动力电池行业深度报告

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1全球趋势不可逆转合纵连横龙头结盟

兴业证券在最近的一篇动力电池深度报告里提到,相较有限的压缩原材料成本,电池企业通过扩大产能实现规模效应降成本更为切实可行。这也是国内企业近期集中堆砌释放产能的关键因素之一。

电动车全球化趋势已不可逆转,两大趋势需要高度重视,其一是继北汽与国轩携手深度合作之后,上汽与宁德时代成立合资公司,标志着动力电池行业将从春秋时代百家争鸣快速进入后战国时代,逐渐形成强强联合、寡头割据的新格局;其二是继江淮大众合资之后,北汽与戴姆勒合资启动奔驰电动车国产化计划,此举将推动海外(尤其是欧洲)传统车企加紧电动汽车在华布局,合资与自主的较量将在电动车领域再次上演,国内核心零部件供应商迎来历史性发展机遇。

以下为精简版报告:

当前时点,市场对动力电池价格下降及销售放量存在较大的担忧,但仍应维持短期不悲观,长期依然乐观的态度,理由是:今年电池环节进入行业快速洗牌期,短期来看成本下降尚未被市场完全预期,通过采取全产业链分摊降本压力以及规模化生产等“增效”措施,中游环节盈利能力将好于市场预期;中期看,随着国产三元高比能电池渗透率不断提升,未来几年内电池有望复制“摩尔定律”,成本快速下降;长期来看,在未来高镍与NCA时代,技术领先、成本与规模优势突出的龙头将脱颖而出。

1全球趋势不可逆转合纵连横龙头结盟

一切爆发都有片刻的宁静,一切进步都有冗长的回声。兴业证券试图通过对动力电池降本潜在途径进行全方位梳理,描绘未来电池降本增效的发展轨迹。

根据兴业证券之前的全球电动汽车深度报告分析,电动车全球化已不可逆转,两大趋势需要高度重视,其一是继北汽与国轩携手深度合作之后,上汽与宁德时代成立合资公司,标志着动力电池行业将从春秋时代百家争鸣快速进入后战国时代,逐渐形成强强联合、寡头割据的新格局;其二是继江淮大众合资之后,北汽与戴姆勒合资启动奔驰电动车国产化计划,此举将推动海外传统车企加紧电动汽车在华布局,合资与自主的较量将在电动车领域再次上演,国内核心零部件供应商迎来历史性发展机遇。

三重途径全面降成本:

当前时点,市场对动力电池价格下降及销售放量存在较大的担忧,兴业证券维持短期不悲观,长期依然乐观的态度,理由是:今年电池环节进入行业快速洗牌期,短期来看成本下降尚未被市场完全预期,通过采取全产业链分摊降本压力以及规模化生产等“增效”措施,中游环节盈利能力将好于市场预期;中期看,随着国产三元高比能电池渗透率不断提升,未来几年内电池有望复制“摩尔定律”,成本快速下降;长期来看,在未来高镍与NCA时代,技术领先、成本与规模优势突出的龙头将脱颖而出。

改进工艺,降低材料成本

扩大规模效应与提升良率,降低生产成本

其他:梯次利用与模块化设计降低生命周期成本

一切爆发都有片刻的宁静,一切进步都有冗长的回声。兴业证券试图通过对动力电池降本潜在途径进行全方位梳理,描绘未来电池降本增效的发展轨迹。

双重途径提升比能量:

三重途径全面降成本:

物理方法:采用大容量电芯&提升PACK成组效率

化学方法:应用高镍正极材料与硅碳负极

改进工艺,降低材料成本

回顾过去十年,动力电池价格经历大幅的下降,日韩电池龙头价格已从2010年的600-800美元/KWh降至目前150-200美元/kWh,国内龙头厂商在2016年底也降至300美元/kWh左右,目前已进入到200-250美元/kWh。

扩大规模效应与提升良率,降低生产成本

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其他:梯次利用与模块化设计降低生命周期成本

三元路线仍是最佳选择,目前锂电池基本体系已经较为成熟,几大主流方向三元路线、磷酸铁锂、锰酸锂与钛酸锂已经确定,各条路线可以改进的方向与存在的缺陷都较为明确。三元路线的优势在于极限比能量密度高,单体可达350wh/kg,其他无一例外达不到要求,因此三元将是未来几年主流乘用车商业化应用的首选,但其也有明显缺陷,如安全性的相对不足以及材料成本较贵(钴)。磷酸铁锂由于安全性优势,近几年被广泛应用于客车领域,劣势则是其改进空间不大,比能量较低。锰酸锂的优势在于成本,劣势是比能量已达极限,因此只能用于特定应用领域的专用车型。钛酸锂优势在于能够实现快充(5min充满),但成本达到其他路线的数倍,因此只能应用于续航里程相对不敏感的客车等领域。

双重途径提升比能量:

附前景展望逻辑图(很重要!)

