新能源汽车之动力电池技术趋势分析

请参阅最后一页的重要声明 证券 研究报告 · 行业深度研究 新能源汽车 产业趋势系列报告之一 :动 力电池， 能量密度 挂帅，技术进步 为王 新能源汽车实用化 的根本原因是动力电池 综合性能跨越基本需 求“门槛” 20 世纪末 -21 世纪初，以钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和多元金属 酸锂为正极活性材料，以石墨为负极活性材料，配合电解质（电 解液）和隔膜制成的锂离子电池在能量密度、倍率性能（快充快 放能力）、使用寿命（日历寿命、循环寿命）方面体现出了大幅 超过原有二次电池技术的性能。锂离子动力电池带来的超过 200km 的续航里程是新能源汽车实用化的基础。 我国新能源汽车产业发展 的 核心驱动力 是 以能量密度为代表的 动力电池技术 的 进步 我国新能源汽车产业 技术不断进步，成本逐步下降，整车产销保 持高增速 ，但续航里程相比于传统燃油车仍有差距。同时产业扶 持政策标准逐年提高，倒逼业界持续进行技术升级 。 我们认为， 电池能量密度是续航里程的决定性因素， 产业发展的核心驱动力 是以能量密度为代表的动力电池技术的进步 ；动力电池技术趋势 是沿着高电池单体 /系统能量密度的路径，综合 各类技术指标，进 行先有体系下 的技术迭代 。 锂离子动力电池活性物质：能量密度为主线，综合性能当兼顾 活性物质（正极、负极材料）是电池的核心部分，它直接决定电 池单体能量密度的理论上限。当前，正极 材料的发展趋势是三元 材料化、高镍化；负极材料的发展趋势是硅碳负极化。 锂离子动力电池辅助组元：使用需求渐提高， 辅助表现待强化 辅助组元（电解液、隔膜、封装）协助保证电池能量密度的实现 和综合性能的发挥。当前， 电解液的发展趋势是耐压阻燃，隔 膜的发展趋势是湿法涂覆，封装手段需结合电池系统能量密度区 分优劣。 前瞻性动力电池技术：能量密度预期高，中长期或有突破 前瞻性动力电池技术立足于高能量密度预期，包括富锂锰基电池 技术，锂硫电池技术，金属空气电池技术等。总体而言技术成熟 度还有较大进步空间。 投资建议： 我们推荐 享受优质动力电池供应红利的 整车企业上汽集团 、 比亚迪 ；建议关注 杉杉股份，当升科技，璞泰来，新宙邦，天赐 材料，创新股份，星源材质，国轩高科 等 。 （ 建议关注 标的由中 信建投证券电新组覆盖） 风险提示： 技术进步不及预期风险， 高性能产品扩产进度不及预期风险， 整 车安全性与事故风险，补贴退坡全行业业绩承压风险。 维持 买入 余海坤 yuhaikun@csc.com.cn 86451002 执业证书编号： S1440518030002 发布日期： 2018 年 05 月 21 日 市场 表现 相关研究报告 -11% -1% 9% 19% 20 17 /5/2 2 20 17 /6/2 2 20 17 /7/2 2 20 17 /8/2 2 20 17 /9/2 2 20 17 /10 /22 20 17 /11 /22 20 17 /12 /22 20 18 /1/2 2 20 18 /2/2 2 20 18 /3/2 2 20 18 /4/2 2 汽车 上证指数 汽车 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 目录 一、新能源汽车发展的根本原因是动力电池技术进步 1 二、我国新能源汽车产业发展关键趋势仍是动力电池技术进步 2 三、锂离子动力电池活性物质：能量密度为主线，综合性能当兼顾 6 1、正极材料：三元逐步替代铁锂，高镍期待规模生产 6 2、负极材料：石墨负极技术成熟，硅碳负极具挑战性 9 四、锂离子动力电池辅助组元：使用需求渐提高，辅助表现待强化 .11 1、电解液：面临能量密度压力，耐压阻燃迎接挑战 .11 2、隔膜：湿法涂覆搭配三元正极，综合性能要求系统全面 12 3、封装技术：圆柱方壳软包各有所长，系统能量密度参数更为关键 13 五、前瞻性动力电池技术：中长期或有突破 . 13 1、富锂锰基电池 技术：比容量电压双高，业界多点已布局 15 2、锂硫电池技术：正负极万众瞩目，技术难关盼跨越 15 3、金属空气电池技术：终极梦想，瑕瑜互见 16 投资建议： . 17 风险提示： . 17 图表目录 图表 1： 1881 年法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明的铅酸动力电池汽车 1 图表 2： 不同二次电池技术的综合性能对比 2 图表 3： 我国新 能源汽车产业发展阶段、特征和效果 . 