2020年中國動力電池行業電芯成本解析市場降本驅動產業研究報告（33頁）.docx

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1、2020 年深度行業分析研究報告目 錄提升帶電量解決多數問題，電池成本決定汽車電動化前景5電池系統成本是撬動汽車電動化的支點5帶電量是電池系統最具決定意義的指標6降低電芯成本是電池系統降本的核心任務7電芯成本解析：原材料成本占 9 成，非活性物質比例較大8參數設計：定制化特征明顯，容量提升推進電芯標準化設計8生產流程還原：批次與節拍工序交錯，質量控制是難點10方形卷繞電池：正極材料是降本最大來源，其他措施集腋成裘11降本之路知易行難，技術能力是核心驅動13材料在比容量與安全性之間走鋼絲14高鎳正極：只有龍頭能駕馭的降本利器14硅負極：極具性價比的降本良方16設計螺獅殼里做道場，工藝優化無止境1

2、8卷繞改疊片：有效提升群裕度，生產效率是主要阻礙18大尺寸電芯：提效降本一舉多得，工藝水準決定成果20非活性材料減量：降本累積效果明顯，削減冗余設計增加安全隱患21過程能力質量/一致性決定市場份額，良品率拉開成本差距23定性：多材料/工序非線性耦合而成的流程型制造業，復雜度極高23一致性是獲得市場份額的前提，決定了過去三年國內格局24突破質量、成本、效率(制造周期)不可能三角，是行業強者恒強的根源265M1E 分析：工藝（Method）與環境（Environment）是拉開質量差距的決定因素 28總結與投資建議：龍頭推動成本下降，行業集中大勢所趨31降本目標并非遙不可及，成本下降依賴技術沉淀3

3、1品質、規模、成本形成正反饋，降價壓力加速市場集中度提升32投資建議：電池格局繼續集中，建議關注電池龍頭及其生態圈3333圖表目錄圖 1：上汽集團關于電動車與傳統車 TCO 變動趨勢預估5圖 2：主要參數變化 10%導致的續航里程彈性統計6圖 3：帶電量較低時續航里程與電池容量呈近似線性關系6圖 4：蔚來 ES 8 電池系統構造及成組率拆解7圖 5：孚能軟包電芯占系統成本(元/Wh)比重在 70%以上8圖 6：普萊德方形電芯占系統成本比重接近 80%8圖 7：鋰電池參數設計流程圖9圖 8：給定容量要求的電池設計分析思路10圖 9：鋰離子電池生產流程10圖 10：148/91/27 規格方形 6

4、22 電芯重量構成12圖 11：148/91/27 規格方形 622 電芯成本構成12圖 12：影響電芯成本的各項因素彈性測算13圖 13：2018 年以來四大材料的價格降幅顯著趨緩13圖 14：高鎳材料具備更高的容量密度，但熱穩定性和首次庫倫效率較差15圖 15：高鎳正極材料商業化應用需要克服一系列伴生問題16圖 16：不同比例硅碳負極相對石墨負極容量的提升17圖 17：疊片電芯內部堆積更加平整，填充度更高19圖 18：寧德時代采用大電芯/模組提升系統成組率21圖 19：非活性材料減量對于能量密度（Wh/kg）提升和成本（元/Wh）下降有顯著效果22圖 20：國內三元電池出貨情況(MWh)及

5、龍頭份額統計26圖 21：國內磷酸鐵鋰電池出貨情況(MWh)及龍頭份額統計26圖 22：鋰電池從接受訂單到產品交付質量損失來源統計圖26圖 23：化成分容廠房面積(內圈)和成本(外圈)占比較高28圖 24：2016 年寧德時代固定資產周轉率遠高于競爭對手28圖 25：國內動力電池產能產量（GWh）及產能利用率統計28圖 26：鋰電池參數設計流程圖29圖 27：降本措施達到理想狀態可推動電芯成本下降近 30%31圖 28：三類電池企業成本項拆分（元/Wh）33圖 29：國內一二線電池企業成本差異解析（元/Wh）33表 1：60kWh 電池系統在續航里程、放電倍率、循環次數、快充等方面具備全面優勢

