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汽车电动化下动力锂电池的投资机会

2022-11-22 12:10

动力锂电池技术创新四大发展趋势。


来源 | 紫峰资本
作者 | 白 麟
出品 | 资人说(touzirenshuo)


中国动力电池装机量保持高速增长势态,到2025年年均复合增长率达到49%。


受中国新能源汽车快速增长拉动,2022年1-10月我国动力电池累计装机量224.2GWh, 同比增长108.7%,实现翻番增长,预计2022年装机量超过280GWh,2025年将超过1500GWh。


新一代动力电池和材料技术正在快速迭代,从系统结构设计到材料体系优化,中国动力电池企业开始展示出越来越强的底层创新能力。


动力电池和材料技术创新背后,既有来自全球能源变革与新能源产业升级的驱动,同时也是电池和材料企业参与市场竞逐的关键砝码。


动力电池作为新能源汽车的基础部件,技术创新突破与产业升级空间息息相关。


核心要点:


1、目前动力锂电池技术创新主要趋势为无钴化、快充、长薄化、叠片技术等开展。


2、叠片为中段核心环节,长薄化方形电池将带动叠片机设备需求。


3、预锂补锂材料,高镍、无钴、单晶、四元正极材料,硅基负极材料,双氯磺酰亚胺电解液,新型隔膜基材,磷酸锰铁锂正极材料等六大新材料成为突破提升电池性能的主流方向,其中磷酸锰铁锂备受业内关注。


01

动力锂电池技术创新四大发展趋势


一、无钴化电池


钴资源的稀缺严重威胁动力电池供应链安全。同时,钴价格波动会直接影响到电芯成本。


因此动力电池“去钴化”已成全球行业共识,三元体系高镍低钴更是技术热门。


二、超快充电池


为缓解电动出行“里程焦虑”和“补能焦虑”,布局超快充已是大势所趋。


基于800V高压平台的电池快充成为目前业内布局的重点。


三、长薄化电池


长薄电芯通过减薄电芯厚度、增大电芯长度,同时取消模组设计、使电芯直接阵列在电池包中充当结构件,从而提升空间利用率、提高电池安全性。


四、叠片技术电池


传统方形电池一般选择卷绕工艺进行生产,但长薄化电芯利用卷绕工艺很容易出现褶皱、变形等问题。


叠片工艺既提高了方形电池的内部利用率,又具备多项性能优势。


(一)叠片设备投资机会


叠片为中段核心环节,长薄化方形电池带动叠片机需求。


叠片工艺优势显著,但设备效率等仍存在提升空间。


卷绕/叠片为锂电池中段电芯装配工序的最核心环节。


卷绕为通过控制极片的速度、张力、尺寸、偏差等因素,将分条后尺寸相匹配的极片及隔膜、终止胶带等卷成极芯的一种生产工艺。


叠片则将极片与隔膜交替堆叠在一起,最终完成多层叠片极芯的一种生产工艺。就电池形态来看,软包电池只能采用叠片工艺;


方形电池既可以使用叠片工艺也能够采用卷绕工艺,目前主流为卷绕工艺;圆柱电池只能采用卷绕工艺。


卷绕与叠片在工艺方面最大的差别在于极组成型工序。


(1)极片状态


卷绕的正负极片为连续的,叠片为片状。


(2)极组完成标准的判定


卷绕电池控制极片的长度,在模切工序时会根据每个电芯长度标记一个孔进行定位,检测到该孔时进行裁断,完成一个极组的卷绕;


叠片则是根据正负极片的设定数量,达到设定值时完成一个极组的叠片。


(3)极组形态


卷绕工艺下正负极耳仅位于上方一侧,故卷绕极片一圈仅有一个正极和一个负极极耳,而同样为“一圈”的情况下,叠片能够有2层极片,每一层均有一个正极和一个负极极耳,故数量是卷绕的2倍。