物理方法:采用大容量电芯&提升PACK成组效率

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化学方法:应用高镍正极材料与硅碳负极

2降成本势在必行 看龙头各显神通

回顾过去十年,动力电池价格经历大幅的下降,日韩电池龙头价格已从2010年的600-800美元/KWh降至目前150-200美元/kWh,国内龙头厂商在2016年底也降至300美元/kWh左右,目前已进入到200-250美元/kWh。

短期与中期两方面因素驱动下,动力电池降成本刻不容缓:

三元路线仍是最佳选择,目前锂电池基本体系已经较为成熟,几大主流方向三元路线、磷酸铁锂、锰酸锂与钛酸锂已经确定,各条路线可以改进的方向与存在的缺陷都较为明确。三元路线的优势在于极限比能量密度高,单体可达350wh/kg,其他无一例外达不到要求,因此三元将是未来几年主流乘用车商业化应用的首选,但其也有明显缺陷,如安全性的相对不足以及材料成本较贵。磷酸铁锂由于安全性优势,近几年被广泛应用于客车领域,劣势则是其改进空间不大,比能量较低。锰酸锂的优势在于成本,劣势是比能量已达极限,因此只能用于特定应用领域的专用车型。钛酸锂优势在于能够实现快充,但成本达到其他路线的数倍,因此只能应用于续航里程相对不敏感的客车等领域。

短期:补贴退坡敦促全产业链降成本,动力电池环节首当其冲,率先实现成本下降的企业将在下一轮退坡中占得先机

附前景展望逻辑图

中期:实现“油电平价”需电池价格降至1元/WH以下,目前国内1.6元/WH左右价格仍有较大下降空间。

2降成本势在必行看龙头各显神通

2020年长期规划明确,龙头企业全力降本:

短期与中期两方面因素驱动下,动力电池降成本刻不容缓:

日本、美国与中国均提出到2020年实现电池性能的大幅提升与成本的大幅下降,中国目标为1元/WH;

短期:补贴退坡敦促全产业链降成本,动力电池环节首当其冲,率先实现成本下降的企业将在下一轮退坡中占得先机

产业界龙头目标更为激进,特斯拉、通用与大众纷纷宣布降成本计划,2020年目标最低低至93美元/KWH。

中期:实现“油电平价”需电池价格降至1元/WH以下,目前国内1.6元/WH左右价格仍有较大下降空间。

2.1短期因素:补贴退坡敦促电池降本

2020年长期规划明确,龙头企业全力降本:

补贴退坡敦促全产业降成本,动力电池首当其冲。2016年12月30日,新版补贴政策正式落地,乘用车、专用车补贴退坡20%,客车退坡30%-50%。此外国补与地方补贴配比普遍由此前1:1下调至1:0.5,整体补贴退坡幅度较大。补贴下调使得动力电池环节首先受到冲击,一季度销售价格下滑明显,对毛利率造成一定冲击,电池企业短期内压缩成本的意愿十分强烈。此外,新一轮补贴退坡将在2019年到来,率先实现降成本的电池企业将在一年半后的再次退坡中占得先机。

日本、美国与中国均提出到2020年实现电池性能的大幅提升与成本的大幅下降,中国目标为1元/WH;

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产业界龙头目标更为激进,特斯拉、通用与大众纷纷宣布降成本计划,2020年目标最低低至93美元/KWH。

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2.1、短期因素:补贴退坡敦促电池降本

2.2长期因素:实现“油电平价”仍需大幅降本

补贴退坡敦促全产业降成本,动力电池首当其冲。2016年12月30日,新版补贴政策正式落地,乘用车、专用车补贴退坡20%,客车退坡30%-50%。此外国补与地方补贴配比普遍由此前1:1下调至1:0.5,整体补贴退坡幅度较大。补贴下调使得动力电池环节首先受到冲击,一季度销售价格下滑明显,对毛利率造成一定冲击,电池企业短期内压缩成本的意愿十分强烈。此外,新一轮补贴退坡将在2019年到来,率先实现降成本的电池企业将在一年半后的再次退坡中占得先机。

