动力电池深度：从芯出发回归技术本源、聚焦发展主线.pdf

请仔细阅读本报告末页声明 Page 1 / 101 Table_Main 动力电池深度： 从芯出发 ，回归技术本 源、聚焦发展主线 Table_Invest 电气设备 评级： 看好 日期： 2021.10.12 Table_Author 分析师 葛军 登记编码： S0950519050002 ： 021-61097705 ： gejunw 分析师 孙景文 登记编码： S0950519050001 ： 021-61097715 ： sunjingw 联系人 李铭全 ： 15356158680 ： limingquanw Table_PicQuote 行业 表现 2021/10/11 资料来源： Wind，聚源 Table_DocReport 相关研究 报告要点 我们关于 动力 电池的两大判断：性能螺旋式升级、应用倒锥形发展 。 动力电池 是新能源汽车的 “ 心脏 ”，占整车成本 30%-40%。目前阶段，电池性能仍然 具备广阔的提升空间，我们预计未来将 呈现螺旋式升级 ：电化学体系需要综 合考虑能量和功率密度、循环寿命、安全性等多个维度，因此基于差异化的出 行需求，将 形成 各有侧重、多元 的 动力电池 产品线 。同时，受益技术迭代、提 质降本，电池的能力边界在逐步扩大，从而持续开辟全新的储能场景与市场， 形成倒锥形的发展格局 ，终局将实现对移动式与固定式化石能源的替代。 提升 比能 为主线，电池材料 持续渐进式 迭代， 从液态、半 固态 向全固态演进 。 1） 纵观 电动化进程，提高能量密度是全球技术发展的主线，同时电化学的特 点是遵循渐进式革新。 2）锂作为自然界最轻、 标准电极电位最低 的金属元素， 锂电体系的理论比能最接近化石燃料、综合性能最适配动力的应用场景，因 此将作为长期的主流选择。 3）正极的开发方向是高镍、富锂、高电压；目前 即便三元正极的比容也仅为石墨负极的 55%，因此提升正极的性能尤其迫切： 一方面，三元在于高镍低钴，针对钴镍锰等过渡金属嵌锂化合物开展改性，未 来 270mAh/g 或 5V 级先进正极有望靠近电芯 400Wh/kg 的目标；另一方面， 对于理论比容低的磷酸铁锂，在于开发磷酸锰铁锂提升电压，比能有望提升 15%-20%； 4）负极的主要开发方向是低成本高比容；碳负极 作为基体材料 有 望 长期存在，理论比容可达 4200mAh/g 的硅负极 正 逐渐导入商用 ，最为 理想 的金属锂 负极 尚处 于 小规模生产阶段； 5） 电解质与隔膜相对成熟， 伴随 正负 极 的 迭代， 将持续开展 改性与新材料开发 ； 液态电池中电解质溶剂基本定型， 将 重点研制新型锂盐及添加剂；隔膜趋势是轻薄化，可选基体材料有望进一 步拓展； 6）固态电池可谓真正的颠覆； 液态 锂离子电芯 的 比能上限 约 350- 400Wh/kg，且有机液态易燃， 固态将在 增强安全性的同时打开比能空间 ，但 受制于技术、工艺和配套难点，其产业化仍需 渐进开展 ；我们预计半固态 +成 熟正负极 /金属锂负极将率先导入，全固态车载 动力 的 产业化 或 仍需 5-10年 。 电池结构创新、系统集约 化 提高技术进步曲线的斜率 。 在锂电材料遵循电化 学的特性渐进式升级的同时，通过工艺精进亦可加快电池系统能量密度和综 合性能的提升 ， 方向有二： 1）结构创新：主要包括做大电芯，方形电池优势 独特，但 4680 大圆柱也可使能量增加五倍， 软包 则有望 在固态 导入中扩大应 用； 2）系统集约化：去掉冗余零件、功能及繁杂工艺，电池系统将向无模组 化演进，不止步于 CTP 或刀片电池技术，未来 CTC 等将实现更高程度集成。 五维塑造 深厚护城河 ，看好中国 电池 龙头 的全球竞争力 。 我们认为，动力电池 的高壁垒主要体现在下述五个维度，因此有利于形成强者更强的行业格局， 龙头企业将引领锂电技术的发展方向： 1）要求高强度的研发投入，及深厚的 技术积淀； 2）精益生产，极限制造创新； 3）有效、高质的产能扩张，形成规 模效应； 4）构建完备的供应链体系； 5）与全球领军车企深度协作。在此基础 上，中国的电池龙头 还背靠强大的本土汽车消费市场，并受益中国能源结构 转型的时代红利，因此我们积极预期宁德时代、比亚迪等企业的长期发展。 风险提示： 1、 全球新能源汽车推广低预期 、 市场竞争加剧 、产业政策退坡或安全事件 导致电池 需求和 产品价格下滑 ； 2、 关键原材料及汽车芯片的供应风险、氢燃料 技术 发展或带来替代、全球宏观经济及汽车消费走软的风险 。 -7% 9% 25% 41% 57% 73% 2020/10 2021/1 2021/4 2021/7 电气设备 上证综指 沪深 300 Table_First 证券研究报告 | 行业 深度 请仔细阅读本报告末页声明 Page 2 / 101 Table_Main Focusing on Automotive Battery, from the Perspective of Battery Technology Table_Invest Electrical Equipment Rating： Positive Date： 2021.10.12 1 Table_Author Jun Ge Research Analyst S0950519050002 ： 021-61097705 ： gejunw Jingwen Sun Research Analyst S0950519050001 ： 021-61097715 ： sunjingw Mingquan Li Contact ： 15356158680 ： limingquanw Table_PicQuote Sector erformance 2021/10/11 Source： Wind, Juyuan Table_DocReport Corr lative Research Overviews Our two major judgments on the Automotive Battery: spiral performance improvement on the other hand, for LiFePO4 cathode, the development of LiMnxFe1-xPO4 cathode can increase the voltage. 4) The main development direction of the negative electrode is low -cost and high specific capacity; carbon anode is expected to exist as a matrix material for a long time, and silicon w ith the theoretical specific capacity of 4200mAh/g is gradually being introduced into commercial application. Lithium anode, the futures most ideal anode type is still limited in the small-scale production stage so far. 5) The electrolyte and separator technologies are relatively mature, and new material development w ill continue in order to support the innovations of anode and cathode. Ideal electrolyte in liquid LIB has been developed, the focus is on the new lithium salts and additives; the trend of diaphragm is to be lighter and thinner; the selection of potential base material w ill be w idened. 6) Solid-state battery could be a real technology breakthrough and subversion; the upper limit of the specific energy of liquid lithium-ion batteries is about 350- 400Wh/kg, and the organic liquid is flammable. The solid state w ill open up the specific energy space w hile enhancing safety. How ever, due to technical limitations and the