从电车需求看电池科技进步征程勇者之路

1、提纲自本源出发电池科技评价体系和高能量密度征途看过去成果中国补贴政策与电池、电车产品演进瞻未来进展从1到10的技术和从0到1的科学析标的争雄强者恒强VS供应商平衡投资建议风2险提示提纲-自本源出发3自本源出发电池科技评价体系和高能量密度征途储能技术源和应用指标自储能脱胎，动力电池的特殊性锂电颠覆铅酸，能量密度碾压是本质征途无尽，容量、电压、辅助组元和成组效率储能技术源和应用指标资料来源：A Numerical and Graphical Review of Energy Storage Technologies，中信建投储能技术从原理上可以分为物理储能、化学储能、电磁场储能、储热四类。储能技术

2、的主要指标包括规模、能量/功率的质量/体积密度、效率、自放率、日历寿命、循环寿命、 单位成本、环境影响等，范围复杂。图：储能技术的理化分类图：储能技术的应用指标4自储能脱胎，动力电池的特殊性资料来源：The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase，中信建投作为储能技术的具体体现之一，动力电池对能量密度、功率密度的需求较高，同时也要兼顾安全性、 寿命与成本。图：动力电池、3C电池的实际需求图：电池的不同封装方式5锂电颠覆铅酸，能量密度碾压是本质资料来源：搜狐汽车，特斯拉，中信建投铅酸电池系统能量密度低（约30Wh/

3、kg），远低于锂离子电池（约150Wh/kg），对应车型的工况续航也有巨大差距。铅酸电池车面对燃油车型全无竞争力，而锂电车型逐步具备了竞争力。图：20世纪初叶的铅酸动力电池车图：特斯拉Model S爆炸图6征途无尽，容量、电压、辅助组元和成组效率图：典型正负极的质量容量密度和对锂电压资料来源： Li-ion Battery Materials: present and future,中信建投事实上，电车的电机、电控、系统架构潜力、软件可升级性潜力等均优于油车，但电池相比于油箱仍然在主要性能上偏弱，消费者对电池科技进步的需求将长期存在。从电池能量密度基本公式E=U/1/Qc+1/Qa+minac

4、t可知，提升锂电能量密度的方式包括提升正负极容量（储锂能 力）、拓展正负极电势差（单位电量锂离子做功能力）、减少各类非活性物质用量。此外，整车系统层面增加 成组效率也有一定效果。但是，各种提升能量密度的努力需要权衡电池的综合性能。7提纲-看过去成果8看过去成果中国补贴政策与电池、电车产品演进中国新能源汽车补贴政策演进：扶优扶强，利胜于弊动力电池系统能量密度分布演进：三元高起点，铁锂补短板动力电池系统能量密度最高值演进：三元百尺竿头，铁锂鱼跃龙门电车工况续航演进：从焦虑满满，到焦虑过去时典型产品：已有很强技术竞争力中国补贴政策演进：扶优扶强，利胜于弊表：纯电动乘用车补贴基础值（单位：万元）表：纯

5、电动乘用车补贴电池系统能量密度调整系数120-125-140-160-资料来源：财政部,中信建投注：m为整车整备质量，单位kg资料来源：财政部,中信建投每年调整补贴基础值，此外：2017年以前只有很低的续航要求。2017年引入电池系统能量密度要求。2018年调整续航要求，调整电池系统能量密度要求，引入电耗要求。2019年、2020年调整电耗要求。80R100R 150R 200R 250R 300R 350R R400系统能量密度90-120 105-（单位：Wh/kg）1201251401602017111.11.11.11.1201800.6111.11.220190000.80.9120

6、200000.80.91资料来源：财政部,中信建投表：纯电动乘用车能耗水平调整系数m10001000m1600m1600超过门槛Y百分比0-55-1010-2020-2525-3535-2018Y=0.0126m+0.45Y=0.0108m+2.25Y=0.0045m+12.3320180.51111.11.12019Y=0.0126m+0.46Y=0.0108m+2.26Y=0.0045m+12.342019000.8111.12020Y=0.0112m+0.4Y=0.0078m+3.8Y=0.0044m+9.2420200.80.8111.11.1100150200250300350400

