钜大LARGE | 点击量：332次 | 2022年12月16日
重塑动力锂电池行业的方向在哪里
据预测，动力电池到2030年前将保持25%以上的复合增速，但过去几年国内电池产能的快速扩张导致阶段性和结构性的产能过剩。
阶段性过剩体现为产能相对于当前需求过剩严重，但难以满足远期需求；结构性过剩体现在高端产能供给仍然紧缺。
从消费端看，整车企业对动力电池的性能需求包括安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环性能，其中安全性是车企选择供应商最重要的考虑。尽管动力电池行业产能过剩，市场份额向龙头集中的趋势不容置疑。
电动车在燃料的能量密度和生产成本上较燃油车仍有一定差距，为提高电动车竞争力动力电池系统的带电量将上升，而价格持续下降，提升电池能量密度是实现上述目标的有效途径，目前技术上提升电池能量密度的主要方向是正极采用高镍三元材料，负极引入硅材料，但同时也将带来安全隐患。
由于汽车面向大众消费者，控制安全风险至关重要，电池的安全问题是电动车事故的主要来源，安全性是压倒一切的考量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
而电池的风险因素在材料、生产流程、系统设计等全流程累积，考验电池企业全体系的控制能力。在容量增大、高镍化的大背景下，市场份额将快速向高品质电池供应商集中。
今天，我们就来深入了解一下动力电车产业链的发展与未来！
产能高速扩张，形成阶段性、结构性过剩局面
2014-2017年电池产能快速扩张，产能过剩已成定局。中国的锂电池行业起步较早，但在2014年以前锂电池主要用于消费电子行业，动力电池的产能相对有限。2014年国内新能源汽车行业的快速爆发极大地刺激了电池厂商和新进入者扩产的动力。从2014年下半年起，动力电池季度产能环比复合增速达到25%，单季产能从2014年1季度1.7GWh增加到2018年1季度的40GWh以上。
尽管新能源汽车的产销量仍然保持较快增长，但增速远远落后于动力电池产能的增速。调研显示，今年上半年中国动力电池出货量22.86GWh，而同期动力电池产能约为91.87GWh，产能利用率仅25%。随着新产能的继续投放，到今年年底动力电池年产能将达200GWh，可装备400万辆新能源汽车，是2018年产销量的4倍，因此产能过剩的局面短期内预计难以缓解。
阶段性过剩：扩产周期与需求增长错配，供大于求，但小于远景需求
尽管目前动力电池产能严重供过于求，但从中长期看，动力电池的需求量在上千GWh量级，现有产能仍需扩产近10倍才能满足供应。据估计，全球动力电池的总需求将从2016年的21GWh增长到2030年的1300GWh，15年内复合增速达35%，因此行业内的龙头企业还有很大的扩产空间。
与此同时，动力电池扩产周期约2-3年，且呈现脉冲式增长的特点，新能源汽车的需求却是以比较稳定的速度持续增长，电池企业提前储备产能抢占市场地位也是合理决策。尽管目前处于过剩局面，但龙头企业可以通过规模优势降低成本绑定客户，从而提高产能利用率进一步降低成本，实现正反馈循环，以获取更多份额等待行业拐点到来。
阶段性过剩将带来两个结果：
首先市场集中度远高于产能集中度，中小厂商面临出局。2017年国内动力电池总出货量为33.5GWh，其中前五位和前十位的市场集中度分别达到61.6%和73.0%，而这些厂商的产能占比则仅有34.7%和52.0%。
第二个后果是行业的扩张进程放缓，尤其是中小企业的扩张速度放慢。2017年是动力电池产能集中投放的重要年份，2018年之后动力电池企业的扩产进度逐渐分化，中小企业的扩产预期减弱。
由于市场份额在快速向龙头集中，中小企业的产能逐渐成为无效产能，与此同时，头部企业的产能利用率仍然维持在高位，甚至保持供不应求的状态，因此其产能扩张的速度并不会减缓。总体而言，龙头企业的产能可能成为格局稳定之后的实际有效供给。