immature of supporting materials, its commercialization progress still needs to be step by step. We expect semi-solid w ith mature cathode and mature anode (or mature cathode w ith lithium anode) w ill be introduced first on EV, and the true all solid-state may further take 5-10 years. Innovative battery structure and integrated system accelerate battery performance optimization. Although the innovations of battery materials are gradual due to electrochemical characteristics, energy density and the overall performance of the battery system can be increased significantly by optimized design and manufacturing from tw o aspects: 1) Structural innovations: the main idea is to enlarge the battery cell. The prismatic cell has unique advantages, the 4680 large cylinders can also increase its energy five times, w hile the pouch cell also has a chance to expand its application in the solid-state. 2) System integration: by removing redundant parts, functions and complicated processes, the futures battery system w ill be moduleless. The integration w ork of the battery system w ill not stop at CTPs or Blade Batterys level, advanced technology such as CTC is already on the horizon. Shaping high entry barrier by five dimensions, and the reasons we hold positive outlook for Chinas leading battery makers global competitiveness. We believe that the high entry barrier of EV battery can be summarized in the follow ing five dimensions, therefore the existing global market leaders have a greater opportunity to w in in the long-term and w ill lead the technology development of lithium-ion battery: 1) Intensity R627(1C) 金属锂 /硫 提高综合电化学性能 PE 涂覆 PI 与 PVDF-HFP/Al2O3 电解液 0.70;107.5(0.5C) 石墨 /LiMn2O4 提升润湿性及循环性能 PET 涂覆 ZrO2/PVDF-HFP 1M LiPF6 in EC+DEC(1/1, v/v) 1.48;100(2C) 金属锂 /磷酸铁锂 提升电芯性能 PE 涂覆 Al2O3 1M LiPF6 in EC/DEC(1/1, v/v) 0.8;120(1C) 石墨 /钴酸锂 增强水分排斥 PP 涂覆 ZrO2 和 PDA/PEI 1M LiPF6 in EC/DEC/DMC(1/1, v/v) 1.61;159.4(0.1C) 