鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1617次 | 2021年06月11日
刀片電池和CTP方法帶動(dòng)磷酸鐵鋰回暖
1、磷酸鐵鋰離子電池具備成本和安全的優(yōu)勢(shì)
1.1LFP憑借其低價(jià)及強(qiáng)安全性在眾多正極材料中脫穎而出
鋰離子電池中正極材料占整個(gè)電池成本的40%以上，且當(dāng)前的技術(shù)條件下，整體電池的能量密度重要取決于正極材料，所以正極材料是鋰離子電池的核心開發(fā)、研究的材料，目前成熟應(yīng)用的正極材料包括鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰及錳酸鋰。
（1）鈷酸鋰：有層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)，一般常用層狀結(jié)構(gòu)，其理論容量為270mAh/g左右，層狀結(jié)構(gòu)鈷酸鋰重要應(yīng)用在手機(jī)、航模、車模、電子煙、智能穿戴等數(shù)碼產(chǎn)品上。
20世紀(jì)90年代索尼首次使用鈷酸鋰生產(chǎn)出第一塊商業(yè)化的鋰離子電池。我國鈷酸鋰產(chǎn)品2003年前基本被日本戶田、日亞化學(xué)、清美化學(xué)、比利時(shí)五礦等國外廠家壟斷。當(dāng)升科技2003年推出國內(nèi)第一款鈷酸鋰，并于2005、2009年分別實(shí)現(xiàn)出口韓國和日本，2010年成為國內(nèi)第一家以正極材料為主業(yè)登陸資本市場(chǎng)的公司。2012年，北大先行、天津巴莫推出第一代4.35V高電壓鈷酸鋰產(chǎn)品。2017年，湖南杉杉、廈門鎢業(yè)推出4.45V的高電壓鈷酸鋰產(chǎn)品。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當(dāng)前鈷酸鋰的能量密度和壓實(shí)密度已基本到極限，其比容量與理論容量相比還是有較大的提升空間，但是由于當(dāng)前整體的化學(xué)體系限制，尤其是電解液在高電壓的體系下很容易分解，故進(jìn)一步通過提升充電截止電壓提升比容量的方法受到了一定的限制，后續(xù)一旦電解液技術(shù)得到突破，其能量密度還會(huì)有提升的空間。
（2）鎳鈷錳酸鋰：一般具有綠色環(huán)保、成本低（成本僅相當(dāng)于鈷酸鋰的2/3）、安全性好（安全工作溫度可達(dá)170℃）、循環(huán)使用壽命長（延長45%）的優(yōu)勢(shì)。
2006年深圳天驕、寧波金和率先推出333、442、523體系的三元材料。2007至2008年重要原材料金屬鈷的價(jià)格大幅漲價(jià)，導(dǎo)致鈷酸鋰和鎳鈷錳酸鋰材料的差價(jià)擴(kuò)大、促進(jìn)了在我國鋰電市場(chǎng)的應(yīng)用，鎳鈷錳酸鋰材料迎來了第一個(gè)爆發(fā)期。2007年貴州振華推出單晶型的523體系的鎳鈷錳酸鋰材料。2012年廈門鎢業(yè)出口日本市場(chǎng)的公司。2015年政府補(bǔ)貼政策引導(dǎo)鎳鈷錳酸鋰材料迎來了第2個(gè)爆發(fā)期。
當(dāng)前對(duì)單晶化鎳鈷錳酸鋰研究重要通過不斷的提升鎳含量，提升充電截止電壓，來進(jìn)一步的提升產(chǎn)品的能量密度，但這對(duì)電解液等相關(guān)配套材料以及鋰離子電池制造廠商的技術(shù)能力提出了更高的要求。
（3）錳酸鋰：有尖晶石結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，一般常用尖晶石結(jié)構(gòu)的。理論容量148mAh/g，實(shí)際容量在100～120mAh/g之間，具有容量發(fā)揮較好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、低溫性能優(yōu)越和成本低廉等特點(diǎn)。但是其晶體結(jié)構(gòu)容易畸變，造成容量衰減，循環(huán)壽命短。重要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高，成本要求高，但對(duì)能量密度和循環(huán)要求較低的市場(chǎng)。如小型通訊設(shè)備、充電寶、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車、特殊場(chǎng)景（如煤礦）。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
2003年國內(nèi)錳酸鋰開始產(chǎn)業(yè)化，云南匯龍和盟固利率先搶占低端市場(chǎng)，濟(jì)寧無界、青島乾運(yùn)等廠家逐漸加入，容量型、循環(huán)型、動(dòng)力型產(chǎn)品多元化發(fā)展?jié)M足不同的應(yīng)用市場(chǎng)。2008年，盟固利將錳酸鋰動(dòng)力鋰離子電池成功應(yīng)用在電動(dòng)客車上。
