锂电池行业专题报告特斯拉4680电池新能源时代的正确路径.docx
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锂电池行业专题报告特斯拉4680电池新能源时代的正确路径
锂电池行业专题报告:
特斯拉4680电池,新能源时代的正确路径
1.下游痛点驱动电池革新
动力电池的四大劣势是当前制约新能源汽车抢占市场份额的关键因素。
2022年初,财政部、工信部、科技部和发改委联合发布通知,新能源汽车购置补贴政策将于2022年12月31日终止。
这意味着新能源汽车行业依赖政府补贴和政策倾斜的发展模式已进入“断奶”倒计时,行业低水平盲目扩张态势被遏制,高质量发展亟需实现。
而动力电池作为新能源汽车的核心部件,其优化升级是提高新能源汽车产品力的关键。
现阶段动力电池主要存在以下制约新能源汽车发展的因素:
1.成本较高,奥纬咨询认为当下电动车的制造成本比燃油车高出了45%,而动力电池是整车成本高的主要原因,燃油车的发动机和辅助系统成本为3000欧元,而电动车电池的成本则高达8000欧元;
2.续航较短,燃油车续航为600~1000km,主流电动车续航在400~600km,且在低温条件下电动车实际续航基本腰斩,里程焦虑让终端用户对电动车望而却步;
3.充电较慢,理想工况下,主流电动车40min可充50%电量,而实际工况下需要50min,而燃油车10分钟就能加满油;
4.安全隐患,仅21年上半年国内发生了56起新能源乘用车自燃事故,多为动力电池内短路引起,引发了终端客户对动力电池安全的担忧。
动力电池材料与结构设计升级成为消除新能源汽车竞争力劣势的有效途径。
电池企业通过电池的原材料迭代和结构创新,持续提升动力电池的产品力。
例如不断提高正极原材料中的镍含量提升续航能力,2018年续航在300km左右的中镍三元电池占据着国内主流电池市场,到了2021年,高镍三元电池的使用使续航突破了700km。
电池系统通过优化结构设计提高体积利用率,最早广泛应用的VDA355模组的系统体积利用率只有45%,现在大规模应用的CTP体积利用率为60%。
(报告来源:
未来智库)
2.特斯拉技术创新,龙头先后布局
2.1电池方案百花争艳,未来发展趋势明显
三元与铁锂并存,方型、软包和圆柱各有千秋。
锂离子电池按照封装形式可分为方型、软包和圆柱,按照正极主材区分可以分为三元NCM(包含NCMA和NCA)和LFP。
LG,松下和宁德时代分别是软包、圆柱和方型电池细分领域的龙头老大。
根据各龙头公司的产品规划,松下坚持三元(NCM和NCA)发展路线,并在2016年切换高能量密度的硅碳负极;LG在2021年开始由高镍NCM切换为高镍NCMA,同时也开始使用高能量密度SiO+石墨负极,并计划在2024年量产LFP电池,是日韩首家量产LFP的电池企业。
宁德时代并行开发LFP和NCM电池,低成本车型可使用LFP电池,高性能车型应使用高镍NCM+SiOX-Gr电池。
我们认为不同封装形式和正极材料的电池都会根据自身特点,在不同的细分市场展现应用价值。
2.2成本与性能难以兼顾,特斯拉技术创新解决行业痛点
4680首创性地实现了电池续航、充电和成本的共同优化。
特斯拉、LG和宁德时代所代表的三种封装形式的电池制造商,面对动力电池行业痛点的解决方案有较明显差别。
LG和宁德时代采用差异化的产品战略:
通过经济型体系电池解决电池高成本的问题,例如使用低成本的LFP或中镍高电压三元电池;用性能型体系电池提高续航,例如使用高镍三元电池;用性能型体系电池解决充电慢的问题,例如使用导电性能优异的石墨烯导电剂和LiFSI锂盐。
