2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告

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2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告 目 錄 提升帶電量解決多數(shù)問題，電池成本決定汽車電動(dòng)化 前景 電芯成本解析：原材料成本占 9 成，非活性物質(zhì)比例 較大 硅負(fù)極：極具性價(jià)比的降本良方 總結(jié)與投資建議：龍頭推動(dòng)成本下降，行業(yè)集中大勢 所趨 降本目標(biāo)并非遙不可及，成本下降依賴技術(shù)沉淀 品質(zhì)、規(guī)模、成本形成正反饋，降價(jià)壓力加速市場集中度提升 投資建議：電池格局繼續(xù)集中，關(guān)注龍頭及其生態(tài)圈企業(yè) 降本之路知易行難，技術(shù)能力是核心驅(qū)動(dòng) 2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告 導(dǎo)語 對車企來說，動(dòng)力電池最重要的性能指標(biāo)依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環(huán)次 數(shù)，其中安全性是壓倒一切的考量。此外，根據(jù)麥肯錫 2016 年進(jìn)行的一項(xiàng)電動(dòng)車消費(fèi)者習(xí)慣調(diào)查， 中美德三國消費(fèi)者對于電動(dòng)車的疑慮依次是產(chǎn)品價(jià)格、續(xù)航里程、充電便利性、車型/品牌。 提升帶電量解決多數(shù)問題，電池成本決定汽車電動(dòng)化 前景 電池系統(tǒng)成本是撬動(dòng)汽車電動(dòng)化的支點(diǎn)對車企來說，動(dòng)力電池最重要的性能指標(biāo)依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環(huán)次 數(shù)，其中安全性是壓倒一切的考量。此外，根據(jù)麥肯錫 2016 年進(jìn)行的一項(xiàng)電動(dòng)車消費(fèi)者習(xí)慣調(diào)查， 中美德三國消費(fèi)者對于電動(dòng)車的疑慮依次是產(chǎn)品價(jià)格、續(xù)航里程、充電便利性、車型/品牌。綜合來看，汽車電動(dòng)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(fèi)者的續(xù) 航里程焦慮（>400 km）。成本方面，：產(chǎn)能階段 性過剩，五大因素塑造行業(yè)格局》里的測算，電池系統(tǒng)的價(jià)格需要下降至 0.6~0.7 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 35~40%。這一測算結(jié)果與上汽高 管在 2020 年汽車百人會(huì)上的發(fā)言幾乎一致。因此，電池系統(tǒng)成本是左右汽車電動(dòng)化進(jìn)程最重要的 因素。 對電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程影響彈性較大的 變量依次是電機(jī)傳動(dòng)效率、帶電量、車身重量、風(fēng)阻系數(shù)和能量密度。值得注意的是，整車的設(shè)計(jì) 能力，如風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積以及電控效率對續(xù)航里程的影響甚至高于萬眾矚目的電池系統(tǒng)，可見 整車自身仍有非常大的挖掘空間以提升續(xù)航里程及產(chǎn)品力。進(jìn)一步地，我們假設(shè)其他參數(shù)不變，僅調(diào)整帶電量和能量密度。不難發(fā)現(xiàn)，盡管理論上較低的能量 密度最終會(huì)導(dǎo)致新增的帶電量邊際效應(yīng)為零，但計(jì)算得知該臨界點(diǎn)已超過 1000kWh，在帶電量低 于 100kWh 時(shí)，可以認(rèn)為汽車?yán)m(xù)航里程與帶電量呈線性關(guān)系。以蔚來汽車的電池系統(tǒng)為例，2018 年 ES8 上市時(shí)所用電芯的能量密度為 210Wh/kg，成組之后質(zhì) 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(fēng)阻系數(shù)偏高，以 70kWh 的帶電容量 NEDC 續(xù)航里程僅有 350km。經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)之后，2019 年 推出的 ES6 基礎(chǔ)版（70kWh）NEDC 續(xù)航里程達(dá)到 430km，高容量的車型（84kWh）續(xù)航里程達(dá) 到 510km，其質(zhì)量能量密度和成組率也分別達(dá)到 170Wh/kg 和 70%，因此提高電池裝載量是改善 汽車動(dòng)力性的不二法門。 因此，對于電池系統(tǒng)而言，帶電量是更具決定意義的參數(shù)，質(zhì)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(dòng)車的頑疾，以帶電量分別為 30kWh 和 60kWh 的兩 輛車為例，除了續(xù)航里程提升近一倍之外，大容量電池系統(tǒng)還有很多其他優(yōu)點(diǎn)：首先，大容量電池 系統(tǒng)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，但加速階段輸出功率 很大，峰值功率可達(dá) 100kW 以上，小系統(tǒng)的瞬時(shí)放電倍率要求達(dá)到 4C，這對電池壽命造成較大 傷害，而大系統(tǒng)的放電倍率要求僅為大系統(tǒng)的一半；其次，大電池系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)要求也大為降低， 假設(shè)汽車要求行駛里程達(dá)到 20 萬公里，小系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)將達(dá)到 1100 次，而大系統(tǒng)的循環(huán)壽命 要求僅為 570 次，這為更高能量密度、低循環(huán)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(tǒng)快充半小時(shí)（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(nèi)空調(diào)等其他體驗(yàn)也有明顯改善。 降低電芯成本是電池系統(tǒng)降本的核心任務(wù)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(yè)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(jīng)濟(jì)性空間；2）提高電池系統(tǒng)體積能量密度， 提升電池容量潛在裝載空間；3）定制化生產(chǎn)，滿足參數(shù)設(shè)計(jì)的定制化要求。如前所述，ES8 電池系統(tǒng)的重量和體積成組率分別僅有 63.6%和 44.2%，但電芯的成本占比卻遠(yuǎn) 高于此。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，軟包電芯的系統(tǒng)成本占比達(dá)到 70%左右，方形電芯的成本比重則高達(dá) 80%， 隨著電芯能量密度的提升，結(jié)構(gòu)件的重量和成本占比還會(huì)進(jìn)一步下降，因此降低電芯成本是系統(tǒng)降 本的核心人物。在目前一線電芯企業(yè)格局已基本清晰的情況下，電池企業(yè)下一步競爭的關(guān)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(huán)壽命等性能的優(yōu)先級(jí)相對 靠后。 電芯成本解析：原材料成本占 9 成，非活性物質(zhì)比例 較大 參數(shù)設(shè)計(jì)：定制化特征明顯，容量提升推進(jìn)電芯標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)鋰電池是有一定差異性的產(chǎn)品，汽車不同的功能需求對于電池的參數(shù)有著決定性的影響。