7、20153.153.154.54.55.45.45.45.4201602.54.54.55.55.55.55.52017023.63.64.44.44.44.42018001.52.43.44.54.55201900001.81.81.82.5 2020000001.621.622.25资料来源：财政部,中信建投 注：R为纯电续航里程R（工况法，km）表：纯电动乘用车能耗水平设置门槛Y推荐目录纯电乘用车电池系统能量密度演进图：推荐目录电池系统能量密度数量分布图：推荐目录电池系统能量密度占比分布资料来源：工信部,中信建投010020030040050060070080020172018-1201

8、20-140140-150150-160160-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2019202020172018注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投20192020注：截至2020年8月-120120-140140-150150-160160-工信部新能源汽车推荐目录体现了新能源汽车动力电池系统、整车产品的性能变迁。2017-2020年，总体电池系统能量密度大幅提升。从140Wh/kg以内是主流，演进至140Wh/kg以上是主流。推荐目录纯电乘用车电池系统能量密度演进图：推荐目录三元、铁锂纯电乘用车数量分布图：推荐目录三元、铁锂纯电乘用车占比分布注

9、：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投工信部新能源汽车推荐目录体现了新能源汽车动力电池系统、整车产品的性能变迁。三元能量密度占优，在实质补贴倾斜之下车型数量远多于铁锂。01002003004005006007008002017201820192020三元铁锂100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2017201820192020三元铁锂系统能量密度分布演进:三元高起点图：推荐目录三元电池系统能量密度数量分布图：推荐目录三元电池系统能量密度占比分布资料来源：工信部,中信建投010020030040050060070

10、020172018-120120-140140-150150-160160-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2019202020172018注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投20192020注：截至2020年8月-120120-140140-150150-160160-对于三元车型，电池系统能量密度总体上大幅提升，而且还有提升空间。系统能量密度分布演进：铁锂补短板图：推荐目录铁锂电池系统能量密度数量分布图：推荐目录铁锂电池系统能量密度占比分布资料来源：工信部,中信建投注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投9080706050403020

11、1002017201820192020-120120-140140-150150-160160-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2017201820192020注：截至2020年8月-120120-140140-150150-160160-对于铁锂车型，电池系统能量密度基本提升至瓶颈，但2019、2020年相比2017年还是体现了长足进步。电池系统能量密度最高值演进图：纯电乘用车电池系统能量密度最高值演进（单位：Wh/kg）2001901801701601501401301201101002017H12017H22018H12018H22019H12019H2

12、2020H1三元车型铁锂车型资料来源：工信部,中信建投电池系统能量密度最高值总体呈明显上升趋势（2018H1铁锂车型160未量产，除此外为约140）。工况续航演进：从焦虑满满，到焦虑过去时图：推荐目录纯电乘用车工况续航数量分布图：推荐目录纯电乘用车工况续航占比分布资料来源：工信部,中信建投010020030040050060070080020172018-200200-250250-300300-400400-500500-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2019202020172018注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投20192020注：截至2

13、020年8月-200200-250250-300300-400400-500500-2017-2020年，总体整车工况续航大幅提升，大半车型的工况续航超过400km。工况续航演进：从焦虑满满，到焦虑过去时图：推荐目录三元纯电乘用车工况续航数量分布图：推荐目录三元纯电乘用车工况续航占比分布资料来源：工信部,中信建投010020030040050060070020172018-200200-250250-300300-400400-500500-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2019202020172018注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投2019

14、2020注：截至2020年8月-200200-250250-300300-400400-500500-三元车型是长续航代表，2020年内有接近70%的车型工况续航超过400km，有接近20%车型工况续航超过500km。工况续航演进：从焦虑满满，到焦虑过去时图：推荐目录铁锂纯电乘用车续航里程数量分布图：推荐目录铁锂纯电乘用车续航里程占比分布010203040506070802017201820192020-200200-250250-300300-400400-500500-100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2017201820192020-200200-2502

15、50-300300-400400-500500-资料来源：工信部,中信建投注：截至2020年8月资料来源：工信部,中信建投注：截至2020年8月铁锂车型续航取得长足进步，虽然300-400km占比仍然较高（事实上满足日常通勤和部分远途需求无问题），但长续航车型数量初具规模。整车工况续航里程最高值演进图：纯电乘用车工况法续航里程最高值演进（单位：km）7507006506005505004504003503002502017H12017H22018H12018H22019H12019H22020H1三元车型铁锂车型资料来源：工信部,中信建投工况续航最高值也呈明显上升趋势（2017年铁锂车型腾势以

