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锂电池专题报告:刀片电池和CTP方案带动磷酸铁锂回暖

 

       1、 磷酸铁锂电池具备成本和安全的优势
1.1 LFP 凭借其低价及强安全性在众多正极材料中脱颖而出
锂离子电池中正极材料占整个电池成本的 40%以上,且当前的技术条件下,整体电池 的能量密度主要取决于正极材料,所以正极材料是锂离子电池的核心开发、研究的材料,目 前成熟应用的正极材料包括钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂及锰酸锂。
(1)钴酸锂:有层状结构和尖晶石结构,一般常用层状结构,其理论容量为 270mAh/g 左右,层状结构钴酸锂主要应用在手机、航模、车模、电子烟、智能穿戴等数码产品上。
20 世纪 90 年代索尼首次使用钴酸锂生产出第一块商业化的锂离子电池。我国钴酸锂产 品 2003 年前基本被日本户田、日亚化学、清美化学、比利时五矿等国外厂家垄断。当升科 技 2003 年推出国内第一款钴酸锂,并于 2005、2009 年分别实现出口韩国和日本,2010 年 成为国内第一家以正极材料为主业登陆资本市场的企业。2012 年,北大先行、天津巴莫推 出第一代 4.35V 高电压钴酸锂产品。2017 年,湖南杉杉、厦门钨业推出 4.45V 的高电压钴 酸锂产品。
当前钴酸锂的能量密度和压实密度已基本到极限,其比容量与理论容量相比还是有较大 的提升空间,但是由于当前整体的化学体系限制,尤其是电解液在高电压的体系下很容易分 解,故进一步通过提升充电截止电压提升比容量的方法受到了一定的限制,后续一旦电解液 技术得到突破,其能量密度还会有提升的空间。
(2)镍钴锰酸锂:一般具有绿色环保、成本低(成本仅相当于钴酸锂的 2/3)、安全性 好(安全工作温度可达 170℃)、 循环使用寿命长(延长 45%)的优势。
2006 年深圳天骄、宁波金和率先推出 333、442、523 体系的三元材料。2007 至 2008 年主要原材料金属钴的价格大幅涨价,导致钴酸锂和镍钴锰酸锂材料的差价扩大、促进了在 中国锂电市场的应用,镍钴锰酸锂材料迎来了第一个爆发期。2007 年贵州振华推出单晶型 的 523 体系的镍钴锰酸锂材料。2012 年厦门钨业出口日本市场的企业。2015 年政府补贴政 策引导镍钴锰酸锂材料迎来了第 2 个爆发期。
当前对单晶化镍钴锰酸锂研究主要通过不断的提升镍含量,提升充电截止电压,来进一 步的提升产品的能量密度,但这对电解液等相关配套材料以及锂离子电池制造厂商的技术能 力提出了更高的要求。
(3)锰酸锂:有尖晶石结构和层状结构,一般常用尖晶石结构的。理论容量 148 mAh/g, 实际容量在 100~120mAh/g 之间,具有容量发挥较好、结构稳定、低温性能优越和成本低 廉等特点。但是其晶体结构容易畸变,造成容量衰减,循环寿命短。主要应用于一些对安全 性要求较高,成本要求高,但对能量密度和循环要求较低的市场。如小型通讯设备、充电宝、 电动工具和电动自行车、特殊场景(如煤矿)。
2003 年国内锰酸锂开始产业化,云南汇龙和盟固利率先抢占低端市场,济宁无界、青 岛乾运等厂家逐渐加入,容量型、循环型、动力型产品多元化发展满足不同的应用市场。2008 年,盟固利将锰酸锂动力电池成功应用在电动客车上。
目前锰酸锂低端市场主要是应用于对电池性能要求相对较低的通讯类电池、笔记本电脑 电池和数码相机电池,锰酸锂依然会保持稳定增长的市场需求。高端市场是以车用市场为代 表,对电池性能要求较,但随着三元材料技术的不断发展成熟,其在车用锂电的市场份额不 断下降。
(4)磷酸铁锂:一般具有稳定的橄榄石骨架结构,放电容量可以达到理论放电容量的 95%以上,安全性能优异,对于过充的承受力很好,循环寿命长,并且价格低廉。但其能量 密度限制难以解决,而电动汽车用户却不断提升续航需求。
1997 年橄榄石型磷酸铁锂首次被报道可用作正极材料。北美的 A123、Phostech、 ValeNce 较早实现了量产,但由于国际新能源汽车市场不如预期,不幸破产被收购,或停产。 台湾的立凯电能、大同尚志等厂商以来大陆订单,在国内磷酸铁锂厂商技术和产能赶超的情 况下发展趋缓。2001 年我国启动磷酸铁锂的材料开发,目前我国磷酸铁锂正极材料研究和 产业发展居于全球前沿,磷酸铁锂材料得到了蓬勃的发展。