根据测算,动力电池价格在100美元/KWh附近时,电动汽车与燃油车的竞争焦点就将转变为其他制造成本方面,即实现油电平价,进而电动汽车才能脱离补贴与燃油车竞争。目前日韩电池龙头价格已从10年前的1000美元/KWh以上降至250-300美元/kWh,距离这一目标越来越近,但进一步降本的难度变得更大。

2.2、长期因素:实现“油电平价”仍需大幅降本

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根据测算,动力电池价格在100美元/KWh附近时,电动汽车与燃油车的竞争焦点就将转变为其他制造成本方面,即实现油电平价,进而电动汽车才能脱离补贴与燃油车竞争。目前日韩电池龙头价格已从10年前的1000美元/KWh以上降至250-300美元/kWh,距离这一目标越来越近,但进一步降本的难度变得更大。

2.3政策目标:中国计划2020年电池成本降至1元/Wh

2.3、政策目标:中国计划2020年电池成本降至1元/Wh

结合各国颁布的动力电池技术路线来看,到2020年将实现电池性能的大幅提升与成本大幅下降。各国拟定的系统比能量目标值普遍集中在200-250kg/wh之间,中国颁布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出到2020年电池单体比能量超过300Wh/kg,系统比能量达到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下,大致相当于150美元/kwh。日本在100美元/kwh,美国要求是90-125美元/kwh,欧洲是120美元/kwh,与油电平价目标的100美元/WH均十分接近,亦即各国政策要求到2020年左右电动汽车要实现和燃油车相近的性价比水平。

结合各国颁布的动力电池技术路线来看,到2020年将实现电池性能的大幅提升与成本大幅下降。各国拟定的系统比能量目标值普遍集中在200-250kg/wh之间,中国颁布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出到2020年电池单体比能量超过300Wh/kg,系统比能量达到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下,大致相当于150美元/kwh。日本在100美元/kwh,美国要求是90-125美元/kwh,欧洲是120美元/kwh,与油电平价目标的100美元/WH均十分接近,亦即各国政策要求到2020年左右电动汽车要实现和燃油车相近的性价比水平。

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2.4、产业目标:国际巨头全力降本

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从产业界角度来看,各家巨头不遗余力专注降本。特斯拉提出其超级工厂投产将使得电池成本降低35%,从一开始的“成本低于190美元/千瓦时”直降至“不足125美元/千瓦时”。大众计划将其电池采购成本由2016年的180美元/KWH压缩48%至2020年的93美元/KWH,其中制造与模组成本压缩一半,材料成本压缩40%。

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3降成本路径之一:产能释放突破瓶颈,材料成本有望下降

2.4产业目标:国际巨头全力降本

近几年动力电池激增需求推动上游原材料价格暴涨,而长期来看,绝大部分原材料并不稀缺,当原材料价格恢复理性后,下游能够削减一定的成本。而即便原材料价格依旧保持坚挺,部分高价材料占电池成本比重也在逐渐变小,预计不会对整体降成本造成太大影响。同时,动力电池行业的生产模式与商业模式依然可以继续优化,商业成本仍有一定的下降空间。

从产业界角度来看,各家巨头不遗余力专注降本。特斯拉提出其超级工厂投产将使得电池成本降低35%,从一开始的“成本低于190美元/千瓦时”直降至“不足125美元/千瓦时”。大众计划将其电池采购成本由2016年的180美元/KWH压缩48%至2020年的93美元/KWH,其中制造与模组成本压缩一半,材料成本压缩40%。

未来动力电池产业商业成本将从三方面着手下降:

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原材料成本端:价格相对动力电池需求弹性较大的碳酸锂、氢氧化锂等锂盐供需达到再平衡后价格将步入长期下降通道;钴盐尽管未来存在供给缺口,但预计涨价带来的影响有限。

3降成本路径之一:产能释放突破瓶颈,材料成本有望下降

工艺改进与规模经济:动力电池产量进一步提升,规模效应与良率提升,同时整车端爆款车型出现带来单车电池研发、设计等成本下降;

近几年动力电池激增需求推动上游原材料价格暴涨,而长期来看,绝大部分原材料并不稀缺,当原材料价格恢复理性后,下游能够削减一定的成本。而即便原材料价格依旧保持坚挺,部分高价材料占电池成本比重也在逐渐变小,预计不会对整体降成本造成太大影响。同时,动力电池行业的生产模式与商业模式依然可以继续优化,商业成本仍有一定的下降空间。