2 图表 4： 我国新能源汽车历年产销量 3 图表 5： 我国新能源乘用车细分车型结构 3 图表 6： 2018 年新能源汽车（纯电 /插混）补贴标准变化 4 图表 7： 《节能与新能源汽车技术路线图》的技术指引 . 4 图表 8： 我国新能源汽车产量和增速估计 5 图表 9： 我国动力电池装机量和增速估计 5 图表 10： 典型新能源汽车成本拆分 6 图表 11： 典型正极材料比容量和对锂电压 . 7 图表 12： 典型 正极材料综合性能对比 7 图表 13： NMC 三元正极材料的层状结构 7 图表 14： NMC 三元材料中金属离子作用 8 图表 15： 典型 NMC 三元材料的容量和热稳定性 . 8 图表 16： 我国动力电池分正极材料装机量估计 9 图表 17： 典型负极材料性能对比 10 图表 18： 典型硅负极改性优化途径 10 图表 19： 含氟电解液体系浸润隔膜、阻燃效果明显 .11 图表 20： 隔膜的平面通孔结构和 3D 结构 12 图表 21： 圆柱、方壳与软包电池基本结构 13 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 22： 前瞻 性高能量密度动力电池材料体系的理论性能 . 14 图表 23： 固态电池基本结构示意 14 图表 24： 富锂锰基正极材料基本结构 15 图表 25： 锂硫电池的基本结构 16 图表 26： 金属（锂）空气电池的几种基本结构 16 1 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 一、新能源汽车发展的根本原因是动力电池技术进步 1881 年， 法国工程师古斯塔夫·特鲁夫 发明了以铅酸电池为储能装置的动力电池汽车（三轮车）。动力电 池汽车通常以电网作为直接能量来源，拥有较高的加速性能，使用过程中能量利用效率较高且无污染。但和燃 油 /油箱相比，核心储能装置动力电池以能量密度（质量能量密度 或称比能量 ，以 Wh/kg 计，下同）为代表的综 合性能严重不足，导致动力电池车在续航里程等方面相比于燃油车辆差距明显。在过去一百年时间里动力电池 车辆、技术和相关基础设施被燃油车辆、技术和相关基础设施及其强大的系统路径锁定能力全面压制。 图表 1： 1881 年法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明的铅酸动力电池汽车 资料来源：公开资料，中信建投证券研究发展部 一百多年以来，学术界、工业界持续探索、发展具有更高能量密度、更强综合使用性能的电化学可充电池 （二次电池）体系。 20 世纪末 -21 世纪初，以钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和多元金属酸锂为正极活性材料，以 石墨为负极活性材料，配合电解质（电解液）和隔膜制成的锂离子电池在能量密度、倍率性能（快充快放能力）、 使用寿命（日历寿命、循环寿命）方面体现出了大幅超过原有二次电池技术的性能。其能量循环效率高，安全 性不断获得改进，成本也不断降低。这一方面使得锂离子电池淘汰镍氢电池成为 3C 电池的标配，另一方面也意 味着锂离子电池可以作为动力电池汽车的核心储能装置，提供从未实现过的 200km 以上的续航，满足乘用车、 商用车的基本使用需求。 2 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 2： 不同二次电池技术的 综合性能对比 资料来源： Web of Science，中信建投证券研究发展部 二、我国新能源汽车产业发展关键趋势仍是动力电池技术进步 受制于“多煤、贫油、少气”的自然资源结构及燃油对外依赖度过高的能源安全隐患，受限于汽车工业起 步较晚和国际先进水平差距较大的产业状况，国家及时起步引导以锂离子动力电池汽车（纯电动汽车）为主体 的新能源汽车产业的发展。自 2009 年以来，从若干城市试点开始，继之以全国范围内逐步调整的补贴制度和“双 积分”配额制度 和多批《 新能源汽车推广应用推荐车型目录 》 ，我国初步实现了新能源汽车产业的跨越式发展： 技术不断进步，成本逐步下降，整车产销保持高增速。 图表 3： 我国新能源汽车产业发展阶段、特征和效果 时间 发展阶段 政策特征 实际效果 2009-2013 社会熟悉 高补贴低标准 技术初步验证和观念推广 政策要点 设定试点城市，设定公共服务领域，以续航里程为标准进行一次性定额补助动力电池车，燃料电池车直接按类 型给补贴无性能指标，要求企业有一定规模，电池三年保。 