中國儲能網(wǎng)訊：補貼時代，推升電池能量密度，進而提升電動汽車續(xù)航里程成為大家首要考慮的目標，但也應(yīng)看到，電池容量急劇上升的同時，也帶來了其他一些問題，尤其是安全隱患、壽命隱患、成本和產(chǎn)能高企。
安全方面，據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年發(fā)生電動汽車著火事件25起，2017年發(fā)生14起，而2018年截止到現(xiàn)在，共發(fā)生40起。事故數(shù)量上升的一個重要原因是過熱引起自燃。
壽命方面，單純進行能量密度提升，但實際循環(huán)壽命可能下降。SK對于622和811的性能測試，結(jié)果顯示目前622的最優(yōu)化結(jié)果只有1400次，急于推向市場顯然有些操之過急。
綜上，電池性能的維度是包括多方面：循環(huán)壽命、充電倍率、能量密度等。從上述的分析，不難發(fā)現(xiàn)，單一地對新能源汽車續(xù)航里程（概括為動力電池能量密度）進行補貼，有一定的積極作用，但是也有不足。例如過于追求電池能量密度的提高，可能疏忽電池安全性。后補貼時代，市場化、產(chǎn)業(yè)化將取代補貼，成為影響新能源汽車市場的核心要素。那時的動力電池技術(shù)趨勢和市場格局會怎樣呢？
一、總覽動力電池技術(shù)后續(xù)趨勢
（1）正極材料
磷酸鐵鋰：磷酸鐵鋰是最早應(yīng)用于動力電池的正極材料。其特色是不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會有供料問題。其工作電壓適中（3.2V）、單位重量下電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。相比在消費電子商業(yè)應(yīng)用更早的的鈷酸鋰和錳酸鋰電池來說，磷酸鐵鋰電池至少具有以下優(yōu)點：更高的安全性、更長的使用壽命、不含任何重金屬和稀有金屬（原材料成本低）、支持快速充電、工作溫度范圍廣等優(yōu)點。磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。同時，由于在-10~-40℃存在相變臨界點，磷酸鐵鋰低溫脫嵌鋰離子性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報廢了。
三元材料：三元電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰的鋰電池。目前，三元電池企業(yè)主要應(yīng)用的是NCM622與NCM523，NCM811處于小批量的開發(fā)階段。三元鋰電池能量密度高，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰。目前，隨著配方的不斷改進和結(jié)構(gòu)完善，電池的標稱電壓已達到3.7V，在容量上已經(jīng)達到或超過鈷酸鋰電池水平。三元材料動力鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH值過高易使單體脹氣，進而引發(fā)危險，目前造價較高。在三元和磷酸鐵鋰在退補后的市場判斷，將在后面論證。
硫正極：鋰硫電池即正極是硫，負極是金屬鋰組成的電池，其理論比容量為1675mAh/g，理論比能量為2600Wh/kg。正極硫在放電過程中會變?yōu)槿苡陔娊赓|(zhì)的多硫化合物，多硫化合物會穿過隔膜到鋰負極處，與鋰反應(yīng)再回到正極側(cè)，這個過程叫做穿梭效應(yīng)。穿梭效應(yīng)是鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性最大的障礙。目前，鋰硫電池仍然處于科學(xué)問題研究的階段。
空氣正極：鋰空氣電池，更準確的稱呼應(yīng)該是鋰氧電池（Li-O2），它是一種基于金屬與空氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換電能的電池。在這種電化學(xué)型的電池由誘導(dǎo)的氧化鋰的陽極和氧氣陰極組成。目前即使在學(xué)術(shù)界，仍然停留在其儲能機理研究及器件設(shè)計的階段，走向產(chǎn)業(yè)界仍然需要一段時間。
（2）負極材料
天然石墨：在鋰離子電池中，天然石墨粉末的顆粒外表面反應(yīng)活性不均勻，晶粒粒度較大，在充放電過程中表面晶體結(jié)構(gòu)容易被破壞，存在表面SEI膜覆蓋不均勻，導(dǎo)致初始庫侖效率低、倍率性能不好等缺點。
