动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？.pdf

东方证券股份有限公司经相关主管机关核准具备证券投资咨询业务资格，据此开展发布证券研究报告业务。 东方证券股份有限公司及其关联机构在法律许可的范围内正在或将要与本研究报告所分析的企业发展业务关系。因此，投资者应当考虑到本公司可能存在对报告的客观性产生影响的利益冲突，不应视本证券研究报告为作出投资决策的唯一因素。 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 深度报告 【行业证券研究报告】 新能源汽车产业链行业 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 电池成本是汽车电动化的决定性因素，我们自下而上构建电芯的成本模型，分析结果表明，动力电池的品质、成本、规模形成正反馈闭环，技术是形成该闭环的基础，因此行业先发优势将不断强化。 核心观点 我们的模型测算表明，电动车的性能主要取决于车辆设计和电池系统容量，此前市场普遍关注的质量能量密度对整车性能影响不大。从提高电动车性能出发，车企对动力电池的需求可以收敛到体积能量密度和成本两大特性，其中成本对电动化前景影响更大，要实现性价比的超越电池成本需下降30-40%。 除了原材料价格下降之外，电芯的成本下降主要通过材料、设计和过程能力优化来实现，理想情况下当前技术路线的电芯成本有望实现 30%以上的降幅。其中，材料优化主要是采用高比容量的正负极，设计优化的核心思想是提高活性材料的重量占比，方法包括改变电芯技术、增大电芯尺寸以及减少非活性材料的用量。材料和设计优化的方案对所有厂商都开放，但由于面临安全性和工序能力的掣肘，实际上只有研发经验丰富的龙头企业享受到技术降本的红利。 过程能力优化主要是改善产品的一致性、良率和直通率等指标。电芯大量成组后才能使用，性能参数一致性的重要性甚至高于性能本身，国内一二线企业一致性的差距是导致过去几年市场份额快速集中的重要因素；良率和直通率则会影响到生产成本和制造周期，我们的模型测算表明，这两项指标的差距可以使一线企业获得至少7个百分点的成本优势。电芯生产突破了一般制造业质量、成本、效率（制造周期）的不可能三角，是该行业先发优势突出的根源。 三大降本路径有望推动电芯成本下降30-40%，从而实现降本目标，但每一项降本措施都会对电池的安全性和工艺一致性带来挑战，因此技术能力是降低电池成本的核心。5M1E分析结果显示，生产工艺和制造环境控制是拉开质量差距的关键。 我们认为，电池企业的产品品质、产能规模和生产成本构成了正反馈闭环，行业具备极为突出的马太效应，国内龙头电池厂对内凭借品质优势获取大量份额，更高的良率和直通率使其成本领先近 10 个百分点，对外尽管在技术上不占优势，但凭借成本更低的供应链也能获得明显的成本优势，从而成长为全球性的龙头企业。 投资建议与投资标的 电池生产企业是产业链的核心环节，随着补贴退坡导致市场竞争加剧，行业份额将进一步向龙头电池厂集中，龙头企业及其主要供应商有望在电动化浪潮里获益。 电池环节建议关注国内电池龙头宁德时代，材料环节建议关注进入国内外供应链的细分龙头，包括隔膜的最大供应商恩捷股份，负极和涂覆巨头璞泰来和中国宝安，包装壳体龙头科达利，前驱体龙头格林美及铜箔龙头嘉元科技。 风险提示 降本不达预期 低成本新技术出现突破 Table_BaseInfo 行业评级 看好 中性 看淡 (维持) 国家/地区 中国 行业 新能源汽车产业链行业 报告发布日期 2020年03月20日 行业表现 资料来源：WIND、东方证券研究所 证券分析师 彭海涛 021-63325888-5098 penghaitaoorientsec 执业证书编号：S0860519010001 证券分析师 卢日鑫 021-63325888-6118 lurixinorientsec 执业证书编号：S0860515100003 证券分析师 李梦强 021-63325888-4034 limengqiangorientsec 执业证书编号：S0860517100003 联系人 顾高臣 021-63325888-6119 gugaochenorientsec 联系人 郑浩 021-63325888-6078 zhenghaoorientsec 相关报告 动力电池系列报告（一）：穿越2020，动力电池需求到底有多大？ 