目前錳酸鋰低端市場(chǎng)重要是應(yīng)用于對(duì)電池性能要求相對(duì)較低的通訊類電池、筆記本電腦電池和數(shù)碼相機(jī)電池，錳酸鋰依然會(huì)保持穩(wěn)定上升的市場(chǎng)需求。高端市場(chǎng)是以車用市場(chǎng)為代表，對(duì)電池性能要求較，但隨著三元材料技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，其在車用鋰電的市場(chǎng)份額不斷下降。
（4）磷酸鐵鋰：一般具有穩(wěn)定的橄欖石骨架結(jié)構(gòu)，放電容量可以達(dá)到理論放電容量的95%以上，安全性能優(yōu)異，有關(guān)過充的承受力很好，循環(huán)壽命長，并且價(jià)格低廉。但其能量密度限制難以解決，而電動(dòng)汽車用戶卻不斷提升續(xù)航需求。
1997年橄欖石型磷酸鐵鋰首次被報(bào)道可用作正極材料。北美的A123、Phostech、ValeNce較早實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，但由于國際新能源汽車市場(chǎng)不如預(yù)期，不幸破產(chǎn)被收購，或停產(chǎn)。臺(tái)灣的立凱電能、大同尚志等廠商以來大陸訂單，在國內(nèi)磷酸鐵鋰廠商技術(shù)和產(chǎn)量趕超的情況下發(fā)展趨緩。2001年我國啟動(dòng)磷酸鐵鋰的材料開發(fā)，目前我國磷酸鐵鋰正極材料研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展居于全球前沿，磷酸鐵鋰材料得到了蓬勃的發(fā)展。
1.2磷酸鐵鋰離子電池工作機(jī)理
磷酸鐵鋰正極材料是橄欖石型結(jié)構(gòu)材料，六方密堆積排列，在磷酸鐵鋰正極材料的晶格中，P占據(jù)在四面的位置，八面體的空隙位置由Li和Fe填充，晶體八面體和四面體形成了一個(gè)整體空間架構(gòu)，在各個(gè)點(diǎn)的密切聯(lián)系下形成一種鋸齒狀的平面結(jié)構(gòu)。
磷酸鐵鋰離子電池正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4組成，負(fù)極由石墨組成，中間是聚烯烴PP/PE/PP隔膜，用于隔離正負(fù)極、阻止電子而允許鋰離子通過。在充放電的過程中，磷酸鐵鋰離子電池正極的離子、電子得失如下：
充電：LiFePO4-xe-xLi+→xFePO4+(1-x)LiFePO4
放電：FePO4+xLi+xe→xLiFePO4+(1-x)FePO4
充電時(shí)鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，同時(shí)電子從外電路由正極向負(fù)極移動(dòng)，以保證正負(fù)極的電荷平衡，放電時(shí)鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。這一微觀結(jié)構(gòu)使得磷酸鐵鋰離子電池具有了較好的電壓平臺(tái)和較長的使用壽命：電池的充放電過程中，其正極在斜方晶系的LiFePO4和六方晶系的FePO4兩相之間轉(zhuǎn)變，由于FePO4和LiFePO4在200℃以下以固熔體形式共存，在充放電過程中沒有明顯的兩相轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，磷酸鐵鋰離子電池的充放電電壓平臺(tái)長且平穩(wěn)；另外，在充電過程完成后，正極FePO4的體積相對(duì)LiFePO4僅減少6.81%，而充電過程中碳負(fù)極體積輕微膨脹，起到了調(diào)節(jié)體積變化、支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的用途，因此，磷酸鐵鋰離子電池在充放電過程中表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有較長的循環(huán)壽命。
磷酸鐵鋰正極材料的理論容量是每克170mA，實(shí)際容量是每克140mA，振實(shí)密度是每立方厘米0.9~1.5，工作時(shí)候的電壓是3.4V。