此外，储能业务稳步成长，将成为消化锂离子电池过剩产能的重要去向。尽管储能电池技术种类多样，但锂离子电池被认为是最具前景的技术，目前的主要障碍在于锂电池较高的成本。根据储能技术的市场需求，锂电池成本降至0.9元/Wh时即具备应用价值。未来几年动力电池的价格仍将持续走低，尤其是过剩比较严重的磷酸铁锂电池价格下行空间和压力都较大，一旦储能市场被打开，目前产能过剩的局面将迅速得到缓解乃至扭转。
结构性过剩：磷酸铁锂过剩，高端三元不足
结构性过剩体现在两方面，一是产品类别上，截止到2016年年底，我国动力电池总产能约63GWh，其中三元电池产能25.5GWh，占比约40%，这一比例到2017年有望提升至47%。在三元优势逐渐确立的大背景下，磷酸铁锂的产能将长期处于过剩状态，预计未来几年内将有落后产能退出市场。二是在市场结构上，市场竞争力较弱的低端产能严重过剩，位于头部的少数龙头则处于供不应求的状态。从产能利用率角度观察，2017年CATL的产能利用率接近90%，比亚迪的产能利用率超过40%，行业平均水平则只有30%左右。
动力电池发展方向：能量密度是撬动性价比的支点
在新能源汽车推广过程中的两个主要问题：一是与化石燃料相比，电池相对低的能量密度，汽油的能量密度高达12000Wh/kg，现在较先进的动力电池单体能量密度约250Wh/kg，仅有汽油的1/40，这导致的主要后果是普通电动车续航里程远低于燃油车，催生消费者的“里程焦虑”；
二是与内燃机驱动相比，相对高的整车成本，燃油车经过上百年的发展，其发动机的制造工艺成熟，成本控制也较好，动力电池的产业化时间仍然较短，当前成本很高，据BNEF统计，截至2017年，美国中档燃油车的动力系统成本约5500美元/套，动力电池成本则高达12000美元/套，尽管电动车的使用成本有优势，但电池造价的巨大差距导致目前电动车的经济性仍然较差。
价格持续下降是电动车替代燃油车的基础
电池价格下降、实现电动车经济性平价是推动电动车替代燃油车的基础。据测算：对于某些年行驶里程较高的应用场景，当前的电池价格已可以满足使用全成本平价；对于中档车而言，动力电池系统价格降至1元/Wh时，大众消费者可以实现使用全成本平价；随着电池成本的进一步下降，一旦低于0.7元/Wh，电动车的购臵成本可以和同档燃油车竞争，使用全成本则明显低于燃油车，届时电动车将在脱离政策支持的环境中加速替代燃油车。
从动力电池短暂的发展史中可以看出，动力电池成本下降的速度非常迅速，从2010年至今，动力电池系统的价格从1000$/kWh降至2017年的209$/kWh，年复合降幅达20%以上。国内动力电池的价格也在快速下降，据《2018中国汽车产业发展报告》的研究，2013年国内锂电池单体的价格高达3.2元/Wh，2018年有望降至1元/Wh，2025年有望降至0.55元/Wh。
动力电池价格下降将带动电动车的销量和锂电池的年需求。BNEF预计到2030年全球动力锂电池的需求有望超过1600GWh，是2017年需求量的25倍，其中电动车需求接近1300GWh，电动大巴的电池需求接近270GWh，储能电池的需求接近70GWh。
提升电池容量是改善电动车性能的前提
能量密度低的缺点可以通过增加电池容量来缓解。纯电动车根据续航里程的长短分为低端(小于250km)、中端(250~380km)和高端电动车(380km以上)，纯电动车的续航里程由汽车携带电量决定，一般而言，1kWh电量可以驱动汽车行驶5-7km(或者3-4英里)。
2010年电动车刚刚推向市场时，市场主流产品的带电容量仅有24kWh，续航里程不足200km，“续航里程焦虑”成为阻碍消费者选购电动车的一大难题。随着电池成本的快速下降以及能量密度的提升，汽车携带的电池容量稳步增加，续航里程也随之增加，目前300km以上的产品已经成为主流，特斯拉的高端产品续航里程达600km以上，里程焦虑得到极大缓解。