人造石墨：人造石墨由石油焦、針狀焦、瀝青焦、冶金焦等焦炭材料經(jīng)高溫石墨化處理得到，部分產(chǎn)品也經(jīng)過表面改性，其與天然石墨有許多相似的優(yōu)點。目前商業(yè)化應(yīng)用的人造石墨比容量可達到310～370mA·h/g，首周效率可以達到93%～96%，100%DOD循環(huán)壽命可達到1500次。由于人造石墨中石墨晶粒較小，石墨化程度稍低，結(jié)晶取向度偏小，所以在倍率性能以及體積膨脹、防止電極反彈方面比天然石墨更好一些。
鈦酸鋰負極：鈦酸鋰負極理論嵌鋰容量為175mA·h/g，初次循環(huán)庫侖效率可達到98.8%，且Li在嵌入脫出前后材料的體積變化不到1%，是鋰離子電池中非常罕見的零應(yīng)變材料，經(jīng)過表面改性提高其室溫導(dǎo)電性后具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，有報道循環(huán)壽命可達30000次以上。在負極材料中的安全性高，且一般不會生成SEI膜，因此電池循環(huán)壽命好，高低溫性能也較好。同時，LTO嵌鋰電位過高，容量降低，導(dǎo)致整個電池體系能量密度較低。另外LTO生產(chǎn)成本較高，涂布技術(shù)、涂布環(huán)境要求高，目前市場上電化學(xué)性能和材料批次穩(wěn)定性都兼顧的比較好的碳包覆納米LTO價格大約在13～15萬元/噸。這些因素使得LTO應(yīng)用存在較高的技術(shù)門檻，主要市場為適合高功率鋰離子電池應(yīng)用的領(lǐng)域。目前主要從事LTO技術(shù)路線的電池材料及動力系統(tǒng)公司有：珠海銀隆、微宏動力。
硅負極：硅負極材料因其較高的理論容量（高溫4200mA·h/g，室溫3590mA·h/g）、環(huán)境友好、儲量豐富等特點而很早就被考慮作為下一代高能量密度鋰離子電池的負極材料。硅負極材料商業(yè)化應(yīng)用主要需要解決兩個問題：1）硅負極材料在儲鋰過程中可逆容量與體積膨脹成正比，如硅負極容量如果達到3590mA·h/g時，顆粒或晶粒膨脹高可達320%，體積變化與嵌鋰容量成線性關(guān)系；2）另一個阻礙Si基負極材料商業(yè)化應(yīng)用的原因是固體電解膜（SEI），SEI膜的持續(xù)生長將消耗電池正極材料中有限的鋰源、電解液，導(dǎo)致電池容量不斷衰減，內(nèi)阻不斷增加，體積也會相應(yīng)膨脹。目前技術(shù)成熟度較高的硅基負極材料主要包括碳包覆氧化亞硅、納米硅碳復(fù)合材料和無定形硅合金等，在性能方面也各有優(yōu)劣。這一領(lǐng)域的標的，北汽產(chǎn)投有非常詳細的研究和論證，歡迎交流討論。
鋰金屬負極：由于鋰金屬電位低、理論容量高鋰金屬負極是理論上最理想的負極材料。同樣由于鋰金屬活潑易燃易爆，并且在充放電過程中析出鋰枝晶（穿刺隔膜而導(dǎo)致短路）等原因，導(dǎo)致其一直無法商業(yè)應(yīng)用。目前鋰金屬負極相關(guān)電池的研發(fā)仍然處于科學(xué)研究階段，解決方案包括優(yōu)化和改性電解液，提供載體限制鋰金屬負極膨脹，應(yīng)用人工界面膜等等。
（3）電解質(zhì)
電解液的主要功能是為正負極的鋰離子脫出和嵌入提供豐富的鋰離子源，以及提供充分的電離和化學(xué)穩(wěn)定環(huán)境，保證整體電池在充放電過程中保持化學(xué)穩(wěn)定，避免電極表面的副反應(yīng)發(fā)生。由于優(yōu)異的電離性能與綜合成本，目前的電解液組分仍然以LiPF6+有機溶劑（EC+DEC）為主。但同樣LiPF6也存在性能方面的劣勢：1）危險性：六氟磷酸鋰泄露將會與空氣中的水分反應(yīng)生成氫氟酸，具有危險性；2）本身對水分和氧氣含量十分敏感，電池內(nèi)水氧含量的增高將導(dǎo)致脹氣現(xiàn)象。
目前電解液的技術(shù)發(fā)展趨勢分為以下幾個方面：
1)性能附加值相關(guān)的電解液添加劑：包括鋰過充保護劑、鋰枝晶抑制劑、高電壓添加劑、成膜保護劑、快充導(dǎo)電劑等。
2)電解質(zhì)的固態(tài)化：固態(tài)電池被認為是安全、高能量、柔性的下一代電池，目前主要通過高分子膠體電解質(zhì)和陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)路線實現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