粗略來 看，根據(jù)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(dòng)力，可 以儲(chǔ)存的能量較少，不能長期提供能量，其能量釋放時(shí)間通常持續(xù)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(shí)間設(shè)計(jì)為 1 小時(shí)甚至更長，一般 純電動(dòng)汽車會(huì)用到能量型電池。功率型電池與能量型電池的主要區(qū)別是功率/能量比，即放電倍率，功率型電池的放電倍率可達(dá) 15C 以上，能量型電池的放電倍率不超過 2C，隨著純電動(dòng)汽車帶電量日益增大，對于放電倍率的要求 會(huì)進(jìn)一步放寬。這兩種需求反映在電芯層面，最顯著的區(qū)別是功率型電芯極片由于電流密度較大， 為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，活性層的厚度很薄，能量密度較低，成本更高。因此工業(yè)上這兩類電芯在設(shè)計(jì)方 面截然不同。 在同一類電芯內(nèi)部，設(shè)計(jì)上也存在差異性。以最普遍的能量型電芯為例，電池參數(shù)設(shè)計(jì)首先必須根 據(jù)用電設(shè)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參數(shù)，對工 藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(biāo)（如電壓、容量、體積和重量等）的電池組。動(dòng) 力電池設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解用電設(shè)備具對電池性能指標(biāo)及電池使用條件，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 電池工作電壓，決定了電芯的數(shù)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(shí)間，包括連續(xù)放電時(shí)間、使用期限或循環(huán)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(huán)境，包括電池工作環(huán)境及環(huán)境溫度；l 電池最大允許體積。l美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提出了一套設(shè)計(jì)原則，規(guī)則要求用戶輸入多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，例如電池電量，電池 和模組數(shù)量，以及最大功率下的目標(biāo)電壓等。此外，用戶必須輸入以下三種能量測量值之一：電池 組能量，電池容量或車輛電氣范圍，定義其中一個(gè)值將決定其他兩個(gè)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(shù)（能量，容量或范圍）和剩余電池特性。結(jié)果是電 池，模組和電池組的尺寸，質(zhì)量，體積和材料等方面的要求。 對于有容量要求的電池，在材料體系選定后，根據(jù)正極活性物質(zhì)的比容量即可計(jì)算出正極活性物質(zhì) 的質(zhì)量，再根據(jù)正極配比（活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑的配比）和涂布量上限即可計(jì)算出這些活性 物質(zhì)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(jù)電子平衡原則和防短路要求， 電芯的負(fù)極和隔膜用量也可求得，據(jù)此可以得出整個(gè)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。 隨著電池系統(tǒng)容量的增大，電芯參數(shù)設(shè)計(jì)的差異性在降低，標(biāo)準(zhǔn)化程度日益提升，原因在于大容量 電池系統(tǒng)消解了工作電壓、放電功率、連接方式等電學(xué)要求，突出了電池體積、系統(tǒng)成本的約束， 使得不同電池系統(tǒng)的差異性日益集中到電芯數(shù)量/容量方面，其他參數(shù)的差異性大為降低。另一方 面，從工業(yè)生產(chǎn)角度，推進(jìn)電芯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，也是降低電池系統(tǒng)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(yè)總體上在減少電芯規(guī)格的品類。生產(chǎn)流程還原：批次與節(jié)拍工序交錯(cuò)，質(zhì)量控制是難點(diǎn)自 1991 年索尼公司實(shí)現(xiàn)鋰電池商業(yè)化生產(chǎn)以來，鋰電池在性能與生產(chǎn)工藝上實(shí)現(xiàn)了長足的進(jìn)步， 但其工作原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)流程總體上并未發(fā)生很大變化。概而言之，鋰電池電芯的制造可 以分為 3 個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，約 15 個(gè)生產(chǎn)工序： 電極制片。l電極制片是將正極和負(fù)極材料涂在作為載體的金屬箔材上，再加以干燥、壓延， 該環(huán)節(jié)包括混漿、涂布、烘干、輥壓和分切等工序。 單體裝配。l將涂布好的正負(fù)極極片輪流交替鋪上隔膜，加工成一個(gè)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。 化成、老化（續(xù)化成）和檢測l。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(huán)多次進(jìn)行充電和放電，以便達(dá)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(xiàng)功能。 混漿是將正負(fù)極活性材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定比例，在溶劑中混合均勻。混漿過程對電池單體 的質(zhì)量起著至關(guān)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(xù)的涂布工藝過程能夠安全、連續(xù)地運(yùn)行，混拌好的涂布物質(zhì)的一些關(guān) 鍵參數(shù)如均一性和粘度系數(shù)必須精確保持在設(shè)定值范圍之內(nèi)，不僅如此，混漿關(guān)鍵參數(shù)如均一性和 粘度系數(shù)的時(shí)間變化也必須考慮進(jìn)來，因此混漿要求必須快速加工處理。電極涂布的主要任務(wù)是將性能穩(wěn)定、粘度適當(dāng)、流動(dòng)性好的漿料均勻地涂覆在銅箔（負(fù)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(jù)不完全統(tǒng) 計(jì)，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(jī) 設(shè)備是優(yōu)質(zhì)出品的前提條件。極片涂布后制成的極片必須進(jìn)行干燥。干燥室通過熱風(fēng)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(dòng)帶式干燥箱）里實(shí)現(xiàn)的。干燥箱里設(shè)置的干燥溫度曲線對極片附著在金屬極 片上的附著強(qiáng)度以及整個(gè)極片厚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(huán)境要求極高， 如濕度要控制在 1%以內(nèi)，同時(shí)，這些流程自動(dòng)化程度較高，一旦參數(shù)確定出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率反 而相對較低。在老化工序中，從傳送帶上運(yùn)送過來的電池單體被放置到一個(gè)加熱到約 30℃的車間里存放 8~36 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(shù)據(jù)可以用來計(jì)算單 體的自放電率。