(4)隔膜张力控制


卷绕电池的隔膜在高 速卷绕过程中会产生一定的张力,张力作用下隔膜会产生一定的拉伸,导致孔隙率发生微小变化,而叠片电池张力几乎为0,隔膜基本无拉伸,孔隙率与原材料保持一致。


卷绕极组成型工序

资料来源:未来智库


(二)叠片机技术路线多样


目前叠片机技术路线主要分为 4 类:Z字型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机和卷叠一体机。


其中Z字型叠片机和切叠一体机本质均为Z字型叠片,也是国内应用较为广泛的机型;


热复合叠片机最大的特点为实现正极、负极和隔膜一次性完全切片堆叠,有效提高了叠片及电芯的质量和生产速率,相对而言技术难度更高。


国外以 LG 新能源为例,采用的是卷叠一体机,效率较高但受LG专利保护。


(1)Z 型叠片


Z 型叠片技术是目前较为常见的一种叠片工艺,通过可移动叠片台拉动隔膜在叠片平台之间来回移动,实现正极极片和负极极片的交叉堆叠。


Z型叠片技术原理(资料来源:未来智库)

Z型叠片技术的问题在于隔膜容易变形且堆叠效率不高。


一是隔膜容易变形。


Z型叠片技术隔膜会随可移动叠片台左右摆动,隔膜摆轴容易造成不对称,导致隔膜变形不一致;


隔膜张力每次从零到最大,导致隔膜拉伸不一致、变形,同时隔膜的孔隙率、平均孔径、比表面积都会有较大的变化,影响电芯质量。


二是堆叠效率不高。


在叠片过程中,需要摆动隔膜来叠放极片、避让隔膜交替进行,增加了单次叠片所需要的时间,同时只能实现单片堆叠,叠片效率很难有大的提升,一般为 0.5s/pcs/工位,若电池极片层数为30层,则完成一个电池的时间为 15 秒,则一分钟内能完成4个电池,即效率仅有4PPM。


(2)切叠一体机


切叠一体机优点在于提升良率和提升效率


提升良率:电池在不同工序转运过程中容易发生损伤,将多个环节集中到一台设备上,就能够在工艺流程上减少电池损伤的可能性。


过去传统的生产方式为叠片机从料盒中取切片进行叠片。


取片过程中可能会发生磕碰和极耳翻折,而切叠一体机将极片模切/激光切、Z字型叠片机、贴胶热压机三类机型进行整合,解决了折弯和吸片的问题,通过减少上下料、转运 工序,减少磕碰、提高良率。


提升效率:切叠一体机将正负极片和隔膜同时收放,在主叠片台或摆杆作用下,呈Z字型折叠,当叠放至设定片数后,隔膜裁切贴胶,再热压成电芯,如先导智能最高叠片效率达800PPM(0.075s/pcs),利元亨高速切叠一体机的叠片速度达 0.15s/pcs(三工位)。


(3)热复合叠片机


热复合叠片机的工作原理为正极卷料、负极卷料、隔膜同时进料,在进入加热装置前,正极片、 负极片通过切刀裁切成所需尺寸的单个极片,正极片、负极片、隔膜的组合体在辊轮的作用下进入加热系统。


加热后再进行热辊压、切刀,将隔膜切断,形成单个的叠片单元, 然后通过机械装置将单个叠片单元堆叠在一起,之后再对叠片堆进行热平压,形成极芯。


热复合式叠片机工艺原理(资料来源:未来智库


热复合叠片机极片和隔膜同时收放,能够避免Z字型叠片隔膜变形等问题。


热复合叠片工艺中,隔膜和极片所受的拉力方向始终不变、速度保持均匀,相对于卷绕工艺过程中拉力不断变化、Z型叠片的拉力周期性变化和摆动,热复合式叠片机在生产过程中连续单方向输送、速度和张力控制稳定,生产的极芯界面平整,隔膜的机械性能、孔隙率、平均孔径、极片与隔膜界面等均匀一致,电芯质量更高。