6、7表 2：不同電動汽車電池的平均功率/能量比8表 3：電芯化學參數假設11表 4：方形卷繞電芯重量拆分12表 5：高鎳三元正極材料比容量提升明顯14表 6：不同正極材料 pH 值和表面殘余鋰（典型值）16表 7：硅負極比容量優勢明顯，但結構不穩定16表 8：貝特瑞和江西紫宸硅碳負極產品參數統計17表 9：卷繞與疊片工藝優缺點比較19表 10：鋰電池在消費電子和汽車應用的典型差異比較（均為典型值）24表 11：過程能力等級表25表 12：不同過程能力指數對應的電芯和電池系統不良率25表 13：鋰電池生產流程中的關鍵工序及質量特性27表 14：目前主流電池企業電芯良率和材料直通率情況統計27表 1

7、5：電芯生產各工序對外部環境要求非?？量?0表 16：國內外電池企業 5M1E 性能比較30表 17：鋰電池降本路徑及其限制因素總結31表 18：國內外電池企業電芯成本預測拆分32提升帶電量解決多數問題，電池成本決定汽車電動化 前景電池系統成本是撬動汽車電動化的支點我們在深度報告動力電池系列報告（二）：產能階段性過剩，五大因素塑造行業格局中得出結 論：對車企來說，動力電池最重要的性能指標依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環次 數，其中安全性是壓倒一切的考量。此外，根據麥肯錫 2016 年進行的一項電動車消費者習慣調查， 中美德三國消費者對于電動車的疑慮依次是產品價格、續航里程、充電便利

8、性、車型/品牌。綜合來看，汽車電動化的必要條件是在滿足安全性的前提下，以能夠接受的成本緩解消費者的續 航里程焦慮（400 km）。成本方面，根據我們在深度報告動力電池系列報告（一）：產能階段 性過剩，五大因素塑造行業格局里的測算，電池系統的價格需要下降至 0.60.7 元/Wh，才逐漸 具備替代燃油車的條件，這意味著電池層面成本至少還需要下降 3540%。這一測算結果與上汽高 管在 2020 年汽車百人會上的發言幾乎一致。因此，電池系統成本是左右汽車電動化進程最重要的 因素。圖 1：上汽集團關于電動車與傳統車 TCO 變動趨勢預估資料來源：上汽集團，測算依據：1.以 A 級家庭轎車為藍本，現階

9、段售價為 10 萬元的傳統汽車 15 萬元的純電動汽車對比；2.計算周期為 5 年 10 萬公里；3.購置成本方面，傳統車考慮購置稅，每 3 年降 5000 元；電動車無購置稅，價格隨電池成本下降而下降，但2020 年補貼完全退出；4.殘值率方面，傳統車 5 年殘值率 45%，2019 年產電動車 5 年殘值率為 20%，后因純電動技術進步而大幅提 升，2022 年產車型 32%，2025 年產車型 40%；5.使用成本方面，假設油價與電價保持不變，油耗與電耗每 3 年適當略降，并簡單考慮保險與保養等費用。帶電量是電池系統最具決定意義的指標為了定量分析電動車對電池性能指標的需求，我們從汽車動力

10、學出發，測試電池性能對汽車動性的 影響。汽車在正常行駛過程中，其行駛阻力和輸出功率公式如下： = +21.1512 + m(1) = (2)其中：F-汽車行駛阻力，N；t-時間，s；-車速，km/h；-旋轉質量換算系數；m-汽車質量，kg；f-滾動阻力 系數；CD-風阻相關的系數；A-迎風面積，m2；P-行駛功率；-傳動系統效率。在等速續航條件下，由于加速導 致的阻力幾乎可以忽略?；诖?，我們構建模型測算續航里程的影響因素，假設如下：汽車帶電量為 50 kWh，質量能量密度 160 Wh/kg，車身及其他重量（不含電池包和負載）1250 kg，車體迎風面積 2.1 m2，風阻系數 0.3，滾阻

11、系數 0.016，動力系統傳動系數為 0.86，測試條件為 60 km/h 等速?；鶞蕳l件下電動車 的續航里程為 372 km。圖 2：主要參數變化 10%導致的續航里程彈性統計圖 3：帶電量較低時續航里程與電池容量呈近似線性關系數據來源：測算數據來源：測算我們調整了不同參數，以測試續航里程的敏感因素，結果表明，對電動車續航里程影響彈性較大的 變量依次是電機傳動效率、帶電量、車身重量、風阻系數和能量密度。值得注意的是，整車的設計 能力，如風阻系數、迎風面積以及電控效率對續航里程的影響甚至高于萬眾矚目的電池系統，可見整車自身仍有非常大的挖掘空間以提升續航里程及產品力。進一步地，我們假設其他參數不

