1、 磷酸鐵鋰電池具備成本和安全的優(yōu)勢
1.1 LFP 憑借其低價及強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 的能量密度主要取決于正極材料，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)鈷酸鋰主要應(yīng)用在手機、航模、車模、電子煙、智能穿戴等數(shù)碼產(chǎn)品上。
20 世紀 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)登陸資本市場的企業(yè)。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。
當(dāng)前鈷酸鋰的能量密度和壓實密度已基本到極限，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 170℃）、 循環(huán)使用壽命長（延長 45%）的優(yōu)勢。
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 年主要原材料金屬鈷的價格大幅漲價，導(dǎo)致鈷酸鋰和鎳鈷錳酸鋰材料的差價擴大、促進了在 中國鋰電市場的應(yīng)用，鎳鈷錳酸鋰材料迎來了第一個爆發(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)出口日本市場的企業(yè)。2015 年政府補貼政 策引導(dǎo)鎳鈷錳酸鋰材料迎來了第 2 個爆發(fā)期。
當(dāng)前對單晶化鎳鈷錳酸鋰研究主要通過不斷的提升鎳含量，提升充電截止電壓，來進一 步的提升產(chǎn)品的能量密度，但這對電解液等相關(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 148 mAh/g， 實際容量在 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。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。主要應(yīng)用于一些對安全 性要求較高，成本要求高，但對能量密度和循環(huán)要求較低的市場。如小型通訊設(shè)備、充電寶、 電動工具和電動自行車、特殊場景（如煤礦）。
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，濟寧無界、青 島乾運等廠家逐漸加入，容量型、循環(huán)型、動力型產(chǎn)品多元化發(fā)展?jié)M足不同的應(yīng)用市場。2008 年，盟固利將錳酸鋰動力電池成功應(yīng)用在電動客車上。
目前錳酸鋰低端市場主要是應(yīng)用于對電池性能要求相對較低的通訊類電池、筆記本電腦 電池和數(shù)碼相機電池，錳酸鋰依然會保持穩(wěn)定增長的市場需求。高端市場是以車用市場為代 表，對電池性能要求較，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)，放電容量可以達到理論放電容量的 95%以上，安全性能優(yōu)異，對于過充的承受力很好，循環(huán)壽命長，并且價格低廉。但其能量 密度限制難以解決，而電動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道可用作正極材料。北美的 A123、Phostech、 ValeNce 較早實現(xiàn)了量產(chǎn)，但由于國際新能源汽車市場不如預(yù)期，不幸破產(chǎn)被收購，或停產(chǎn)。 臺灣的立凱電能、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)能趕超的情 況下發(fā)展趨緩。2001 年我國啟動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 磷酸鐵鋰電池工作機理
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 一個整體空間架構(gòu)，在各個點的密切聯(lián)系下形成一種鋸齒狀的平面結(jié)構(gòu)。
磷酸鐵鋰電池正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的 LiFePO4 組成，負極由石墨組成，中間是聚烯烴 PP/PE/PP 隔膜，用于隔離正負極、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
充電時鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)進入負極，同時電子從外電路由正極向負極移動， 以保證正負極的電荷平衡，放電時鋰離子從負極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。這一微觀結(jié)構(gòu) 使得磷酸鐵鋰電池具有了較好的電壓平臺和較長的使用壽命：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，因此，磷酸鐵鋰電池的充 放電電壓平臺長且平穩(wěn)；另外，在充電過程完成后，正極 FePO4 的體積相對 LiFePO4 僅減 少 6.81%，而充電過程中碳負極體積輕微膨脹，起到了調(diào)節(jié)體積變化、支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用， 因此，磷酸鐵鋰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，實際容量是每克 140mA，振實密度是每 立方厘米 0.9~1.5，工作時候的電壓是 3.4V。
磷酸鐵鋰正極材料在應(yīng)用的時候體現(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 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)用在多個領(lǐng)域，比如電動汽車領(lǐng)域、電動自 行車領(lǐng)域、移動電源設(shè)備、儲能電源領(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、價格較低的獨特優(yōu)勢電 動汽車尤其是電動客車領(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在一定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹艿较拗?。改善其缺點 的方式主要有表面包覆改性、體相摻雜改性等手段。
近幾年我國動力電池市場經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，電池技術(shù)是其核心競爭力。目前動力電池 主要包括磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和三元鋰電池等體系。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）。
磷酸鐵鋰電池支撐著中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： 磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命相對較長、發(fā)熱量低、熱穩(wěn)定性好，同時磷酸鐵鋰電池還擁有良好 的環(huán)境安全性。磷酸鐵鋰電池憑借著較低的價格和穩(wěn)定的性能大量應(yīng)用于電動客車，市場份 額呈現(xiàn)增長態(tài)勢。該材料具有安全性好、循環(huán)壽命長、成本低等優(yōu)點，是動力和儲能電池的 主打正極材料。通過納米化和表面碳包覆實現(xiàn)了可較大功率放電的性能，而且很好地進行碳 包覆的樣品不含酌γ-Fe2O3 和 Fe3+雜質(zhì)，在中國實現(xiàn)了世界最大的規(guī)?；a(chǎn)。