热复合叠片技术难度比Z型叠片更高,适合高能量密度大电芯。


热复合叠片机比 Z 型叠片多热复合和辊压等工序,技术难度更高,后期注液等工序难度更大;


热复合叠片机同时集成制片、叠片、热压一体,高效节能、省空间,更适用于高能量密度大电芯。


布局热复合切叠技术路线的公司包括先导智能、吉阳智能等,根据先导智能微信公众号,先导智能的热复合设备集放卷、冲切、制片、热复合、隔膜裁断、叠片、贴胶、下料等功能于一体,无 PET、可平均节约1千万米/年/台,从而降低生产成本;


同时支持废片剔除、能够提高材料利用率;各工序均有 CCD 复检,保证电芯良率。


(4)卷叠一体机


LG享有Stack & Folding专利,不对外出售,设备商为德国MANZ。


其工艺流程一般是先将正负极片裁切成单元,并通过对转台与升降吸盘的设置,分别贴在隔膜上;


然后用卷绕的方式将极片分别包裹起来,实现两组正负极片相间叠放,速度和效率较高。


卷叠一体机工作原理(资料来源:未来智库


(三)叠片电池优势


叠片电池具有更高的电池能量密度、更稳定的内部结构、更高安全性和更长循环寿命等优点。


1、更高的电池能量密度


卷绕在卷绕拐角部有弧度,空间利用率比叠片低,叠片能够充分利用电池边角空间,故在相同体积的电芯设计下叠片形成的电芯能量密度更高。


2、更稳定的内部结构


在电池的循环使用过程中,随着锂离子的嵌入,正负极片均会有膨胀,受卷绕拐角处内外层内应力不一致的影响,卷绕的电池会发生波浪状变形, 波浪状变形会导致电池的界面变差,电流分布不均,加速电池内部结构不稳定。


叠片的电池不存在拐角内应力不均的问题,在电池的循环往复使用中,每层膨胀力相近,故叠片的电池可保持界面平整。


3、更高安全性


卷绕下两端极片折弯后涂层材料发生较大弯曲变形,折弯处容易发生掉粉、毛刺问题,严重时会造成电池内部短路,引起热失控,此外极片和隔膜所受拉力容易出现不均匀、产生褶皱,极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形;


而叠片电池受力均匀,不存在两端折弯问题,电池安全性更高。


4、更长的循环寿命


如前述叠片电池的极耳数量是卷绕的 2 倍,而极耳数量越多,电子传输距离越短,电阻越小,故叠片的电池内阻能够降低10%+,电池产热小, 使用寿命长于卷绕电池;


而卷绕容易发生变形、膨胀等问题,影响电池衰减性能,故同等设计下叠片的循环膨胀更低、循环寿命更长。


(四)叠片工艺尚有不足


叠片工艺存在设备效率低、设备投资额较高、良率低、控制难度大等缺点。


1、设备效率低


一般动力电池卷绕的效率为12PPM,先导智能的卷绕机性能优越,其方形卷绕机在极片长度 6000mm 时效率仍可达 12PPM,而传统 Z 字叠片效率一般为 0.5s/pcs/工位,若电池极片层数为 30 层,则传统 Z 字叠片完成一个电池的时间为 15 秒,则一分钟内能完成 4 个电池,即传统 Z 字叠片效率仅有 4PPM;


此外叠片设备占地面积比卷绕机大,也意味着叠片比卷绕效率低。


2、设备投资额高


从单条产线来看,卷绕电池通过控制极片的长度来判断极组完成与否,一条产线需要的卷绕机数量与每片电芯的长度有关,一般一条产线需要 10 台卷绕机,按照 300-350 万元/台的价格,则一条产线下卷绕机价值量合计约为 3000-3500 万元;


