摆不定。

从20世纪初开始,国际动力电池企业逐渐加大对动力电池的研发力度,彼时新能源车行业尚处于初级发展阶段,动力电池供应商较少,研发和产能相对集中。

在动力电池技术方面,早期多采用铅酸电池、镍氢电池等技术路线,受到材料性质的限制,电池能量密度的天花板较低,续航问题长期被诟病,同时存在安全隐患。但是技术相对成熟,且成本低,适用于低速小型电动车,目前在储能领域也有所应用。

而对于锂离子电池,虽然行业对材料特性的前景十分看好,但由于技术水平限制,3C消费类锂电池仍处在发展阶段,可借鉴经验有限,动力锂电池仅存在于实验室阶段,尚未实现规模化应用。

我国最早的动力电池是应用在电动客车上。2006年,中通客车承担了“串联混合动力客车产品开发”和“奥运用纯电动客车”两个“863”计划项目,成功生产的第一辆串联式混合动力公交客车并正式下线,该车型使用自主研发的LMO电池,是动力电池产业里程碑式的一步。

  • 探索阶段(2008~2012年):锂离子动力电池面市,市场初具雏形,日、韩厂商霸占市场,我国新能源车产业起步。

2008年,特斯拉推出其首款电动车型Roadster,搭载NCA电池,极大地提高了电池的能量密度,是全球第一款应用锂离子动力电池并实现量产的纯电动跑车,已于2012年停产,在全球范围内共售出约2450辆。Roadster作为特斯拉对电动车市场的敲门砖,相对市场需求过于超前,以及高居不下的生产成本,最终没有取得理想的效果,但仍为全球电动化提供了借鉴。三元锂电池从这时开始逐渐得到市场重用,相对铅酸、镍氢电池而言,锂离子电池能量密度大幅提高,续航里程大大延长。

日本、韩国由于具有发达消费电子产业基础,在动力电池技术领域同样处于领先地位。随着索尼、松下、三星等电池龙头的技术不断成熟,日韩车企迅速抢占全球新能源汽车市场。索尼作为首先研发出锂离子电池的厂商,在市场发展初期一直走在行业前端;松下收购三洋进军动力锂电池行业,与特斯拉合作为其提供高18650圆柱NCA电池,实现量产突破;三星SDI背靠三星集团雄厚研发、资源实力,同样具备提供动力电池全产业链条解决方案的能力。

2009年,多部委联合启动了“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”,标志着我国新能源汽车产业正式上升为国家战略,经过多年的摸索与磨合,2014年我国新能源车市场初具规模。

  • 井喷阶段(2012~2015年):锂电池技术路线主流地位明确,出现三元与磷酸铁锂二分天下的局面。政策支持下动力电池企业数量激增,日韩企业龙头地位不改,以宁德时代为代表的中国企业加入全球市场竞争。

2012年,特斯拉Model S交付并实现商业化量产,松下动力电池出货量居于全球首位。LG Chem对于动力电池的整体研发资金及人力投入自2013年开始呈现出持续上升的态势,且专注于三元锂电池的研发。

宁德时代加入战局,凭借继承ATL在消费电池领域的技术和市场地位优势,产品质量优异,迅速打开国际市场,采取三元电池为主、磷酸铁锂并重的技术路线策略,出货量逐年攀升,2015年国内市占率达到15.3%。

比亚迪纯电动汽车交付,在三元电池路线大盛的背景下另辟蹊径选择磷酸铁锂,运用成本优势,从电动客车、电动出租车等To B端商用电动车切入,销量迅速累积。凭借比亚迪新能源车的高销量,比亚迪电池2015年市占率达到行业第一23.2%。

我国是从“十五”时期开始对电动汽车技术进行大规模有组织的研究开发,并于“十二五”期间正式拉开新能源车商业化发展的序幕。通过实施863计划,通过政府对于镍氢电池和锰酸锂电池的研发支持,正式将汽车电动化写入议程。

电动汽车重大科技专项确立了以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”,以多能源动力总成控制系统、驱动电机和动力电池为“三横”的电动汽车“三纵三横” 研发布局,全面组织启动大规模电动汽车技术研发,我国的锂离子动力电池技术正式步入启航轨道上。

  • 洗牌中成长(2016年~至今):三元电池的能量密度优势逐渐凸显,市场份额逐渐上升。我国新能源车相关政策变化频繁,大浪淘沙,竞争中优质企业做大做强。

补贴扶持下的新能源车行业逐渐发展成熟,市场竞争程度愈加激烈,对电动车的续航能力、安全性能提出了更高的要求。三元电池相对磷酸铁锂具有先天能量密度优势,可以为电动车提供更高的续航里程保障,并逐渐向高镍路线发展,不断突破能量密度的天花板。