2018-09-18 动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格局 2018-10-15 资料来源：公司数据，东方证券研究所预测，每股收益使用最新股本全面摊薄计算，(上表中预测结论均取自最新发布上市公司研究报告，可能未完全反映该上市公司研究报告发布之后发生的股本变化等因素，敬请注意，如有需要可参阅对应上市公司研究报告) 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 2 目 录 提升带电量解决多数问题，电池成本决定汽车电动化前景 . 5 电池系统成本是撬动汽车电动化的支点 . 5 带电量是电池系统最具决定意义的指标 . 6 降低电芯成本是电池系统降本的核心任务 . 7 电芯成本解析：原材料成本占9成，非活性物质比例较大 . 8 参数设计：定制化特征明显，容量提升推进电芯标准化设计 . 8 生产流程还原：批次与节拍工序交错，质量控制是难点 . 10 方形卷绕电池：正极材料是降本最大来源，其他措施集腋成裘 . 11 降本之路知易行难，技术能力是核心驱动. 13 材料在比容量与安全性之间走钢丝. 14 高镍正极：只有龙头能驾驭的降本利器 14 硅负极：极具性价比的降本良方 16 设计螺狮壳里做道场，工艺优化无止境 . 18 卷绕改叠片：有效提升群裕度，生产效率是主要阻碍 18 大尺寸电芯：提效降本一举多得，工艺水准决定成果 20 非活性材料减量：降本累积效果明显，削减冗余设计增加安全隐患 21 过程能力质量/一致性决定市场份额，良品率拉开成本差距. 23 定性：多材料/工序非线性耦合而成的流程型制造业，复杂度极高 23 一致性是获得市场份额的前提，决定了过去三年国内格局 24 突破质量、成本、效率(制造周期)不可能三角，是行业强者恒强的根源 26 5M1E分析：工艺（Method）与环境（Environment）是拉开质量差距的决定因素 28 总结与投资建议：龙头推动成本下降，行业集中大势所趋 . 31 降本目标并非遥不可及，成本下降依赖技术沉淀 . 31 品质、规模、成本形成正反馈，降价压力加速市场集中度提升 . 32 投资建议：电池格局继续集中，建议关注电池龙头及其生态圈 . 33 风险提示 . 33 CVVZZXmWmYsZkXmMuZpZeXaQcMaQtRmMmOqQjMoOtQkPtRnP8OpPrOuOrMsQMYrQzR有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 3 图表目录 图1：上汽集团关于电动车与传统车TCO变动趋势预估 . 5 图2：主要参数变化10%导致的续航里程弹性统计 . 6 图3：带电量较低时续航里程与电池容量呈近似线性关系 . 6 图4：蔚来ES 8电池系统构造及成组率拆解 . 7 图5：孚能软包电芯占系统成本(元/Wh)比重在70%以上 . 8 图6：普莱德方形电芯占系统成本比重接近80% . 8 图7：锂电池参数设计流程图 . 9 图8：给定容量要求的电池设计分析思路 . 10 图9：锂离子电池生产流程 . 10 图10：148/91/27规格方形622电芯重量构成 . 12 图11：148/91/27规格方形622电芯成本构成 . 12 图12：影响电芯成本的各项因素弹性测算 . 13 图13：2018年以来四大材料的价格降幅显著趋缓 . 13 图14：高镍材料具备更高的容量密度，但热稳定性和首次库伦效率较差 . 15 图15：高镍正极材料商业化应用需要克服一系列伴生问题 . 16 图16：不同比例硅碳负极相对石墨负极容量的提升 . 17 图17：叠片电芯内部堆积更加平整，填充度更高 . 19 图18：宁德时代采用大电芯/模组提升系统成组率 . 21 图19：非活性材料减量对于能量密度（Wh/kg）提升和成本（元/Wh）下降有显著效果 . 22 图20：国内三元电池出货情况(MWh)及龙头份额统计 . 26 图21：国内磷酸铁锂电池出货情况(MWh)及龙头份额统计 . 26 图22：锂电池从接受订单到产品交付质量损失来源统计图 . 26 图23：化成分容厂房面积(内圈)和成本(外圈)占比较高 . 28 图24：2016年宁德时代固定资产周转率远高于竞争对手 . 28 图25：国内动力电池产能产量（GWh）及产能利用率统计 . 28 图26：锂电池参数设计流程图 . 29 图27：降本措施达到理想状态可推动电芯成本下降近30%. 31 图28：三类电池企业成本项拆分（元/Wh） . 33 图29：国内一二线电池企业成本差异解析（元/Wh） . 