老化過程之后會(huì)對存放的單體做一些功能測試，比如容量測試、內(nèi)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(chǔ)，可以再老化工序之后把單體進(jìn)行容量等級(jí)的 多級(jí)分類，這個(gè)過程稱之為分容。老化工序最大的挑戰(zhàn)性在于對空間場地的需求，因?yàn)榇娣艈误w需 要大量場地，導(dǎo)致費(fèi)用大增，同時(shí)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(shí)、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?yàn)楣?jié)拍制造工序，這導(dǎo)致鋰電池的生產(chǎn)流程連續(xù)性較低， 自動(dòng)化水平相對受限，對保持電池品質(zhì)的一致性帶來了巨大挑戰(zhàn)。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(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)非常精細(xì)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 的經(jīng)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(shè)該電芯采用 622 三元正極材料和人造石墨負(fù)極材料， 其他參數(shù)假設(shè)如下：我們將最經(jīng)典的 PHEV-2 型電芯規(guī)格代入其中，電芯的長度、寬度、厚度分別為 148mm、92mm、 27mm；計(jì)算得到該電芯的容量約 51Ah，質(zhì)量能量密度為 216Wh/kg，體積能量密度為 512Wh/L， 與實(shí)際數(shù)字吻合度較好。電芯的各組成部分以及重量組成如下： 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(gòu)成上，正極材料的占比則達(dá)到 43.5%，物料成本中的占比高達(dá) 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(shù)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(shí) 際上，在過去 20 年里，鋰離子電池的能量密度每年穩(wěn)步增長 3%，主要依賴于增加活性物質(zhì)比例 技術(shù)方面的進(jìn)步。 對成本模型中的主要參數(shù)進(jìn)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(jià)格，負(fù)極 性能和價(jià)格影響位居其次，但彈性系數(shù)已相差較遠(yuǎn)，此外，降低非活性材料的各項(xiàng)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(xiàng)影響都不大，但累計(jì)起來降本效應(yīng)也不容 小視。 對于鋰電池而言，單純提高正極材料 1 倍的儲(chǔ)鋰容量，在平均電位不下降的前提下，提高鋰電池的 質(zhì)量能量密度最大約為 40%；提高負(fù)極材料 1 倍的儲(chǔ)鋰容量，提高電池的質(zhì)量能量密度最大約為 20%。由于電極儲(chǔ)鋰容量提高一般伴隨著體積變化，單純通過提高電極材料的儲(chǔ)鋰容量來提高電池 的體積能量密度，應(yīng)該很難超過 40%。疊加工藝方面的進(jìn)步，在現(xiàn)有體系不發(fā)生根本變化的前提 下，鋰電池單體的能量密度達(dá)到 300Wh/kg 時(shí)可能會(huì)遭遇瓶頸。 降本之路知易行難，技術(shù)能力是核心驅(qū)動(dòng) 電池的主要材料價(jià)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(jìn)入 瓶頸期。在此背景下，提高單體的儲(chǔ)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(nèi)在需求。能量密度提升的本質(zhì)，是在確保安全的前提下，在一定空間內(nèi)（外包裝）將活性材 料的重量/體積占比不斷提升，并升級(jí)活性材料的比容量。 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(fù)極用硅碳材料；二是 優(yōu)化工藝提高活性材料的重量占比，包括提升面密度、壓實(shí)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(guī)模效應(yīng)。此外，在系統(tǒng)層面上還可以改進(jìn)成組技術(shù)， 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(jié)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(jīng)取得了一定進(jìn)展。高鎳化至少能帶來兩方面好處，一是降低鈷資源的用量，減輕上游資源價(jià)格波動(dòng)帶來的價(jià)格波動(dòng)，NCM811 相比NCM523 的鈷含量由12.21%降至 6.06%，折算到動(dòng)力電池每kwh 用鈷量從0.22kg 降至 0.09kg，因此在鈷價(jià)越高時(shí)，NCM811 的材料成本優(yōu)勢將越明顯。例如，在金屬鈷 20 美元/ 磅時(shí)，高鎳三元材料單位容量成本低 8%；在金屬鈷 30 美元/磅時(shí)，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 260Wh/kg。目前廣 受關(guān)注的 811 系材料已經(jīng)開始使用，Ni 含量更高的材料也在研發(fā)之中，可以說高鎳化是材料發(fā)展 不可動(dòng)搖的趨勢。 我們的模型測試結(jié)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(jìn)一步提升至210mAh/g，則電芯能量密度提升至239Wh/kg， 成本進(jìn)一步降至 0.372 元/Wh。因此，對于電池企業(yè)來說，高鎳化是降低電芯成本無法回避的路徑。另一方面，高鎳化帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)仍待攻克： 首次循環(huán)效率下降；熱穩(wěn)定性下降。l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(dǎo)致鋰鎳陽離子混排，進(jìn)入鎳空位的鋰在循環(huán)過程中難以脫嵌，導(dǎo) 致電池的首次庫侖效率不夠理想，并容易造成材料結(jié)構(gòu)坍塌，由層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)或 NiO 型巖鹽相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致容量衰減、循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性降低。 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(huì)釋放出氧氣，導(dǎo)致材料 結(jié)構(gòu)被破壞l。副反應(yīng)影響安全，材料表面的雜質(zhì)在存儲(chǔ)環(huán)境中的水份及氧氣的作用下會(huì)與電 解液發(fā)生反應(yīng)，生成 Li2CO3 和 LiOH 等物質(zhì)， 從而在電極材料表面形成一種絕緣層，阻礙 Li+的擴(kuò)散和電子的傳輸。 壓實(shí)密度下降，l目前三元電池極片的壓實(shí)密度可以達(dá)到 3.3~3.6g/cm3，而高鎳材料是一次顆 粒團(tuán)聚而成的二次球形顆粒， 由于二次顆粒在較高壓實(shí)密度下會(huì)破碎，對煅燒時(shí)的氣氛要求 很高，壓實(shí)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。 高鎳材料表面的碳酸鋰和氫氧化鋰雜質(zhì)不易控制，雜質(zhì)容易超標(biāo)，l這些殘留鋰化合物主要是 Li2O、LiOHH2O、Li2CO3等堿性物質(zhì)，殘留物越多，材料表面的 PH 值越大。