提升电池能量密度是技术攻关的主要方向
提升电池能量密度是降本提效的有效手段。由于动力电池的成本主要是原材料，提升电池能量密度可以有效降低原材料的用量和成本。此外，电池系统的重量达数百公斤级别，占整车重量的1/3左右，提升能量密度可以有效减少电池系统和汽车整体重量，进一步改善整车性能。提升电池能量密度主要通过优化活性材料和生产工艺，目前比较确定的技术方向包括正极材料高镍化和负极中引入硅材料。
提高三元NCM正极材料中镍元素的含量可以有效提升电池的容量和工作电压，从而提升电池的能量密度。不同比例NCM材料的优势不同，Ni表现高的容量、低的安全性，Co表现高成本，高稳定性，Mn表现高安全性、低成本，理论上，提高正极材料中的镍含量是提高电池能量密度、提升锂电池性价比的不二之选。
然而，随着镍含量的提高，正极材料的稳定性随之下降。由于Ni2+半径(0.069nm)与Li+半径(0.076nm)较为接近，在制备过程中容易导致锂镍阳离子混排，进入镍空位的锂在循环过程中难以脱嵌，导致电池的首次库仑效率不够理想，并容易造成材料结构坍塌，由层状结构向尖晶石结构或NiO型岩盐相转变，从而导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。
另外，阳离子混排使得电极材料表面锂析出，表面碱度过高，多余的锂形成碳酸锂或氢氧化锂在充放电过程中分解，使得电池产气鼓包，安全性能下降。此外，在充电至较高电压状态下，材料表面Ni2+被氧化至Ni4+，其与电解液之间会发生较严重的副反应形成SEI膜，导致离子和电子电导率较低，从而导致倍率性能表现不佳。
由于面临上述问题，尽管高镍三元已成为众多电池厂商的攻关方向，但距离大规模推向市场仍需时日。
在石墨负极中引入硅元素是提高电池容量的有效方法。商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料，石墨的理论比容量为372mAh/g，而市场上的高端石墨材料已经可以达360~365mAh/g，因此相应锂离子电池能量密度的提升空间已相当有限。硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温4200mAh/g，室温3580mAh/g)、低的脱锂电位(<0.5V)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但硅负极在脱嵌锂离子时体积变化率太大，并且会导致析锂反应，造成安全隐患，因此目前硅负极材料的应用也未普及。
电池热失控是电动车事故的主要来源
电动车的动力来自电池，电池的安全性，如是否会着火、爆炸、导致人员触电、释放有害气体，车体结构是否安全等诸多问题，都是关乎每位消费者生命安全的大事，确保安全是新能源汽车不断提升渗透率的根本前提。
动力电池系统的产品安全性范围包括化学安全、电气安全、力学安全和功能安全。化学安全在电池单体设计时候就已经定型，比如如何选择活性材料以及如何组合；电气安全通过对电池系统里的电线、壳体和其他电器部件的绝缘来实现；力学安全则通过适当的机械设计来实现，比如特殊的房碰撞保护壳；功能安全需要通过相应的传感器来监测电池单体、电池控制单元和它们相关的通信接口来达到目标，执行器是指如接通、断开电池的继电器。化学安全事故是电动车事故的主要来源，电芯层面主要承担化学安全层面的职责。