33 表1：60kWh电池系统在续航里程、放电倍率、循环次数、快充等方面具备全面优势 . 7 表2：不同电动汽车电池的平均功率/能量比 . 8 表3：电芯化学参数假设 . 11 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 4 表4：方形卷绕电芯重量拆分 . 12 表5：高镍三元正极材料比容量提升明显 . 14 表6：不同正极材料pH值和表面残余锂（典型值） . 16 表7：硅负极比容量优势明显，但结构不稳定 . 16 表8：贝特瑞和江西紫宸硅碳负极产品参数统计 . 17 表9：卷绕与叠片工艺优缺点比较 . 19 表10：锂电池在消费电子和汽车应用的典型差异比较（均为典型值） . 24 表11：过程能力等级表 . 25 表12：不同过程能力指数对应的电芯和电池系统不良率 . 25 表13：锂电池生产流程中的关键工序及质量特性 . 27 表14：目前主流电池企业电芯良率和材料直通率情况统计 . 27 表15：电芯生产各工序对外部环境要求非常苛刻 . 30 表16：国内外电池企业5M1E性能比较 . 30 表17：锂电池降本路径及其限制因素总结 . 31 表18：国内外电池企业电芯成本预测拆分 . 32 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 5 提升带电量解决多数问题，电池成本决定汽车电动化前景 电池系统成本是撬动汽车电动化的支点 我们在深度报告动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格局中得出结论：对车企来说，动力电池最重要的性能指标依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环次数，其中安全性是压倒一切的考量。此外，根据麦肯锡2016年进行的一项电动车消费者习惯调查，中美德三国消费者对于电动车的疑虑依次是产品价格、续航里程、充电便利性、车型/品牌。 综合来看，汽车电动化的必要条件是在满足安全性的前提下，以能够接受的成本缓解消费者的续航里程焦虑（400 km）。成本方面，根据我们在深度报告动力电池系列报告（一）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格局里的测算，电池系统的价格需要下降至0.60.7元/Wh，才逐渐具备替代燃油车的条件，这意味着电池层面成本至少还需要下降3540%。这一测算结果与上汽高管在2020年汽车百人会上的发言几乎一致。因此，电池系统成本是左右汽车电动化进程最重要的因素。 图1：上汽集团关于电动车与传统车TCO变动趋势预估 资料来源：上汽集团，东方证券研究所 测算依据：1.以A级家庭轿车为蓝本，现阶段售价为10万元的传统汽车15万元的纯电动汽车对比； 2.计算周期为5年10万公里； 3.购置成本方面，传统车考虑购置税，每 3 年降 5000 元；电动车无购置税，价格随电池成本下降而下降，但2020年补贴完全退出； 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 6 4.残值率方面，传统车5年残值率45%，2019年产电动车5年残值率为20%，后因纯电动技术进步而大幅提升，2022年产车型32%，2025年产车型40%； 5.使用成本方面，假设油价与电价保持不变，油耗与电耗每3年适当略降，并简单考虑保险与保养等费用。 带电量是电池系统最具决定意义的指标 为了定量分析电动车对电池性能指标的需求，我们从汽车动力学出发，测试电池性能对汽车动性的影响。汽车在正常行驶过程中，其行驶阻力和输出功率公式如下： = + 21.152 +m (1) = 1 (2) 其中：F-汽车行驶阻力，N；t-时间，s；-车速，km/h；-旋转质量换算系数；m-汽车质量，kg；f-滚动阻力系数；CD-风阻相关的系数；A-迎风面积，m2；P-行驶功率；-传动系统效率。在等速续航条件下，由于加速导致的阻力几乎可以忽略。 基于此，我们构建模型测算续航里程的影响因素，假设如下：汽车带电量为50 kWh，质量能量密度160 Wh/kg，车身及其他重量（不含电池包和负载）1250 kg，车体迎风面积2.1 m2，风阻系数0.3，滚阻系数0.016，动力系统传动系数为0.86，测试条件为60 km/h等速。基准条件下电动车的续航里程为372 km。 