雖然固態(tài)電池被認為是下一代電池技術(shù)，但是固態(tài)電池由于其材料本質(zhì)的原因，內(nèi)阻較高、電導(dǎo)率偏低，難以實現(xiàn)快充性能。
（4）隔膜
鋰電隔膜是鋰電池中關(guān)鍵的內(nèi)層組件，能夠影響鋰電池的容量、循環(huán)性能和充放電電流密度等關(guān)鍵性能。性能優(yōu)異的隔膜需要隔離正負極防止短路同時還要允許鋰離子的傳導(dǎo)，在過度充電或者溫度過高時還要具有高溫自閉性能來阻斷電流防止爆炸，另外還要具有強度高、防火、耐性好、無毒等特點。目前市場上的生產(chǎn)工藝主要是干法單向拉伸技術(shù)、干法雙向拉伸技術(shù)和濕法拉伸技術(shù)。三者相比，干法單向拉伸隔膜橫向強度較差，但因幾乎沒有熱收縮現(xiàn)象而具有較高的安全性。 干法雙向拉伸工藝只能生產(chǎn)單層隔膜， 但隔膜的微孔尺寸和分布不均勻，穩(wěn)定性較差。濕法拉伸隔膜孔隙率和透氣性更高，可以生產(chǎn)更輕薄的隔膜，但投資成本較高。與干法拉伸制膜工藝相比，濕法工藝制成的鋰電池隔膜可以做到很薄，且程控方式不是通過機械拉伸的方式， 而是利用聚乙烯與成孔劑發(fā)生熱致相分離而產(chǎn)生的微孔，因此孔隙率和孔徑大小更易控制，產(chǎn)品的力學(xué)性能和均一性更好。
PP的熔融溫度在170℃左右， PE 的熔融溫度在140℃左右。 因此濕法工藝生產(chǎn)的隔膜雖然厚度較薄，但是較低的熔融溫度使得隔膜在高溫下容易收縮，從而造成電池短路。通過隔膜表面涂覆一層無機納米顆?；蛘吣透邷氐挠袡C化學(xué)物，可以提高隔膜的高溫安全性能。涂敷層一般厚度在1-2μm，經(jīng)過涂覆后的隔膜不僅在熱收縮率上有改善，還可以提高拉伸強度和電解液浸潤性，同時降低孔隙率和透氣速率。
二、后補貼時代的快充技術(shù)
我們認為，后補貼時代，快充將成為大家更為重要的技術(shù)，快充不僅能解決消費者充電的痛點，快充提升運營效率本身也就意味著降成本。后補貼時代，經(jīng)濟性為王，快充會更放光彩。
對于這個觀點，我們專門做了測算，以EX360運營案例，我們半定量討論充電倍率、續(xù)航提升及容量提升等因素的經(jīng)濟性。
表 EX360的動力電池基本情況
EX360涉及到的集中充電方案：
以運營場景為例，半定量方式討論充電倍率、能量密度及循環(huán)壽命作為對該場景效率提升的考量。根據(jù)目前電動車市場的技術(shù)水平，討論如下：
1)充放電壽命是影響電池全生命周期總行駛里程的重要因素。從全生命周期分析，循環(huán)壽命的增長，能線性地提高了動力電池生命周期的行駛總里程數(shù)，而過份追求能源密度，則可能降低循環(huán)壽命的次數(shù)及電池的總續(xù)航。
2)充電倍率提高或充電時間的縮短，是可能提高固定時間內(nèi)的總續(xù)航里程。以目前市面上最好的充電產(chǎn)品為例（TeslaModelX），其倍率性能為1.5C，充電時間約0.67h，其相對于EX360的快充縮短時間1.33h。以城市工況（60km/h），對應(yīng)的運營里程約80km。假設(shè)EX360能量密度提升20%，續(xù)航增加20%，則單次充電多運營里程數(shù)還只有60km。
3)據(jù)調(diào)研，比較于提升電池能量密度，縮短電池充電時間在技術(shù)難度上還相對較易。
綜上所述，后補貼時代，提升充電倍率也應(yīng)該是一個重要的發(fā)展方向。這方面技術(shù)，歡迎交流討論。
三、后補貼時代的電池價格和市場格局
根據(jù)我國的補貼政策規(guī)劃，計劃到2020年，新能源汽車補貼將會完全退出市場。屆時，新能源汽車將完全在無補貼的情況下依賴自身的造血能力進行產(chǎn)業(yè)的自生增長。
（1)關(guān)于在退出補貼的情況下，電池PACK價格所需的降價（半定量測算）
2017年動力電池總裝機量37.06GWh，其中乘用車13.9GWh。按照第二部分測算乘用車的補貼金額，2017年全年在乘用車的銷售約172億元。由于2016-2017年我國新能源車企只有比亞迪的新能源汽車業(yè)務(wù)實現(xiàn)了盈利，并且其縱向高度一體化的情況下實現(xiàn)凈利率約5%。參考北汽藍谷2017年的財務(wù)報告，公司是虧損的。所以，通過整車OEM業(yè)務(wù)的銷售價格壓縮去對沖去補貼影響是不現(xiàn)實的。那么，電池PACK成本的下降，必須向電芯及其上游傳導(dǎo)。