堿性物質(zhì)在 空氣中容易吸潮，導(dǎo)致材料表面和水反應(yīng)，或使材料在調(diào)漿時(shí)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(diào)漿黏度變大的原因是黏結(jié)劑 PVDF 團(tuán)聚，使正極漿料黏 度變大難以過篩，情況嚴(yán)重時(shí)漿料變果凍狀，成為廢料。 正極材料生產(chǎn)條件苛刻，成本上升l。8 系以上的三元材料較之前的 5 系、6 系理化性質(zhì)出現(xiàn)了 很大變化，導(dǎo)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(huán) 境控制（全程濕度低于 10%）、環(huán)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(jià)格較 5 系高出近 40%。 因此，高鎳材料的商業(yè)化應(yīng)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(shè)計(jì)以及 循環(huán)特性方面所帶來的一系列負(fù)面問題，這導(dǎo)致了高鎳推廣困難重重，迄今為止批量供應(yīng)高鎳電 池的企業(yè)僅有兩家，其中松下自 2017 年起向特斯拉供應(yīng) NCA 高鎳電芯，寧德時(shí)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(yè)一再推遲高鎳電池的批 量供貨，二線企業(yè)在高鎳化之路上則落后更遠(yuǎn)。 硅負(fù)極：極具性價(jià)比的降本良方前述的成本敏感性分析表明，改善負(fù)極性能也是降低電芯制造成本的有效途徑。目前商業(yè)化的鋰電 池主要以石墨為負(fù)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(jīng)可以 達(dá)到 360~365mAh/g，因此基于石墨負(fù)極的鋰電池能量密度優(yōu)化空間相對有限。在此背景下，硅基負(fù)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(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富、成本較低等優(yōu)勢而被認(rèn)為是極具潛力的下一代高能 量密度鋰離子電池負(fù)極材料。然而，由于硅負(fù)極材料在充放電過程中存在巨大的體積變化（320%），導(dǎo)致納米硅顆粒與電極極 片的機(jī)械穩(wěn)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(wěn)定性降低，嚴(yán)重影 響電池壽命；硅的膨脹會(huì)在電池內(nèi)部去產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)對極片造成擠壓，從而出現(xiàn)極 片斷裂；還會(huì)造成電池內(nèi)部孔隙率降低，促使金屬鋰析出，影響電池的安全性。因此目前硅負(fù)極主要通過與石墨負(fù)極材料復(fù)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(jí)；或改變石墨質(zhì)地、形態(tài)，實(shí)現(xiàn)碳和硅的最佳匹配；或者采用其他 物質(zhì)對硅進(jìn)行包覆，促進(jìn)膨脹后的復(fù)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。 實(shí)踐證實(shí)，要想取得比較理想的電化學(xué)性能，復(fù)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(zhì)以及表面鈍化層厚度等關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)壁壘都很高，國內(nèi)廠家目前還達(dá) 不到，而外購納米硅粉成本極高，導(dǎo)致硅碳負(fù)極的價(jià)格較石墨類產(chǎn)品高出 1 倍左右。現(xiàn)在行業(yè)用硅普遍在8%-10%。據(jù)測算，采用硅負(fù)極材料的鋰離子電池的質(zhì)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(shí)每千瓦時(shí)電池的成本可以下降至少 3%，因此硅負(fù)極 材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，與高鎳推廣面臨的問題類似，硅碳負(fù)極的應(yīng)用條件更加嚴(yán) 苛，同時(shí)以硅碳材料為負(fù)極的電池負(fù)極片壓實(shí)密度和首次效率都會(huì)下降，導(dǎo)致多數(shù)電池廠家只能望 洋興嘆，我國目前硅碳負(fù)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(fù)極，其他電池企業(yè)尚無大批量供貨的記錄。國內(nèi)負(fù)極龍頭貝特瑞和 江西紫宸已有不同規(guī)格的硅碳負(fù)極產(chǎn)品，預(yù)計(jì)未來幾年有望逐漸推廣。設(shè)計(jì)：螺獅殼里做道場，工藝優(yōu)化無止境一顆鋰電池容量由正極材料多寡決定，提升能量密度除了采用高比容量的材料之外，另一路徑是在 有限的空間內(nèi)裝入更多的活性材料，即提升電芯內(nèi)部的填充度。根據(jù)我們搭建的模型測算，PHEV2 型電芯內(nèi)部填充度約為 82%，填充不完全在橫向和縱向上都有原因。橫截面上，在電池設(shè)計(jì)中，通常采用群裕度這個(gè)概念來表征電芯的空間填充度。群裕度是指電池實(shí) 際內(nèi)部橫截面積與最大內(nèi)部截面積的比例，即，將電芯橫向切開，其中卷繞式電芯中各種物質(zhì)的截 面積與電池殼體內(nèi)徑包含的面積的比值，可以表征卷繞式電芯的入殼的困難程度、電芯充電膨脹后 對殼體的壓力等。群裕度的計(jì)算方式有兩種，分別是： 一般采用第二種計(jì)算方式?？v向的不完全填充主要來自頂層集流體、絕緣層等內(nèi)伸的部件需要占據(jù)的空間，一般為頂蓋的內(nèi)側(cè) 部件留出 5mm 空間，此外，為防止極片短路，寬度方面隔膜>負(fù)極>正極，涂布時(shí)正極材料比隔膜 少 4mm 左右，這進(jìn)一步降低了正極材料的用量。此外，目前方形電池的裝配多選用卷繞工藝，卷芯成型后彎曲的部位難以避免留下空隙，這進(jìn)一步 降低了內(nèi)部空間的填充率。因此，改善空間利用率也多從如下途徑實(shí)現(xiàn)，一是選用疊片裝配工藝， 二是減少非活性材料的體積占比，三是增大電芯內(nèi)部尺寸攤薄非填充空間的比例。卷繞改疊片：有效提升群裕度，生產(chǎn)效率是主要阻礙目前的方形電池多數(shù)采用卷繞工藝裝配電芯，卷繞工藝非常成熟，成本也相對較低，但卷繞工藝裝 配的電芯對內(nèi)部空間利用率不足，從而限制了電池能量密度的提高和成本的下降。我們模型測算的 結(jié)果表明，卷繞電池空間利用率僅有 82.3%，偏低主要源于三個(gè)方面，一是縱向上為頂蓋和極柱焊 接留出空間，一般為 5mm 左右，對 PHEV-2 型電池影響空間利用率約 6.2%；二是橫向上由于卷 繞電芯易膨脹，按照群裕度第二重定義，一般設(shè)計(jì)為群裕度 93%左右，為卷芯厚度增加留出彈性 空間；三是卷芯兩側(cè)邊緣位置存在較大曲率，也造成了空間浪費(fèi)，我們模型測算結(jié)果顯示曲度部分 影響填充率約 5.7%。此外，在充放電的過程中，卷芯彎曲部位易變形和扭曲，會(huì)導(dǎo)致電池性能下 降，甚至有安全隱患。 和卷繞工藝相比，疊片工藝具備天然的優(yōu)勢。疊片式極組呈長方形，幾乎可以充滿方形殼體空間；而卷繞式極組呈橢圓形，必然造成殼體四角的空間浪費(fèi)。另外，卷繞式極組長時(shí)間使用后容易扭曲， 兩側(cè)圓弧處斷裂造成內(nèi)部短路。未來方形電池做大做長，電池管理更加簡易高效，可以更好地適應(yīng) 電動(dòng)汽車模塊化生產(chǎn)，這也是圓柱電池所不具備的優(yōu)勢。在產(chǎn)品性能方面，根據(jù)蜂巢能源披露的信息，疊片工藝生產(chǎn)的方形電池優(yōu)勢明顯：因?yàn)闃O組有更好 的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，電池變形和膨脹的幾率大幅下降；邊緣結(jié)構(gòu)更簡單，電池安全性更高；能量密度可 以相應(yīng)提高 5%；循環(huán)壽命提升 10%-20%；內(nèi)阻更低，可以實(shí)現(xiàn)更高倍率放電；電池的規(guī)格更加 靈活，一致性更佳。