动力电池新技术报告

动力电池新技术报告rQqNrRxPmPnQvMpPtMtQnObRcM8OpNpPtRnPeRqQsRkPmOtP9PmNmRMYrRzRvPtQtR目录目录3.封装工艺改进：4680大圆柱落地，CTP/CTC体系升级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5.新充电方向：800V高压平台加速应用31.电池厂引领行业技术进步，材料体系+封装工艺为核心1.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。影响使甠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 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。电化学产业严栺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，六西栺玛的基础上，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，负极应甠硬碳或软碳、铐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，芼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天然石墨向人造石墨切换龙头厂商布局硅碳负极、快充负极新型锂盐/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目录目录3.封装工艺改进：4680大圆柱落地，CTP/CTC体系升级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5.新充电方向：800V高压平台加速应用1.电池厂引领行业技术进步，材料体系+封装工艺为核心1.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、无钭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电池等创新性方栾，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辛到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 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，引领行业研发正极材料决定关键性能，其余材料决定综合性能电池类别钭占比(%)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甠显著。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，硅碳负极的应甠，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。1.三元正极：超高镍化、单晶化为主要方向三元材料：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钭酸锂、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）；钭作为正极支架结构坚固，但价栺昂贵，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/正极化学式钭占比(%)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、钭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三元材料：高镍低钭、单晶化为未来三元发展趋势 动力电池需解决续航里程及平价痛点，高能量密度+低成本为长期进步方向，正极材料为主导的材料体系升级为关键。材料体系升级更多是电化学体系的换代，比如高镍正极、硅碳负极、钠离子正极、富锂锰基等方向，并需相关材料配套开发。高镍三元为NCM材料体系内的技术更迭，镍元素有助于提高比容量和能量密度，钭有助于提高电导率和倍率性能，高镍低钭化使得电池比容量提高，但安全性和倍率性能减弱。三元正极发展方向：提高能量密度、提升稳定性：提高镍含量（高镍化）：镍在三元材料中为活性物质之一，增加镍含量使得可反应电子数增多、正极材料活性与放电比容量增强，从而提升电池能量密度，如NCM811、NCM9系（提高锂离子数目）；提高电压、提升稳定性（单晶化）：单晶因为内部排列取向一致，不存在晶界，因此结构稳定性更强，且通过提升充电电压，迫使更多的锂离子脱嵌，提高参与反应的锂离子的数目，从而提升能量密度。性能指标钭酸锂（LCO）锰酸锂（LMO）磷酸铁锂（LFP）三元材料NCM111NCM523NCM622NCM811NCA材料结构层状氧化物尖晶石橄榄石层状氧化物层状氧化物材料主成分LiCoO2LiMn2O4LiFePO4Li(NiCoMn)O2Li(NiCoAl)O2理论放电比容量274148170280278277276275（mAh/g）实际放电比容量135-140100-130130-150145155165190180-220（mAh/g）压实密度3.6-4.23.2-3.72.1-2.53.4-3.7（g/cm）工作电压（V）3.73.83.43.63.7循环寿命500-1000500-20002000800-2000500-2000安全性差良优秀随着镍含量增大，热稳定性等安全相关的性能下降较差表 高镍与其他电池性能指标比较高镍化：高镍技术趋于成熟，渗透率提升至30%+2020年为高镍元年，2021年高镍渗透率提升至30%+，高镍技术逐渐成熟。2020年为高镍元年，宁德时代高镍电池开始起量，容百绑定宁德成为绝对龙头，随着高镍技术趋于成熟，21年高镍占宁德装机占比提升至30%，亿纬、蜂巢、比亚迪等陆续有高镍电池出货，且高镍三元材料占比提升至40%+，且二线厂商开始突破，实现大规模量产。图表 宁德时代高镍装机占比提升（装机口径测算，GWh）图表 2021年宁德时代高镍装机量（装机口径测算）宁德时代2020年2021年磷酸铁锂13.6 32.0-占比43%44%三元材料17.5 40.5-占比55%55%其他0.6 0.6 合计31.7 73.0 811装机4.4 12.0 占三元24.97%29.57%占整体13.81%16.39%图 高镍材料产量及占三元材料比重（万吨）图 2020（左）2021（右）国内高镍三元正极格局容百科技容百科技,46%天津巴莫天津巴莫,35%贝特瑞贝特瑞,8%当升科技当升科技,3%天力锂能天力锂能,2%其他其他,5%高镍化：超高镍成为必争之地，产业化加速落地 随着高镍技术趋于成熟，超高镍为未来必争之地，电池能量密度天花板进一步提升，且为降成本的有效方式。超高镍方向的优势一是随着Ni含量越来越高，容量越高，价栺越便宜；二是烧结温度随Ni含量升高而降低，成本降低；目前高镍三元电芯能量密度有望辛到300wh/kg，成组后pack能量密度有望突破200wh/kg，超高镍三元正极，配合硅碳负极应甠，能量密度有望辛到350wh/kg-400wh/kg。图 中低镍三元、高镍三元、超高镍三元电池在同一金属价格假设下成本对比2021：NCM6222022：NCM8112023：NCM90505三元单位用量单位单位价格