2013-2015 产业培育初期 高补贴提退坡 产业 从无到有 快速发展 政策要点 特大、大城市设定总量要求和增量比例要求，虽有补贴退坡但幅度削减给进场预期，除续航里程之外出现单位 载质量能量指标（客车）和电池容量指标，补贴预先拨付，充电服务费政府指导，鼓励充电设施地方补贴，鼓 励政府购买新能源车， 税收倾斜。 2015-2017 产业培育和升级 减补贴 抓骗补 产业 快速 发展同时规范程度加强 政策要点 按增量比例 /总量（有类型、续航的折算系数）财政切块奖补新能源发展良好的省市（最高可达 2 亿元）；补贴 退坡，技术门槛提高；落实主体责任严打骗补。 2017-2020 产业升级 减补贴推配额 产业快速发展发展并完善长效机制 政策要点 补贴退坡，技术门槛提高，“双积分”政策出台 ，税收继续倾斜。 资料来源：公开资料，中信建投证券研究发展部 Energy Safety CostLife Power 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 3 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 4： 我国新能源汽车历年产销 量 资料来源：中信建投证券研究发展部 新能源汽车产业体现出的对大规模可再生能源的良好兼容性，和持续消费升级的良好契合度，在汽车技术 方面“换道超车”的可能性，整车使用过程中几乎不存在污染的环保特征，以及与智能网联协同的广阔前景， 共同促使节能与新能源汽车位居《中国制造 2025》 10 个重点领域 （ 新一代信息技术、高档数控机床和机器人、 航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生 物医药及高性能医疗器械、农业机械装备 ） 之中。新能源汽车产业的发展已经成为我国的基本国策。 当前，以续航里程为代表的新能源汽车综合性能距燃油车仍有差距。 这一方面影响了用户的保有、出行体 验，一方面也阻碍了高等级新能源乘用 车的面世与畅销 ： 2015-2017 年，我国 A00、 A0 和 A 级车是新能源 乘用 车市场的主流， B 级车、 C 级车缺失严重 。 图表 5： 我国新能源乘用车细分车型结构 资料来源：公开资料，中信建投证券研究发展部 新能源汽车产业政策逐步提高技术门槛，倒逼产业升级：历次补贴调整均将车辆的续航里程置于核心位置， 且多述及能量密度技术指标 进行系数加权 ； 新能源乘用车积分和车辆续航里程直接相关 。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2015 2016 2017 新能源汽车年销量（万辆） 新能源汽车年产量（万辆） 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000 A00 A0 A B C 2015年 2016年 2017年 4 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 6： 2018 年新能源汽车（纯电 /插混）补贴标准变化 车辆类型 标准（补贴单位万元） 2017 年 2018 年 纯电动乘用车 纯电续航 80-150km 2 0 纯电续航 150-200km 3.6 1.5 纯电续航 200-250km 3.6 2.4 纯电续航 250-300km 4.4 3.4 纯电续航 300-350km 4.4 4.5 纯电续航 350-400km 4.4 4.5 纯电续航 400km 以上 4.4 5 插混乘用车 纯电续航 50km 以上 2.4 2.2 快充客车 车辆长度 6-8m 上限 6 4 车辆长度 8-10m 上限 12 8 车辆长度 10m 以上上限 20 13 度电补贴 0.3 0.21 非快充客车 车辆长度 6-8m 上限 9 5.5 车辆长度 8-10m 上限 20 12 车辆长度 10m 以上上限 30 18 度电补贴 0.18 0.12 插混客车 车辆长度 6-8m 上限 4.5 2.2 车辆长度 8-10m 上限 9 4.5 车辆长度 10m 以上上限 15 7.5 度电补贴 0.3 0.15 新能源货车专用车 补贴上限 15 10 度电补贴 0.15/0.12/0.10 0.085/0.075/0.065 资料来源：公开资料，中信建投证券研究发展部 2016 年， 中国汽车工程学会 《节能与新能源汽车技术路线图》发布。