但是使用性能型体型电池会改善电池续航和充电的同时,会使成本大幅上升,而使用经济型体系电池可以有效降低电池成本,但是续航和充电性能会有一定程度的下降。
电池成本与性能难以兼顾,是目前大部分电池企业面对的共同难题。
LG和宁德时代制定差异化的产品战略满足下游客户的不同细分市场的应用需求,但不能通过一个产品解决所有痛点。
特斯拉在2020年9月发布了自主设计的4680电池(直径46毫米、高80毫米的圆柱电池),能量是此前电池芯的6倍,续航里程增加16%,成本下降了56%。
特斯拉的4680+CTC方案同时解决成本高,续航低,充电慢和安全隐患的行业痛点。
2.3圆柱电芯发展历程
特斯拉作为圆柱电池应用量最大的车企,促进圆柱电池标准化。
从早期ModelS和ModelX配备的18650电池,到Model3和ModelY使用的21700电池,是圆柱电池出货量最多的规格。
为了提升能量密度和降低成本,圆柱的发展趋势也像方型电池一样,尺寸越做越大。
从18650电池到2170电池,体积提升46%,能量提升50%;从2170电池到4680电池,体积提升448%,能量提升400%。
而其他尺寸的圆柱电池(国轩32135和比克26650)并未得到广泛应用和推广。
预计4680电池在特斯拉的带动下,有望成为下一个被汽车行业广泛使用的标准尺寸电池。
4680的全极耳设计在高能量密度基础上实现功率密度的提升。
从18650到2170仅仅是做了尺寸变大和材料升级,提高了电池的能量密度,但并没有改善电池的充电功率。
全极耳技术可增加集流体导电面积,降低电芯内阻,有效改善圆柱电芯快充产生热量较大的问题。
根据伦敦大学的热仿真计算结果,对于尺寸较大的新型4680圆柱形电池,沿Z向电芯长度方向的高欧姆损耗会加剧电池内部电流分布的不均匀性,需采用全极耳设计来缓减。
当采用传统的极耳设计时,集流体的欧姆损耗导致的热量是全极耳设计时的5倍。
实验显示,4680电池仅需要15分钟从10%充电至80%,而2170电池需要25分钟充70%电量,4680通过全极耳设计优化了40%充电性能。
2.44680优势明显,产业先后布局
各大电池公司发布4680投产规划,国内外企业量产有所差异。
国内主流电池公司宁德时代、亿纬锂能和比克在特斯拉电池日后纷纷发布4680电池规划,但受限于国内企业过去几年研发重点集中在方型电池,圆柱技术储备和生产制造经验较少,所以国内企业预计2024年才能量产。
国外主流电池企业松下和LG圆柱技术存储充足,是特斯拉18650和2170电池的主要供应商,预计2022年松下和LG4680即可实现量产。
特斯拉独具技术优势,4680技术壁垒较高。
2019年特斯拉收购了干电极技术的Maxwell公司,加强了在干电极的技术储备。
目前干电极匀浆过程中活性材料的团聚现象仍是4680量产的最大挑战,第一代的4680电池继续采用传统的液态涂布技术,预计第二代4680电池有望采用干电极技术。
干电极、全极耳焊接等技术研发周期长,并存在一定know-how,国内公司何时实现突破还需保持追踪。
4680国内企业技术处于均势,第二梯队企业迎来先机。
特斯拉4680电池需求量清晰,但国内电池公司短时间无法实现大规模量产。
国内龙头宁德时代在此领域并未形成较大优势,第二梯队电池企业亿纬锂能有望通过集中力量实现单点突破,提前量产4680,提升自身市场占比。
(报告来源:
未来智库)
3.4680多维度优势,产业未来趋势
3.14680多维度优势,电池痛点最佳解
对比宁德时代、LG和特斯拉2022年的重点产品,4680有望成为动力电池的主力解决方案。
以往国内电池市场一直以方型电池为主,随着4680等大圆柱电芯快速推进,国内主机厂迎来更多选择。