图2：主要参数变化10%导致的续航里程弹性统计 图3：带电量较低时续航里程与电池容量呈近似线性关系 数据来源：东方证券研究所测算 数据来源：东方证券研究所测算 我们调整了不同参数，以测试续航里程的敏感因素，结果表明，对电动车续航里程影响弹性较大的变量依次是电机传动效率、带电量、车身重量、风阻系数和能量密度。值得注意的是，整车的设计能力，如风阻系数、迎风面积以及电控效率对续航里程的影响甚至高于万众瞩目的电池系统，可见整车自身仍有非常大的挖掘空间以提升续航里程及产品力。 进一步地，我们假设其他参数不变，仅调整带电量和能量密度。不难发现，尽管理论上较低的能量密度最终会导致新增的带电量边际效应为零，但计算得知该临界点已超过 1000kWh，在带电量低于100kWh时，可以认为汽车续航里程与带电量呈线性关系。 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 7 以蔚来汽车的电池系统为例，2018年ES8上市时所用电芯的能量密度为210Wh/kg，成组之后质量能量密度仅有132Wh/kg，重量成组率为63.6%，体积成组率则仅有31.7%，由于车身过重以及风阻系数偏高，以70kWh的带电容量NEDC续航里程仅有350km。经过设计改进之后，2019年推出的ES6基础版（70kWh）NEDC续航里程达到430km，高容量的车型（84kWh）续航里程达到510km，其质量能量密度和成组率也分别达到170Wh/kg和70%，因此提高电池装载量是改善汽车动力性的不二法门。 图4：蔚来ES 8电池系统构造及成组率拆解 资料来源：网络资料，东方证券研究所整理 因此，对于电池系统而言，带电量是更具决定意义的参数，质量能量密度的影响相对有限。值得一提的是，提升带电量还可以缓解诸多困扰电动车的顽疾，以带电量分别为 30kWh 和 60kWh 的两辆车为例，除了续航里程提升近一倍之外，大容量电池系统还有很多其他优点：首先，大容量电池系统对于电芯的放电倍率要求降低，整车等速巡航阶段的输出功率约10kW，但加速阶段输出功率很大，峰值功率可达 100kW 以上，小系统的瞬时放电倍率要求达到 4C，这对电池寿命造成较大伤害，而大系统的放电倍率要求仅为大系统的一半；其次，大电池系统的循环次数要求也大为降低，假设汽车要求行驶里程达到 20 万公里，小系统的循环次数将达到 1100 次，而大系统的循环寿命要求仅为 570 次，这为更高能量密度、低循环寿命的电池使用开拓了空间；三是充电功率显著提高，在充电倍率相同的情况下，大系统快充半小时（soc从30%充至80%）即可行驶220公里以上，极大程度上缓解了充电压力，此外，车内空调等其他体验也有明显改善。 表1：60kWh电池系统在续航里程、放电倍率、循环次数、快充等方面具备全面优势 带电量 续航里程/km 峰值放电倍率 电池循环次数（20万公里） 一次快充续航（30-80%） 空调使用 30kWh 234 4C 1068 120 60kWh 436 2C 573 220 正常使用 数据来源：东方证券研究所测算 降低电芯成本是电池系统降本的核心任务 车企对于电池的需求可以简化为以尽可能低的成本装载更多的电池，电池企业努力的方向可收敛至 1）降低电池制造成本，为提升电池装载量提供经济性空间；2）提高电池系统体积能量密度，提升电池容量潜在装载空间；3）定制化生产，满足参数设计的定制化要求。 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 8 如前所述，ES8 电池系统的重量和体积成组率分别仅有 63.6%和 44.2%，但电芯的成本占比却远高于此。根据公开数据，软包电芯的系统成本占比达到70%左右，方形电芯的成本比重则高达80%，随着电芯能量密度的提升，结构件的重量和成本占比还会进一步下降，因此降低电芯成本是系统降本的核心人物。在目前一线电芯企业格局已基本清晰的情况下，电池企业下一步竞争的关键是在确保安全性的前提下，尽可能降低电池制造成本，其他诸如能量密度、循环寿命等性能的优先级相对靠后。 图5：孚能软包电芯占系统成本(元/Wh)比重在70%以上 图6：普莱德方形电芯占系统成本比重接近80% 数据来源：公司公告，东方证券研究所 数据来源：公司公告，东方证券研究所 电芯成本解析：原材料成本占9成，非活性物质比例较大 参数设计：定制化特征明显，容量提升推进电芯标准化设计 锂电池是有一定差异性的产品，汽车不同的功能需求对于电池的参数有着决定性的影响。粗略来看，根据使用情况可将锂电池分为两类，一类是功率型，主要用来为汽车加速提供短暂的动力，可以储存的能量较少，不能长期提供能量，其能量释放时间通常持续几秒到几十分钟；另一类是能量型，可以长期提供能量，但放电速率相对较小，一般情况下放电时间设计为1小时甚至更长，一般纯电动汽车会用到能量型电池。 