叠片则是根据正负极片的设定数量,达到设定值时完成一个极组的叠片,一条产线需要的叠片机数量与电池片数有关。


中航锂电的一条产线一般需要 10 台切叠一体机, 按照 600 万元/台的价格,则中航锂电一条产线的切叠一体机价值量为 6000 万元;


蜂巢短刀电池的一条产线需要 20 台切叠一体机,按照 600 万元/台的价格,则蜂巢一条产线的切叠一体机价值量约为 1.2 亿元。


3、良率低


卷绕电池分切方便,合格率高,每个电芯只需要进行正负极一次分切,难度小;


而叠片分切繁琐,每个电池有几十个小片,每个小片有四个切面,且冲切容易产生不良品,故叠片的单个电池容易发生断面等问题。


4、控制难度大


· 卷绕点焊容易,每个电池只需要点焊两处,容易控制,而叠片容易虚焊,所有极片都要点焊到一个焊点,操作难度大;


· 卷绕一个电池只有两个极片便于控制,而叠片极片数量较多,检测、转运、统计都是难点。


综合来看,叠片形成的电池具有更高的电池能量密度、更稳定的内部结构、更高安全性和更长循环寿命等优点,但仍面临设备效率低、设备投资额较高、良率低、控制难度大等缺点。


我们认为随着我国优秀叠片机厂商加大研发投入以持续提升叠片机效率、国产叠片机逐步放量实现降本,叠片工艺的低效率、高成本问题有望得到解决。


叠片与卷绕优裂势对比(资料来源:未来智库)


02

新型材料有效提升电池性能

磷酸锰铁锂成为重点布局方向


1、预锂补锂材料


通过预锂化对电极材料进行补锂,可抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗,提高电池的总容量和能量密度。


由于预补锂工艺有望解决硅碳负极首次库伦效率较低的问题,故其常常出现在“掺硅补锂”的技术路线中。


随着硅基负极逐渐放量及高端动力/储能电池补锂需求,预锂化或将成为锂电池未来一大发展方向。


通过预锂补锂+短刀电芯结合,叠加新型的冷却与安全技术,升级后的储能电芯在325Ah左右,全面超越市面上主流的280Ah储能产品。


2、高镍、无钴、单晶、四元正极材料


目前,三元正极材料朝着高镍、无钴、单晶和四元的技术方向发展,同时改进相关包覆和掺杂技术,以进一步提高能量密度、安全性和快充性能。


3、硅基负极材料


硅基负极材料结合了碳材料的高导电性、稳定性和硅材料的高容量优点,成为动力电池提容的最优路线,将5%-10%的氧化亚硅与石墨复合,可以提升5%-10%的电池容量。


但硅基材料不成熟,目前无法解决材料在高温下膨胀问题,只能作为添加剂掺杂入石墨负极中,用于高端圆柱电池。


4、双氯磺酰亚胺电解液。


传统的电解液六氟磷酸锂,具有热稳定差,对水分敏感等确定,新型锂盐双氯磺酰亚胺具有热稳定性好,高低温适应宽度大等特点,目前许多企业正在加紧此类产品的技术研发。


5、新型隔膜基材


聚乙烯和聚丙烯是目前主流的隔膜基材,但在高温环境下,接近熔点时,均会融化变性,导致正负极接触短路。


目前,隔膜企业均正在研发以聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、间位芳纶、聚偏氟乙烯、聚对苯并二䂳等合成材料,制备无纺布作为新型隔膜基材。


6、磷酸锰铁锂正极材料


首先,现有磷酸盐系正极材料存在应用瓶颈,上升空间有限。


磷酸钴锂(4.8V)和磷酸镍锂(5.2V)充放电平台过高,难以被商业化应用。


LFP电压平台仅为3.4V,能量密度已接近理论上限;