过去圆柱电池受限于补贴政策、系统集成和BMS复杂等问题,软包一直存在成本高和机械强度弱的缺点。
而方型电芯具有结构简单、系统集成相对简单的特点,一直是国内市场的主力方案。
对比宁德时代、LG和特斯拉2022年的重点产品,以4680为代表的大圆柱优势显著:
既提高了能量密度(22年量产电池中的最高能量密度),又提高了功率密度(15分钟充70%电量),实现了充电和续航兼得。
3.24680高镍硅碳匹配度高,实现300wh/kg能量密度
圆柱高镍电池产业化领先方型和软包电池。
1991年,索尼公司发布了首个商用锂离子电池,采用的就是圆柱电池的结构,后广泛应用在消费电池领域。
电池为了追求高能量密度,正极材料镍含量不断提升。
镍含量越高对电池生产过程的环境和工艺要求越来越高。
圆柱电池工艺成熟度和自动化程度较高,而方型和软包的工艺成熟度较低。
在同材料体系的新产品量产时间上,圆柱电池早于方型和软包电芯2~3年。
圆柱结构提高负极硅含量,提高电池能量密度。
在负极中掺杂硅或氧化亚硅可显著提高电池容量,但硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化(硅在充放电过程中容易产生300%的体积膨胀,而石墨只产生10.6%的体积膨胀),从而引发SEI膜破损副反应,导致电池容量衰减。
4680电池的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收负极的膨胀力;同时4680电池极片卷绕的特点可以使极片各个位置膨胀力均匀,减少破损和褶皱的出现,而方型和软包电池在R角处易出现应力集中而导致的破损和褶皱。
电池负极中硅的掺杂比例为3%~10%,圆柱电池硅的掺杂比例相对高一点。
3.34680充电优势明显,解决下游痛点
全极耳设计充电优势明显。
一般而言,使用高性能导电剂石墨烯和降低压实密度等方法可提升电池最大充电电流,但会增加电池成本和能量密度。
温度是制约充电的重要因素,4680电池通过全极耳设计,缩短电子传输路径、加宽传输通道,全面导电,降低了热量产生。
4680创新的全极耳设计能够在不影响电池的能量密度和成本情况下,大幅提高电池的倍率性能。
4680电池400V方案可与方型软包800V方案竞争。
优化充电可以通过提高充电电流实现,另一方面,提高电池系统电压提升充电效率。
根据Insideevs的研究报告,400V的4680电池系统充70%电量需要15分钟,而采用800V电池系统的保时捷Taycan和现代汽车的IONIQ分别需要18分钟和22分钟充70%电量。
4680在远低于800v电压的条件下实现了当前行业领先的充电效率,意味着4680的充电性能在未来还有较大的提升空间。
3.4CTC作为未来趋势,4680与之高度匹配
CTC是未来电池整车匹配的必然趋势。
从特斯拉ModelS的小模组,到Model3的大模组,再到4680推出的CTC方案,模组的概念逐渐弱化和取消,电池包的集成效率不断提高。
特斯拉电池系统不断迭代,电池BOM成本降低,电池系统生产效率和电池的体积利用率提高,成为降低电池成本和提高能量密度的有效路径。
国外车企电池系统集成向CTC和CTP倾斜,特斯拉将在下一代ModelY使用CTC,现代汽车旗下的摩比斯与宁德时代签订了CTP的深度合作协议,沃尔沃将在第三代电池系统集成方案采用CTC。
4680电池相比于方型和软包电池更适用于CTC结构。
首先,CTC对电池的结构强度有一定要求,取消了模组设计,需要电池本身承担更多的机械强度,这就决定了软包电池无法做到真正意义的CTC。
