动力电池新技术专题：锂电技术升级加速，新趋势新机遇.pdf

锂电技术升级加速，新趋势新机遇-----动力电池新技术专题证券分析师 ：曾朵红联系人：阮巧燕/陈瑶/柴嘉辉/岳斯瑶/谢哲栋/郭亚男/刘晓恬/胡佳怡执业证书编号：S0600516080001联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn联系电话：021-601997982022年3月23日证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业1锂电技术升级加速，新趋势新机遇◆2022年锂电技术为重要方向，龙头引领技术升级，龙头优势进一步提升。2022年原材料价格高企，锂电成本压力大，技术创新为降本手段。宁德时代围绕电池能量密度、快充、安全、成本，从电化学体系升级和结构创新两方面布局，技术储备深厚，支撑后续全球份额持续提升。我们预计从材料体系升级+封装形式改进两方面来看， 2022年技术进步加速，超高镍+锰铁锂+硅碳负极+碳纳米管+LIFSI等材料加速渗透，4680大圆柱2022年装机交付，远期规划庞大，2023年钠离子电池等新型电池技术也有望落地，带动行业结构性需求增量。◆电化学体系升级以正极为核心，超高镍化与锰铁锂化为趋势。三元高镍化大势所趋，2021年份额已提升至40%，且2H22海外车企纯电动化平台推出，高镍占比提速。23年超高镍正极将大规模量产，电池端宁德、材料端容百率先布局。磷酸锰铁锂为磷酸铁锂升级方向，具备铁锂优势同时，可提升能量密度20%，但导电性差、工艺难，壁垒高，目前电池端宁德、材料端德方进展较快，我们预计2023年上半年大规模量产，此外宁德时代提出M3P新技术路线，我们预计成为未来新方向。同时正极升级将带动配套的负极（高电压、硅基化）、电解液（新型锂盐添加剂）、隔膜（轻薄化）、铜箔（轻薄化、PET新技术）、导电剂（碳管占比提升）。◆结构体系创新以大容量、高集成化为趋势，4680电池、CTP/CTC技术及刀片电池为主要方向。结构创新以大容量、高集成为核心，4680、CTP、CTC等为方向；4680大圆柱电池2022年Q1特斯拉已成功量产落地，大圆柱将带动高镍正极+硅碳负极+碳纳米管导电剂+大圆柱结构件+新型锂盐需求。CTP技术无模组化，可提高能量密度20%、降本10%，2021年宁德、比亚迪已成熟推广，宁德时代CTP3.0、4.0技术开发中，将推动电池能量密度进一步提升。CTC有望2025年量产，增强电池企业对整车厂话语权。◆钠电池技术已成熟，宁德时代2023年大规模生产，固态电池技术成熟仍需5-10年。新电池技术路线方面，钠电池稳步推进，短期为补充，半固态固态为长期方向。钠离子电池成熟后较锂电池成本优势凸显，将应用于储能等领域，为锂电补充，且在碳酸锂价格高企情况下，钠离子电池推进加速，宁德时代预计2023年大规模生产。半固态、固态电池为下一代锂电技术方向，目前仍处于实验室阶段，我们预计2030年后技术有望成熟，龙头均抢先布局。◆投资建议：电动车估值已回落至底部，22年高景气度延续，龙头业绩我们预计维持80-100%高增，继续全面看多电动车龙头，第一条主线看好22年盈利修复的电池环节，长期格局好，叠加储能加持，推荐龙头宁德时代、亿纬锂能、比亚迪，关注欣旺达、蔚蓝锂芯，第二条主线为电池技术升级，高镍三元（推荐容百科技、华友钴业、中伟股份、当升科技）、结构件（推荐科达利）、锰铁锂（推荐德方纳米，铁锂环节关注富临精工、龙蟠科技）、添加剂（推荐天奈科技）；第三条为持续紧缺的龙头：隔膜（推荐恩捷股份、星源材质）、负极（推荐璞泰来，关注贝特瑞、中科电气、杉杉股份）、电解液（推荐天赐材料、新宙邦）、铜箔（推荐诺德股份、关注嘉元科技）；第四条：锂紧缺和价格超预期，关注赣锋锂业、天齐锂业、永兴材料、融捷股份、盐湖股份、西藏矿业、天华超净等。◆风险提示：价格竞争超预期、原材料价格不稳定，影响利润空间、投资增速下滑、疫情影响2目录3.封装工艺改进：4680大圆柱落地，CTP/CTC体系升级2.材料体系升级：正极为核心，超高镍与锰铁锂为趋势4.其他技术路线：钠离子电池、固态电池等5.新充电方向：800V高压平台加速应用6.投资建议及风险提示31.电池厂引领行业技术进步，材料体系+封装工艺为核心锂电技术持续升级，电池龙头引领行业发展◆ 电池技术指标安全性为基石，高能量密度、高倍率性能为主要发展方向。