磷酸鐵鋰正極材料在應(yīng)用的時(shí)候體現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性能、安全可靠性、低碳環(huán)保性，是大型電池模塊的首選正極材料。但是磷酸鐵鋰正極材料的堆積密度較低、體積能量密度不高、應(yīng)用范圍有限。針對(duì)磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用局限，相關(guān)人員可以通過在其中摻雜高價(jià)金屬陽離子、表面包覆導(dǎo)電材料的方法來提升這種材料的電導(dǎo)率。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，磷酸鐵鋰正極材料逐漸發(fā)展成熟，被人們廣泛的應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車領(lǐng)域、電動(dòng)自行車領(lǐng)域、移動(dòng)電源設(shè)備、儲(chǔ)能電源領(lǐng)域等。
磷酸鐵鋰正極材料因其高安全性，加上循環(huán)壽命長、資源豐富、價(jià)格較低的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)電動(dòng)汽車尤其是電動(dòng)客車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
但磷酸鐵鋰正極材料橄欖石晶體結(jié)構(gòu)固有的缺陷，如電導(dǎo)率低、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)小等造成其能量密度低、低溫性能差和倍率性能差等缺點(diǎn)在一定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹艿较拗?。改善其缺點(diǎn)的方式重要有表面包覆改性、體相摻雜改性等手段。
近幾年我國動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)經(jīng)歷了爆發(fā)式上升，電池技術(shù)是其核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前動(dòng)力鋰離子電池重要包括磷酸鐵鋰離子電池、錳酸鋰離子電池和三元鋰離子電池等體系。表2比較了各類鋰離子電池的性能，其中DOD為放電深度（Depth-of-discharge）。
磷酸鐵鋰離子電池支撐著我國鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)半壁江山，在各類電池中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)：磷酸鐵鋰離子電池的循環(huán)壽命相對(duì)較長、發(fā)熱量低、熱穩(wěn)定性好，同時(shí)磷酸鐵鋰離子電池還擁有良好的環(huán)境安全性。磷酸鐵鋰離子電池憑借著較低的價(jià)格和穩(wěn)定的性能大量應(yīng)用于電動(dòng)客車，市場(chǎng)份額呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。該材料具有安全性好、循環(huán)壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的主打正極材料。通過納米化和表面碳包覆實(shí)現(xiàn)了可較大功率放電的性能，而且很好地進(jìn)行碳包覆的樣品不含酌γ-Fe2O3和Fe3+雜質(zhì)，在我國實(shí)現(xiàn)了世界最大的規(guī)?；a(chǎn)。
2、寧德時(shí)代和比亞迪引領(lǐng)CTP方法，進(jìn)一步降低成本
比亞迪董事長王傳福先生在參加電動(dòng)汽車百人會(huì)時(shí)透露，比亞迪已研發(fā)出新一代磷酸鐵鋰離子電池“刀片電池”，這款電池預(yù)計(jì)今年量產(chǎn)，“刀片電池”在體積比能量密度上比傳統(tǒng)鐵電池提升了50%，具有高安全、長壽命等特點(diǎn)，整車壽命可達(dá)百萬公里以上，能量密度可達(dá)180Wh/kg，相比此前提升大約9%，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)不弱于NCM811的三元鋰離子電池，并且能夠解決磷酸鐵鋰離子電池能量密度低的短板問題。這款電池將搭載在新車比亞迪“漢”上，預(yù)計(jì)于今年六月上市。
什么是刀片電池？其實(shí)就是長電芯方法（重要指方形鋁殼）。通過增大電芯的長度（最大長度與電池包寬度相當(dāng)），將電芯扁長化設(shè)計(jì)，來進(jìn)一步改進(jìn)電池包集成效率的技術(shù)。它不是某一個(gè)特定尺寸的電芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列電芯。