其二,CTC将电池安装在底盘上面,电池高度会影响车辆的人机工程,相较于方型电池的高度为100~110mm,只有80mm的4680更有优势;其三,车辆的底盘往往是不规则的形状,方型电池往往体积较大,和底盘匹配起来较为困难。
而4680电池体积较小,可以匹配不同平台的底盘。
其四,由于CTC是将电池通过结构胶固定在底盘上面,不能对单个电池进行维修和替换,对电池的一致性提出了较高的要求,而一致性也是圆柱电池最大的优势。
3.54680成本骤降,缩小与燃油车差距
2025年4680成本下降50%,优于其他电池。
根据特斯拉电池日的信息,2170电池成本约为0.698元/Wh,特斯拉通过扩大电池尺寸、使用高镍和硅碳负极高能量密度材料,应用干电极工艺和CTC的系统集成方案,2025年4680电池成本为0.323元/Wh。
而方型电芯成本2022年为0.75元/wh,预计25年为0.55元/Wh(按年降10%计算)。
假设一台B级车续航700km,电池电量为100kWh,2025年,方型电池的成本约为5.5万元,而使用4680电池的成本仅为3.23万元,低于方型2.27万元。
4680电池有望缩小电动车和燃油车差距,实现与燃油车竞争。
根据奥纬咨询的分析,将燃油车的生产成本分为以下各项:
装配、底盘、电子电气(E/E)架构、白车身/外型、内饰、动力总成/传动系统、发动机和辅助性成本。
对于电动汽车,没有发动机和辅助部件,如油泵,但是有电驱和电池。
动力电池占整车成本的40%~50%,是电动车成本最高的部件,所以电池的成本直接影响到电动车和燃油车的竞争。
2020年燃油车较同级别电动车成本低4.5万RMB,如2025年使用低成本的4680电池,成本差距可缩小至1.25万RMB。
4.特斯拉2023年4680需求74GWh
特斯拉新增柏林、奥斯汀两大工厂,上海工厂加速扩产。
特斯拉柏林工厂规划产能70万辆,受制于德国政府环保审批周期较长,预计22年Q2开始投产ModelY。
特斯拉德州工厂规划产能50万辆,预计22年Q3开始量产4680电池的ModelY。
特斯拉上海工厂在21年投资12亿元进行产能提升,预计22年产能有望达到85万辆。
随着柏林工厂、德州工厂的投产和上海工厂的产能优化,22年底特斯拉理论产能达到265万辆,为销量的高增长奠定基础。
特斯拉车型、版本众多,满足细分市场需求。
特斯拉每款车型按照性能和续航维度提供两个及以上版本,例如Model3有标准续航、长续航和高性能版本。
特斯拉已经推出的5款车型包含2款轿车、2款SUV和1款跑车,未来还将推出电动卡车和美国受众广泛的电动皮卡(订单超过125万量),进一步提高品牌覆盖度。
区域策略差异化,提升产品力。
特斯拉在中国利用LFP产业化优势,面向中国市场率先推出LFP版本的Model3和ModelY,降低整车成本,扩大市场份额。
后期将依托上海工厂,生产LFP的车型,供货至全球。
特斯拉产品力优异,覆盖主流细分市场,未来销量取决于特斯拉的交付能力。
特斯拉的交付主要围绕着各个工厂的生产进行,销售围绕直销积累订单。
随着欧美的新能源汽车政策落地和特斯拉产品力持续增强,我们预计相比于2021年93万辆的销量,2025年销量有望达到380万辆,仍有3倍的成长空间。
推进电池技术创新,引领新能源汽车发展。
根据特斯拉21Q4电话会和电池日中的信息,中高端车型ModelS、ModelX、Cybertruck、ModelY和Model3长里程搭载4680电池,标准续航的ModelY和Model3搭载LFP电池。
4680电池在22年开始生产,ModelY车型将率先使用,随着2023年产能提升,Model3、ModelS和ModelX会切换4680电池。