1.2 磷酸铁锂电池工作机理
磷酸铁锂正极材料是橄榄石型结构材料,六方密堆积排列,在磷酸铁锂正极材料的晶格 中,P 占据在四面的位置,八面体的空隙位置由 Li 和 Fe 填充,晶体八面体和四面体形成了 一个整体空间架构,在各个点的密切联系下形成一种锯齿状的平面结构。
磷酸铁锂电池正极由橄榄石结构的 LiFePO4 组成,负极由石墨组成,中间是聚烯烃 PP/PE/PP 隔膜,用于隔离正负极、阻止电子而允许锂离子通过。在充放电的过程中,磷酸 铁锂电池正极的离子、电子得失如下:
充电:LiFePO4-xe-xLi+→xFePO4+(1-x) LiFePO4
放电:FePO4+xLi+xe→xLiFePO4+(1-x) FePO4
充电时锂离子从正极脱嵌经过电解质进入负极,同时电子从外电路由正极向负极移动, 以保证正负极的电荷平衡,放电时锂离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极。这一微观结构 使得磷酸铁锂电池具有了较好的电压平台和较长的使用寿命:电池的充放电过程中,其正极 在斜方晶系的 LiFePO4和六方晶系的FePO4两相之间转变,由于FePO4和 LiFePO4在 200℃ 以下以固熔体形式共存,在充放电过程中没有明显的两相转折点,因此,磷酸铁锂电池的充 放电电压平台长且平稳;另外,在充电过程完成后,正极 FePO4 的体积相对 LiFePO4 仅减 少 6.81%,而充电过程中碳负极体积轻微膨胀,起到了调节体积变化、支撑内部结构的作用, 因此,磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性,具有较长的循环寿命。
磷酸铁锂正极材料的理论容量是每克 170mA,实际容量是每克 140mA,振实密度是每 立方厘米 0.9~1.5,工作时候的电压是 3.4V。
磷酸铁锂正极材料在应用的时候体现了良好的热稳定性能、安全可靠性、低碳环保性, 是大型电池模块的首选正极材料。但是磷酸铁锂正极材料的堆积密度较低、体积能量密度不 高、应用范围有限。针对磷酸铁锂正极材料的应用局限,相关人员可以通过在其中掺杂高价 金属阳离子、表面包覆导电材料的方法来提升这种材料的电导率。经过一段时间的发展,磷 酸铁锂正极材料逐渐发展成熟,被人们广泛的应用在多个领域,比如电动汽车领域、电动自 行车领域、移动电源设备、储能电源领域等。
磷酸铁锂正极材料因其高安全性,加上循环寿命长、资源丰富、价格较低的独特优势电 动汽车尤其是电动客车领域得到广泛应用。
但磷酸铁锂正极材料橄榄石晶体结构固有的缺陷,如电导率低、锂离子扩散系数小等造 成其能量密度低、低温性能差和倍率性能差等缺点在一定应用领域将受到限制。改善其缺点 的方式主要有表面包覆改性、体相掺杂改性等手段。
近几年我国动力电池市场经历了爆发式增长,电池技术是其核心竞争力。目前动力电池 主要包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元锂电池等体系。表 2 比较了各类锂离子电池的性 能,其中 DOD 为放电深度(Depth-of-discharge)。
磷酸铁锂电池支撑着中国锂离子电池材料产业半壁江山,在各类电池中具有相当的优点: 磷酸铁锂电池的循环寿命相对较长、发热量低、热稳定性好,同时磷酸铁锂电池还拥有良好 的环境安全性。磷酸铁锂电池凭借着较低的价格和稳定的性能大量应用于电动客车,市场份 额呈现增长态势。该材料具有安全性好、循环寿命长、成本低等优点,是动力和储能电池的 主打正极材料。通过纳米化和表面碳包覆实现了可较大功率放电的性能,而且很好地进行碳 包覆的样品不含酌γ-Fe2O3 和 Fe3+杂质,在中国实现了世界最大的规模化生产。
2、 宁德时代和比亚迪引领 CTP 方案,进一步降低成本
比亚迪董事长王传福先生在参加电动车百人会时透露,比亚迪已研发出新一代磷酸铁锂 电池“刀片电池”,这款电池预计今年量产,“ 刀片电池”在体积比能量密度上比传统铁电池 提升了 50%,具有高安全、长寿命等特点,整车寿命可达百万公里以上,能量密度可达 180Wh/kg,相比此前提升大约 9%,这一数据已经不弱于 NCM811 的三元锂电池,并且能 够解决磷酸铁锂电池能量密度低的短板问题。这款电池将搭载在新车比亚迪“汉”上,预计 于今年 6 月上市。