《路线图》对纯电动乘用车的续航里 程、动力电池单体和系统能量密度给出了明确的方向性指引。 图表 7： 《节能与新能源汽车技术路线图》的技术指引 实现年份 2020 年 2025 年 2030 年 续航里程 普遍目标 300km 400km 500km 电池单体能量密度 350Wh/kg 400 Wh/kg 500 Wh/kg 电池系统能量密度 250 Wh/kg 280 Wh/kg 350 Wh/kg 资料来源： 公开资料整理， 中信建投证券研究发展部 我们认为，我国新能源汽车产量将继续维持高增长；到 2020 年，可顺利实现“十三五”规划中新能源汽车 保有量 500 万辆的目标。 5 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 8： 我国 新能源汽车产量 和增速 估计 资料来源：中信建投证券研究发展部 纵观新能源汽车（纯电动汽车）发展历史、政策现状与技术规划并进行合理推断，我们认为，新能源汽车 产业发展的最大推动力在今后一段时间内的核心仍然是动力电池产业的“量变”与“质变”，而质变为王：“量 变”方面，动力电池装机量增幅将高于整车年销量增幅，成本仍将逐步下降；“质变”方面，动力电池技术发展 的趋势是沿着高电池单体 /系统能量密度的路径，综合考虑倍率性能、循环和日历寿命、成本和安全性等综合指 标，进行现行锂离子动力电池系统下活性物质（正极材料、负极材料）和辅助组元（电解质、隔膜 、封装）的 技术迭代，具备技术先进性的公司将深度受益于扶持政策红利、市场占有率提升和优质车型配套溢价； 享受优 质动力电池供应红利的整车企业 将持续协同受益； 新的电池技术体系需要在电池单体 /系统能量密度方面取得突 破，同时倍率性能、能量循环效率、循环和日历寿命、成本和安全性等综合技术指标在工业量产层面达标，方 可取代现行锂离子电池技术体系 。 图表 9： 我国动力电池 装机量和增速 估计 资料来源：中信建投证券研究发展部 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2016 2017 2018E 2019E 2020E 新能源汽车年产量（万辆） 新能源汽车年产量增速 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 0 20 40 60 80 100 120 2016 2017 2018E 2019E 2020E 动力电池装机规模（ GWh） 动力电池年装机规模增速 6 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 10： 典型新能源汽车成本拆分 结构单元 成本占比 电池系统 ~50% 其中电芯 ~50%*70% 其中正极 ~50%*70%*35% 其中负极 ~50%*70%*10% 其中电解液 ~50%*70%*10% 其中隔膜 ~50%*70%*15% 其他 ~50%*70%*30% 其中 BMS ~50%*10% 其中电机 +控制器 ~50%*20% 电空调 +转向 +刹车 ~10% 车身其他部分 ~40% 资料来源： 公开资料整理， 中信建投证券研究发展部 三、锂离子动力电池活性物质：能量密度为主线，综合性能当兼顾 活性物质是电化学储能系统的核心部分，它直接决定能量密度的理论上限。对锂离子动力电池而言，其活 性物质包括正极材料和负极材料两大组成部分，二者对电池能量密度的作用可由比容量（衡量“容纳”锂离子 的能力，通常以 mAh/g 计）和电压（用于计算锂离子在电极间运动的电势差，通常以对锂电压计）两个参数共 同决定：电极材料的比容量越高，正负极间电势差越大，则电池能量密度越高。为了获得高能量密度的电池单 体 /系统，高容量、高对锂电压的正极材料和高容量、低对锂电压的负极材料是研发应用的主线；为了保证电池 单体 /系统的实际应用效果，正负 极材料的综合性能也应当兼顾。 1、正极材料：三元逐步替代铁锂，高镍期待规模生产 正极材料是锂离子动力电池的关键组成部分，在锂电池的各个组元中成本占比最高；正极材料比容量相比 于负极材料普遍较低，所以对正极材料体系进行改良与革新是增加锂离子电池能量密度的关键手段。现有技术 成熟度相对较高的正极材料体系根据晶体结构不同可分为橄榄石结构的磷酸铁锂（ LiPO4/LFP），尖晶石结构的 锰酸锂（ LiMn2O4/LMO），和层状结构的锂 -金属氧化物（统一用 LiMO2 表示），含钴酸锂（ LCO），三元材料 镍钴锰酸锂（ NMC）与镍钴铝酸锂（ NCA）等。