根據(jù)《中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)》對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的預(yù)測，新能源汽車的銷量CAGR達到37%，2020年約200萬輛左右，其中乘用車占比80%，約160萬輛。由于續(xù)航里程的提升，平均電池裝機量相對于銷量增速要提升40%左右（參考新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃對能量密度的提升要求），2020年裝機量約為50GWh。
根據(jù)上述估測，則需要平均每Wh的PACK去攤薄約0.3元的電芯成本。參考2017年行業(yè)1.1-1.2元/Wh的電芯售價。那么需要2020年末對于PACK的價格下降至0.8-0.9元/Wh。
我們分析了學(xué)術(shù)機構(gòu)及政府機構(gòu)測算，根據(jù)NatureClimateChange研究結(jié)果，如下圖。
圖 對PACK價格的預(yù)測
根據(jù)估算，為了將電芯成本從目前的價格降低至150USD/kWh的PACK價格，則需要從以下幾個方面去降低PACK的成本：1）新能源汽車銷量增長貢獻占12%；2）LIB經(jīng)濟規(guī)模的經(jīng)濟效益占12-14%；3）科技進步帶來的研發(fā)效應(yīng)占16-17%。
1)電池成本結(jié)構(gòu)下，未來上游供應(yīng)鏈如何變化；
圖 CATL采購成本分布
2017年，CATL的電芯價格約為1.2元/Wh。根據(jù)0.8元/Wh的目標價格，需要降價降低33%的BOM成本，才能保持相當(dāng)?shù)拿剩?017年，31.28%）。
假設(shè)：2020年，CATL業(yè)務(wù)回歸傳統(tǒng)制造行業(yè)，新能源大面積普及，公司毛利約20%，下降約1/3。對應(yīng)BOM成本則需要下降22%左右。
參考CATL披露的原材料采購成本（來源：Bernstein），下面逐條對電芯的各個組成部分進行分析：
1)負極：2017-2018年國內(nèi)負極材料石漠化吃緊的情況逐漸得到緩解，石墨化擴建產(chǎn)能逐漸得到釋放。在針狀焦方面，2017年仍然是供不應(yīng)求，不僅供需關(guān)系緊俏導(dǎo)致價格上漲，很多企業(yè)仍然難以購置到針狀焦原材料，市場曾經(jīng)一度出現(xiàn)真空。隨著山東益大、京陽科技等新針狀焦產(chǎn)能逐漸獲得市場認可并產(chǎn)能釋放，預(yù)計針狀焦市場的供需關(guān)系得到緩解。2018年上半年針狀焦總供給16.22萬噸，其中負極材料供應(yīng)量約為4.6萬噸。負極材料行業(yè)整體方面，2017年負極材料出貨14.9萬噸，2018年整體行業(yè)在建約35萬噸產(chǎn)能。但考慮上游材料稀缺及新的估計材料技術(shù)的原因，我們預(yù)測2020年負極材料成本仍然不變。
2)隔膜：隔膜企業(yè)2017年頭部公司毛利率水平較高（約50%）。預(yù)計2018-2020隔膜行業(yè)將呈現(xiàn)出下降趨勢。2016-2017過多資本投建新產(chǎn)能，到2017年下半年新增產(chǎn)能陸續(xù)釋放，但部分新進入者的產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，為消化產(chǎn)能，不得不降低產(chǎn)品價格，以獲取訂單，使得市場環(huán)境極為混亂，隔膜企業(yè)間接被迫打起價格戰(zhàn)；同時，國內(nèi)一線梯隊的隔膜企業(yè)產(chǎn)能也處于快速建設(shè)中，產(chǎn)能投產(chǎn)后，在品質(zhì)方面有明顯的優(yōu)勢，借助規(guī)模效應(yīng)，成本可快速下行，從而實現(xiàn)價格下調(diào)，加快二三線隔膜企業(yè)降價。預(yù)計隔膜降價20%，則對電芯成本下降貢獻約為20%*8%=1.6%左右。電芯成本對此不敏感。