16、大打小所以工况续航高）。典型产品：已有很强技术竞争力资料来源：上汽，比亚迪，小鹏,中信建投我国已有相当出色的纯电动车型供给，配套动力电池性能水平国际一流。ER6：620km & 180Wh/kg三元。汉EV：650km & 140Wh/kg铁锂。P7：706km & 170Wh/kg三元。图：上汽ER6图：比亚迪汉EV图：小鹏P7提纲-瞻未来进展20瞻未来进展从1到10的技术和从0到1的科学继续满足需求，依然无尽征途逆袭的铁锂，安全性加持下的成组效率爆发突破的三元，高容量、高电压两路并进萌发的四元/无钴/高压尖晶石/富锂/铁锰锂努力的硅碳，负极配角的精彩三元单体/模组/电池包优化，提升成组效率

17、长寿命电池/快充/换电想做点什么“下一代电池”？可能的颠覆继续满足需求，依然无尽征途21电车仍然待解决的需求痛点：续航+充能综合能力逊色于油车电池能量密度、功率密度、低温性能、快充性能，三电系统和整车平台，充电桩/换电站规模、配网容量安全性还需进一步改善电池本征安全，整车系统安全整车成本还需进一步降低电池首购成本、电池寿命（对营运车型/换电车型），其他部分成本，电池和整车回收（含梯次利用）综合成本整车智能化水平还有进一步需求电池能量密度、首购成本、寿命，其他智能驾驶部分进化综上，能量密度、成本、安全性重要性持续，寿命、成本、功率性能重要性也不可忽视；电池、系统、工程化和商业模式等的相互影响作用

18、加强。逆袭的铁锂，取长补短重回主流舞台图：不同正极材料的综合性能比较资料来源：The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase，EV世纪，中信建投铁锂的安全性优越，其电池成组效率可以更高。所以除了纳米化、提升压实密度之外，在电池系统层面提升活性物质质量/体积百分比有望使得铁锂电池加速重回纯电乘用车主流竞争舞台进程。铁锂本征电导方面的劣势对低温性能、快充能力仍有一定程度影响。图：铁锂、三元本征热稳定性对比22研究中的铁锰锂，低成本&高能量密度潜力资料来源： The Li-Ion Rechargeable Batter

19、y: A Perspective，The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase，中信建投和铁锂类似具备橄榄石结构的材料还有磷酸锰锂，其成本低、电压高、容量和铁锂类似，但电导更差。综合磷酸铁锂、磷酸锰锂优点的磷酸铁锰锂研究工作也在进行，关键点是金属离子均匀分布、正极材料图：；磷酸锰锂晶体结构图：磷酸锰锂、铁锂容量电压对比均匀纳米化及部分改性。23突破的三元，高容量、高电压两路并进图：不同三元正极的容量-电压关系，及对应电池的能量密度-上截止电压关系资料来源：Microstructural Observations

20、 of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning Electron Microscopy，Cost of automotive lithium-ion batteries operating at high upper cutoff voltages，中信建投三元正极综合性能均衡，适配高能量密度电池的方式有两种：高镍，标准上截止电压；中镍，高上截止电压。 容量方面，统一上截止电压约4.3V，532正极170mAh/g，622

21、正极180mAh/g，811正极200mAh/g。24突破的三元，高容量、高电压两路并进图：不同三元正极的热稳定性、循环寿命比较资料来源：Nickel-Rich and Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes: Progress and Perspectives，Microstructural Observations of “SingleCrystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning Electron Micro

22、scopy，中信建投高压方面，在研811正极上截止电压约4.3V，622可在约4.4V，532可达约4.6V。高镍的主要问题是正极充分脱锂态的安全性和循环寿命，高电压的主要问题是电解液耐压。改进途径都是正极掺杂、包覆等，以及电解液配方优化。25改性分支四元/无钴，性能向和成本向资料来源： Quaternary Layered Ni-Rich NCMA Cathode for Lithium-Ion Batteries，A Review of Ni-based Layered Oxides forRechargeable Liion Batteries，中信建投三元正极的两个“改性分支”是NCM