基于每款车型现有电池电量提升16%测算,预计切换4680电池后的容量:
ModelY和Model3为87kWh,Cybertruck为207KWh,ModelS和ModelX为116kWh。
从2022年开始进入加速渗透期,预计2022~2025年4680在特斯拉销量的渗透率为8%、33%、55%、58%。
2025年,预计有224万辆特斯拉搭载4680电池,4680电池的需求将达到236GWh。
5.4680产业链敏感性分析
5.14680电池产业链概述
动力电池逐步形成了专业化程度高、分工明确、各司其职的产业链体系,主要分为上、中和下游。
上游包括钴、锰、镍矿、锂矿以及石墨矿,其中钴、锰、镍矿一般作为正极材料上游,锂矿应用最为广泛,石墨一般只作为负极材料。
中游产业链由正极、负极、电解液、隔膜、铜箔等组成。
下游产品则是由单体电池、模组、线束、连接器以及BMS管理系统整体组成的动力电池系统。
上游产品同质化程度高,周期属性较强,下游产品的差异化较大,消费属性强。
4680电池技术革新和大规模应用,对电池产业链影响较大。
5.24680需求快速提升,特斯拉率先量产
特斯拉自供产能不足,预计LG、松下补足需求。
特斯拉规划2022年建成100GWh产能,受制于柏林和奥斯汀工厂审政府批延后、电池产线调试周期长和产线爬坡周期长,我们预计2022年的需求主要由特斯拉弗里蒙特试制线供货。
2022~2025年,特斯拉自供预计分别达到7.7GWh、40GWh、80GWh、100GWh,特斯拉自制产能不能满足需求,假设其他产能由特斯拉现有供应商供货。
我们预计2025年,特斯拉自供产能可达到100GWh,松下供货91.1GWh,LG供货45.6GWh。
5.3亿纬锂能加速布局大圆柱,有望实现单点突破
亿纬锂能领先国内同行,4680将助其发力。
亿纬锂能公司现有已建成电池产能39GWh,预计2024年将扩大至225GWh,其公司公告显示在湖北荆门计划投产20GWh年产能的三元大圆柱电芯产线,建设周期不多于18个月,有望在2024年底开始供应。
相比国内其他电池公司,亿纬锂能对大圆柱的布局速度更快,且亿纬锂能有多年18650和2170的生产经验积累,有助于4680电池的量产。
因此,我们认为4680电池将助力亿纬锂能发力新的增长点。
5.44680加速渗透,高镍需求激增
短期铁锂继续上探,长期三元有望反弹。
刀片和CTP设计提高磷酸铁锂能量密度,比亚迪汉、比亚迪秦、铁锂版Model3和ModelY等爆款车型应用刀片和CTP技术,带动磷酸铁锂电池出货量增长。
2021年国内动力电池三元累计109GWh,占比48.3%,同比增长91.3%,磷酸铁锂累计117GWh,占比51.7%,同比增长227%。
磷酸铁锂短期内占据优势地位,后续三元体系的需求有望通过4680的放量实现反弹。
三元正极国产出货加速,中高端车型拉动高镍比例。
2021年,中国三元正极材料出货量达到42.2万吨,同比增长79.6%,占全球三元正极出货量的58.7%。
在中高端车型高能量密度需求的带动下,高镍三元占比由2020年的22%提高至2021年的36%,三元正极材料的高镍化趋势进一步明确。
国产高镍壁垒明显,三元龙头恒强。
现国内三元供应商大部分产能为中镍高电压三元,高镍三元产能充足且产品优质的供应商较少。
当升、容百和巴莫等龙头企业布局高镍技术较早。
21年三元正极出货前三的供应商是容百(8%)、巴莫(6.2%)和当升(5.4%),容百已经全系切换为8系和9系三元,当升仅有少量中镍产能,大部分为高镍产能,巴莫21年以中镍为主,22年高镍产能逐渐开始提升。