3)電解液：電解液產(chǎn)線投資成本低，建設(shè)周期短，電解液行業(yè)產(chǎn)能利用率不到70%，長期供大于求，電解液價格的波動主要因素是原材料價格的波動。且六氟磷酸鋰及EC/DEC等上游化工行業(yè)預(yù)期限產(chǎn)能政策影響在后續(xù)得到緩解，價格逐步企穩(wěn)，在2020年價格較當(dāng)下約下降10%，對電芯成本貢獻約10%*7%=0.7%。
4)銅箔、鋁箔：金屬箔本身加工技術(shù)壁壘較低（電鍍），并且其價格收到大宗商品價格影響較大。參考該BOM圖標，電芯成本對其影響不敏感。
5)正極材料：鈷在三元正極材料中的成本占比較高，鈷價上漲預(yù)期保障三元價格開始上漲。由于2017-2018年三元材料的市場需求非常旺盛，以及鈷礦供給嚴重依賴進口，導(dǎo)致鈷的供需結(jié)構(gòu)偏緊。2016-2017年，NCM622材料價格有17萬元/噸，上漲到21萬元/噸。參考622電芯約150Wh/kg的PACK能量密度，則平均價格約為1470元/kWh。
根據(jù)鐵鋰目前近5萬元/噸的報價，結(jié)合其90Wh/kg的行業(yè)平均PACK能量密度，正極材料價格約550元/kWh。
可見，磷酸鐵鋰和三元材料就目前的價格水平而言，對于整體電芯的成本影響是較為可觀的。假設(shè)將目前的三元材料，全部替換為磷酸鐵鋰，在不考慮續(xù)航門檻的前提下，那么磷酸鐵鋰相對于三元可以很大程度上幫助電芯將成本下降至0.8元/Wh。
我們再針對今年市場上的代表NEV車型進行半定量測算：
EU5車型，整車質(zhì)量1600kg，標稱續(xù)航~400km。
NCMPACK：54,000Wh/(150Wh/kg)=360kg;
LPFPACK：54,000Wh/(90Wh/kg)=600kg;
兩者重量差對EU5整備質(zhì)量的影響：(240/1600）*100%=15%；
如果重量的變化對續(xù)航的影響是線性的話，在假設(shè)下，LPO應(yīng)該比NCM少15%，400km*15%=60km；
在循環(huán)壽命方面：（參考來源：深圳市動力電池回收利用機制與政策研究）
NCM：1659次；
LPF：2575次；
在整個PACK的生命周期下：按照正常工況
NCM的總里程數(shù)：1659*400=663,600km
LPF的總里程數(shù)：2575*(400-40）=927,000km
在EU5案例下，在汽車常規(guī)充放電的工作條件下，整個電池生命周期，LPF比NCM在續(xù)航方面多出：927,000-663,600=263,400km。
在上述的NEV及燃油車對比過程中，電動車的經(jīng)濟效益優(yōu)勢約為0.1元/km，則在整個電動車的生命周期中LPF比NCM的經(jīng)濟效益優(yōu)勢為：26,340元。
對于54kWh電芯：（參考附錄，來源：深圳市綠色低碳發(fā)展基金會）
LPF的價格：54kWh*1270元/kWh=68,580元
NCM的價格：54kWh*1230元/kWh(取NCM111和NCM532的平均值）=66,420元
在成本方面，NCM比LPF的PACK節(jié)省約68580-66420=2,160元
綜上所述，經(jīng)過半定量方法計算，LPF比NCM的在該車型的經(jīng)濟效益優(yōu)勢約為26,340-2,160=24,180元。
根據(jù)實際的產(chǎn)業(yè)情況，2016-2018年，三元材料的加速普及，很大的催化因素之一是新能源汽車補貼的續(xù)航門檻逐漸提升。目前而言，NCM811的價格是高于NCM622的，并且2020年NCM811及NCM622的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)帶來的行業(yè)成本下降仍然有限（小于20%）。
在此情境下，在補貼完全退出的時點，磷酸鐵鋰將可能對NCM三元市場造成沖擊，在生產(chǎn)技術(shù)及規(guī)模效應(yīng)帶來的NCM成本下降到足夠的區(qū)間，才能重新回歸到與磷酸鐵鋰電芯的能源成本競爭。
在上述討論當(dāng)中，我們只考慮了在現(xiàn)有材料體系下對材料成本的影響因子。此外，新的電池體系，如鋰硫固態(tài)電池、鋰金屬固態(tài)電池等體系，仍然有機會通過大幅提升能量密度和規(guī)模經(jīng)濟的方式降低PACK儲能價格。但就目前國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢態(tài)來看，上述技術(shù)目前仍然缺乏成熟度，從業(yè)公司認為在2020年，難以大規(guī)模放量該種技術(shù)。