随着工信部对低速电动车的进一步规范,在2016年11月与12月的两次工作会议中确定:低速电动车必须搭载锂电池,拒绝铅酸电池作为动力源。虽然在当时引起了很大的争议,但从长期发展角度来看,这个决定无疑是明智的。于是我国动力电池企业迎来第一波洗牌,以铅酸电池为主、缺乏锂电池关键技术的企业迅速被淘汰,我国动力电池正式步入以三元和磷酸铁锂为主流的市场格局时期。

第二波洗牌目前正在进行中,主要来自于新能源车补贴退坡对动力电池产业链的压力。一方面补贴政策向高能量密度、高续航能力倾斜,另一方面降本压力要求动力电池选择成本相对较低的技术路线。三元和磷酸铁锂在两方面各有优势,我们预计未来一段时间内,三元与磷酸铁锂并行的市场格局将会持续。与此同时,各厂商正在积极寻求新的降本路径,以适应激烈的市场竞争。

1.2 三元与磷酸铁锂共存的电池格局

1.2.1 另辟蹊径磷酸铁锂当道

磷酸铁锂电池最早在美国兴起,2004年传入中国,彼时以日韩企业为代表的海外领先动力电池厂商多采用三元的技术路线,市场已经初见规模,我国电动车商业化起步晚,赶超难度大,比亚迪作为中国电动车的领军者,决定另辟蹊径,选择磷酸铁锂作为主要技术研发路线。

除市场原因外,政策方面自“十一五”开始,政府组织实施“节能与新能源汽车”重大项目,继续坚持“三纵三横”的总体布局,并全面展开电动汽车关键技术研究和大规模产业化技术攻关。而磷酸铁锂电池成为了国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。

由于比亚迪等国内企业在磷酸铁锂电池方面的储备和应用,磷酸铁锂便成为新能源汽车发展最主要的技术路线。2006年,第一款搭载磷酸铁电池的F3e电动车研发成功,续航能力达到300公里。

2008年国内的动力电池企业仅仅有10家,而到了2012年疯狂增长到了105家。当时政府对动力电池企业的补贴力度不断加大,许多动力电池企业趁机迅速建立起来。但由于锂电池投资具备技术门槛高、投资研发周期长的特点,最终存活下来并持续健康发展的企业并不多。

国内沃特玛首次成功研发了磷酸铁锂电池,比亚迪把其应用到乘用车以后,诸多企业迅速跟上,磷酸铁锂电池在中国的新能源车领域的风头一时无二。

1.2.2 能量密度优势促使三元电池崛起

随着动力电池产业的不断发展,技术水平不断提高,国家对行业发展路径的规划提出了新的方向,开始向高能量密度的三元电池倾斜。“十二五”期间,国家在政策方面把动力电池的支持重心从磷酸铁锂转移到三元锂电池的研发上。2012年6月,国家发展新能源汽车的纲领性文件《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》发布。该规划提出,到2015年,动力电池模块比能量达到150Wh/kg以上;到2020年,动力电池模块比能量达到300Wh/kg以上。在当时的技术水平下磷酸铁锂是达不到上述要求的。

2015年之后,国家开始认可三元锂材料用于车用电池的安全性,政策松绑后,能量密度更高、代表着更远续航的三元锂电池开始逐渐占领乘用车市场大量份额。

2016-2017年起,随着电动化的深入,乘用车逐渐成为新能源汽车推广的主力,而新能源乘用车的补贴政策,将电池包的能量密度以及续航里程作为主要指标。新能源汽车企业为追求高额补贴,逐步放弃磷酸铁锂动力电池,转向三元电池。

2011年宁德时代成立,初期选择以三元路线为主,在母公司ATL的技术支持下迅速成长,并通过搭线宝马打开市场名气,后续与大众、一汽、宇通等优质车企陆续展开合作。

之前坚定磷酸铁锂电池路线的比亚迪在2015年开始装车三元电池,2017年开始大规模转投三元电池。2017年比亚迪推出主力车型唐100插混与秦100插混、宋EV 300和秦EV 300,应用的都是三元电池。2018年之后比亚迪全新上市的车型应用的基本都是三元电池技术。

1.3 新技术方向——优化PACK

1.3.1 PACK是主要降本方向

锂电池经过多年技术和市场化发展,成本实现快速下降,自2010~2019年锂电池价格共下降87%,年复合降幅达到20%。成本的不断下降提升了新能源汽车市场竞争力,但当然补贴退坡仍未完成,价格仍需进一步下降才能提升整体渗透率,这对锂电池的降本提出了新的要求。