金属锂 /磷酸铁锂 热稳定性和低界面阻抗 PI 碱处理 1M LiPF6 in EC/DEC/DMC(1/1/1, w t) 2.5;70(5C) 石墨 /钴酸锂 增加锂离子迁移数 PVDF 等离子体处理 1M LiPF6 in EC： DMC(1/1, w /w) 提高吸液率 资料来源： Recent adv ances on separator membranes f or lithium-ion battery applications: f rom porous membranes to solid electroly tes , 五矿证券研究所 基于隔膜生产工艺改进，隔膜产品性能持续升级 微孔制备技术是隔膜制备工艺的核心，美国日本技艺领先。锂电隔膜生产工艺包括原材料配 方和快速配方调整、微孔制备技术、成套设备自主设计等，其中微孔制备技术是工艺核心， 主要分为干法（单向和双向拉伸）和湿法工艺。海外 干法单向拉伸技术工艺主要由美国 Celgard公司研发和掌握 ，当下在美国和日本十分成熟；星源材质于 2008 年自主研发成功干 法单向；干法双向则是由中国科学院化学所研究自主开发。湿法工艺则最早由日本旭化成提 出，工艺难度大于干法，具备较高技术壁垒。 湿法隔膜与干法隔膜 相比存在性能上的显著优势，随动力性能提升而发展。干法包括单向与 双向拉伸，双向拉伸技术近年来被普遍采用，主要系能够显著提高薄膜的机械性能、阻隔性 能、光学性能、热性能及厚度均匀性等。在动力锂电领域，对于高比能、高性能的要求随新 请仔细阅读本报告末页声明 Page 65 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 能源车发展而愈加迫切，三元正极因能够满足性能诉求，份额提升，但同时降低热稳定性和 安全性。湿法工艺生产的隔膜性能优势显著，相比干法更适合生产中高端动力电池产品，因 此得以跟随三元市场发展。此外，湿法技术壁垒较高，因此具备更强的溢价能力。 图表 115： 干法与湿法工艺比较， 湿法隔膜具备性能优势 参数 干法单向拉伸 干法双向拉伸 湿法 工艺原理 晶片分离 晶型转换 相分离 适用基本材料 单层 PP 膜、单层 PE 膜、双层膜、多层膜 较厚的单层 PP 膜 单层 PE 膜 主要工艺流程 将聚烯烃用挤出、 流延制备出特殊结晶排列的高 取向膜，低温下拉伸诱发微缺陷，高温下拉伸扩大 微孔，经高温定型形成高晶度的微孔膜 在聚烯烃中加入成核改进剂，利用聚烯 烃不同相态间的密度差异拉伸产 生晶型转变，形成微孔膜 在聚烯烃中加入作为致孔剂的高 沸点小分子，经加热、熔融、降 温发生相分离，拉伸后用有机溶 剂萃取出小分子，形成相互贯通 的微孔膜 一致性 孔隙结构与厚度一致性一般 孔隙结构与厚度一致性优秀 拉伸强度 TD 方向拉伸强度 150kg/cm2 TD 方向拉伸强度 1500kg/cm2 抗穿刺强度 平均为 250gf 平均为 600gf 厚度 12-30m 5-30m 适用场景 铁锂等相对低端动力 高性能、高比能动力 资料来源： 星源材质招股说明书 , 恩捷股份公司公告 , 五矿证券研究所 图表 116： 星源材质主要产品工艺流程 资料来源： 星源材质招股说明书 , 五矿证券研究所 未来的隔膜形态：趋于轻薄，部分场景下将被固态电解质替代 隔膜的发展趋于轻薄化，同时基体材料种类愈加丰富。 1）隔膜将进一步趋于轻薄化，以提升 能量密度。但前提是不降低安全性、能够承受高倍率及高功率充放电，同时保障良好的循环 干法单向拉伸工艺流程 湿法工艺流程 请仔细阅读本报告末页声明 Page 66 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 性能； 2）可选基体材料范围进一步拓宽，主要系当下 PP、 PE 等主流基材在接近熔点时均 会因熔化而收缩变形，无法消除安全隐患，因此需要开发进一步提升热稳定性的材料，例如 复合隔膜、耐高温树脂等， 为解决大功率动力类电池的安全性提供可行的解决方案 。 在传统液态锂离子电池体系中，高性能隔膜的开发在于适宜的基材与改性手段。 1）无纺布隔 膜采用特制纤维制作而成，具有良好的力学性能及较高的熔融温度等，与聚烯烃隔膜相比， 热尺寸稳定性、安全性、浸润性、孔隙率更佳； 2）无纺布隔膜较厚，孔径大且均匀性差，抗 拉伸机械强度差。通过在基材上涂覆无机陶瓷颗粒层或复合聚合物层形成复合型多层隔膜， 能够改善 隔膜的综合性能； 3）采用静电纺丝法制备纳米纤维膜，所制备纤维直径为纳米级 （通常为 100-300nm），纤维成膜后比表面积大、孔隙率高、孔径均匀。