其他路径:梯次利用、模块化设计与纵向一体化。

未来动力电池产业商业成本将从三方面着手下降:

3.1、锂盐供给端逐渐释放,价格将步入长期下降通道

原材料成本端:价格相对动力电池需求弹性较大的碳酸锂、氢氧化锂等锂盐供需达到再平衡后价格将步入长期下降通道;钴盐尽管未来存在供给缺口,但预计涨价带来的影响有限。

目前正极材料成本占到电芯25%-30%,而正极材料主要由碳酸锂和各种对应的前驱体材料构成,高镍NCM与NCA正极则多由氢氧化锂替代碳酸锂。前驱体中,钴价对于NCM材料的价格影响较大。

工艺改进与规模经济:动力电池产量进一步提升,规模效应与良率提升,同时整车端爆款车型出现带来单车电池研发、设计(如BMS)等成本下降;

锂盐占电池价格比例在4.5%-8.5%之间,钴盐在3%以内。锂盐方面,选取各条电池主流技术路线的主流车型,对于氢氧化锂/碳酸锂成本占电池价格比例进行测算,结果在4.5%-8.5%之间,NCM与NCA路线锂盐占比较高,NCA路线达到8.44%,而磷酸铁锂与锰酸锂占比较低。钴盐方面,NCM111路线所含钴元素比例最大,按目前40万元/吨钴价测算,占电池售价比例为2.84%,其余路线钴含量皆达不到这一水平,因此判断钴盐占电池价格比例在3%以内,目前量产的主流NCM523与NCM622占比在1.5%左右。

其他路径:梯次利用、模块化设计与纵向一体化。

3.1.1锂盐:碳酸锂等待产能释放,氢氧化锂持续吃紧

3.1锂盐供给端逐渐释放,价格将步入长期下降通道

预计碳酸锂未来几年内将保持供需平衡,长期来看价格处于高位回落通道中。氢氧化锂直到2020年仍将维持紧缺状态,2020年以后可能存在供应过剩风险,产能释放速度取决于原料供应,特别是锂辉石的供应量。氢氧化锂产能紧缺将成为制约高能量密度电池成本下降的主要因素。氢氧化锂可通过碳酸锂转产得到,代价在2万元/吨的水平,因此与碳酸锂价差将保持相应的平衡态势。

目前正极材料成本占到电芯25%-30%,而正极材料主要由碳酸锂和各种对应的前驱体材料构成,高镍NCM(NCM811)与NCA正极则多由氢氧化锂替代碳酸锂。前驱体中,钴价对于NCM材料的价格影响较大。

锂盐价格对于电池成本影响有限。假设未来碳酸锂/氢氧化锂价格下跌20%,电池价格将下降0.9%-1.7%,下降幅度较为有限。而即便需求端超预期增长,导致锂盐价格保持坚挺,由于其占电池成本比重较小,预计不会给降成本造成太大障碍。

锂盐占电池价格比例在4.5%-8.5%之间,钴盐在3%以内。锂盐方面,选取各条电池主流技术路线的主流车型,对于氢氧化锂/碳酸锂成本占电池价格比例进行测算,结果在4.5%-8.5%之间,NCM与NCA路线锂盐占比较高,NCA路线达到8.44%,而磷酸铁锂与锰酸锂占比较低。钴盐方面,NCM111路线所含钴元素比例最大,按目前40万元/吨钴价测算,占电池售价比例为2.84%,其余路线钴含量皆达不到这一水平,因此判断钴盐占电池价格比例在3%以内,目前量产的主流NCM523与NCM622占比在1.5%左右。

3.1.2钴盐:供给面临缺口,涨价或将持续但影响有限

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供需缺口将使钴价维持高位。钴盐供应缺口2017年持续扩大:2017年缺口将达到4300吨的量,预计将持续至2019年。目前3C电子产品依然是钴下游最重要的领域,3C电子出货量若下降则对钴价造成较大压力。整体来看,供需缺口将使钴价在未来几年维持在高位水平。

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预计钴价上涨对三元电池影响有限。虽然目前高镍三元材料市场份额逐步提高,但绝大部分厂商已进入从532向622转移的阶段,未来过渡到811后,单位用钴量将明显减少。根据前述测算,高镍NCM811路线中钴盐占售价比不到1%,因此未来高镍三元时代到来后,钴价上涨将不会对降成本起到太大影响。