23、A四元，和NM低钴/无钴。NCMA四元的寿命高于同容量NCM，但合成难度大。NM无钴的安全性高于NCM，成本低于NCM，但无钴后图：NCMA四元正极的容量-性能关系图：镍锰二元层状正极的容量-安全性倍率、低温性能等面临挑战。26高压尖晶石/富锂正极，高压为基础的高能资料来源： Improving Electrochemical Performance of High-Voltage Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 Cathode by Cobalt Surface Modification，Cost of automotive lithium-ion batteries opera

24、ting at high upper cutoff voltages，中信建投另外具有高能量密度适配潜力的体系是高压尖晶石和富锂锰基正极。高压尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4原料廉价，电池能量密度和中高镍标准电压三元近似，但高温性能、循环寿命不佳。富锂材料的初始容量-截止电压表现较好，但高容量机理尚未完全明确，衰减严重循环寿命很低。图：微量钴掺杂高压尖晶石镍锰酸锂性能图：富锂VS三元，容量、电压表现27努力的硅碳，负极配角的精彩资料来源： Systematic electrochemical characterizations of Si and SiO anodes for highcap

25、acity Li-Ion batteries，Prediction of the heavy charging current effect on nickel-rich/silicon-graphite power batteries based on adiabatic rate calorimetry measurement，中信建投负极容量提升对电池能量密度的提升作用略小，但是改进仍然是必要的。硅容量高，硅/氧化亚硅复合石墨可以获取高容量负极。硅的体积、表面变化，硅和电解液的反应是负 面的，综合而言硅碳负极的容量优势明显，倍率性能尚可，寿命和成本暂时是短板。图：硅氧化物-碳负极、硅单质

26、-碳负极的充放容量-倍率性能图：高镍-硅碳电池的充电温度分布28三元材料/单体/模组/电池包综合优化（一）资料来源： 宝马，爱卡汽车，大众，高工锂电，中信建投NCM811电池单体及对应电池包受到欧洲龙头主机厂青睐。电池系统能量密度可上探至接近180Wh/kg。图：宝马iX3 NCM811三元电池包图：大众id.4 NCM811三元电池包29三元材料/单体/模组/电池包综合优化（二）资料来源： 上汽集团，搜狐汽车，蔚来，太平洋汽车，中信建投镍含量相对较低的电池单体搭配高集成度系统方案，可以获得高约180Wh/kg的系统能量密度，并可兼 容换电模式。宁德时代在此方面探索深入。工况续航600km以上

27、的A级车、可换电B级车均已在现有技术条件下实现。图：上汽ER6对应的大模组NCM523三元电池包图：蔚来100kWh大模组单晶N55三元电池模组30三元材料/单体/模组/电池包综合优化（三）资料来源： 特斯拉，知化汽车，中信建投特斯拉试图结合高镍材料体系、大圆柱单体和高集成度电池包，并改进极耳方案保证快充性能。圆柱电池的单体封装方式不容易成为主流，但是特斯拉的独树一帜风格仍在持续。图：特斯拉4680大圆柱单体图：特斯拉高集成度底盘31铁锂材料/单体/模组/电池包综合优化资料来源：比亚迪，新浪汽车，中信建投磷酸铁锂的本征安全性有利于设计、制造更高成组效率的电池包，可以说铁锂材料和高成组效率电池

28、包相得益彰。如比亚迪磷酸铁锂“刀片电池”获得了140Wh/kg的电池系统能量密度，对应高端车型汉 EV工况续航超过600km。图：比亚迪“刀片电池”包爆炸图示意图：比亚迪“刀片电池”实物32长寿命电池/百万英里愿景图：部分典型长寿命电解液添加剂和技术效果资料来源： A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New BatteryTechnologies，中信建投长寿命电解液的预期性能包括1000次循环/20万公里无衰减、100-2

29、00万公里寿命等。电极、电解液的协同是电池长寿命的关键。33快充的便捷性提升，换电的整车-电池寿命解耦资料来源： Lithium-ion battery fast charging: A review，北汽新能源，中信建投消费者对快充的需求可能会影响部分技术方向（高能量密度、长寿命-快充性能好），但是配网等要求高，推广难度大。换电解耦整车-电池寿命，可能会影响部分技术方向（高能量密度和长寿命的权衡取舍），但是整车续航需 有部分妥协，基建、土地、运维成本高，安全性存疑，发展空间待观察。图：快充的影响因素图：北汽换电站34“下一代电池”？可能的颠覆35“下一代电池”指性能可能获得大幅提升的电池技术