此外，纳米纤维膜 同样可以通过复合手段进一步提升性能。当下纳米纤维膜机械强度低，较难适应装配工艺， 生产效率低导致成本高昂，因此，需要探索低成本耐高温树脂和工程化静电纺丝技术。 安全高性能为要义发展固态电池，终极形态中隔膜与电解液将由固态电解质替代。传统液态 锂电池使用易挥发性有机电解液，存在安全隐患，全固态电池采用固态电解质，有望实现“零 自燃”，提升安全性。在全固态电池 中，隔膜与电解液由固态电解质替代，固态电解质承担传 输离子以及分隔正负极的作用。但需注意，全固态动力电池产业化时间尚早，预计仍需 5-10 年，而 混合固液体系可以改善固态电解质存在的低电导高阻抗等缺陷，因此是推进产业化的 重要方向 。在混合固液体系中，仍需要传统隔膜充当分隔材料。此外，锂电体系的下游场景 广阔，未来技术演进并非替代关系，液态锂电将长时间存在，针对隔膜的改进仍至关重要。 图表 117： 锂离子电池用隔膜 /固态电解质的发展历程 资料来源： 锂离子电池隔膜技术进展 , 五矿证券研究所 图表 118： 两种先进隔膜的制备以及性能参数 无纺布隔膜制备及性能改善 基材 制备方法 电解质类型 电导率 (mS/cm)与克容量 (mAh/g) 负极 /正极 主要改善性能 PP/SiO2 熔喷 1M LiPF6 in EC-DMC 4.33;152(0.2C) 金属锂 /磷酸 铁锂 提升电池容量 PVDF/SiO2 熔喷 1M LiPF6 in EC/DMC/EMC(1:1:1) ;170(0.2C) 金属锂 /钴酸 锂 提升循环性能 PVDF- 溶液浇铸至无纺布 1M LiPF6 in 3.45;122(10C) 金属锂 /钴酸 优异的界面相容性和容量保 聚烯 烃微 孔膜 聚烯 烃改 性膜 陶瓷 复合 膜 纳米 纤维 膜 无机固 态电解 质膜 有机固 态电解 质膜 复合固 态电解 质膜 锂 电 池 隔 膜 综 合 性 能 微孔结构 无孔 结构 液态 锂离子电池 固态锂离子电池 请仔细阅读本报告末页声明 Page 67 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 HFP/SiO2 EC/DMC/EMC(1:1:1, vol) 锂 持率 PI 原位聚合与交联 1M LiPF6 in EC/DMC/EMC(1:1:1, wt) 2.7;108.4 石墨 /钴酸锂 内部短路保护和界面稳定 静电纺丝膜制备及性能改善 基材 溶剂与静电纺丝环境 电解质类型 电导率 (mS/cm)与克容量 (mAh/g) 负极 /正极 主要改善性能 PAN DMF, 17w t% of PAN, 13kV, 11cm, 1ml/h 1M LiPF6 in EC/DMC(1:1) 0.935;154(1C) 金属锂 /磷酸 铁锂 高抗拉强度、热稳定性、吸 液率、离子电导率 PAN/SiO2 DMF, 10w t% of PAN, 16kV, 25cm, 0.75ml/h 1M LiPF6 in EC/DMC(1:1) 2.6;82(8C) 金属锂 /磷酸 铁锂 改善电化学氧化极限、降低 界面阻抗 PVDF/Al2O3 NMP/丙酮 , 16w t% of PVDF 1M LiPF6 in EC/DMC/DEC(1:1:1, wt) 2.23;120(0.5C) 金属锂 /LiMn2O4 优异的热稳定性 资料来源： Recent adv ances on separator membranes f or lithium-ion battery applications: f rom porous membranes to solid electroly tes , 五矿证券研究所 材料 从 研发到商用的思考：多样出行场景意味着多元的性能推进路径 动力 电池 材料的开发虽以高比能为主线，但针对其他性能的优化是实现产业化的必要条件 。 能量密度的提升不仅直接推动续航的提升，同时对于降本有重要作用，因此是车用动力领域 的关键指标与改善重心。但综观主要的正负极材料开发路线，无论是中短期的高镍正极、硅 基负极，抑或长期革命性的无锂正极、金属锂负极，阻碍其商用的并非是实际比能，而是开 发中遭遇的材料安全性、循环性等方面的缺陷。材料单方面突出的性能是研究的驱动力，但 综合性能的优异程度则决定其产业化进程 ， 因此演进过程中多性能优化不可避免。 新能源 汽车 需求的多样性将形成上游多元产品共存的 局面 ，但有主流与细分之差 。 