我們的模型測算結(jié)果表明，在同等規(guī)格尺寸下，采用疊片技術(shù)之后，按照群裕度第一重定義，設(shè)計(jì) 值可達(dá) 96%左右，較卷繞提高 8 個(gè)百分點(diǎn)，從而使得能量密度提高 12%，電芯每 Wh 物料成本下 降近 10%。盡管疊片工藝潛在優(yōu)勢明顯，但當(dāng)前仍然面臨諸多需要克服的問題，包括更高的工藝門檻和生產(chǎn)成 本等，其中最大的難題是生產(chǎn)效率。日韓廠商曾經(jīng)攻關(guān)疊片工藝，但是生產(chǎn)效率提升始終無法取得 實(shí)質(zhì)上的突破。當(dāng)下卷繞機(jī)的水平，可實(shí)現(xiàn)線速度 3m/s，張力波動(dòng)控制5%，對齊精度為2mm， 整機(jī)合格率≥99%，時(shí)間稼動(dòng)率≥98%，故障率≤1%，疊片機(jī)水平目前是電芯整體對齊精度0.5mm， 產(chǎn)品合格率≥99.5%，時(shí)間稼動(dòng)率≥98%，故障率≤1%，疊片效率（五工位）在 4 片/s，與卷繞效率 相差較遠(yuǎn)。據(jù)測算，在電芯尺寸較小的情況下，只有單工位效率提升到 0.2 秒/片左右時(shí)，疊片工藝 才可能與卷繞工藝成本相當(dāng)。另外，疊片工藝需要將每個(gè)極片進(jìn)行兩次分切，一個(gè)電芯則涉及到數(shù)十次分切，而卷繞工藝每個(gè)電 芯只需要進(jìn)行正負(fù)極各一次分切。每次分切都存在極片的截面產(chǎn)生毛刺的風(fēng)險(xiǎn)，這就增加了電池質(zhì) 量控制的難度。正是因?yàn)槭苤朴谶@兩個(gè)主要的短板，疊片工藝的滲透率還有待突破。但總體而言， 效率與分切的問題并非不能克服，目前主流電池廠中，除了 LG 一直采用疊片和軟包路線之外，寧 德時(shí)代、比亞迪也紛紛布局該路線，三星 SDI 于近日宣布在匈牙利的新產(chǎn)線將采用疊片工藝，我 們預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)疊片有望取代卷繞成為電芯的主流生產(chǎn)工藝。大尺寸電芯：提效降本一舉多得，工藝水準(zhǔn)決定成果增大單體電芯容量是降低電池生產(chǎn)成本的重要手段。大容量電芯一方面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整材料結(jié) 構(gòu)，降低單位電量所使用材料，另外一方面通過提高單片電芯電量，有利于降低生產(chǎn)損耗。由于電 芯為模組和電池包的主要材料投入，大容量電芯帶來的單位材料成本下降也帶動(dòng)模組和電池包材 料成本的下降。以特斯拉的電池系統(tǒng)為例，2019 年起特斯拉采用松下的 21700 圓柱電芯代替使用 了 5 年之久的 18650 電芯，切換之后，電池單體電池容量可以達(dá)到 3~4.8Ah，大幅提升 35%，電 芯能量密度則從 250Wh/kg 提升 20%至 300Wh/kg，生產(chǎn)成本降幅達(dá) 9%以上。具體而言，大電芯的第一個(gè)優(yōu)勢是提升了活性材料的重量比例，從而提升電芯的能量密度，降低電 芯生產(chǎn)成本。我們的模型測算結(jié)果表明，方形卷繞電芯厚度從 27mm 增加至 79mm 時(shí)，由于非活 性物質(zhì)用量被攤薄，正極材料在電芯總重量的占比從 37.6%提升至 39.4%，其質(zhì)量能量密度從 218Wh/kg 增加至 229Wh/kg，增幅達(dá) 5%，電芯綜合成本從 0.54 元/Wh降至 0.506 元/Wh，降幅 約 7%。二是有利于提高成組率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能量密度?，F(xiàn)在比較成熟的實(shí)際中，PACK 系統(tǒng)層級(jí)按照 電芯處理方式可分為四級(jí)：電芯級(jí)、模組級(jí)、模塊級(jí)和電箱級(jí)。其中電芯級(jí)是一個(gè)基礎(chǔ)，后面每一 級(jí)都會(huì)使用一定的零部件來對電芯進(jìn)行處理，所以后面每一級(jí)都有一個(gè)成組效率（電芯重量占每一 級(jí)部件的百分比）的問題，最后系統(tǒng)的成組率是前面幾個(gè)層級(jí)相乘。層級(jí)越多，最后的成組效率就 相對越小。在進(jìn)行 PACK 系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理規(guī)劃，盡量減少層級(jí)，已達(dá)到更高成組效率 的目標(biāo)。以寧德時(shí)代電芯變化軌跡為例，2017 年寧德時(shí)代電芯規(guī)格以標(biāo)準(zhǔn)尺寸為主，成組效率僅有 67%；隨后幾年里憑借更大的電芯和模組，電池系統(tǒng)的成組率不斷提升，2019 年下半年公司推出 CTP （cell to pack）產(chǎn)品，直接省略了模組的保護(hù)，其成組效率有望達(dá)到 80%。在材料體系沒有發(fā)生 根本變化的情況下，將系統(tǒng)能量密度提升了 50%。三是解構(gòu)車企推動(dòng)模組標(biāo)準(zhǔn)化的努力，提升電芯企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈地位。目前車企和電池廠業(yè)務(wù)的分界 點(diǎn)在模組環(huán)節(jié)，車企希望在實(shí)現(xiàn)模組的標(biāo)準(zhǔn)化，讓電池廠成為純粹的電芯供應(yīng)商，加劇電芯環(huán)節(jié)的 競爭，如大眾 MEB 平臺(tái)適用的 590 模組，可同時(shí)兼容方形和軟包電池，兩大電池供應(yīng)商 LG 和寧 德時(shí)代的產(chǎn)品無論是技術(shù)路線還是尺寸都完全不同；電池廠則力圖將觸角延伸至模組環(huán)節(jié)，無論是CTP 還是大電芯本質(zhì)都是提升電芯環(huán)節(jié)的差異性，在降低成本的同時(shí)，提高電芯的技術(shù)壁壘，從 而進(jìn)一步綁定車企，消解車企模組標(biāo)準(zhǔn)化的意圖。 理論上，大電芯在設(shè)計(jì)和制造層面的實(shí)施并不困難，難點(diǎn)在于保持電芯的高品質(zhì)。對于卷繞式電芯， 單個(gè)卷芯極片卷繞長度約 6-7 米，更長會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力不均勻，從而導(dǎo)致電芯循環(huán)性能受限，卷繞式大 電芯會(huì)采取多個(gè)卷芯并聯(lián)的方式，其實(shí)質(zhì)是減少封裝殼體的用量，一旦卷芯出現(xiàn)膨脹，會(huì)影響其它 卷芯的正常充放電；對于疊片式電芯，更大容量意味著同一殼體內(nèi)疊層數(shù)量增加，邊緣毛刺、疊片 錯(cuò)位等問題出現(xiàn)的概率急劇上升。因此，目前市場上大電芯的供應(yīng)商數(shù)量相當(dāng)稀少，寧德時(shí)代最大 規(guī)格的電芯單體容量已達(dá)到 200Ah 以上，國內(nèi)其他廠家都在 120Ah 以下。非活性材料減量：降本累積效果明顯，削減冗余設(shè)計(jì)增加安全隱患從前述分析可知，正負(fù)極活性材料占電芯的重量比僅有 60%左右，集流體、電解液和殼體等非活 性材料重量占比達(dá) 35%以上，設(shè)法減少非活性材料的重量比例也是提升能量密度、降低電池成本 的有效途徑。非活性材料減重減厚主要從如下途徑著手： 提升正負(fù)極片的壓實(shí)密度，即降低正負(fù)極片活性層的孔隙度。l模型中假設(shè)正負(fù)極片的孔隙率 分別為 25%和 27%，相應(yīng)的壓實(shí)密度分別為 3.38g/cm2和 1.55g/cm2，如將正極極片孔隙度 降至 20%，則正極面密度可達(dá) 3.60g/cm2，電池能量密度從 216Wh/kg 提升至 219.7Wh/kg。增大壓實(shí)密度的潛在風(fēng)險(xiǎn)在于導(dǎo)致極片過壓或者極片掉粉，從而導(dǎo)致電池容量降低、循環(huán)惡 化以及內(nèi)阻增加等問題。 提升極片面密度。l目前極片都采用雙面涂布，正極單面面密度約 20mg/cm2，相應(yīng)的正積極片 厚度約 130 微米，其中正極箔材厚度（鋁箔）占比達(dá) 10%，提升面密度可進(jìn)一步減少箔材的 空間占用，從而提升能量密度。我們的模型測算表明，如將單面面密度從 20mg/cm2 提升至 25mg/cm2，電池能量密度可提升 2.7%，綜合成本下降 2.1%。