各种正极材料的容量和对锂电压有区别，综合性能也有所不同： NMC、 NCA 因为具有较大的比容量和较高的对锂电压而适宜制造高能量密度电池； LFP 具备功率、安全性和寿 命优势且成本较低，但较低的比容量和较低的对锂电压导致能量不足； LMO 在功率和价格方面有优势，但能量 和寿命短板较明显。 7 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 11： 典型正极材料比容量和对锂电压 图表 12： 典型正极材料综合性能对比 资料来源： Web of Science,中信建投证券研究发展部 资料来源： Web of Science,中信建投证券研究发展部 新能源汽车对电池系统能量密度和整车续航里程逐步提高的要求直接导致锂离子电池正极材料的结构从以 磷酸铁锂为主向三元材料占比提升过渡；三元材料体系内部也有类似的变化趋势。业界不断探索高比容量的三 元材料体系，制备工艺也从相对简单的固相法转向使得材料均匀性更好的各类其他可进行精确控制的工艺手段， 如将含相应金属离子的盐类配制成混合溶液，以共沉淀法、喷雾干燥法等制备前驱体，混合锂源后球磨煅烧等， 保证材料在微观尺度的形貌均匀性 和原子排布的规律性 ，最终有利于 材料的 综合性能。 图表 13： NMC 三元正极材料的层状结构 资料来源： Web of Science,中信建投证券研究发展部 NMC 三元材料中，不同的金属离子具有不同的作用：钴离子影响材料导电性，用于提高材料的倍率和循环 8 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 性能；锰用于稳定材料结构并提高安全性；镍在约 4.4V 电压以下充放电改变价态，用于提高材料的比容量。可 见，出于增加正极材料比容量并最终提高电池单体能量密度，以及降低原材料成本两方面因素考虑，增加镍含 量，减少钴和锰含量就成为业界研究 NMC 三元材料的重点，并形成了 Ni:Mn:Co 从 1:1:1，到 5:3:2（ NMC532）， 到 6:2:2（ NMC622），最终到 8:1:1（ NMC811）的发展路径。 图表 14： NMC 三元材料中金属离子作用 图表 15： 典型 NMC 三元材料的容量和热稳定性 资料来源： Web of Science,中信建投证券研究发展部 资料来源：中国知网，中信建投证券研究发展部 随着 NMC 三元材料中镍的占比逐步提升，材料比容量可上探至 200mAh/g 水平，但制备过程中 产品 容易吸 潮、对气氛敏感且烧结温度窗口较窄；最终材料的热稳定性劣化，循环寿命也有一定程度衰减。对此的改进方 式多为严格控制水含量、烧结气氛与温度等环境条件，并通过表面包覆改性、金属 /非金属元素掺杂和研究对应 电解液配方等手段尽量抑制高镍 NMC 三元材料循环过程中的离子混排、结构与形貌变化、电解液电极反应等 不利因素，最终获得高比容量且容量衰减较低、综合性能可接受的高镍 NMC 三元材料。 NCA 三元材料中 Ni:Co:Al 为 8.5:1.5:1。和 NMC 三元材料相比，镍、钴所起作用相似，铝取代锰用于稳定 材料结构。因为铝比锰更轻 ，故 NCA 三元材料实际比容量和电池单体能量密度略高于 NMC 三元材料。但 NCA 三元材料除容易吸潮、对气氛敏感外，其烧结温度较低且温度窗口窄，前驱体共沉淀条件更为苛刻。所以 NCA 三元材料的生产需严格控制水含量、烧结气氛与温度等环境条件，使用利于低温烧结的氢氧化锂作为锂源。 NCA 三元材料循环过程中的离子混排、结构变化、电解液电极反应等导致材料容量衰减、降低安全性的不利因素同 样存在，所以表面包覆改性、金属 /非金属元素掺杂和研究对应电解液配方等技术手段也 非常重要。 9 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 16： 我国动力电池 分正极材料 装机量 估计 资料来源 :高工锂电，起点研究 ， 中信建投证券研究发展部 我们认为，动力锂离子电池 正极材料 CR8 在 40%到 50%之间，市场集中度将提升 ；未来一段时间内，三元 材料将继续提高其总量和市场份额；短期内 NMC532 是三元材料的主流， 2018-2020 年 NMC622 占比 将 大幅提 高；鉴于 NMC811 和 NCA 相对较高的技术研发门槛和大规模量产 难度 ，我们中性预计 NMC811 和 NCA 二者 市占率爆发的时间点约为 2020 年。 