据国家新 能源汽车创新工程项目专家组组长王秉刚，在 2.0 版本的动力电池技术路线图中，不是单一 的高能量密度主导，而将跟随新能源汽车发展形成多元的电池产品，包括能量型、能量功率 兼顾型及功率型。不同的出行场景的市场规模虽有差异，但绝对的增量较大，电池产品的多 元化有其必要性。此外还应认识到，高能量密度与高功率快充在封闭的电池体系中往往不可 兼得，而路线图充分考虑性能的平衡，给出不同时点不同产品对应的性能指标。合理的行业 进程推演下，材料的开发也将呈现一定的多样性，并且对单项性能指标要求的放松也将 降低 研制难度，推进材料的产业化。在此过程中， 我们 预计产品格局将呈现动态的可逆性，即多 样的产品进入市场，同时也有一定的产品退出市场，但对于某种材料的市场份额，并非持续 的增加或减少，可能因为关键性能的突破、或者替代材料的出现， 导致 格局的变化。 请仔细阅读本报告末页声明 Page 68 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 图表 119：中国动力电池技术路线图 2.0 版本不再一味追求能量密度，将充分考虑市场需求的多样性 资料来源： 节能与新能源汽车技术路线图 (2.0 版 ) , 五矿证券研究所 钠离子电池： 性能比肩铁锂，或将在低速动力等场景规模导入 钠资源储量丰富的属性使其成为关键的电化学储能技术之一，且性能指标并不完全弱于锂离 子电池，将是未来重要的产业化方向。钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，相关研究 可以追溯至 20 世纪 70 年代。因锂离子电池产业化突破，消费及动力领域推动其快速增长， 但随电化学储能场景不断丰富，全球锂资源供应的紧缺及不均匀性将是锂电池发展面临的重 要课题。钠资源的地壳丰度是锂的 1000 倍， 尽管理论比能劣于 高端 锂电体系， 但与低端铁 锂相近， 足以成为大规模储能领域的战略补充技术。 此外，钠电池在 低温 性能、快充以及环 境的适应性等方面拥有独特的优势 ，并且基本可沿用锂电工艺，具备一定的产业竞争力。 宁德时代发布第一代钠离子电池，未来有望在低速动力及储能 等场景 对部分锂离子电池形成 替代。 宁德时代于 2021年 7 月 29日发布第一代钠离子电池，单体能量密度达到 160Wh/kg， 是当下全球钠离子产业化最高水平。此外，在快充性能、高低温稳定性、系统集成效率方面 可媲美锂离子电池。通过与锂离子电池集成混用形成动力电池系统，可以取长补短，增强产 品力。 尽管当下钠电池体系比能较低，但预计未来有望突破 200Wh/kg，我们认为，未来 产 业化的钠离子电池将具备替代低端锂电的实力，或将在低速动力及储能领域规模导入。 图表 120： 铅酸电池、锂离子电池与钠离子电池性能对比，锂离子电池具备比能优势，钠离子电池具备原料成本竞争力 类型 指标 铅酸电池 锂离子液态电池 （磷酸铁锂 /石墨体系） 钠离子液态电池 （铜基氧化物 /煤基碳体系） 材料体系 正极 PbO2 LFP 铜基氧化物 负极 Pb 石墨 硬碳等 电解质 稀硫酸 有机电解质 （六氟磷酸锂为主要锂盐） 有机电解质 （六氟磷酸钠为主要锂盐） 隔膜 微孔塑料 /玻璃纤维板等 聚烯烃微孔膜等 聚烯烃微孔膜等 普 及 型 比能量 ： 2 0 0 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 35 元 / Wh 比能量 ： 2 0 0 Wh / kg 寿命 ： 6 0 0 0 次 / 8 年 成本 ： 0 . 45 元 / Wh 比能量 ： 3 5 0 Wh / kg 寿命 ： 1 5 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 50 元 / Wh 比能量 ： 2 5 0 Wh / kg 寿命 ： 5 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 60 元 / Wh 比能量 ： 2 2 5 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 10 年 成本 ： 0 . 70 元 / Wh 充电时间 ： 15 m i n 比能量 ： 80 Wh / kg 寿命 ： 30 万次 / 12 年 成本 ： 1 . 