•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。•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•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。•循环次数。影响使用年限和里程•倍率性能。影响充电时间，与负极克容量、倍率密切相关图 各环节主要指标数据来源：GGII，东吴证券研究所测算4◆ 8-10年内依旧在现有电化学体系内持续升级，龙头引领行业发展。电化学产业严格意义上属于配方试错中平缓发展的行业，需要底层的长期试错积累。因此过去30年锂电池的基础体系基本保持。我们判断未来8-10年目前的电化学体系我们预计不会发生颠覆性改变，目前电池企业所触及的技术布局仍将存在延续性。电池龙头公司引领全行业技术发展。◆ 龙头公司技术进步的四大创新体系：材料体系创新、系统结构创新、极限制造创新、商业模式创新。材料体系创新，需要深入地理解材料内禀性质及其界面性质，帮助材料体系实现根本创新；系统结构创新，包括CTP、CTC等，主要是通过优化系统，实现系统能耗降低、效率提高、成本降低；极限制造创新，六西格玛的基础上，产品缺陷率由PPm级（百万分之一）做到PPb级（十亿分之一），同时保障全生命周期的可靠性。图 材料体系创新、系统结构创新、极限制造创新数据来源：宁德时代公众号，东吴证券研究所测算5锂电技术持续升级，电池龙头引领行业发展关注电池技术升级带来结构性增量圆柱：大圆柱+CTC2018201920202021202220232024材料体系升级三元正极高镍/单晶化811体系龙头厂商先行龙头产品成熟，二线开始追赶产品大规模替代封装工艺改进龙头厂商先行，铁锂率先应用铁锂CTP成熟，三元CTP推广，二线厂商追赶CTC开始发展，龙头厂商先行实验锂电池其他路线技术变革固态电池钠离子电池固态电解质替代电解液、隔膜正极替换为钠离子体系，负极应用硬碳或软碳、铝箔替代铜箔龙头布局锰铁锂 龙头产品落地铁锂正极高压实/锰铁锂方向方形：CTP/CTC高压实密度方向，草酸亚铁法特斯拉提出大圆柱概念大规模量产负极掺硅补锂龙头厂商布局硅碳负极、快充负极天然石墨向人造石墨切换新型锂盐/碳纳米管导电剂产品渗透率逐渐提升刀片电池特斯拉及海外供应商实现大规模量产21700+大模组方案国内电池厂落地二代刀片电池大规模量产三代软包+铝壳方案发布刀片电池产品渗透率提升6数据来源：GGII，东吴证券研究所目录3.封装工艺改进：4680大圆柱落地，CTP/CTC体系升级2.材料体系升级：正极为核心，超高镍与锰铁锂为趋势4.其他技术路线：钠离子电池、固态电池等5.新充电方向：800V高压平台加速应用6.投资建议及风险提示71.电池厂引领行业技术进步，材料体系+封装工艺为核心材料体系创新：电池龙头高算力平台推动材料体系发展◆ 数字化研发平台开发新材料、改性传统材料，推动电芯能量密度进一步提升。宁德持续打造全球领先的数字化研发平台，将大数据、云计算和人工智能，都嵌入到电池研发，实现理性设计，大大加速了我们在钠离子电池、锂金属电池、无钴无贵金属电池等新化学体系方面的研发进程。同时基于密度泛函理论的第一性原理，通过高通量计算精准定位出全新掺杂元素，将其嵌入传统材料，实现现有材料的全面改性升级，使得工作电压、能量密度等指标进一步提升。◆ 新材料体系方面，宁德推出钠离子电池、M3P电池等创新性方案，成为传统锂离子电池的有效替代，同时通过在传统高镍三元+负极体系内做掺杂改性，超高镍+硅碳负极体系能量密度有望达到350-400wh/kg，磷酸铁锂中掺杂锰元素提高能量密度，全面推动上游正负极等锂电材料的技术迭代。图 材料体系创新-新型材料体系图 材料体系创新-现有材料体系升级数据来源：宁德时代公众号，东吴证券研究所测算8◆ 宁德专利全面覆盖，推动行业发展。2018-2021年公司累计获得专利5000+项，其中模组、pack层面的专利最多，接近25%；另外对上游正极、负极、电解液、隔膜、设备、结构件等均有广泛布局，合计专利数接近1605项，占比32%。同时宁德时代在新技术均有长期布局，包括补钠、无负极电池、固态电池等等。