12、變，僅調整帶電量和能量密度。不難發現，盡管理論上較低的能量 密度最終會導致新增的帶電量邊際效應為零，但計算得知該臨界點已超過 1000kWh，在帶電量低 于 100kWh 時，可以認為汽車續航里程與帶電量呈線性關系。以蔚來汽車的電池系統為例，2018 年 ES8 上市時所用電芯的能量密度為 210Wh/kg，成組之后質 量能量密度僅有 132Wh/kg，重量成組率為 63.6%，體積成組率則僅有 31.7%，由于車身過重以及 風阻系數偏高，以 70kWh 的帶電容量 NEDC 續航里程僅有 350km。經過設計改進之后，2019 年 推出的 ES6 基礎版（70kWh）NEDC 續航里程達到

13、430km，高容量的車型（84kWh）續航里程達 到 510km，其質量能量密度和成組率也分別達到 170Wh/kg 和 70%，因此提高電池裝載量是改善 汽車動力性的不二法門。圖 4：蔚來 ES 8 電池系統構造及成組率拆解資料來源：網絡資料，整理因此，對于電池系統而言，帶電量是更具決定意義的參數，質量能量密度的影響相對有限。值得一提的是，提升帶電量還可以緩解諸多困擾電動車的頑疾，以帶電量分別為 30kWh 和 60kWh 的兩 輛車為例，除了續航里程提升近一倍之外，大容量電池系統還有很多其他優點：首先，大容量電池 系統對于電芯的放電倍率要求降低，整車等速巡航階段的輸出功率約 10kW，但加

14、速階段輸出功率 很大，峰值功率可達 100kW 以上，小系統的瞬時放電倍率要求達到 4C，這對電池壽命造成較大 傷害，而大系統的放電倍率要求僅為大系統的一半；其次，大電池系統的循環次數要求也大為降低， 假設汽車要求行駛里程達到 20 萬公里，小系統的循環次數將達到 1100 次，而大系統的循環壽命要求僅為 570 次，這為更高能量密度、低循環壽命的電池使用開拓了空間；三是充電功率顯著提 高，在充電倍率相同的情況下，大系統快充半小時（soc 從 30%充至 80%）即可行駛 220 公里以 上，極大程度上緩解了充電壓力，此外，車內空調等其他體驗也有明顯改善。表 1：60kWh 電池系統在續航里程

15、、放電倍率、循環次數、快充等方面具備全面優勢帶電量續 航 里 程/km峰值放電倍率電 池 循 環 次 數（20 萬公里）一次快充續航 （30-80%）空調使用30kWh2344C106812060kWh4362C573220正常使用數據來源：測算降低電芯成本是電池系統降本的核心任務車企對于電池的需求可以簡化為以盡可能低的成本裝載更多的電池，電池企業努力的方向可收斂 至 1）降低電池制造成本，為提升電池裝載量提供經濟性空間；2）提高電池系統體積能量密度， 提升電池容量潛在裝載空間；3）定制化生產，滿足參數設計的定制化要求。如前所述，ES8 電池系統的重量和體積成組率分別僅有 63.6%和 44.

16、2%，但電芯的成本占比卻遠 高于此。根據公開數據，軟包電芯的系統成本占比達到 70%左右，方形電芯的成本比重則高達 80%， 隨著電芯能量密度的提升，結構件的重量和成本占比還會進一步下降，因此降低電芯成本是系統降 本的核心人物。在目前一線電芯企業格局已基本清晰的情況下，電池企業下一步競爭的關鍵是在確 保安全性的前提下，盡可能降低電池制造成本，其他諸如能量密度、循環壽命等性能的優先級相對 靠后。圖 5：孚能軟包電芯占系統成本(元/Wh)比重在 70%以上圖 6：普萊德方形電芯占系統成本比重接近 80%數據來源：公司公告，數據來源：公司公告，電芯成本解析：原材料成本占 9 成，非活性物質比例 較大

17、參數設計：定制化特征明顯，容量提升推進電芯標準化設計鋰電池是有一定差異性的產品，汽車不同的功能需求對于電池的參數有著決定性的影響。粗略來 看，根據使用情況可將鋰電池分為兩類，一類是功率型，主要用來為汽車加速提供短暫的動力，可 以儲存的能量較少，不能長期提供能量，其能量釋放時間通常持續幾秒到幾十分鐘；另一類是能量 型，可以長期提供能量，但放電速率相對較小，一般情況下放電時間設計為 1 小時甚至更長，一般 純電動汽車會用到能量型電池。功率型電池與能量型電池的主要區別是功率/能量比，即放電倍率，功率型電池的放電倍率可達 15C 以上，能量型電池的放電倍率不超過 2C，隨著純電動汽車帶電量日益增大，對