2、负极材料：石墨负极技术成熟，硅碳负极具挑战性 负极材料也是锂离子动力电池的关键组成部分。现有技术成熟 度相对较高的负极材料体系包括各种碳材料 （天然 /人造石墨，软碳 /硬碳，中间相碳微球）和钛酸锂等。 各类碳材料的对锂电压较低，比容量可达 370mAh/g，导电性好，也较安全。综合考虑倍率性能、首次循环 容量衰减、成本因素和技术成熟度后，石墨类材料脱颖而出，成为最广泛应用的锂离子动力电池负极材料，用 量长期占据 90%以上的市场份额。 钛酸锂的比容量约 160mAh/g，对锂电压约 1.5V，相应动力电池的能量密度较低，成本较高。但其安全性 非常好，循环寿命高，倍率性能强，故适合用在快充细分领域中。 0 20 40 60 80 100 120 2016 2017 2018E 2019E 2020E 磷酸铁锂（ GWh） NMC1:1:1（ GWh） NMC532（ GWh） NMC622（ GWh） NMC811（ GWh） NCA(GWh) 其他 10 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 17： 典型负极材料性能对 比 资料来源 :Web of Science,中信建投证券研究发展部 新能源汽车对电池系统能量密度和整车续航里程逐步提高的要求使得高比容量、较低对锂电压的硅材料（理 想状态下完全嵌锂后形成的 SiLi4.4 比容量可达石墨 10 倍）进入负极材料的应用视野。但完全嵌锂 /完全脱嵌状 态下晶体硅的体积变化达 300%以上，远远超过完全嵌锂 /完全脱嵌状态下石墨的体积变化 10%。这导致了硅负 极颗粒的破碎、粉化，使得不可逆容量增加并严重影响电池的循环寿命和安全性。 为了解决上述问题，研究者多采用纳米化、形成复合结构、掺杂与表面包覆、开发合适的电解液和粘结剂 等手段对硅单质 /氧化亚硅负极进行改性。实际应用过程中以各种途径进行硅碳复合是最具可行性的方案。如特 斯拉 Model 3 使用的松下 2170 电池的活性物质即包含了 NCA 正极和硅碳负极，负极的硅含量约为 10%，容量 约为 550mAh/g。 图表 18： 典型硅负极改性优化途径 资料来源 : Web of Science,中信建投证券研究发展部 11 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 我们认为， 动力锂离子电池负极材料 CR8 在 80%以上 ，龙头优势明显； 石墨负极在今后一段时间内仍将是 应用 主流； 在高性能硅碳负极量产方面率先取得突破的公司有望深度受益。 四、锂离子动力电池辅助组元：使用需求渐提高， 辅助表现待强化 辅助组元是保证电化学储能系统正常发挥功能的其他组成部分。对锂离子动力电池而言，辅助组元包括电 解液、隔膜和封装等部分。电解液使内电路保持锂离子导通和电子绝缘状态，在充放电过程中保证形成闭合回 路；隔膜阻止正负极的直接接触防止短路；封装决定电池的内部实际结构并影响电池成组方式。高能量密度的 电池单体 /系统发展趋势对动力电池辅助组元也提出了更高的技术要求：一方面 需要满足正负极更加苛刻的使用 环境，一方面需要减少不必要的体积和质量。 1、 电解液：面临能量密度压力，耐压阻燃迎接挑战 锂离子电池所用的 常见 电解液由溶质六氟磷酸锂和非水溶剂多元 环状链状 酯类等成分组成， 且包含多种 添 加剂。电解液 在电池系统中承担充分润湿电极活性材料和隔膜，辅助形成电机活性材料表面的固体电解质界面 膜，保持锂离子导通和电子绝缘状态，在充放电过程中构建闭合回路的重要作用。电解液采用非水溶剂体系的 主要目的是其分解电压远高于水的理论分解电压 1.23 伏和实际分解电压 1.70 伏，与锂离子电池正负极活性物质 的电势 差匹配更好。 正负极活性物质间的电势差增高趋势对电解液的发展造成了较大挑战。常规碳酸酯 体系 电解液在电压超过 4.5V 时会在高氧化性正极材料表面发生不可逆分解，造成界面极化增大、电池胀气等不良现象，影响电池的能 量循环效率、倍率性能、寿命与安全性，这要求电解液材料体系向高耐压方向发展。另外，高镍三元正极材料 的热稳定性相对不足，对过充电、热冲击等热行为抵抗能力较弱，这要求电解液材料体系向高阻燃方向发展。 图表 19： 含氟电解液体系浸润隔膜、阻燃效果明显 资料来源 :中国知网， 中信建投证券研究发展部 高耐压方面，解决方式主要是向电解液体系中添加可协助正极表面钝化膜形成的添加剂成分，尤其是添加 抑制高镍三元材料和电解液发生不可逆反应的成分，包括多种草酸根锂盐，磷酸酯，磺酸酯等。