2、 寧德時代和比亞迪引領(lǐng) CTP 方案，進一步降低成本
比亞迪董事長王傳福先生在參加電動車百人會時透露，比亞迪已研發(fā)出新一代磷酸鐵鋰 電池“刀片電池”，這款電池預(yù)計今年量產(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，整車壽命可達百萬公里以上，能量密度可達 180Wh/kg，相比此前提升大約 9%，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)不弱于 NCM811 的三元鋰電池，并且能 夠解決磷酸鐵鋰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 于今年 6 月上市。
什么是刀片電池？其實就是長電芯方案（主要指方形鋁殼）。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，來進一步改進電池包集成效率的技術(shù)。它 不是某一個特定尺寸的電芯，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電池的一個名稱，是 比亞迪研發(fā)多年的“超級磷酸鐵鋰電池”。刀片電池實為比亞迪開發(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”一樣插入到電池 包里面。相比于比亞迪此前的磷酸鐵鋰電池，“刀片電池”的升級重點在于可實現(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，使得電池包和整個電池包的重量減輕，實現(xiàn)了電池包的輕量化。
隨著用戶對電動車的續(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，一方面可以提高動力電池包的空間利用率、增加能量密度，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、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，對比例 1 的空間利用率為 55%，而實施例 1-3 的空間利 用率分別為 57%/60%/62%；對比例 2 的空間利用率為 53%，而實施例 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。
關(guān)于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）和換熱板來進行溫 度的控制，以保證單體電池散熱，并保證多個單體電池之間的溫度差不會過大。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，通過冷卻液來實現(xiàn)對單體電池的降溫，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，在通過冷卻液對單體電池進行冷卻時，換熱板各 位置處的溫差可以通過導(dǎo)熱板進行均衡，從而將多個單體電池之間的溫度差控制在 1℃以內(nèi)。
對比例 4 以及實施例 7-11 中的單體電池，以 2C 的速度進行快充，測量在快充過程中， 單體電池的溫度升高情況。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，申請專利的單體電池中，在同等條件 的快充下，其溫升較之對比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，電池包的溫升液相對于電池包有所降低。
與“刀片電池”有相同效用的還有 CTP 技術(shù)。CTP（cell to pack）技術(shù)是實現(xiàn)電芯無 模組，直接集成電池包。2019 年，寧德時代率先采用全新 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)用后將大幅降低動力電池的制造成本。比亞迪規(guī)劃到 2020 年，其磷酸鐵鋰 單體能量密度將達到 180Wh/kg 以上，系統(tǒng)能量密度也將提高到 160Wh/kg 以上.
寧德時代的 CTP 技術(shù)，提供了一種電池包，在滿足電池包輕量化的同時，提高電池包 在整車的連接強度。其優(yōu)勢主要有兩點：1）CTP 電池包因為沒有標準模組限制，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，寧德時代注重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 方案成本可降 15%
我們選取國軒高科的鋰電池作為我們的研究對象，由于國軒高科鋰電池出貨幾乎全為磷 酸鐵鋰，因此國軒高科的鋰電池成本將對 LFP 電池成本有較高的參考性。
根據(jù) 2019 年 9 月 17 日國軒高科發(fā)布的《關(guān)于請做好國軒高科公開發(fā)行可轉(zhuǎn)債發(fā)審委會 議準備工作的函》的回復(fù)中的內(nèi)容，國軒高科 2016-2019 年上半年磷酸鐵鋰電池的單價分別 為 2.06 元/Wh，1.69 元/Wh，1.12 元/Wh，1.00 元/Wh，對應(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，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，絕對降幅 0.3 元/Wh，相對降幅 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)對原材料成本進行拆分后我們發(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，對于 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、 負極、隔膜、電解液），合計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） 進一步假設(shè)原材料（包含正極、負極、隔膜、電解液、銅箔、甲基、電池箱）價格 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） 進一步考慮企業(yè)的毛利率遍可得出實際的銷售價格，如圖 35 所示
4、 刀片電池和 CTP 方案仍將率先在商用車上使用
雖然比亞迪公布，會將刀片電池方案在漢上商用，但是商用車仍然會是率先使用的方案。 我們認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，而乘用車使用會更加謹慎。比亞迪在自己的車上采用刀片電池，無疑是為了加 快乘用車的推進速度。其實刀片電池和 CTP 方案殊途同歸，都是為了進一步降低成本，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)有很多一線整機廠采用 CTP 的方案進行上車測試，所以預(yù)計 2020 年 會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 米以上的車型進行測算， 電池成本降低 30%，則電池成本從 22.5 萬降低到 15.8 萬，在沒有補貼的情況下，毛利率可 以維持。
我們預(yù)計，2020 年磷酸鐵鋰的電池在商用車占比將進一步提升。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)鏈中如果達到 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。
（報告來源：西南證券）