30、（能量密度为主，类似锂电替代铅酸）。当前看来，以 硫正极-锂负极为核心特征的锂硫电池，以“无负极”为特征的锂金属电池，以固体电解质为核心特征的固态 电池相对可实现性和性能前瞻性较高。正极负极电解质富锂锰基材料：富锂锰基电池-硫系材料：锂硫电池锂-空气：锂空气电池锂-锂金属/合金：锂金属/锂合金电池-固体电解质：固态锂电池资料来源： 中信建投表：“下一代电池” 包含哪些内容“下一代电池”？可能的颠覆-锂硫电池图：锂硫电池原理和正极循环容量示意资料来源： Advanced chemical strategies for lithium-sulfur batteries: A reivew，Expa

31、nsion-tolerant architectures for stablecycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries，中信建投硫正极的高容量吸引研究和应用的关注，但是其体积和表面形貌变化、穿梭效应、电解液消耗等问题也 影响着实用化进程。自放电率、循环寿命、倍率性能等实际问题仍有待进一步解决；CV曲线形状对于电 车应用也有挑战。36“下一代电池”？可能的颠覆-“无负极”电池图：“无负极电池”原理和性能资料来源： Diagnosing and correcting anode-free cel

32、l failure via electrolyte and morphological analysis，中信建投“无负极”电池理论上可节约石墨负极的体积、质量，实践中需要消耗锂盐添加剂。循环寿命、倍率性 能等尚不尽如人意。37“下一代电池”？可能的颠覆-固态电池图：银-碳复合负极硫系电解质固态电池原理和性能资料来源： High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silvercarbon composite anodes，中信建投固态电池根据固体电解质不同有氧化物、硫化物、聚合物等不同体

33、系，需要综合考虑电池各个组元的理化性能及 相互作用情况。具备较高固相质量分数的电解质及对应固态电池初步实现量产，梯度材料构建、原位固化手段等 有所采用。国内清陶、卫蓝、辉能，国际丰田、三星、Quantumscape等公司信息热度相对较高。38“下一代电池”？可能的颠覆-固态电池图：固态电池固体电解质厚度和电导、系统能量密度关系资料来源： Reducing the thickness of solid-state electrolyte membranes for high-energy lithium batteries，中信建投固态电池的“颠覆性性能”需要高容量高压正极、高容量低压负极、高电

34、导强韧轻薄固体电解质，“全 固态电池”仍然需要相当程度的探索，且动力领域的应用对综合性能的全面要求是尤其高的门槛。有关 研究和产业化工作仍然在持续进行。39小结：电池层面的进步空间如何？图：高能量密度动力电池体系汇总与时间表估计资料来源： Batteries with high theoretical energy densities，中信建投现有体系下，我们估计电池单体能量密度可能达到350Wh/kg，系统能量密度可能超过220Wh/kg（有约25% 进步空间）。“颠覆性”电池技术有可能将单体能量密度、系统能量密度分别再推升20%以上，且倍率性 能、循环寿命、工作温域等不同程度有进步空间。4

35、0小结：整车层面的进步空间如何？图：电池成本（元）-整车工况续航（km）估计&综合性能示意资料来源： 中信建投电池包大小、类型不同，整车续航不同。对于侧重续航车型，当前技术水平充分应用条件下，铁锂车型续航可接近700km，三元车型续航可超过800km；随着电池技术进一步进步、整车电耗进一步降低，上述数值1000020000300004000050000600007000080000200300400500600700800900有模组523 无模组523有模组811 无模组811有模组铁锂 无模组铁锂432105续航成本快充低温寿命极限安全523三元正极电池811三元正极电池磷酸铁锂电池有望进一步提升至接近800km/900km以上。41提纲自本源出发电池科技评价体系和高能量密度征途看过去成果中国补贴政策与电池、电车产品演进瞻未来进展从1到10的技术和从0到1的科学析标的争雄强者恒强VS供应商平衡投资建议风42 险提示电池企业仍在“马拉松”途中图：全球长期新能源汽车规模估计资料来源： 国际能源署，中信建投新能源汽车仍将面临较长时间的发展机遇；动力电池还有较大的进步空间。对电池企业而言产品质量跨过门槛是底线，持续性创新是强化产业链话语权的关键因素。43科学、技术、工程层面研发不懈推进资料来源：汽车电子设计，盖世汽车，高工锂电，电池中国，新材料在