电池中国网统计了2017年以来新能源汽车的起火事故，从场景来看，起火的第一场景是充电，充电中和充满电之后发生安全问题，大概占50%；第二场景是停放，部分新能源汽车在购臵后使用率偏低，或者是即将报废车辆在没有拆除电池包的情况下长期搁臵停放，约占20%；第三场景是行驶，约占10%；第四场景是碰撞，约占5%；第五场景是极端环境或者说恶劣天气，出现动力电池绝缘密封性能下降，泡水后短路等故障问题，约占10%；其他场景约占5%。
导致起火事故的原因之中，首当其冲的是电芯产品问题。在电芯生产制造过程中，个别产品杂质、毛边等质量控制未能符合要求，经过多次充放电循环过程形成析锂导致内部短路，最终发生热失控、热扩散。中科院院士欧阳明高认为，部分企业为获得补贴盲目追求高比能量，缩短电池产品测试验证时间，技术验证周期偏短导致了技术验证不足、工程解决方案不成熟，是造成产品质量问题的主要原因。
除此之外，电气连接失效和碰撞等机械伤害也会引发新能源汽车起火。在汽车使用的长期过程中，部分产品使用寿命无法充分满足要求。例如某车型动力电池经过一段时间使用后，螺栓松动，局部电阻较大开始发热，成为安全隐患。而碰撞是触发动力电池热失控的典型方式。单个电芯或模组发生热失控，会进一步传导至其他电芯、模组和电池包。目前动力电池有关隔热、阻断的机械结构设计有待进一步提高。
电池热失控的原因机理及控制
从科学机理上讲，造成锂离子电池热分解失控的诱因较多，有由外部出发的，如电滥用、热滥用或者机械滥用，也有由内部出发的，如金属杂质残留、隔膜破损或负极上的析锂反应导致单体损坏等。不论触发的原因为何，其导致的结果主要是电池单体温度升高，这会进一步引起其他单体的热分解反应，从而产生更多热量。这种自加速的过程被称为热失控(ThermalRunaway)，它导致的结果往往是不可控的单体发热，甚至是起火。
锂离子电池普遍采用易燃的烷基碳酸酯有机溶液作为电解液；其作为负极的石墨在充电态时化学活性接近金属锂：在高温下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的锂离子与电解液、粘接剂PVDF会发生反应，这些都伴随着大量热的释放；其作为正极的过渡金属氧化物在充电态时具有较强的氧化性，在高温下易分解释放出氧，释放出的氧与电解液发生燃烧反应，继而释放出大量的热。因此，在滥用的情况下，安全设计不足的锂离子电池会有热失控的可能，如冒烟、起火甚至爆炸等。
提升安全性有三个维度：一是材料维度；二是生产过程维度；三是电芯集成维度。材料维度上，从对热失控过程中各反应的温度和反应焓的统计来看，尽管负极SEI膜分解反应热相对较小，但其反应起始温度较低，会在一定程度上增加负极极片的“燃烧”扩散速度。更重要的是，SEI膜分解反应直接决定了电池的高温存储性能，因此，改善SEI膜的热稳定性十分必要，改善的途径主要是通过成膜添加剂或锂盐增加其热稳定性。
另外，尽管粘接剂在负极中的重量比很小，但是其与电解液的反应热十分可观，因此通过减少粘接剂的量或选择合适的粘接剂将有利于改善电池的安全性能。正极材料方面，各充电态正极材料在高温下释氧程度是影响其安全性能的主要因素。若对其他性能要求较高，采用核-壳结构和表面包覆也是减少正极材料与电解液的反应热，提高电池安全性能的有效手段。电解液方面，电解质LiPF6的热稳定性是影响电解液热稳定的主要因素，因此目前主要改善方法是采用热稳定性更好的锂盐。但由于电解液本身分解的反应热很小，对电池安全性能影响十分有限。对电池安全性影响更大的是其易燃性，降低电解液可燃性的途径主要是采用阻燃添加剂。
尽管不同类型的电池在正极材料、隔膜等方面有一定差异，但总体思路相同，即正极材料尽量选取稳定性好的、隔膜选取机械强度大的。此外，一旦确定了正极材料，不同电芯企业在材料方面趋同度就已很高，材料的区别很难成为不同电芯品质差异的根本来源。
生产过程的质量控制水平是各家电芯企业差距的最主要来源，制造工艺的差异集中体现在产品一致性上。锂离子电池制造工艺复杂，工序繁多，包括合浆、涂布、辊压分切、制片、卷绕、组装、注液、化成和分容等。制造过程的各个工序都影响着电池的性能，各工序的误差累积是造成单体电池性能差异的主要来源。