面密度提升的主要障礙在于負(fù) 極，由于負(fù)極漿料的溶劑為水，隨著極片厚度增加，烘干過程變得難以控制，或者在極片底部留下殘余水，或者導(dǎo)致極片底部出現(xiàn)裂縫，二者都會(huì)導(dǎo)致使用過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。目前主 流電芯企業(yè)負(fù)極面密度控制在 18~20 mg/cm2（雙面），而國際領(lǐng)先的電芯企業(yè)則可以達(dá)到 25 mg/cm2左右。 降低 N/P 比。lN/P 比（Negative/Positive）是在同一階段內(nèi)，同一條件下，正對面的負(fù)極容量 超正極容量的余量，計(jì)算方法為 N/P=單位面積負(fù)極容量/單位面積正極容量。石墨負(fù)極類電 池 N/P 要大于 1.0，一般 1.04~1.20，這主要是出于安全設(shè)計(jì)，主要為了防止負(fù)極析鋰，設(shè)計(jì) 時(shí)要考慮工序能力，如涂布偏差。但是，N/P 過大時(shí)，電池不可逆容量損失，導(dǎo)致電池容量偏 低，電池能量密度也會(huì)降低。我們的模型里假設(shè) N/P 比為 1.1，如果將 N/P 比調(diào)整為 1.05， 電池能量密度將增加 2%，成本下降 0.8%。 減少隔膜、負(fù)極、正極材料留白面積。l為了防止電池短路以及極片邊緣毛刺導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，涂 布時(shí)往往會(huì)在集流體邊緣處留下空白，其規(guī)律是負(fù)極活性層寬度比隔膜少 2mm 左右，正極比 負(fù)極也少 2mm，這些留白造成的體積能量密度損失達(dá) 3%以上，因此提高涂布精度，增大活 性材料填充也成了電池企業(yè)面臨的重要課題。 降低銅箔、鋁箔和隔膜等材料的厚度。l銅箔、鋁箔、隔膜等材料在電芯質(zhì)量的占比接近 10%， 厚度占比接近 7%，因此降低箔材的厚度和重量對于提升能量密度、降低成本意義重大。自 2010 年以來，銅箔的厚度已從 12μm 降至 6~8μm，領(lǐng)先企業(yè)已在嘗試 4.5μm 厚度的銅箔；鋁箔和隔膜厚度從 20μm 降至 12μm 左右。另一方面，箔材的應(yīng)用并不是越薄越好，需要保 證電池的安全性。然而，更薄的箔材對于材料供應(yīng)商和電芯企業(yè)都帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)， 材料企業(yè)需要解決負(fù)荷率和成品率下降、成本上升的問題，電芯企業(yè)則需要解決涂布、輥壓 和卷繞等一系列問題，因此，能夠應(yīng)用更薄的箔材已成為表征電芯企業(yè)技術(shù)能力的一大標(biāo)志。以銅箔為例，寧德時(shí)代早在 2019 年已全面采用 6μm 的銅箔，并已在嘗試 4.5μm 產(chǎn)品，而國 內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍然停留在 8μm 的水平。 上述所有措施全部采用之后，電芯單體的質(zhì)量能量密度從 218Wh/kg 提升至 248Wh/kg，電芯成本 則從 0.55 元/Wh降至 0.515 元/Wh，物料成本從 0.43 元/Wh降至 0.39 元/Wh。另一方面，上述的每一條措施都意味著降低了安全冗余設(shè)計(jì)，假如工藝能力沒有提升，減少非活性材料的用量實(shí)際上 增加了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，在安全性壓倒一切的前提下，甚至可能導(dǎo)致電池廠商失去客戶。因此，與一般制 造業(yè)相反，電池企業(yè)反而是龍頭公司在壓縮冗余設(shè)計(jì)，因?yàn)榉腔钚圆牧系臏p量都是建立在工藝和 技術(shù)能力有富余的基礎(chǔ)之上。過程能力—質(zhì)量/一致性決定市場份額，良品率拉開成本差距鋰電池單體大量成組后才能使用，因此電芯的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)合格只是基本要求，品質(zhì)一致性在供應(yīng) 商評(píng)估過程中具有很高權(quán)重。此外，進(jìn)行大批量生產(chǎn)的時(shí)候，一個(gè)單體的成本主要是取決于材料成 本和生產(chǎn)過程中的廢品率。因此，電池在材料和設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)能否得到大批量高品質(zhì)的復(fù)制才是決 定其成本和市場競爭力的關(guān)鍵，這主要取決于工業(yè)生產(chǎn)的過程能力。定性：多材料/工序非線性耦合而成的流程型制造業(yè)，復(fù)雜度極高一般而言，制造業(yè)主要可以劃分為流程型制造業(yè)和離散型制造業(yè)兩大類。離散型制造業(yè)以機(jī)械制造 為代表，在離散制造過程中，尤其是加工、組裝、運(yùn)行過程一般只發(fā)生幾何形狀和時(shí)/空變化，而很 少發(fā)生物理、化學(xué)和生物性質(zhì)變化，只要計(jì)算機(jī)的能力足夠強(qiáng)，算法得當(dāng)，離散型制造的加工過程、 運(yùn)動(dòng)過程的物理機(jī)制和模型就較易數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，這是離散型制造較易智能化的重要原因。流程型制造以化工、冶金、建材等工業(yè)為代表。流程型制造過程中既有時(shí)/空、幾何形狀變化，又 有涉及物理-化學(xué)變化的狀態(tài)、成分、性質(zhì)變化，其中工藝參數(shù)眾多而又互相關(guān)聯(lián)、互相作用、互 相制約，屬于開放復(fù)雜系統(tǒng)，不少事物難以有確定的數(shù)字解，難于數(shù)字化。其生產(chǎn)模型以配方為核 心，具備較強(qiáng)的易變動(dòng)性和伸縮性，往往具有較高的技術(shù)難度。鋰電池制造是高復(fù)雜度的流程型制造業(yè)。鋰電池生產(chǎn)可粗略分為 15/16 道工序，其中既涉及到物 理變化（主要是極片制造），也涉及到化學(xué)變化（SEI 膜的形成），工藝點(diǎn)數(shù)以千計(jì)，這些不同結(jié) 構(gòu)和功能的工序通過非線性耦合構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并且由于降本提效的需求，其配方在不斷變 化，因此鋰電池批量生產(chǎn)的技術(shù)復(fù)雜性在制造業(yè)里處于很高水平，其生產(chǎn)流程具備如下特點(diǎn)： 配方型。l離散制造企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其最終產(chǎn)品一定是由固定個(gè)數(shù)的零件或部件組成，這些 關(guān)系非常明確并且固定。在流程生產(chǎn)行業(yè) MES 中，一般采用配方的概念來描述這種動(dòng)態(tài)的產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)關(guān)系。MES 在描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配方的時(shí)候，還應(yīng)具有批量，有效期等方面的要求。 非線性耦合。l流程企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)往往不是很固定—上級(jí)物料和下級(jí)物料之間的數(shù)量關(guān)系， 可能隨溫度，壓力，濕度，季節(jié)，人員技術(shù)水平，工藝條件不同而不同，最終產(chǎn)品的性能則是 上下級(jí)物料和加工環(huán)境非線性耦合的結(jié)果。 仍然在進(jìn)化。l多數(shù)流程制造業(yè)的產(chǎn)品是原材料，其產(chǎn)品性能和工藝配方在很長一段時(shí)間里保 持穩(wěn)定，而鋰電池提效降本的需求仍然迫切，其生產(chǎn)配方仍在不斷變化，生產(chǎn)工序也需要相 應(yīng)調(diào)整升級(jí)，因此鋰電池生產(chǎn)工藝的難度也在不斷提高。