20 元 / Wh 比能量 ： 2 5 0 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 32 元 / Wh 比能量 ： 2 2 5 Wh / kg 寿命 ： 6 0 0 0 次 / 8 年 成本 ： 0 . 40 元 / Wh 比能量 ： 4 0 0 Wh / kg 寿命 ： 1 5 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 45 元 / Wh 比能量 ： 3 0 0 Wh / kg 寿命 ： 5 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 55 元 / Wh 比能量 ： 2 5 0 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 10 年 成本 ： 0 . 65 元 / Wh 充电时间 ： 12 m i n 比能量 ： 1 0 0 Wh / kg 寿命 ： 30 万次 / 12 年 成本 ： 1 . 00 元 / Wh 比能量 ： 3 0 0 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 30 元 / Wh 比能量 ： 2 5 0 Wh / kg 寿命 ： 6 0 0 0 次 / 8 年 成本 ： 0 . 35 元 / Wh 比能量 ： 5 0 0 Wh / kg 寿命 ： 1 5 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 40 元 / Wh 比能量 ： 3 2 5 Wh / kg 寿命 ： 5 0 0 0 次 / 12 年 成本 ： 0 . 50 元 / Wh 比能量 ： 2 7 5 Wh / kg 寿命 ： 3 0 0 0 次 / 10 年 成本 ： 0 . 60 元 / Wh 充电时间 ： 10 m i n 比能量 ： 1 2 0 Wh / kg 寿命 ： 30 万次 / 12 年 成本 ： 0 . 80 元 / Wh 商 用 型 高 端 型 兼 顾 型 快 充 型 功 率 型 能 量 型 电 池 能量 动力 兼顾 电池 功率 电池 2 0 2 5 年 2 0 3 0 年 2 0 3 5 年 系统 集成 成组效率 ： 70 % 热扩散时间 ： 90 m i n 标准化比例 ： 30 % 成组效率 ： 73 % 不发生热扩散 标准化比例 ： 60 % 成组效率 ： 75 % 不发生热扩散 标准化比例 ： 90 % 材 料 体 系 开 发 方 向 正 极 橄榄石结构磷酸盐类材料 、 层 状结构高镍多元氧化物材料 、 富锂锰基材料 、 尖晶石结构氧 化物材料和其他新型高电压 、 高容量正极材料 负 极 石墨类材料 、 软硬碳材料 、 硅 等合金化负极材料 、 铌酸钛等 高电位负极材料 电 解 液 L i P F 6 、 L i F S I 、 L i T F S I 等电解 质盐 ， 酯类 、 醚类及氟代酯 类 、 醚类溶剂 ， 新型电解质 盐 、 溶剂及功能添加剂 ， 固体 电解质等 隔 膜 PE 、 PP 及其复合膜 、 表面改 性膜剂及新型耐高温隔膜等 请仔细阅读本报告末页声明 Page 69 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 集流体 铅合金板栅 正极：铝箔；负极：铜箔 正负极均为铝箔 生产工艺 成熟 成熟 可沿用锂电设备 （因材料特性可能需额外的处理与控制） 性能参数 理论比能量（ Wh/kg） 170 250 220 质量能量密度（ Wh/kg） 30-50 120-180 100-150 体积能量密度（ Wh/L） 60-100 200-350 180-280 单位能量原料成本 （元 /Wh） 0.40 0.43 0.29 循环寿命 300-500 次 3000 次 以上 2000 次 以上 平均工作电压（ V） 2.0 3.2 3.2 -20容量保持率 小于 60% 小于 70% 88%以上 耐过放电 差 差 可放电至 0V 安全性 优 优 优 环保特性 差 优 优 说明： 单体电芯的对应值； 仅考虑原材料成本，包括正极、负极、电解液、隔膜和其他装配物件； 若考虑回收，铅酸电池原材料成本约 0.2元 /Wh 资料来源： 钠离子电池：从基础研究到工程化探索 , 化学电源 电池原理及制造技术 , 五矿证券研究所 图表 121： 宁德时代第一代钠离子电池在部分性能上优于铁锂 图表 122： 