18、于放電倍率的要求 會進一步放寬。這兩種需求反映在電芯層面，最顯著的區別是功率型電芯極片由于電流密度較大，為確保結構穩定，活性層的厚度很薄，能量密度較低，成本更高。因此工業上這兩類電芯在設計方面截然不同。表 2：不同電動汽車電池的平均功率/能量比12 V S/S48 VHEVPHEV-20PHEV-40EV-10015:120:125:140:130:135:16:17:13:14:12:1數據來源：鋰離子電池組設計手冊，約翰沃納著；在同一類電芯內部，設計上也存在差異性。以最普遍的能量型電芯為例，電池參數設計首先必須根 據用電設備需要及電池的特性，確定電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的

19、參數，對工 藝參數進行優化，并將它們組成有一定規格和指標（如電壓、容量、體積和重量等）的電池組。動 力電池設計時，必須了解用電設備具對電池性能指標及電池使用條件，一般應考慮以下幾個方面：l 電池工作電壓，決定了電芯的數量與連接方式；l 電池工作電流，及正常放電電流和峰值電流；l電池工作時間，包括連續放電時間、使用期限或循環壽命，與電池工作電流一起決定了電池 的容量；l 電池工作環境，包括電池工作環境及環境溫度；l 電池最大允許體積。美國阿貢國家實驗室提出了一套設計原則，規則要求用戶輸入多個設計參數，例如電池電量，電池 和模組數量，以及最大功率下的目標電壓等。此外，用戶必須輸入以下三種能量測量值

20、之一：電池 組能量，電池容量或車輛電氣范圍，定義其中一個值將決定其他兩個值。然后，迭代過程通過改變 電池容量和電極厚度來解決用戶定義的能量參數（能量，容量或范圍）和剩余電池特性。結果是電 池，模組和電池組的尺寸，質量，體積和材料等方面的要求。圖 7：鋰電池參數設計流程圖資料來源：Argonne，對于有容量要求的電池，在材料體系選定后，根據正極活性物質的比容量即可計算出正極活性物質 的質量，再根據正極配比（活性物質、導電劑、黏結劑的配比）和涂布量上限即可計算出這些活性 物質需要涂布在多大面積的集流體上，即求得正極總面積。隨后根據電子平衡原則和防短路要求，電芯的負極和隔膜用量也可求得，據此可以得出

21、整個電芯的物料用量。因此，正極材料的性能和用量是電芯容量的決定性因素。圖 8：給定容量要求的電池設計分析思路數據來源：中國知網，整理隨著電池系統容量的增大，電芯參數設計的差異性在降低，標準化程度日益提升，原因在于大容量電池系統消解了工作電壓、放電功率、連接方式等電學要求，突出了電池體積、系統成本的約束， 使得不同電池系統的差異性日益集中到電芯數量/容量方面，其他參數的差異性大為降低。另一方 面，從工業生產角度，推進電芯設計、生產的標準化程度，也是降低電池系統成本非常有效的途徑。 因此，盡管電池定制化的需求仍然存在，但電池企業總體上在減少電芯規格的品類。生產流程還原：批次與節拍工序交錯，質量控制

22、是難點自 1991 年索尼公司實現鋰電池商業化生產以來，鋰電池在性能與生產工藝上實現了長足的進步， 但其工作原理、產品結構及其生產流程總體上并未發生很大變化。概而言之，鋰電池電芯的制造可 以分為 3 個主要生產環節，約 15 個生產工序：l 電極制片。電極制片是將正極和負極材料涂在作為載體的金屬箔材上，再加以干燥、壓延， 該環節包括混漿、涂布、烘干、輥壓和分切等工序。l 單體裝配。將涂布好的正負極極片輪流交替鋪上隔膜，加工成一個電極堆疊，然后再將堆疊 置入到外殼中包裝好，并注入電解液。l 化成、老化（續化成）和檢測。裝配好的單體首先使用小的電流緩慢充電，再用較大的電流 循環多次進行充電和放電，