锂离子电池制造过程复杂，每个工序的误差累计成最终电池性能差异，因此过程控制十分重要。对每个过程进行优化可提高产品一致性，其中影响较大的步骤包括电池浆料分散是否均匀、极耳、盖板等处的焊接质量以及注液过程的精度控制等。此外，采用自动化程度高及精度高的生产线，不仅可以提高劳动效率、改善工人劳动环境，还可以节约材料、降低能耗并且大大降低生产过程中由于人为接触造成的污染和人为操作的随机性导致的电池不一致，从而提升产品品质。总之，提高电池一致性从根本上要提高制造工艺水平。
电芯集成维度上提升安全性主要是提高电池管理系统的水平(BMS)。在电池组使用过程中遇到的不一致性问题，可以通过BMS对电池组状态进行控制，以抑制电池性能差异的放大。BMS可以准确估测SOC，进行动态监测，实时采集电池的端电压、温度、充放电电流，防止电池发生过充或过放现象，并对电池组进行均衡管理，使单体电池状态趋于一致，从而能在电池使用过程中改善电池组的一致性问题，提高其整体性能，并延长其使用寿命。
高镍化、大容量趋势增大安全隐患，车企决策更加审慎
国内的电池企业对于电池的物理性能尤其关注，目前展开竞争的热点仍在能量密度、快充以及循环次数上，对于降低产品价格目前并无特别有效的方法，对于安全性则较为忽略。随着电池正极材料逐渐向高镍三元切换，安全性将日益成为决定电池企业命运的关键力量。
不同组分的三元材料中，镍含量越高的材料，容量也越高，但其表面的碳酸锂和氢氧化锂杂质越不易控制，很容易出现杂质超标的情况，这些残留锂化合物主要是Li2O、LiOH〃H2O、Li2CO3等碱性物质，残留物越多，材料表面的PH值越大。碱性物质在空气中容易吸潮，导致材料表面和水反应，或使材料在调浆时黏度变大，或者将多余的水分带入电池中，造成电池性能下降。调浆黏度变大的原因是黏结剂PVDF团聚，使正极浆料黏度变大难以过筛，情况严重时浆料变果冻状，成为废料。
过量水被带入电池的后果更加严重，首先是消耗的锂盐增加，副反应增加，使电池内阻变大、自放电高、衰减快，而且还会伴随大量气体产生；电池内气体的产生会使软包电池发生账期、铝壳电池鼓壳、圆柱电池高度超标，严重时防爆阀开裂，导致电池失效等。过量的水还会和电解液反应生成氢氟酸，腐蚀电池内部的金属部件，造成电池漏液。当负极有锂析出时，析出的锂遇到水会发生剧烈反应，产生氢气和大量的热，引发严重的安全问题。水分超标的电芯在化成时会产生大量气体，研究发现，气体成分中氢气含量明显增大。此外，副反应产生的氟化氢气体不仅会与铝箔反应，还会和正极材料反应造成电池性能变差。
大容量也将导致电池系统的安全隐患增加。由于电池系统是由成百上千个电芯串并联而成，一个电芯出现过热起火就可能会导致整个电池系统发生热失控事故，对于方形和软包电池类似风险更加突出。随着电池系统容量的增加，在电芯安全系数不变的情况下，电池系统的事故风险将出现上升，因此车企在选择供应商时将更加审慎，务求在电芯维度上提高安全性，从而确保电池系统的安全系数。
其他方面，能量密度的重要性体现为它是提升电池性价比的关键点，但当前市场对于能量密度的过度追求是因为我国补贴政策的积极鼓励，由于电池能量密度与安全性本质上存在冲突，未来对于能量密度的追求将趋于理性。现阶段动力电池的需求仍由补贴驱动，其定价机制也由补贴强度控制。大容量电池对于电池的放电倍率和循环次数要求大为降低，高倍率的充电能力仍是电池发展的重点方向。
由于动力电池在这五大因素上呈现出差异，当前行业的首选竞争战略是差异化，预计龙头企业将迅速获得高份额，行业格局走向清晰。投资建议与投资标的尽管行业呈现阶段性过剩局面，安全性等要素将使得行业呈现高集中度的格局，龙头企业及其供应链企业值得重点关注。