国产正极进入国外龙头供应链,出货加速新动力。
当升有望凭借供货特斯拉储能项目经验,进入特斯拉4680电池供应链;贝特瑞于2020年6月供货松下NCA,是松下全球第二家正极供应商。
预计2022年至2025年,巴莫、当升和贝特瑞凭借成本和产能的优势,全球出货占比持续扩大。
4680电池放量,拉动国产高镍出货。
预计2022年,特斯拉及电池供应商4680需要三元正极0.91万吨,其中当升供货0.81万吨,占当升产能7.49%、出货9.23%,2025年特斯拉及其电池供应商三元正极总需求约7.85万吨,对正极供应商业绩带动显著,占巴莫25年出货1.01%,当升25年出货15.14%,贝特瑞出货11.27%。
海外产能增速较慢,国产前驱体出口激增。
2021年,全球三元前驱体出货量达到73.8万吨,其中中国出货量达到61.8万吨,同比增长80.7%,出货占全球83.7%。
中伟股份、格林美、华友钴业三元前驱体出口排名前列,主要供货ECOPROBM、LGC、L&F、POSCO、优美科和特斯拉等海外企业。
2022年,中伟和华友全球前驱体出货占比预计将分别达到25%和10%。
三元前驱体提前布局上游,盈利有望持续增强。
中伟股份、格林美和华友钴业等企业均有投资印尼镍冶炼项目,提前锁定印尼镍金属资源量与价格模式,打通并进一步优化原材料供给,进而降低高镍三元前驱体生产成本。
龙头企业在产能规模、原材料供应、产品质量、产品结构和客户群体等方面均具备较强竞争优势。
国内供应链产能增速快于国外,国际供货比例持续扩大。
中伟21年12月与芬兰矿业签署12万吨三元前驱体项目,21年5月在长沙扩建3.5万吨前驱体项目,中西部基地新建的6万吨前驱体募投项目和南部产业基地筹建的18万吨前驱体项目的投产,预计到2023年底公司产能超过50万吨。
4680拉动国内高镍出货,前驱体龙头释放产能。
预计2022年,特斯拉4680电池需要三元前驱体0.54万吨,中伟出货0.36万吨,占中伟产能1.26%,占中伟出货1.58%,2025年特斯拉及其电池供应商三元前驱体需求18.11万吨,对前驱体供应商业绩带动显著,占中伟25年出货13.83%,华友钴业出货6.27%。
5.54680硅碳高兼容,拉动硅碳需求
负极企业加速石墨化自供产能建设,负极企业盈利有望改善。
2021年,中国负极材料出货量达到77.9万吨,同比增长86.4%。
2021年,全球负极材料出货量达到90.5万吨,同比增长68.2%。
石墨化成本在人造石墨负极材料加工成本中占比超过45%,通过一体化布局从而获得成本上的优势,是负极材料企业提升竞争力的有效途径。
各大负极材料企业逐渐从“以委外加工为主的生产模式”向“以自建石墨化产能为主的一体化模式”转变。
以2021年均价进行测算,石墨化自供比例每提升10%,对应毛利率可以提升2.27%。
4680高度匹配硅碳,龙头布局硅碳负极。
4680采用了高镍的正极和硅碳的负极材料,是现阶段量产能量密度最高的电池。
鉴于其外壳采用高强度镍钢和圆柱结构设计,4680和硅碳负极兼容性较好,有望提高硅的掺杂比例至3~10%,而方型和软包电池为3%左右。
负极供应商贝特瑞和杉杉已经批量供货硅碳负极。
国内龙头硅碳负极供货国内外主流客户。
贝特瑞硅碳负极客户包括三星和松下(已经切入松下-特斯拉体系);杉杉硅碳负极已经用于3C领域,2018年开始给宁德时代供货测试。
4680放量,硅碳空间广阔。
预计2022年,特斯拉4680需要硅碳负极0.83万吨,占贝特瑞硅碳负极产能2.65%,占
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