23、以便達到生成單體全部功能的目的，并用以記錄單體精確定義好 的各項功能。圖 9：鋰離子電池生產流程數據來源：網絡資料，整理混漿是將正負極活性材料與導電劑、粘結劑以一定比例，在溶劑中混合均勻?；鞚{過程對電池單體 的質量起著至關重要的決定性作用，每一組分都必須具備最高的純度，最小的剩余含水量及最大的 干燥度，并且必須以最高的精度來加料，對集流體金屬（鋁箔和銅箔）的要求也要有最高的純度（99.8%）。為了保證后續的涂布工藝過程能夠安全、連續地運行，混拌好的涂布物質的一些關 鍵參數如均一性和粘度系數必須精確保持在設定值范圍之內，不僅如此，混漿關鍵參數如均一性和 粘度系數的時間變化也必須考慮進來，因此混漿

24、要求必須快速加工處理。電極涂布的主要任務是將性能穩定、粘度適當、流動性好的漿料均勻地涂覆在銅箔（負極）或鋁箔（正極）上。電極涂布工藝的好壞，對鋰電池的容量、一致性和安全性具有直接影響。據不完全統 計，在鋰電池失效的全部原因中，約 10%是由電極涂布工藝引起的。漿料涂布過程中必須要保證極片厚度和單位面積拉漿重量的高精度性，使用具備極片拉片和極片張力控制最高精度的涂布機 設備是優質出品的前提條件。極片涂布后制成的極片必須進行干燥。干燥室通過熱風對流在不同的干燥箱（懸浮帶式干燥箱、對 流抽吸式干燥箱、滾動帶式干燥箱）里實現的。干燥箱里設置的干燥溫度曲線對極片附著在金屬極 片上的附著強度以及整個極片厚

25、度上粘合劑的分布意義重大。電池裝配過程要完成卷繞、裝殼、封口、注液等步驟，是電芯制作的核心，對周圍環境要求極高， 如濕度要控制在 1%以內，同時，這些流程自動化程度較高，一旦參數確定出現質量問題的概率反 而相對較低。在老化工序中，從傳送帶上運送過來的電池單體被放置到一個加熱到約 30的車間里存放 836 天不等。在老化過程的前期和后期分別測量單體的開路電壓（OCV），測得的數據可以用來計算單 體的自放電率。老化過程之后會對存放的單體做一些功能測試，比如容量測試、內阻測試和自放電 測試等。以這些測量值和事先定義好的極限值為基礎，可以再老化工序之后把單體進行容量等級的 多級分類，這個過程稱之為分容

26、。老化工序最大的挑戰性在于對空間場地的需求，因為存放單體需 要大量場地，導致費用大增，同時還有大量的專用托盤需求，這也帶來了額外的高額成本支出。在上述工序中， 攪拌、涂層、烘干、壓實、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序（batch）, 而切片、層疊、加注電解液、封裝等工序為節拍制造工序，這導致鋰電池的生產流程連續性較低， 自動化水平相對受限，對保持電池品質的一致性帶來了巨大挑戰。方形卷繞電池：正極材料是降本最大來源，其他措施集腋成裘美國 Argonne 國家實驗室建立了一個非常精細的模型以研究鋰電池成本，但研究對象是方形疊片 電池，我國鋰電池廠商多采用方形卷繞路線，因此 Batpac 的

27、經典模型并不適用。我們借鑒其思路， 搭建了簡化的方形卷繞電芯成本模型，假設該電芯采用 622 三元正極材料和人造石墨負極材料， 其他參數假設如下：表 3：電芯化學參數假設正 極 克 容 量（mAh/g）180壓 實 密 度（g/cm3）3.4活 性 材 料比例96%孔隙度25%負 極 克 容 量（mAh/g）355壓 實 密 度（g/cm3）1.55石 墨 粉 比例96%孔隙度27%隔膜厚度/微米12集流體寬/mm3540集 流 體 高度/mm23N/P 比1.1鋁箔厚度/微米13銅箔厚度/微米6數據來源：整理測算我們將最經典的 PHEV-2 型電芯規格代入其中，電芯的長度、寬度、厚度分別為