綜上，鋰電池生產(chǎn)是多材料/工序非線性耦合而成的流程型制造業(yè)，復(fù)雜度極高，需要控制數(shù)以千 計(jì)的工藝點(diǎn)才能保證電池品質(zhì)的高一致性，非線性耦合的特性意味著配方的每次調(diào)整都需要調(diào)整 所有關(guān)鍵工序的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能，因此鋰電池的技術(shù)進(jìn)步大概率由研發(fā)實(shí)力雄厚的龍頭推動(dòng)， 個(gè)別材料/工藝的創(chuàng)新很難實(shí)現(xiàn)彎道超車。一致性是獲得市場份額的前提，決定了過去三年國內(nèi)格局電動(dòng)車的電池系統(tǒng)由數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)電芯連接而成，由于木桶效應(yīng)，電池系統(tǒng)的性能取決于電池 包里性能最差的電芯。此外，與消費(fèi)電子產(chǎn)品相比，電動(dòng)汽車由于放電電流、工作電壓以及工作環(huán) 境都更加嚴(yán)苛，動(dòng)力電池允許的故障率較消費(fèi)鋰電池低 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此質(zhì)量要求更加苛刻。 電芯的品質(zhì)通常從兩個(gè)維度衡量，一是常規(guī)的電、熱和機(jī)械性能，這類性能區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)明確，而且 影響因素較少，容易監(jiān)測和控制；二是電芯性能參數(shù)的一致性，相對而言，電芯一致性的重要性 難以直觀量化，主要是不一致所導(dǎo)致的問題需要更長的時(shí)間才會(huì)暴露，但后果同樣嚴(yán)重，電芯性 能不一致往往帶來如下方面的問題： 容量損失，l電芯單體組成鋰電池組，容量符合“木桶原理”，最差的那顆電芯的容量決定整 個(gè)電池組的能力。 壽命損失，l小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達(dá)壽命的重點(diǎn)。一 只電芯壽命終結(jié)，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。 內(nèi)阻增大，l不同的內(nèi)阻，流過相同的電流，內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相對比較多。電池溫度過高， 造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會(huì)進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對負(fù)反饋，使高內(nèi)阻電芯加 速劣化。單體電池在制造出來后，本身存在一定性能差異。初始的不一致度隨著電池在使用過程中連續(xù)的 充放電循環(huán)而累計(jì)，導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)（SOC、電壓等）產(chǎn)生更大的差異；電池組內(nèi)的使用環(huán) 境對于各單體電池也不盡相同。這就導(dǎo)致了單體電池的不一致度在使用過程中逐步放大，從而在 某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。當(dāng)質(zhì)量特性值的分布服從正態(tài)分布時(shí)，一定的過程能力指數(shù)對應(yīng)著一定的不合格品率。在一般的制 造業(yè)中，Cpk達(dá)到 1.33（對應(yīng)良品率為 99.36%），即表明該產(chǎn)品/工序過程能力充分；如達(dá)到 1.67 （對應(yīng)良品率 99.978%），表明該產(chǎn)品/工序過程能力很高；如 Cpk在 1.67 以上，甚至意味著工藝 能力過剩，存在粗活細(xì)作。然而，電芯生產(chǎn)對于工序能力的要求要高得多。以一個(gè)約 50kWh 的電池系統(tǒng)為例（主流 A 級(jí)車系 統(tǒng)容量），大約包含 280 個(gè) PHEV-2 規(guī)格電芯，我們計(jì)算了不同過程指數(shù)值所對應(yīng)的電芯和系統(tǒng) 不良率表現(xiàn)：不難發(fā)現(xiàn)，一般制造業(yè)較好的過程能力指數(shù)（1.33）對電芯而言幾乎意味著全面不合格。目前我國 二線電池企業(yè)在電芯層面的 Cp可以達(dá)到 1.33，成組后的電池系統(tǒng)成為不良品的概率達(dá) 80%以上；國內(nèi)一線龍頭的過程能力指數(shù)可以達(dá)到 1.67，即便如此電池包的不良率也達(dá) 6%以上；海外圓柱電 芯龍頭的工序能力指數(shù)可以達(dá)到 2，但圓柱電芯單體容量小，成組時(shí)需要的電芯數(shù)量數(shù)以千計(jì)，以 特斯拉為例，其電池系統(tǒng)由約 7000 個(gè)圓柱電芯組成，假設(shè)電芯 Cp值為 2，則電池包的不良率約為 2.35%；如果 PHEV-2 電芯的 CP值達(dá)到 2，成組后電池包不良率可降至 0.1%以下，這在目前還是 很難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。我們假設(shè)車企能接受的電池系統(tǒng)良率為 85%，則電芯的良率要達(dá)到 99.92%以上，對應(yīng) CP值為 1.55，這仍然是極高的工序能力要求，國內(nèi)多數(shù)電池企業(yè)很難達(dá)標(biāo)。我們認(rèn)為，電芯一致性的差異是過去幾年國內(nèi)鋰電池格局迅速集中的重要原因。我國鋰電池的名 義產(chǎn)能處于嚴(yán)重過剩狀態(tài)，2019 年全行業(yè)產(chǎn)能利用率不足 30%。與此同時(shí)，龍頭公司寧德時(shí)代 的市場份額卻甩開同行絕塵而去，無論是政策引導(dǎo)的三元，還是市場認(rèn)為偏低端的磷酸鐵鋰，寧 德時(shí)代的市占率都已達(dá)到 50%以上?？紤]到磷酸鐵鋰電池的固有安全特性，技術(shù)難度低于三元， 而且各廠家的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至能量密度等性能參數(shù)均相差不大，寧德時(shí)代在鐵鋰領(lǐng)域的 全面勝出主要是憑借產(chǎn)品的高一致性。 突破質(zhì)量、成本、效率(制造周期)不可能三角，是行業(yè)強(qiáng)者恒強(qiáng)的根源過程能力的差異在成本端也有顯著影響，過程能力不足造成的損失主要體現(xiàn)在如下方面：一是不良 流程/產(chǎn)品造成的質(zhì)量損失，二是為了確保最終產(chǎn)品質(zhì)量所付出的成本，包括分選環(huán)節(jié)增加和制造 周期延長，三是份額不足、開工率低造成的停機(jī)損失。 生產(chǎn)過程中不良流程/產(chǎn)品造成的損失用直通率和不良品率來衡量。鋰電池制造的多數(shù)流程無法返 工，而是在關(guān)鍵工序上對性能參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用直通率（流通產(chǎn)出率）能夠揭示不良品造成的損 失，直通率由每一個(gè)流程的首次產(chǎn)出率（first time yield, FTY）乘積得到，鋰電池生產(chǎn)的關(guān)鍵工序有 6 個(gè)，質(zhì)量特征值則有 9 個(gè)。不良品則是在最后的分容階段篩選出來廢棄，這些不良品是質(zhì)量 損失的重要來源。 阿貢國家實(shí)驗(yàn)室假設(shè)的電芯良率及主要材料的直通率拆解如下所示，實(shí)際上各廠家的相關(guān)數(shù)據(jù)差 異較大。良率方面，一線企業(yè)的電芯良率可達(dá) 96~97%，較好的二線企業(yè)僅有 92~93%，在其他條 件均不變的情況下，5 個(gè)百分點(diǎn)的良率差異會(huì)導(dǎo)致成本端相差 0.023 元/Wh；直通率方面，一線企 業(yè)正極材料的直通率可達(dá) 95%以上，二線勉強(qiáng)接近 90%，5 個(gè)點(diǎn)的直通率差異導(dǎo)致成本端相差 0.015 元/Wh。因此，僅考慮質(zhì)量損失，一二線企業(yè)之間即可造成 0.035 元/Wh 以上的成本差異。 工序能力對成本的另一顯著影響是拉長產(chǎn)品制造周期。電芯的完整生產(chǎn)周期覆蓋從投料到出廠，時(shí) 間長達(dá) 3~6 周，其中涂布、分切、卷繞等機(jī)械制程耗時(shí) 1~2 天，且各家企業(yè)差異不大，但化成時(shí) 間差異較大，優(yōu)秀企業(yè)化成時(shí)間可控制在 2 周左右，二線企業(yè)則需要 2-3 周時(shí)間。