钠离子与锂离子电池的集成混合共用方案有助于取长补短 资料来源： 宁德时代官网 , 五矿证券研究所 资料来源： 宁德时代官网 , 五矿证券研究所 图表 123： 全球主要钠离子电池生产厂家产品性能对比 企业 国家 电池体系 性能参数 路线优势 路线缺陷 宁德时代 中国 普鲁士白正极 /硬碳负 极 的新型电解液体系 能量密度 160Wh/kg；常温下充电 15 分钟电量可达 80%； -20下具有 90%以上的放电保持率 安全性高、系统集成效率 达到 80%以上 能量密度略低于当下铁 锂电池 中科海钠 中国 铜层状氧化物 /煤基碳 的有机电解液体系 能量密度 145Wh/kg， 4500 次循环容量保持率 83% 与现有锂离子电池生产工 艺兼容、原材料成本低廉 有机体系存在安全隐患 钠创新能源 中国 镍层状氧化物 /硬碳的 有机电解液体系软包 电池 能量密度 120Wh/kg， 3000 次循环容量保持率 80% 以上 与现有锂离子电池生产工 艺兼容 成本优势不明显，有机 体系存在安全隐患 Faradion 英国 镍层状氧化物 /硬碳的 有机电解液体系 能量密度 150-160Wh/kg， 80%DOD 循环寿命 1000 次 与现有锂离子电池生产工 艺兼容 成本优势不明显，有机 体系存在安全隐患 Tiamat 法国 氟磷酸钒钠 /硬碳的有 机电解液体系 能量密度 90Wh/kg， 1C 倍率 4000 次循环容量保持 率 80% 与现有锂离子电池生产工 艺兼容 氟和钒元素有毒性、成 本较高、存在安全隐患 Natron Energy 美国 普鲁士蓝水系电解液 体系 能量密度 50Wh/L， 2C 循环 10000 次 水系电解液安全性高、高 倍率性能优异 能量密度低、生产工艺 复杂 Altris 瑞典 普鲁士蓝 /生物质硬碳 正极容量 160mAh/g，平均电压 3.25V， 25 次循环容 成本与安全性优势 能量密度低 请仔细阅读本报告末页声明 Page 70 / 101 Table_Page 电气设备 2021 年 10 月 12 日 的无氟不可燃电解液 体系 量保持率 94% 资料来源： 各公司官网 , 中科院物理研究所 , 中国储能网 , 五矿证券研究所 燃料电池： 高能环保的终极形态，成本等限制短期发展，未来商用领域大有可为 燃料电池能量转化效率高、对环境友好，是具有发展前景的电化学发电技术。燃料电池通常 以氢气、甲醇等燃料作为负极，氧气为负极，构成能量转换装置，因不受卡诺循环限制，能 量转化效率高。 当以氢气作为负极时，氢燃料电池体系的理论能量密度为各类高能电化学储 能体系中的最佳，可达 32.7kWh/kg。此外，氢燃料电池对环境友好，原料获取来源广泛等优 势，因此具备较好的商业化应用前景。 燃料电池内部体系多元，其中质子交换膜燃料电池（ PEMFC）更靠近动力商用。根据工作温 度、电池内载流子和前端燃料的不同，燃料电池可细分为质子交换膜电 池、固体氧化物电池、 熔融碳酸盐电池、磷酸盐电池、碱性电池和直接甲醇电池等。 各类技术中，综合考虑工作温 度、催化剂稳定性、电效率、功率密度等技术指标， PEMFC因工作温度低、启动快、结构简 单等优点，被公认为电动汽车、固定发电站的首选燃料电池技术。 燃料电池产业化仍面临成本高昂、配套滞后等难题，未来有望在商用车及工业场景持续导入。 尽管燃料电池具备高比能、对环境友好、补给速度快等优势，是理想动力源的终极形态，但 当下燃料电池技术仍待持续降本增效、配套基础设施（如加氢站、储氢运氢设备等）成本高 昂，限制燃料电池动力场景的 发展。 此外据大众测算， 电池驱动下汽车 动力 效率在 70%以上 ， 而氢动力电动车的效率仅 为 25%35%。我们认为，动力领域中，因商用车 常要求长续航、 快速能量加注，与燃料电池适配性高，未来 燃料电池商用车有望通过示范项目突围，开拓细 分市场 。此外，随产业配套成熟度提升，在航运业、工业领域等场景也有望得到规模应用。 图表 124： 多种一次 /二次储能体系的理论能量密度（ kWh/kg） 资料来源： 化学电源 -电池原理及制造技术 , Neutrium, 五矿证券研究所 图表 125： 主要燃料电池类型的性能参数与应用范围 项目 质子交换膜电池 （ PEMFC） 固体氧化物电池 （ SOFC） 熔融碳酸盐电池 （ MCFC） 磷酸盐电池 （ PAFC） 碱性电池 （ AFC） 直接甲醇电池 （ DMFC） 电解质 固体质子交换膜 氧化钇掺杂稳定的氧化 熔融偏铝酸盐 -碳酸盐 磷酸 氢氧化钾溶 固体质子交换