什么是刀片电池?其实就是长电芯方案(主要指方形铝壳)。通过增大电芯的长度(最 大长度与电池包宽度相当),将电芯扁长化设计,来进一步改进电池包集成效率的技术。它 不是某一个特定尺寸的电芯,而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列电芯。
根据比亚迪专利中的描述,“刀片电池”是比亚迪新一代磷酸铁锂电池的一个名称,是 比亚迪研发多年的“超级磷酸铁锂电池”。刀片电池实为比亚迪开发的长度大于等于 600mm 小于等于 2500mm 的单体电池,通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池 包里面。相比于比亚迪此前的磷酸铁锂电池,“刀片电池”的升级重点在于可实现无模组, 直接集成为电池包(即 CTP 技术)。刀片电池包通过优化电池包结构,从而提高电池包之后 的效率,但对单体能量密度提高没有太大影响。
通过限定单体电池的在电池包中的排列方式以及单体电池的尺寸,可以使得电池包内布 置更多的单体电池。直接放置在电池包外壳内的单体电池,由于优化了模组框架,一方面便 于单体电池通过电池包外壳或其他散热部件散热,另一方面,可以在有效的空间内布置更多 的单体电池,可以极大提高体积利用率,且电池包的制作工艺得到了简化,单体电池的组装 复杂度降低,生产成本降低,使得电池包和整个电池包的重量减轻,实现了电池包的轻量化。
随着用户对电动车的续航能力的要求逐渐提升,而在车身底部空间有限的情况下,采用 刀片电池包,一方面可以提高动力电池包的空间利用率、增加能量密度,另一方面能够保证 单体电池具有足够大的散热面积,可将内部的热量传导至外部,从而匹配较高的能量密度。
根据专业技术人员的描述,由于某些因素的影响,例如外围零部件会占用电池内部空间, 包括托盘底部防球击空间、液冷系统、保温材料、绝缘防护、热安全辅件、排火排气通道、 高压配电模块等,空间利用率的峰值通常大约在 80%,而目前市场上平均空间利用率在 50% 左右,有些甚至低至 40%。
如下图所示,通过优化模组,减少零部件数量电池的空间利用率(单体电池体积之和与 电池包体积的壁纸)得到有效提升,对比例 1 的空间利用率为 55%,而实施例 1-3 的空间利 用率分别为 57%/60%/62%;对比例 2 的空间利用率为 53%,而实施例 4-5 的空间利用率分 别为 59%/61%,均有不同程度的优化,但距离空间利用率峰值还有一定的距离。
关于电池模组中散热性能,比亚迪通过设置导热板(下左图 218 处)和换热板来进行温 度的控制,以保证单体电池散热,并保证多个单体电池之间的温度差不会过大。导热板可以 由导热性好的材料制成,例如导热系数高的铜或铝等材料制成。换热板(下右图 219 处)内 部设置有冷却液,通过冷却液来实现对单体电池的降温,使单体电池能够处于适宜的工作温 度。由于换热板与单体电池设置有导热板,在通过冷却液对单体电池进行冷却时,换热板各 位置处的温差可以通过导热板进行均衡,从而将多个单体电池之间的温度差控制在 1℃以内。
对比例 4 以及实施例 7-11 中的单体电池,以 2C 的速度进行快充,测量在快充过程中, 单体电池的温度升高情况。由表格中的数据可以看出,申请专利的单体电池中,在同等条件 的快充下,其温升较之对比例均有不同程度的降低,具有优于现有技术的散热效果,将该单 体电池组装成电池包时,电池包的温升液相对于电池包有所降低。
与“刀片电池”有相同效用的还有 CTP 技术。CTP(cell to pack)技术是实现电芯无 模组,直接集成电池包。2019 年,宁德时代率先采用全新 CTP 技术的无模组电池包。表示 在成本上,CTP 电池包体积利用率提高了 15%-20%,零部件数量减少 40%,生产效率提升 了 50%,投入应用后将大幅降低动力电池的制造成本。比亚迪规划到 2020 年,其磷酸铁锂 单体能量密度将达到 180Wh/kg 以上,系统能量密度也将提高到 160Wh/kg 以上.