但不同的添加 剂在正极表面形成的钝化膜的厚度、电阻率有所不同，电池最终的容量损失、自放电情况也有区别。高阻燃方 12 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 面，磷酸酯、卤代酯 /醚等作用较明显，但不同的添加剂可能也面临电解液粘度增加，电导率降低等问题。电池 单体的高能量密度趋势需要有关企业不断改进电解液配方，使得电解液在耐压、阻燃方面发挥作用。 我们认为， 动力锂离子电解液 CR8 约 80%，龙头优势明显； 电解液行业内具备耐压、阻燃配方技术优势和 成本优势，产品可有效配套高比容量正负极活性材料的企业将受益。 2、 隔膜：湿法涂覆搭配三元正极，综合性能要求系统全面 锂离子电池所用的隔膜多为聚烯烃类材料（ PP、 PE），纤维素、聚偏氟乙烯（ PVDF）、聚酰亚胺等材料体 系也有研究者涉及。为了发挥高效阻隔正负极材料并允许电解液通过的作用，隔膜需具备锂离子电池体系内的 化学稳定性，在工作电压窗口内不参加各类反应的电化学稳定性，以及在较高温度以内不熔融且收缩较小的热 稳定性。隔膜材料还应保证吸液能力且不显著溶胀，可 被电解液浸润，具备一定强度。此外隔膜材料的厚度应 尽可能薄，以提高电池单体的活性物质质量 /体积分数，增加电池单体的能量密度。 隔膜材料根据成膜工艺的不同可分为干法和湿法两类。干法工艺将 PP/PE 原料高温成膜后退火，以单向或 双向拉伸方式获得微孔膜；湿法工艺将成孔剂小分子和 PE 原料混合，挤出加热至接近熔融后流延降温使 PE 成 膜并和成孔剂相分离，经异步 /同步拉伸后萃取分离出成孔剂，获得微孔膜。 图表 20： 隔膜的平面通孔结构和 3D 结构 资料来源 :中国知网， 中信建投证券研究发展部 相比于干法隔膜，湿法隔膜生产成本更高，热稳定性也较差。但是湿法隔膜厚度更薄，孔隙率和孔隙均匀 性更好，拉伸强度更大，浸润电解液的能力更强。在湿法隔膜表面涂覆氧化铝、二氧化硅、聚偏氟乙烯、芳纶 等单一 /复合材料后，隔膜化学稳定性、热稳定性、机械强度、浸润电解液能力、倍率性能和循环寿命均可得到 强化。尽管生产工艺过程对涂布设备、环境气氛和原材料要求较高，但湿法涂覆隔膜是和三元正极材料匹配程 度最佳的隔膜，在高镍三元正极材料蓄势待发的背景下也是能够最好地保证电池单体综合性能的隔膜。 我们认为， 未来 湿法涂覆隔膜将 和三元正极 材料协同， 大幅提升市场占有率 ，但 技术路径确定性强，难度 相对较低， 多家公司的扩产计划使得行业竞争激烈程度增加 。 具备技术优势，可生产 综合性能较高的隔膜基体， 并选择合适涂覆材料体系类型，保证涂覆均匀性，降低 隔膜 厚度的公司将深度受益。 13 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 3、封装技术：圆柱方壳软包各有所长，系统能量密度参数更为关键 正负极活性材料、电解液和隔膜组成了电池的基本内部结构单元。将若干结构单元封装，即可获得动力电 池单体。当前动力电池单体的封装类型主要包括圆柱、方壳和软包三种，封装类型不同的电池单体特性也有较 显著的区别。 圆柱电池是指采用圆柱 形金属壳体、卷绕工艺制成的外形标准化电池，特斯拉电动车采用的 18650、 2170 电池即为圆柱电池。圆柱电池卷绕工艺相对成熟，电池一致性容易保证，生产成本也较低。另外，圆柱电池成 组方案简单，利于实现较精确的电池包温度控制。 方壳电池是指采用方形金属壳体，以卷绕或叠片工艺制成的外形定制化电池，大量国内新能源车企采用方 壳电池制成电池包。相比于圆柱电池，方壳电池结构简单，空间利用率高，单体能量密度高。但方壳电池因为 型号多工艺也难于统一，一方面一致性不及圆柱电池，一方面成组方案相对复杂对热管理要求高。方壳电池单 体内部 的理化环境较复杂，长期使用性能退化相比于圆柱电池也更明显。 软包电池以包含高分子外阻层、铝箔阻透层和高分子内层的铝塑复合膜取代方壳电池的壳体，故其电池单 体的能量密度高于方壳电池；无刚性结构约束意味着电池出现安全问题时容易胀气而不易爆炸，且设计非常灵 活，可定制性强。但软包电池的一致性比方壳电池差，有漏液的风险。另外，软包电池往往需要其他刚性结构 提供力学性能，故其单体能量密度优势在形成系统过程中会有部分程度损失。 图表 21： 圆柱、方壳与软包电池基本结构 资料来源：公开资料整理，中信建投证券研究发展部 圆柱、方壳和软包动力电池各有特点，均有望生产出高质量的动力电池包。