根據(jù)比亞迪專利中的描述，“刀片電池”是比亞迪新一代磷酸鐵鋰離子電池的一個(gè)名稱，是比亞迪研發(fā)多年的“超級(jí)磷酸鐵鋰離子電池”。刀片電池實(shí)為比亞迪開發(fā)的長度大于等于600mm小于等于2500mm的單體電池，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”相同插入到電池包里面。相比于比亞迪此前的磷酸鐵鋰離子電池，“刀片電池”的升級(jí)重點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)無模組，直接集成為電池包（即CTP技術(shù)）。刀片電池包通過優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，從而提高電池包之后的效率，但對(duì)單體能量密度提高沒有太大影響。
通過限定單體電池的在電池包中的排列方式以及單體電池的尺寸，可以使得電池包內(nèi)布置更多的單體電池。直接放置在電池包外殼內(nèi)的單體電池，由于優(yōu)化了模組框架，一方面便于單體電池通過電池包外殼或其他散熱部件散熱，另一方面，可以在有效的空間內(nèi)布置更多的單體電池，可以極大提高體積利用率，且電池包的制作工藝得到了簡(jiǎn)化，單體電池的組裝復(fù)雜度降低，生產(chǎn)成本降低，使得電池包和整個(gè)電池包的重量減輕，實(shí)現(xiàn)了電池包的輕量化。
隨著用戶對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航能力的要求逐漸提升，而在車身底部空間有限的情況下，采用刀片電池包，一方面可以提高動(dòng)力鋰離子電池包的空間利用率、新增能量密度，另一方面能夠保證單體電池具有足夠大的散熱面積，可將內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至外部，從而匹配較高的能量密度。
根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員的描述，由于某些因素的影響，例如外圍零部件會(huì)占用電池內(nèi)部空間，包括托盤底部防球擊空間、液冷系統(tǒng)、保溫材料、絕緣防護(hù)、熱安全輔件、排火排氣通道、高壓配電模塊等，空間利用率的峰值通常大約在80％，而目前市場(chǎng)上平均空間利用率在50％左右，有些甚至低至40％。
如下圖所示，通過優(yōu)化模組，減少零部件數(shù)量電池的空間利用率（單體電池體積之和與電池包體積的壁紙）得到有效提升，比較例1的空間利用率為55%，而執(zhí)行例1-3的空間利用率分別為57%/60%/62%；比較例2的空間利用率為53%，而執(zhí)行例4-5的空間利用率分別為59%/61%，均有不同程度的優(yōu)化，但距離空間利用率峰值還有一定的距離。
有關(guān)電池模組中散熱性能，比亞迪通過設(shè)置導(dǎo)熱板（下左圖218處）和換熱板來進(jìn)行溫度的控制，以保證單體電池散熱，并保證多個(gè)單體電池之間的溫度差不會(huì)過大。導(dǎo)熱板可以由導(dǎo)熱性好的材料制成，例如導(dǎo)熱系數(shù)高的銅或鋁等材料制成。換熱板（下右圖219處）內(nèi)部設(shè)置有冷卻液，通過冷卻液來實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池的降溫，使單體電池能夠處于適宜的工作溫度。由于換熱板與單體電池設(shè)置有導(dǎo)熱板，在通過冷卻液對(duì)單體電池進(jìn)行冷卻時(shí)，換熱板各位置處的溫差可以通過導(dǎo)熱板進(jìn)行均衡，從而將多個(gè)單體電池之間的溫度差控制在1℃以內(nèi)。
比較例4以及執(zhí)行例7-11中的單體電池，以2C的速度進(jìn)行快充，測(cè)量在快充過程中，單體電池的溫度升高情況。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，申請(qǐng)專利的單體電池中，在同等條件的快充下，其溫升較之比較例均有不同程度的降低，具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的散熱效果，將該單體電池組裝成電池包時(shí)，電池包的溫升液相有關(guān)電池包有所降低。
與“刀片電池”有相同效用的還有CTP技術(shù)。CTP（celltopack）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電芯無模組，直接集成電池包。2019年，寧德時(shí)代率先采用全新CTP技術(shù)的無模組電池包。表示在成本上，CTP電池包體積利用率提高了15%-20%，零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，投入應(yīng)用后將大幅降低動(dòng)力鋰離子電池的制造成本。比亞迪規(guī)劃到2020年，其磷酸鐵鋰單體能量密度將達(dá)到180Wh/kg以上，系統(tǒng)能量密度也將提高到160Wh/kg以上.