宁德时代的 CTP 技术,提供了一种电池包,在满足电池包轻量化的同时,提高电池包 在整车的连接强度。其优势主要有两点:1)CTP 电池包因为没有标准模组限制,可以用在 不同车型上,使用广泛。2),减少内部结构组建,CTP 电池包能提高体积利用率,系统能量 密度也间接提升,其散热效果要高于目前小模组电池包。
在 CTP 技术方面,宁德时代注重电池模组拆卸的方便性,比亚迪更关心单体电池如何 更多装载和空间利用率等问题。
3、 刀片电池和 CTP 方案成本可降 15%
我们选取国轩高科的锂电池作为我们的研究对象,由于国轩高科锂电池出货几乎全为磷 酸铁锂,因此国轩高科的锂电池成本将对 LFP 电池成本有较高的参考性。
根据 2019 年 9 月 17 日国轩高科发布的《关于请做好国轩高科公开发行可转债发审委会 议准备工作的函》的回复中的内容,国轩高科 2016-2019 年上半年磷酸铁锂电池的单价分别 为 2.06 元/Wh,1.69 元/Wh,1.12 元/Wh,1.00 元/Wh,对应的毛利率分别为 48.7%,39.8%, 28.8%和 30.4%。
因此根据上述两组数据,我们可以算出 LFP 电池的制造成本。2016 年为 1.058 元/Wh, 而在 2019 年上半年已经低于 0.7 元/Wh,主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,绝对降幅 0.3 元/Wh,相对降幅 34%。
分类来看,在制造总成本中,原材料成本占比自 2016 年以来一直保持稳定为 82%左右, 而能源成本、人工成本和制造成本三块成本均占 6%左右。
继续对原材料成本进行拆分后我们发现,原材料中正极和隔膜占成本的比重较大,大约 各在 10%左右,负极、电解液、铜箔、铝壳盖板、BMS 的成本占比相近,大约各在 7%-8% 左右,电池箱和甲基各占比 5%左右,剩余为 PACK 及其他成本,大约占了 30%的成本。由 此可见,对于 LFP 电池来说,原材料成本可以分为三大块,其中一块为四大原材料(正极、 负极、隔膜、电解液),合计成本占总成本比例大约为 35%,PACK 占据 30%,剩余 35%为 其他原材料和组件。
根据以上信息,我们给出以下成本测算假设:
1) 刀片电池体积比能量密度提升 50%左右,在带电量不变的情况下,体积减少了三分 之一左右,从而带动铝壳盖板、PACK 成本下降,假设 33%降幅
2) 能源、人工、制造成本以及 BMS 由于工艺优化以及零部件减少而下降,假设 20% 降幅
3) 进一步假设原材料(包含正极、负极、隔膜、电解液、铜箔、甲基、电池箱)价格 降幅 20%
则 LFP 制造总成本可以从 0.696 元/Wh 下降至 24.3%至 0.527 元/Wh。
4) 进一步考虑企业的毛利率遍可得出实际的销售价格,如图 35 所示
4、 刀片电池和 CTP 方案仍将率先在商用车上使用
虽然比亚迪公布,会将刀片电池方案在汉上商用,但是商用车仍然会是率先使用的方案。 我们认为比亚迪在自己的乘用车上商用,就是为了突破一般的产业逻辑:新技术往往是在商 用车上推进,而乘用车使用会更加谨慎。比亚迪在自己的车上采用刀片电池,无疑是为了加 快乘用车的推进速度。其实刀片电池和 CTP 方案殊途同归,都是为了进一步降低成本,而 单体电池变大之后,处于安全的考虑,磷酸铁锂成为首选。
基于 2019 年已经有很多一线整机厂采用 CTP 的方案进行上车测试,所以预计 2020 年 会于一部分的车型开始采用该技术。我们按照上文的假设,以 10 米以上的车型进行测算, 电池成本降低 30%,则电池成本从 22.5 万降低到 15.8 万,在没有补贴的情况下,毛利率可 以维持。

 
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