28、148mm、92mm、 27mm；計算得到該電芯的容量約 51Ah，質量能量密度為 216Wh/kg，體積能量密度為 512Wh/L， 與實際數字吻合度較好。電芯的各組成部分以及重量組成如下：表 4：方形卷繞電芯重量拆分電芯重量（kg）0.85重量占比正極重量/g348.7其中：正極材料320.6鋁箔28.137.7%負極重量/g235.6其中：負極材料190.0銅箔45.622.3%隔膜重量/g9.651.1%電解液重量/g153.718.1%極耳重量/g2.8其中：正極極耳1.1負極極耳1.720.3%殼體及其他重量/g100.8外殼60.8頂蓋4011.8%容量（Ah）50.97工作電壓

29、/V3.65首次效率/%92%電池能量（Wh）186質量能量密度(Wh/kg)218體積能量密度（Wh/L）506數據來源：測算該電芯中，正極活性材料的重量占比僅有 37.3%，箔材、電極以及封裝殼體的重量占比則超過 20%； 在成本構成上，正極材料的占比則達到 43.5%，物料成本中的占比高達 55.6%。由于正極活性材料是電池容量的決定性因素，因此技術上降低電芯成本的主要方式是提升正極材料的重量占比。實際上，在過去 20 年里，鋰離子電池的能量密度每年穩步增長 3%，主要依賴于增加活性物質比例 技術方面的進步。圖 10：148/91/27 規格方形 622 電芯重量構成圖 11：148/9

30、1/27 規格方形 622 電芯成本構成數據來源：測算數據來源：測算對成本模型中的主要參數進行敏感性分析，對成本影響最大的因素是正極材料的性能和價格，負極 性能和價格影響位居其次，但彈性系數已相差較遠，此外，降低非活性材料的各項措施（提升活性 材料面密度、降低載體厚度、增大電芯尺寸等）盡管單項影響都不大，但累計起來降本效應也不容 小視。圖 12：影響電芯成本的各項因素彈性測算資料來源：測算對于鋰電池而言，單純提高正極材料 1 倍的儲鋰容量，在平均電位不下降的前提下，提高鋰電池的 質量能量密度最大約為 40%；提高負極材料 1 倍的儲鋰容量，提高電池的質量能量密度最大約為 20%。由于電極儲鋰容

31、量提高一般伴隨著體積變化，單純通過提高電極材料的儲鋰容量來提高電池 的體積能量密度，應該很難超過 40%。疊加工藝方面的進步，在現有體系不發生根本變化的前提 下，鋰電池單體的能量密度達到 300Wh/kg 時可能會遭遇瓶頸。降本之路知易行難，技術能力是核心驅動電池的主要材料價格在 2018 年之后降幅已明顯趨緩，這意味著電芯單體的 BOM 成本下降將進入 瓶頸期。在此背景下，提高單體的儲能能力即提升電池能量密度以攤薄單位容量成本是電池廠 商的內在需求。能量密度提升的本質，是在確保安全的前提下，在一定空間內（外包裝）將活性材 料的重量/體積占比不斷提升，并升級活性材料的比容量。圖 13：2018

32、 年以來四大材料的價格降幅顯著趨緩數據來源：GGII，能量密度提升有如下路徑，一是采用高比容量的活性材料，即正極高鎳化和負極用硅碳材料；二是 優化工藝提高活性材料的重量占比，包括提升面密度、壓實密度、卷繞改疊片、降低銅箔、鋁箔、 隔膜等材料的厚度；三是提高電芯尺寸，挖掘規模效應。此外，在系統層面上還可以改進成組技術， 降低模組、PACK 等封裝成本。材料在比容量與安全性之間走鋼絲高鎳正極：只有龍頭能駕馭的降本利器從敏感性分析結果來看，提升正極材料的比容量是降低成本極為有效的途徑。在材料層面，高比容 量的正極材料包括高鎳三元和富鋰材料，其中高鎳三元材料已經取得了一定進展。高鎳化至少能帶來兩方面好

33、處，一是降低鈷資源的用量，減輕上游資源價格波動帶來的價格波動， NCM811 相比 NCM523 的鈷含量由 12.21%降至 6.06%，折算到動力電池每 kwh 用鈷量從 0.22kg 降至 0.09kg，因此在鈷價越高時，NCM811 的材料成本優勢將越明顯。例如，在金屬鈷 20 美元/ 磅時，高鎳三元材料單位容量成本低 8%；在金屬鈷 30 美元/磅時，高鎳三元材料單位容量成本低 12%；二是提升能量密度，降低電池每 Wh 成本，2015 年以來三元材料從 333 過渡到 622，比容 量從 150mAh/g 提升至 170mAh/g 以上，電芯能量密度則從 180Wh/kg 提升至