我们认为， 电池单体的能量密 度很重要，而 电池最终成组后的系统能量密度和综合性能是决定三者未来 市场占有率 的关键因素 ；动力电池企 业 CR8 接近 70%，正极、负极、电解液、隔膜与封装协同决定电池单体乃至系统能量密度和综合性能的重要性 提升，所以龙头集中趋势仍然明显 。 五、前瞻性动力电池技术：中长期或有突破 正如现有锂离子电池技术取代铅酸电池技术应用于电动车，其他可能成为动力电池的材料技术体系也在持 续研发并取得进展，期待有朝一日取代现有锂离子电池技术。一方 面，“挑战者”技术需具备非常高的单体和系 14 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 统能量密度；另一方面，鉴于锂离子电池的综合性能在二次电池中相当均衡，“挑战者”技术也不能在其他技术 指标上明显落后。 为了保证高能量密度上限，“挑战者”技术的活性材料包含高容量、电压正极材料，高容量、低电压负极材 料中的一种或两种；为了发挥高能量密度并维持综合性能，除了对活性材料进行各种改性优化外，辅助组元电 解质也衍生出了各类液态（搭配隔膜）、固态材料体系。 图表 22： 前瞻性高能量密度动力电池材料体系的理论性能 资料来源 :Web of Science,中信建投证券研究发展部 通过技术特征区分，前瞻性动力电池技术包括富锂锰基正极技术，锂硫电池技术，以锂空气电池技术为代 表的金属空气电池技术。从中长期时间尺度看，新一代动力电池技术或有望在上述三种电池技术中诞生，最终 技术成熟判别标准应为搭载新型动力电池的乘用车 /商用车实现多车综合工况长时间试运营。 图表 23： 固态电池基本结构示意 资料来源 :Web of Science,中信建投证券研究发展部 15 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 1、富锂锰基电池技术：比容量电压双高，业界多点已布局 富锂锰基电池技术是以 xLi2MnO3•(1-x)LiMO2 富锂锰基固溶体为正极的电池技术， M 可为锰、钴、镍、铁 等过渡金属元素。富锂锰基固溶体可通过固相法、共沉淀法、溶胶 -凝胶法、喷雾干燥法和水热法等传统无机非 金属粉体工艺合成，比容量可达约 300mAh/g，首次循环对锂电压可达约 4.8V，均超过 NMC811/NCA 等高镍三 元正极材料。富锂锰基固溶体具有良好的环境相容性和较低的材料成本；鉴于相应电池可以使用石墨 /硅碳复合 材料 作为负极，其和现有锂离子电池技术体系兼容性也较好。富锂锰基电池技术有望获得超过 400Wh/kg 的单 体能量密度。 图表 24： 富锂锰基正极材料基本结构 资料来源 : Web of Science,中信建投证券研究发展部 富锂锰基正极材料的主要问题在于电导较低且结构稳定性差循环过程中容易发生离子混排和相变，故其首 次循环容量退降，倍率性能较差，导电性较差，电压降较严重，且对锂电压较高也导致难于选择合适的电解液。 鉴于此，颗粒纳米均一化、体相掺杂改性、表面处理与包覆改性、高压电解液匹配和固体电解质研发等成为富 锂锰基电池技术的主要 发展 方向。 多家高校 /研究机构 /企业在富锂锰基正极材料方面投入研发、取得了一定进展。如中科院宁波材料研究所研 发富锂锰基固溶体、导电剂、高电 压电解液和隔膜等材料体系；江苏清陶能源投资 3 亿元建设年产 1800 吨锂离 子固态电解质陶瓷材料和 1200 吨富锂锰基正极陶瓷材料的产线等。 2、锂硫电池技术：正负极万众瞩目，技术难关盼跨越 锂硫电池技术是指以金属锂为负极，以非金属硫为正极的电池技术。 电池充放过程中，锂离子往返于正负 极之间，单质硫和多硫化锂互相转化。 鉴于金属锂的强还原性和非金属硫的较强氧化性，锂硫电池活性物质的 理论能量密度甚至可 接近 燃油水平。 16 行业深度研究 报告 汽车 请参阅最后一页的重要声明 图表 25： 锂硫电池的基本结构 资料来源 : Web of Science,中信建投证券研究发展部 锂硫电池存在的问题相对较多，包括金属锂在循环过程中的形貌改变，金属锂和电解液的不可逆反应，非 金属硫在循环过程中的副反应和“穿梭效应”等，这导致了电池的容量衰减较严重、倍率性能较低、循环寿命 较低、安全性不足、自放电较显著等问题。鉴于此，正负电极改性、电解液 /固态电解质材料体系设计和电池结 构单元设计等方面工作都有研究者涉及。总体而言，锂硫电池技术成熟度较低。 3、金属空气电池技术：终极梦想，瑕瑜互见 金属空气电池是指以金属单质（以锂为代表）为负极，以空气