3.1.1锂盐:碳酸锂等待产能释放,氢氧化锂持续吃紧

3.2、规模效应带来成本进一步下降

预计碳酸锂未来几年内将保持供需平衡,长期来看价格处于高位回落通道中。氢氧化锂直到2020年仍将维持紧缺状态,2020年以后可能存在供应过剩风险,产能释放速度取决于原料供应,特别是锂辉石的供应量。氢氧化锂产能紧缺将成为制约高能量密度电池成本下降的主要因素。氢氧化锂可通过碳酸锂转产得到,代价在2万元/吨的水平,因此与碳酸锂价差将保持相应的平衡态势。

兴业证券认为相较有限的压缩原材料成本,通过扩大产能实现规模效应降成本更为切实可行,这也是国内企业近期集中堆砌释放产能的关键因素之一。规模效应不仅包括电芯环节产能利用率与良率提升带来的电芯成本下降,也包括整车端单车出货提升带来的研发投入、设计成本以及PACK和BMS等环节下降。

锂盐价格对于电池成本影响有限。假设未来碳酸锂/氢氧化锂价格下跌20%,电池价格将下降0.9%-1.7%,下降幅度较为有限。而即便需求端超预期增长,导致锂盐价格保持坚挺,由于其占电池成本比重较小,预计不会给降成本造成太大障碍。

3.2.1电芯规模化生产与良率提升

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经对比分析,电池售价与良率几乎呈线性关系,随着良率提升,电池价格直线下降。目前我国自动化程度较好的高端产能良率在90%,劳动密集型的低端产能良率在80%,随着行业逐渐淘汰低端过剩产能与高端产能良率进一步提升,未来成本会有小幅下降空间,大约对应良率每提升1%,成本同幅度下降1%左右,提升至95%对应5%成本降幅空间。

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电池售价与产能利用率的关系分为几个阶段,产能利用率小于20%时,电池价格随着Ut提升快速下降,而之后相对平缓,Ut在50%时对应价格在350美元/KWH,90%对应330美元/KWH。考虑到15/16年Ut已经达到相对的高点,这一块未来的空间比较有限。兴业证券认为不必过度担忧产能过剩导致Ut下降,原因在于未来几年的产业高景气度使得Ut保持在50%以上问题不大,而50%-100%区间内售价相对于Ut的敏感性已经不强。

3.1.2钴盐:供给面临缺口,涨价或将持续但影响有限

3.2.2爆款车型实现PACK与BMS定制成本摊薄

供需缺口将使钴价维持高位。钴盐供应缺口2017年持续扩大:2017年缺口将达到4300吨的量,预计将持续至2019年。目前3C电子产品依然是钴下游最重要的领域,3C电子出货量若下降则对钴价造成较大压力。整体来看,供需缺口将使钴价在未来几年维持在高位水平。

电池组中的PACK与BMS环节需根据不同车型需要进行针对性研发,具备较强的定制化属性,难以像电芯环节一样通过规模化量产来实现成本下降。要降低PACK与BMS环节的成本,切实可行的路径是打造爆款车型,从而摊薄附加在每辆车的研发与定制成本。

预计钴价上涨对三元电池影响有限。虽然目前高镍三元材料市场份额逐步提高,但绝大部分厂商已进入从532向622转移的阶段,未来过渡到811后,单位用钴量将明显减少。根据前述测算,高镍NCM811路线中钴盐占售价比不到1%,因此未来高镍三元时代到来后,钴价上涨将不会对降成本起到太大影响。

Model3成为爆款是特斯拉降低单车成本实现盈利的先决条件。以特斯拉Model3为例,由于Model3电池组选用高比能量的NCA正极材料,并采用20700单体电芯,整体散热性能较差,其安全性能需要在PACK与BMS环节加以保障。为此,特斯拉采用尖端BMS技术,自主研发单体电荷平衡系统,并通过严格的锂电池检测实验检测每一颗单体电芯的一致性,在PACK环节采用复杂的多级串并联工艺并使用更为昂贵的液体冷凝系统达到实时的温度监控,而这部分昂贵的前期研发与设计成本已经反映在特斯拉财报的亏损中。Model3能够以3.5万美元的平民价格发售,其核心原因在于40万级别的订单量大大摊薄电池组的定制化成本,从而实现电池成本的迅速下降。