34、260Wh/kg。目前廣 受關注的 811 系材料已經開始使用，Ni 含量更高的材料也在研發之中，可以說高鎳化是材料發展 不可動搖的趨勢。表 5：高鎳三元正極材料比容量提升明顯LiFePO4LiMn2O4LiCoO2NCM523NCM622NCM811NCA振 實 密 度(g/cm3)0.801.102.22.42.83.02.22.152.452.65壓 實 密 度(g/cm3)2.202.303.03.64.2理 論 容 量(mAh/g)170148274273285實 際 容 量(mAh/g)130140100120135150160170190195數據來源：中國知網，容百科技招股說明

35、書，我們的模型測試結果表明，在其他條件不變的情況下，正極比容量從 180mAh/g 提升至 200mAh/g， 電芯的能量密度從 218Wh/kg 提升至 232Wh/kg，增幅近 7%；物料成本則從 0.419 元/Wh 降至0.386 元/Wh，降幅近 8%；如若比容量進一步提升至 210mAh/g，則電芯能量密度提升至 239Wh/kg， 成本進一步降至 0.372 元/Wh。因此，對于電池企業來說，高鎳化是降低電芯成本無法回避的路徑。圖 14：高鎳材料具備更高的容量密度，但熱穩定性和首次庫倫效率較差數據來源：中國鋰業網，另一方面，高鎳化帶來的技術挑戰仍待攻克：l 首次循環效率下降；熱穩

36、定性下降。由于 Ni2+半徑（0.069 nm）與 Li+半徑（0.076 nm）較為 接近，在制備過程中容易導致鋰鎳陽離子混排，進入鎳空位的鋰在循環過程中難以脫嵌，導 致電池的首次庫侖效率不夠理想，并容易造成材料結構坍塌，由層狀結構向尖晶石結構或 NiO 型巖鹽相轉變，從而導致容量衰減、循環性能和熱穩定性降低。l 由于 Ni4+具有還原性，容易生成 Ni3+，為了保持電荷平衡，材料中會釋放出氧氣，導致材料 結構被破壞。副反應影響安全，材料表面的雜質在存儲環境中的水份及氧氣的作用下會與電 解液發生反應，生成 Li2CO3 和 LiOH 等物質， 從而在電極材料表面形成一種絕緣層，阻礙Li+的擴

37、散和電子的傳輸。l 壓實密度下降，目前三元電池極片的壓實密度可以達到 3.33.6g/cm3，而高鎳材料是一次顆 粒團聚而成的二次球形顆粒， 由于二次顆粒在較高壓實密度下會破碎，對煅燒時的氣氛要求 很高，壓實密度目前很難突破 3.3g/cm3，從而限制正極活性材料比例的提升。l 高鎳材料表面的碳酸鋰和氫氧化鋰雜質不易控制，雜質容易超標，這些殘留鋰化合物主要是 Li2O、LiOHH2O、Li2CO3 等堿性物質，殘留物越多，材料表面的 PH 值越大。堿性物質在 空氣中容易吸潮，導致材料表面和水反應，或使材料在調漿時黏度變大，或者將多余的水分 帶入電池中，造成電池性能下降。調漿黏度變大的原因是黏結

38、劑 PVDF 團聚，使正極漿料黏 度變大難以過篩，情況嚴重時漿料變果凍狀，成為廢料。l 正極材料生產條件苛刻，成本上升。8 系以上的三元材料較之前的 5 系、6 系理化性質出現了 很大變化，導致高鎳正極在原材料合成、工藝裝備（不易混合、需要二次煅燒及水洗等）、環 境控制（全程濕度低于 10%）、環保（氨水濃度大、氫氧化鋰刺激氣味大）等方面都不得不 面對更多的困難，因此盡管理論上高鎳材料可以使原材料成本下降 6-8%，但目前高鎳正極市 場價格較 5 系高出近 40%。表 6：不同正極材料 pH 值和表面殘余鋰（典型值）材料型號LCONCM111NCM442NCM523NCM71515NCApH

39、值10.310.710.711.411.612.0殘鋰（mg/kg）561001003005001000數據來源：王偉東等，鋰離子電池三元材料，因此，高鎳材料的商業化應用并非簡單更換活性材料，而是要解決隨之而來的材料、電池設計以及循環特性方面所帶來的一系列負面問題，這導致了高鎳推廣困難重重，迄今為止批量供應高鎳電 池的企業僅有兩家，其中松下自 2017 年起向特斯拉供應 NCA 高鎳電芯，寧德時代自 2019 年下 半年起增加 NCM811 高鎳電芯，其他諸如 LG、三星、SKI 等一線國際企業一再推遲高鎳電池的批量供貨，二線企業在高鎳化之路上則落后更遠。圖 15：高鎳正極材料商業化應用需要克