锂电池包含电芯(Cell)、模组、PACK三个主要环节,电芯的主要成本构成包括正极、负极、电解液、隔膜四大材料以及电芯加工成本,电芯价格占电池总价维持在70%左右的水平,而剩余30%由模组、PACK环节构成。

我们预测,四大材料在没有新型高性价比替代品出现的情况下,用量和成本占比不会有太大的变化,成本压缩空间有限。正极材料和湿法隔膜存在成本下降空间,但正极材料制造商毛利率已经压到所能承受的极限。湿法隔膜的价格已经触底,未来下降空间不大,且由于隔膜仅占到电池总成本5%的份额,对电池降本贡献微小。人造石墨负极材料因为石墨化环节由外协转向自供,会对成本降低显示一定效果。电解液价格受原材料六氟磷酸锂、EC溶剂影响较大,在原材料价格难以下降的情况下,价格下降难度较大。

PACK作为动力电池制造的最后一道工序,因技术进步仍在进行中、电池包布置仍存在优化空间、容易产生规模效应,仍然具备成本压缩空间。当前趋势是锂电池制造商在扩张电池产能的同时,配套建设PACK产线。与此同时,由于电池的PACK形状需要针对车型进行定制设计,优质电池厂商车企与车企合作,将生产链不断向下游延伸,实现电池一体化生产。

1.3.2 CTP引领降本新风向

通过改变电芯集成形式、减少模组数量,从而减少电芯外零部件的使用、降低装配成本以及简化生产流程,是目前诸多动力电池厂采取的降本思路之一,特斯拉、宁德时代、比亚迪、蜂巢能源等企业先后推出了相似的产品设计方案和发展规划。

在2019年德国法兰克福国际车展上,宁德时代推出与北汽新能源合作开发的全新的CTP高集成动力电池开发平台(Cell To Pack),即电芯直接集成到电池包。根据宁德时代公布的数据,CTP可将电池包体积利用率提高15~20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升50%,电池包能量密度提升10~15%。目前宁德时代量产最高电池组能力密度为182Wh/kg,CTP可使之达到200Wh/kg以上,大幅降低动力电池的度电成本。

该技术将目前已经获得车厂的生产订单,已确定的包括给大众(拉美)卡客车公司提供磷酸铁锂CTP电池,以及北汽新能源EU5乘用车。我们认为随着市场对于新技术的逐渐认可,未来将会有更多的车厂采用CTP技术电池,而随着规模优势的不断扩大,电池成本将进一步降低,夯实宁德时代在电池领域的绝对优势。

1.3.3 刀片电池带磷酸铁锂重回焦点

自从三元电池被广泛应用后,磷酸铁锂装机比例逐年下降,2018年三元电池实现反超,2019年差距进一步拉大,三元电池成为绝对的市场主流。然而从2019年月销量数据可以看出,由于补贴退坡的影响,磷酸铁锂的成本优势重新回到企业视野,磷酸铁锂单月装机占比呈现出上升趋势,退坡后首月7月份装机量占比甚至达到52.2%。

比亚迪在2020年1月推出了针对中低端车型的“刀片电池”,该电池将使用磷酸铁锂作为正极材料。刀片电池是一种长电芯方案,通过增大电芯的长度(最大长度与电池包宽度相当),将电芯扁长化设计,来进一步改进电池包集成效率的技术。通过成型工艺、结构设计等方面的改进提高外壳的支承强度,同时将外壳的长宽比控制在预定范围内。此外,通过集流路径的优化等方式降低单体电池的内阻,还可辅以注液工艺的改进,解决单体电池尺寸较长带来的注液时间较长的问题。

刀片电池在体积能量密度上比传统磷酸铁锂电池提升了50%,从251Wh/L提升至332Wh/L。由于单体电池可以承受机械加强作用,是一种无模组方案,降低了电池包制作工艺,节省了物料和人工费用,预计可降低综合成本达30%。比亚迪计划在2020年3月在重庆工厂首次量产刀片电池,并且首款搭载车型为今年的重量级新车“汉”,预计续航里程可达600公里。

按照当前平均0.85元/Wh的电池包成本,下降30%成本意味着电池成本将降至0.6元/Wh,单车平均带电量60度电,则节省电池成本为1.5万元,对于中低端车型降本效果显著。我们认为刀片电池顺应目前高能量密度与低成本双压力驱动下对新型电池的需求,可以将磷酸铁锂的应用空间大幅提升,尤其将拓展磷酸铁锂在乘用车领域的应用。

行业数据

原标题:动力电池新技术驱动行业进步

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