材料体系创新：宁德专利覆盖各个环节，引领行业研发9正极材料决定关键性能，其余材料决定综合性能电池类别 钴占比(%)比容量(mAh/g)能量密度(Wh/kg)循环寿命安全性低温性能 快充性能 生产门槛磷酸铁锂0170170-200 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐NCM33318.3145170-180 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐NCM52312.2160190-210 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐NCM62212.2170220-240 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐NCM8116.1190280-300 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐NCA9.2190280-300 ⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐⭐图表：正极材料升级：各类电池性能指标对比图表：正极材料决定关键性能，其余材料决定综合性能◆ 正极材料决定电池关键性能，正极材料技术升级。动力电池产品性能由材料共同决定，不同的材料形貌、组合将得到不同性能的电池，其中电芯质量能量密度取决于正极克容量、负极克容量、以及正负极电势差，提升正负极克容量、电势差可直接提升能量密度，且由于正极材料克容量普遍低于负极，因此改变正极性能对于电池能量密度提升作用显著。◆ 超高镍三元、磷酸锰铁锂为正极方向，硅碳负极+LIFSI+碳纳米管等渗透率提升。材料体系升级更多是电化学体系的换代，超高镍通过提升比容量，锰铁锂通过提升电压，有效提升电池能量密度，并需相关材料配套开发，硅碳负极的应用，LIFSI、碳纳米管等材料渗透率的提升，将有效提升电池综合性能。数据来源：GGII，东吴证券研究所10数据来源：GGII，东吴证券研究所1. 三元正极：超高镍化、单晶化为主要方向11三元材料： 能量密度高于铁锂，符合长续航需求◆ 三元材料兼备高能量密度、高电压平台、相对较低的成本，成为正极材料的主流。常见的锂离子电池正极材料有层状钴酸锂、橄榄石结构磷酸铁锂、尖晶石结构的锰酸锂以及层状三元材料，三元层状金属(Co, Mn, Ni/Al等)氧化物(LiNi1-x-yCoxMnyO2)以其高理论比容量(>250mAh/g)及较高工作电压(~3.65 V)的特点，成为正极材料的主流。但三元材料随着镍含量的提升，热稳定性会降低，安全性较差于铁锂。◆ 三元正极三种金属元素作用：根据Ni、Co、Mn三种元素比例的不同，可以分为523、622、811型。镍为电池活性元素，提升电池能量密度的关键（能量密度）；钴作为正极支架结构坚固，但价格昂贵，并对环境造成污染（循环性能） ；锰/铝提高材料的导热性，是热稳定性关键（安全性）。产品/正极化学式钴占比(%)比容量(mAh/g)能量密度(Wh/kg)优点缺点NCM333电池(LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2) 18.30145170-180能量密度、循环性、安全性相对均衡首次充放电效率低、放电平台低NCM523电池(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2) 12.20160190-210 较高比容量、热稳定性好倍率、循环、自放电等性能平衡性差NCM622电池(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 12.20170220-240 加工性能好、低温易于烧结 循环性能较差NCM811电池(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 6.10190280-300 能量密度高、钴含量较低烧结条件苛刻、不稳定NCA电池(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)190280-300 高能量密度、低温性能好安全性能差、生产技术门槛高表 不同配比的三元电池性能图 三元材料的层状结构12数据来源：GGII，东吴证券研究所数据来源：GGII，东吴证券研究所...