40、服一系列伴生問題數據來源：Advanced Energy Materials, 整理硅負極：極具性價比的降本良方前述的成本敏感性分析表明，改善負極性能也是降低電芯制造成本的有效途徑。目前商業化的鋰電 池主要以石墨為負極材料，石墨的理論比容量為 372mAh/g，而市場上的高端石墨材料已經可以 達到 360365mAh/g，因此基于石墨負極的鋰電池能量密度優化空間相對有限。在此背景下，硅基負極材料因其較高的理論比容量（高溫 4200 mAh/g，室溫 3580 mAh/g）、低 的脫鋰電位（0.5 V）、環境友好、儲量豐富、成本較低等優勢而被認為是極具潛力的下一代高能 量密度鋰離子電池負極材料。

41、表 7：硅負極比容量優勢明顯，但結構不穩定密度（g/cm3）質 量 比 容 量（mAh/g）體 積 比 容 量（mAh/cm3）體積變化/%對 Li 電位/V石墨2.25372837120.05硅2.33420097863200.4數據來源：中國知網，然而，由于硅負極材料在充放電過程中存在巨大的體積變化（320%），導致納米硅顆粒與電極極 片的機械穩定性變差、活性顆粒之間相互的接觸不好、以及表面 SEI 鈍化膜的穩定性降低，嚴重影 響電池壽命；硅的膨脹會在電池內部去產生巨大的應力，這種應力會對極片造成擠壓，從而出現極 片斷裂；還會造成電池內部孔隙率降低，促使金屬鋰析出，影響電池的安全性。因此目

42、前硅負極主要通過與石墨負極材料復合使用，解決體積膨脹的問題可以通過控制碳材料中 硅的含量、減小硅體積到納米級；或改變石墨質地、形態，實現碳和硅的最佳匹配；或者采用其他 物質對硅進行包覆，促進膨脹后的復原；還可以采用更適宜的電極材料等一系列方法來減少硅膨脹 帶來的諸多問題。圖 16：不同比例硅碳負極相對石墨負極容量的提升數據來源：中國知網，實踐證實，要想取得比較理想的電化學性能，復合材料中的硅顆粒粒徑不能超過 200-300nm。但 是在比表面、粒徑分布、雜質以及表面鈍化層厚度等關鍵指標技術壁壘都很高，國內廠家目前還達 不到，而外購納米硅粉成本極高，導致硅碳負極的價格較石墨類產品高出 1 倍左右

43、?，F在行業用硅普遍在 8%-10%。據測算，采用硅負極材料的鋰離子電池的質量能量密度可以提升 8% 以上，體積能量密度可以提升 10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少 3%，因此硅負極 材料將具有非常廣闊的應用前景。同時，與高鎳推廣面臨的問題類似，硅碳負極的應用條件更加嚴 苛，同時以硅碳材料為負極的電池負極片壓實密度和首次效率都會下降，導致多數電池廠家只能望 洋興嘆，我國目前硅碳負極的出貨量占比還不足 1%。主要電池廠家中松下的步伐較早，供給特斯 拉的高比能量電池即采用硅碳負極，其他電池企業尚無大批量供貨的記錄。國內負極龍頭貝特瑞和 江西紫宸已有不同規格的硅碳負極產品，預計未來幾年有望

44、逐漸推廣。表 8：貝特瑞和江西紫宸硅碳負極產品參數統計產品名 稱D50 (m)振實密度(g/cm3)比表面積(m2/g)壓實密度(g/cm3)0.1C 容量(mAh/g)首次效率(%)貝特瑞S40015.0-19.00.8-1.01.0-4.01.5-1.8400-49992-94S50015.0-19.00.8-1.01.0-4.01.5-1.7500-59990-92S60015.0-19.00.8-1.01.0-4.01.4-1.7600-65089-90江西紫 宸SiC3801810.90.051.50.1380911SiC4001610.90.051.60.1400901SiC4201510.80.051.80.1420881SiC4501810.80.0520.1450871SiC6001610.70.0530.1600841數據來源：公司官網，設計螺獅殼里做道場