化成時(shí)間的區(qū)別 主要源于前道工序質(zhì)量控制的差異，對于工序能力強(qiáng)的企業(yè)，一次分容即可完成篩選，多數(shù)企業(yè)則 需要二次化成，這種情況下電學(xué)參數(shù)一致的電芯可能使用了不同批次的原料，隨著使用次數(shù)增加， 其先天的不一致會(huì)逐漸體現(xiàn)。此外，由于化成占用的廠房面積較大，長期的化成分容一方面會(huì)增加設(shè)備和廠房折舊，另一方面成 為整個(gè)流程的瓶頸環(huán)節(jié)，拖累整體周轉(zhuǎn)率。以固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率為例，即使在 2016 年的行業(yè)歷史性 高點(diǎn)，一二線企業(yè)的周轉(zhuǎn)率也有顯著差異，我們認(rèn)為這種差異主要來自制造周期。 對于流程制造業(yè)，規(guī)模效應(yīng)能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。由于工序能力存在差異，車企傾向 于選擇產(chǎn)品一致性更好的供應(yīng)商，這導(dǎo)致一二線電池企業(yè)產(chǎn)能利用率的急劇分化。以 2019 年數(shù)據(jù) 為例，寧德時(shí)代全年出貨量達(dá)33GWh，產(chǎn)能利用率約75%，其他企業(yè)的產(chǎn)能利用率多數(shù)徘徊在40% 以下，產(chǎn)能利用率的分化導(dǎo)致了成本差異的增加。2018 年寧德時(shí)代動(dòng)力電池出貨量達(dá) 23.5GWh， 其折舊總額約 20 億元，國軒高科出貨量 3.1GWh，折舊總額 3.33 億元，這還不考慮寧德時(shí)代折舊 年限較國軒高科短一半。 因此，鋰電池生產(chǎn)打破了一般制造業(yè)品質(zhì)—成本—生產(chǎn)效率的不可能三角，反而通過提升品質(zhì)，降 低了質(zhì)量損失，并且縮短生產(chǎn)周期，最終降低了整體的生產(chǎn)成本，更高的品質(zhì)進(jìn)一步促進(jìn)了市場份 額的提升，從而強(qiáng)化了成本優(yōu)勢。5M1E 分析：工藝（Method）與環(huán)境（Environment）是拉開質(zhì)量差距的 決定因素產(chǎn)品質(zhì)量通常取決于六大因素：5M1E（人/Man、機(jī)器/Machine、材料/Material、方法/Method、測 量/Measurement、環(huán)境/Environment）。 人（Man）：l鋰電池產(chǎn)線由于尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，大量工序仍需人力操作，目前每 GWh 產(chǎn)線需配備 400-500 員工，另一方面，對員工的學(xué)歷要求并不高，寧德時(shí)代 79%的員工學(xué)歷 在本科以下，這表明操作人員對鋰電池質(zhì)量的影響相對較小。 機(jī)器（Machine）：l目前鋰電池的設(shè)備投資強(qiáng)度約 3 億元/GWh，單廠投資 2GWh 以上。精度 和效率是鋰電設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，也是設(shè)備的研發(fā)與制造過程需要重點(diǎn)考慮的因素，其主 要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、零件加工精度、裝配技能水平以及設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試時(shí)的工藝適應(yīng)性 等。生產(chǎn)設(shè)備的精度和自動(dòng)化水平?jīng)Q定了鋰離子電池的質(zhì)量，例如極片涂布的涂覆精度、極 片制片的極耳位置精度、極片卷繞的電芯對齊精度等對鋰離子電池的容量、電壓、內(nèi)阻以及 可靠性能和安全性能等方面有重要影響。目前鋰電設(shè)備的國產(chǎn)化率已接近 100%，部分設(shè)備 企業(yè)甚至已進(jìn)入國際廠商供應(yīng)鏈，因此各廠家設(shè)備的區(qū)別并不大，另一方面，由于各廠家會(huì) 根據(jù)自身的技術(shù)對產(chǎn)線作調(diào)整，因此鋰電設(shè)備有一定的定制化需求。此外，圓柱、方形、軟 包三種裝配路線對產(chǎn)線的自動(dòng)化水平也有一定影響，圓柱電池產(chǎn)線可以接近全自動(dòng)化生產(chǎn)， 方形和軟包電池只能半自動(dòng)化生產(chǎn)，因此方形和軟包電池的一致性要弱于圓柱。 材料（Material）：l鋰電池生產(chǎn)用到多種材料，對純度、顆粒尺寸、含水量等各項(xiàng)指標(biāo)要求都 非?？量?。同設(shè)備一樣，目前國內(nèi)鋰電材料國產(chǎn)化率也接近 100%，前驅(qū)體、正極、負(fù)極、電 解液等主要材料供應(yīng)商已進(jìn)入國際一線電池廠商的供應(yīng)鏈，電池企業(yè)在材料性能上要求略有 區(qū)別，但不是造成質(zhì)量差異的核心因素。 方法（Method）：l鋰電池生產(chǎn)的工藝方法總體上相近，但是具體的工藝點(diǎn)都有特色，例如， 僅在制片環(huán)節(jié)，正極、負(fù)極漿料的配方、攪拌速度、添加劑種類和用量都有無數(shù)種組合，卷 繞時(shí)張力調(diào)節(jié)、烘干的溫度和時(shí)間也各有差異，鋰電池生產(chǎn)流程非線性耦合的特點(diǎn)決定了各 廠商在這上千個(gè)工藝點(diǎn)的區(qū)別是造成產(chǎn)品質(zhì)量差異的主要原因。 測量（Measurement）：l測量主要是觀測關(guān)鍵工序質(zhì)量特性是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，所采用的的手段、 設(shè)備和分析方法差異不大，因此對產(chǎn)品質(zhì)量沒有決定性影響。 環(huán)境（Environment）：l鋰電池生產(chǎn)對于環(huán)境的要求非?？量蹋饕菧囟?、濕度、顆粒物管 理等，溫度方面，鋰電池所有工序溫度波動(dòng)不超過 2℃；濕度方面的要求更為嚴(yán)格，涂布和輥 壓過程要求濕度不高于 15%，電芯裝配和注液過程需要濕度降至 1%以下，值得一提的是， 隨著高鎳材料的推廣，電池生產(chǎn)對濕度的控制將進(jìn)一步嚴(yán)苛，所有流程必須控制在10%以下；顆粒物附著在極片表面，制成電芯后會(huì)嚴(yán)重影響電池的循環(huán)性能，甚至可能造成短路引發(fā)熱 失控，并且隨機(jī)分布不易觀測，因而對電芯一致性有著巨大的影響，顆粒物一方面來自外部 環(huán)境，而在混漿、涂布、輥壓、模切等環(huán)節(jié)也會(huì)導(dǎo)致新的顆粒物產(chǎn)生，廠房里工人的活動(dòng)也 會(huì)有影響，涂布、輥壓和裝配環(huán)節(jié)要求環(huán)境的潔凈度至少達(dá)到 ISO 7 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即細(xì)顆粒物濃 度為 30 萬個(gè)/立方米，實(shí)際上標(biāo)準(zhǔn)越高越好，顆粒物濃度一方面取決于廠房硬件設(shè)施，另一 反面取決于工廠的管理水平，因此環(huán)境控制能力的差異對電芯品質(zhì)也有很重要的影響。 我們認(rèn)為，在六大要素中，導(dǎo)致電池品質(zhì)差異的因素主要是材料、技術(shù)和環(huán)境控制，企業(yè)基于各自 的偏好制定不同的競爭戰(zhàn)略：國際一線電池企業(yè)力求做到全方位最優(yōu)，因此電池品質(zhì)最好，成本相 對較高；國內(nèi)一線巨頭追求成本與品質(zhì)的平衡，選用的材料品質(zhì)并非最優(yōu)，但工藝和環(huán)境控制能力 出色，因此對內(nèi)與競爭對手拉開質(zhì)量差距，對外則具備性價(jià)比優(yōu)勢，目前在國內(nèi)已占據(jù)絕對優(yōu)勢， 在海外市場競爭中也能不落下風(fēng)；國內(nèi)二線企業(yè)前幾年過于追求性能參數(shù)，工藝能力相對較差，導(dǎo) 致被邊緣化。 總結(jié)與投資建議：龍頭推動(dòng)成本下降，行業(yè)集中大勢 所趨 降本目標(biāo)并非遙不可及，成本下降依賴技術(shù)沉淀我們將各項(xiàng)降本措施全部實(shí)