磷酸锰锂高达4.1V,但电导率和锂离子扩散速率极低,被视为“绝缘体”。


同时,磷酸锰铁锂(M−)兼顾高能量密度和高安全性,可缓解LFP低能量密度短板。


由此,往LFP中掺Mn是磷酸铁锂在电化学材料体系端提高能量密度的唯一进化之路。


一、LMFP发展契机


磷酸盐基正极材料LiMPO4属于聚阴离子型正极材料,为正交晶系呈橄榄石结构,M可由Fe、Mn、Co、Ni等元素组成。


其中,磷酸钴锂(4.8V)和磷酸镍锂(5.2V)充放电平台过高,已超过传统电解液所能承受的最大电压平台(4.5V),难以被商业化应用,而磷酸锰锂LMP和磷酸铁锂LFP可适配现有电解液体系,具备商业应用基础。


1、兼顾高能量密度与高安全性


LMFP可利用Mn和Fe的协同效应,结合磷酸铁锂(稳定的电化学性能)和磷酸锰铁锂(高电压)优势,兼顾高能量密度与高安全性,同时其电压平台(4.1V)可适配常规电解液,这为切入市场提供契机。


2、锰铁比例的不同,带来电化学性能上的差异


铁和锰离子半径相近,易形成固溶体,实现原子级别的混合。


材料中锰铁比例的不同,会带来电化学性能上的差异, 锰含量过低:


LMFP材料平台电压提升不够明显,影响材料的能量密度。


3、制备路线与LFP相似,液相法更适配


固相法:是最传统的方法,工艺简单,利于批量生产,但不易控制产品的粒度及分布,均匀性较差。其中,高温固相法最具代表性。


液相法:产成品一致性更好,更能缓解锰溶出等问题,更易形成均一的固溶体,利于锂离子的脱嵌材料,能量密度更高。


但工艺更为复杂,成本较高。由此,液相法更适配LMFP,使用该方法进行量产的企业可构筑其工艺技术壁垒。可分为溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法、共沉淀法以及喷雾干燥法。


4、材料存在三大痛点


LMFP虽较LFP具备更高能量密度、更高工作电压,但也存在以下三个痛点:


痛点一:电子电导率低、锂离子扩散速率较低。


从与其他材料性能对比情况可知,LMFP电导率仅10−13S/cm、锂离子扩散速率为10−152 /S;分别为LFP的1/10倍和1/10000倍。


相比于LFP0.3 eV 的跃迁能隙,电子在LMFP中跃迁能隙高达2eV, 基本属于绝缘体,导致其电子电导率及离子迁移率低。


痛点二:压实密度较小,影响能量密度发挥。


从与三元正极材料粒度分布比较情况可知,LMFP材料D50粒度仅为三元粒度 的一半不到,材料颗粒较小,导致压实密度较低,进而影响整体材料的能量密度表现。


同时,一次粒径过小会导致颗粒比表过高,制备电池极片时不得不大量使用粘结剂,导致成本增加和极片主含量降低。


痛点三:Mn3+的姜泰勒(John-Teller)效应。


电池结构性能指标对比(资料来源:厦钨新能募集书、高工锂电、孚能科技定增书、《磷酸锰铁锂复合三元体系及对复合方式的研究》、民生证券研报


03

汽车电动化趋势明显

中国企业要保持优势地位


汽车电动化已经进入快速发展阶段,我们坚定看好汽车电动化产业链的中长期投资价值,也将在产业链中不断挖掘优质投资标的。


在技术壁垒、资金壁垒、供应链壁垒都极高的动力电池行业,后入局者沿用原有材料体系做电池,无法赢过原有巨头的规模效应。


只有与头部企业进行错位竞争,进行技术与产品差异化创新,才能在市场站住脚跟。


从国家战略的角度而言,长期以来汽车工业的核心专利被掌握在欧美和日韩国家手中, 而基于电化学材料及结构体系的基础创新和产业化突破,有利于中国新能源企业把握新能源产业的主动权。



  ·   END   ·  



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