功率型电池与能量型电池的主要区别是功率/能量比，即放电倍率，功率型电池的放电倍率可达15C以上，能量型电池的放电倍率不超过2C，随着纯电动汽车带电量日益增大，对于放电倍率的要求会进一步放宽。这两种需求反映在电芯层面，最显著的区别是功率型电芯极片由于电流密度较大，为确保结构稳定，活性层的厚度很薄，能量密度较低，成本更高。因此工业上这两类电芯在设计方面截然不同。 表2：不同电动汽车电池的平均功率/能量比 12 V S/S 48 V HEV PHEV-20 PHEV-40 EV-100 15:120:1 25:140:1 30:135:1 6:17:1 3:14:1 2:1 数据来源：锂离子电池组设计手册，约翰沃纳著；东方证券研究所 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 9 在同一类电芯内部，设计上也存在差异性。以最普遍的能量型电芯为例，电池参数设计首先必须根据用电设备需要及电池的特性，确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳以及其他部件的参数，对工艺参数进行优化，并将它们组成有一定规格和指标（如电压、容量、体积和重量等）的电池组。动力电池设计时，必须了解用电设备具对电池性能指标及电池使用条件，一般应考虑以下几个方面： 电池工作电压，决定了电芯的数量与连接方式； 电池工作电流，及正常放电电流和峰值电流； 电池工作时间，包括连续放电时间、使用期限或循环寿命，与电池工作电流一起决定了电池的容量； 电池工作环境，包括电池工作环境及环境温度； 电池最大允许体积。 美国阿贡国家实验室提出了一套设计原则，规则要求用户输入多个设计参数，例如电池电量，电池和模组数量，以及最大功率下的目标电压等。此外，用户必须输入以下三种能量测量值之一：电池组能量，电池容量或车辆电气范围，定义其中一个值将决定其他两个值。然后，迭代过程通过改变电池容量和电极厚度来解决用户定义的能量参数（能量，容量或范围）和剩余电池特性。结果是电池，模组和电池组的尺寸，质量，体积和材料等方面的要求。 图7：锂电池参数设计流程图 资料来源：Argonne，东方证券研究所 对于有容量要求的电池，在材料体系选定后，根据正极活性物质的比容量即可计算出正极活性物质的质量，再根据正极配比（活性物质、导电剂、黏结剂的配比）和涂布量上限即可计算出这些活性物质需要涂布在多大面积的集流体上，即求得正极总面积。随后根据电子平衡原则和防短路要求，电芯的负极和隔膜用量也可求得，据此可以得出整个电芯的物料用量。因此，正极材料的性能和用量是电芯容量的决定性因素。 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 HeaderTable_TypeTitle 新能源汽车产业链行业深度报告 动力电池系列报告（3）：为何电池环节注定赢家通吃？ 10 图8：给定容量要求的电池设计分析思路 数据来源：中国知网，东方证券研究所整理 随着电池系统容量的增大，电芯参数设计的差异性在降低，标准化程度日益提升，原因在于大容量电池系统消解了工作电压、放电功率、连接方式等电学要求，突出了电池体积、系统成本的约束，使得不同电池系统的差异性日益集中到电芯数量/容量方面，其他参数的差异性大为降低。另一方面，从工业生产角度，推进电芯设计、生产的标准化程度，也是降低电池系统成本非常有效的途径。因此，尽管电池定制化的需求仍然存在，但电池企业总体上在减少电芯规格的品类。 生产流程还原：批次与节拍工序交错，质量控制是难点 自 1991 年索尼公司实现锂电池商业化生产以来，锂电池在性能与生产工艺上实现了长足的进步，但其工作原理、产品结构及其生产流程总体上并未发生很大变化。概而言之，锂电池电芯的制造可以分为3个主要生产环节，约15个生产工序： 电极制片。电极制片是将正极和负极材料涂在作为载体的金属箔材上，再加以干燥、压延，该环节包括混浆、涂布、烘干、辊压和分切等工序。 单体装配。将涂布好的正负极极片轮流交替铺上隔膜，加工成一个电极堆叠，然后再将堆叠置入到外壳中包装好，并注入电解液。 化成、老化（续化成）和检测。装配好的单体首先使用小的电流缓慢充电，再用较大的电流循环多次进行充电和放电，以便达到生成单体全部功能的目的，并用以记录单体精确定义好的各项功能。 图9：锂离子电池生产流程 数据来源：网络资料，东方证券研究所整理