寧德時(shí)代的CTP技術(shù)，供應(yīng)了一種電池包，在滿足電池包輕量化的同時(shí)，提高電池包在整車的連接強(qiáng)度。其優(yōu)勢(shì)重要有兩點(diǎn)：1）CTP電池包因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)模組限制，可以用在不同車型上，使用廣泛。2），減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)組建，CTP電池包能提高體積利用率，系統(tǒng)能量密度也間接提升，其散熱效果要高于目前小模組電池包。
在CTP技術(shù)方面，寧德時(shí)代重視電池模組拆卸的方便性，比亞迪更關(guān)心單體電池如何更多裝載和空間利用率等問題。
3、刀片電池和CTP方法成本可降15%
我們選取國軒高科的鋰離子電池作為我們的研究對(duì)象，由于國軒高科鋰離子電池出貨幾乎全為磷酸鐵鋰，因此國軒高科的鋰離子電池成本將對(duì)LFP電池成本有較高的參考性。
根據(jù)2019年九月十七日國軒高科公布的《有關(guān)請(qǐng)做好國軒高科公開發(fā)行可轉(zhuǎn)債發(fā)審委會(huì)議準(zhǔn)備工作的函》的回復(fù)中的內(nèi)容，國軒高科2016-2019年上半年磷酸鐵鋰離子電池的單價(jià)分別為2.06元/Wh，1.69元/Wh，1.12元/Wh，1.00元/Wh，對(duì)應(yīng)的毛利率分別為48.7%，39.8%，28.8%和30.4%。
因此根據(jù)上述兩組數(shù)據(jù)，我們可以算出LFP電池的制造成本。2016年為1.058元/Wh，而在2019年上半年已經(jīng)低于0.7元/Wh，重要是由于原材料成本由2016年的0.871元/Wh下降到2019年上半年的0.574元/Wh，絕對(duì)降幅0.3元/Wh，相對(duì)降幅34%。
分類來看，在制造總成本中，原材料成本占比自2016年以來一直保持穩(wěn)定為82%左右，而能源成本、人工成本和制造成本三塊成本均占6%左右。
繼續(xù)對(duì)原材料成本進(jìn)行拆分后我們發(fā)現(xiàn)，原材料中正極和隔膜占成本的比重較大，大約各在10%左右，負(fù)極、電解液、銅箔、鋁殼蓋板、BMS的成本占比相近，大約各在7%-8%左右，電池箱和甲基各占比5%左右，剩余為PACK及其他成本，大約占了30%的成本。由此可見，有關(guān)LFP電池來說，原材料成本可以分為三大塊，其中一塊為四大原材料（正極、負(fù)極、隔膜、電解液），合計(jì)成本占總成本比例大約為35%，PACK占據(jù)30%，剩余35%為其他原材料和組件。
根據(jù)以上信息，我們給出以下成本測(cè)算假設(shè)：
1）刀片電池體積比能量密度提升50%左右，在帶電量不變的情況下，體積減少了三分之一左右，從而帶動(dòng)鋁殼蓋板、PACK成本下降，假設(shè)33%降幅
2）能源、人工、制造成本以及BMS由于工藝優(yōu)化以及零部件減少而下降，假設(shè)20%降幅
3）進(jìn)一步假設(shè)原材料（包含正極、負(fù)極、隔膜、電解液、銅箔、甲基、電池箱）價(jià)格降幅20%
則LFP制造總成本可以從0.696元/Wh下降至24.3%至0.527元/Wh。
4）進(jìn)一步考慮公司的毛利率遍可得出實(shí)際的銷售價(jià)格，如圖35所示
4、刀片電池和CTP方法仍將率先在商用車上使用
雖然比亞迪公布，會(huì)將刀片電池方法在漢上商用，但是商用車仍然會(huì)是率先使用的方法。我們認(rèn)為比亞迪在自己的乘用車上商用，就是為了突破一般的產(chǎn)業(yè)邏輯：新技術(shù)往往是在商用車上推進(jìn)，而乘用車使用會(huì)更加謹(jǐn)慎。比亞迪在自己的車上采用刀片電池，無疑是為了加快乘用車的推進(jìn)速度。其實(shí)刀片電池和CTP方法殊途同歸，都是為了進(jìn)一步降低成本，而單體電池變大之后，處于安全的考慮，磷酸鐵鋰成為首選。
基于2019年已經(jīng)有很多一線整機(jī)廠采用CTP的方法進(jìn)行上車測(cè)試，所以預(yù)計(jì)2020年會(huì)于一部分的車型開始采用該技術(shù)。我們按照上文的假設(shè)，以10米以上的車型進(jìn)行測(cè)算，電池成本降低30%，則電池成本從22.5萬降低到15.8萬，在沒有補(bǔ)貼的情況下，毛利率可以維持。
我們預(yù)計(jì)，2020年磷酸鐵鋰的電池在商用車占比將進(jìn)一步提升。從投資的角度，上游磷酸鐵鋰得以放量，下游商用車盈利能力邊際改善。由于整個(gè)磷酸鐵鋰的上游已經(jīng)經(jīng)過三年洗牌，行業(yè)集中度較高。產(chǎn)業(yè)鏈中假如達(dá)到10家供應(yīng)商，就是集中度已經(jīng)非常高了，穩(wěn)定出貨第三方的供應(yīng)商只有3-4家。所以我們認(rèn)為，龍頭受益明顯。
建議關(guān)注：德方納米、國軒高科、比亞迪和宇通客車。