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3.3、其他路径:梯次利用、模块化设计与纵向一体化

3.2规模效应带来成本进一步下降

现有的动力电池行业的商业模式依然有很多值得优化之处,比如在即将到来的退役电池潮中,退役电池合理的梯次利用将大大增强电池的经济效益,又比如各大车企力推的模块化设计将是电池实现规模效应的前提,再如企业通过打通上下游形成类似于比亚迪的商业闭环,这些举措均能实现电池成本的进一步下降。

兴业证券认为相较有限的压缩原材料成本,通过扩大产能实现规模效应降成本更为切实可行,这也是国内企业近期集中堆砌释放产能的关键因素之一。规模效应不仅包括电芯环节产能利用率与良率提升带来的电芯成本下降,也包括整车端单车出货提升带来的研发投入、设计成本以及PACK和BMS等环节下降。

3.3.1梯次利用:机遇与挑战并存

3.2.1电芯规模化生产与良率提升

动力电池退役潮将在今明两年爆发。2014年为我国动力电池放量元年,出货量达3.9GWh,早期的这批电池一般在3~5年左右即将达到设计的寿命终止条件,部分一致性不好或使用工况较恶劣的,甚至达不到3年的使用寿命。以此推算,我国将在今年迎来动力电池退役的放量潮,此后逐年快速递增,预计到2019年,最晚不会超过2020年,会有超过10GWh的退役动力电池规模。

经对比分析,电池售价与良率几乎呈线性关系,随着良率提升,电池价格直线下降。目前我国自动化程度较好的高端产能良率在90%,劳动密集型的低端产能良率在80%,随着行业逐渐淘汰低端过剩产能与高端产能良率进一步提升,未来成本会有小幅下降空间,大约对应良率每提升1%,成本同幅度下降1%左右,提升至95%对应5%成本降幅空间。

一般而言,动力电池容量低于初始容量的80%时,动力电池不再适合在电动汽车上使用。而80%以下还有很大利用空间,国家也支持和鼓励梯次利用。但是目前在理论研究和示范工程方面较多,在商业化推广方面还处在初期的探索阶段。商业化的方式有两种:一是梯次利用,如应用于储能与低速电动工具;二是资源化,提取废电池中的镍、钴等金属,但是利用率不高、浪费较大。

电池售价与产能利用率(下称Ut)的关系分为几个阶段,产能利用率小于20%时,电池价格随着Ut提升快速下降,而之后相对平缓,Ut在50%时对应价格在350美元/KWH,90%对应330美元/KWH。考虑到15/16年Ut已经达到相对的高点,这一块未来的空间比较有限。兴业证券认为不必过度担忧产能过剩导致Ut下降,原因在于未来几年的产业高景气度使得Ut保持在50%以上问题不大,而50%-100%区间内售价相对于Ut的敏感性已经不强。

储能与低速电动工具市场是梯次利用的两个主要面向市场。

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1)储能市场:据测算,储能电池市场化应用的目标成本为180美元/kwh,约合1.2元/wh,使用新型动力锂电池无法达到成本要求,投资回报率偏低,这也是制约储能产品大规模应用的最大障碍。梯次利用的动力电池能够较好地权衡成本与性能因素,如电动大巴退役的动力电池由于能量密度较低,比较适合作为储能基站使用。

3.2.2爆款车型实现PACK与BMS定制成本摊薄

2)低速电动工具市场:低速车与电动自行车主要采用铅酸电池,相比锂电池,铅酸电池更为便宜,但问题在于污染大。如果采用梯次利用的动力电池,可以在价格、行驶里程、和寿命之间达到一个较好的平衡,从而更快速的推动锂电池在低速车与电动自行车市场的应用。

电池组中的PACK与BMS环节需根据不同车型需要进行针对性研发,具备较强的定制化属性,难以像电芯环节一样通过规模化量产来实现成本下降。要降低PACK与BMS环节的成本,切实可行的路径是打造爆款车型,从而摊薄附加在每辆车的研发与定制成本。

3.3.2模块化设计:电池发挥规模效应的前提

Model3成为爆款是特斯拉降低单车成本实现盈利的先决条件。以特斯拉Model3为例,由于Model3电池组选用高比能量的NCA正极材料,并采用20700单体电芯,整体散热性能较差,其安全性能需要在PACK与BMS环节加以保障。为此,特斯拉采用尖端BMS技术,自主研发单体电荷平衡系统,并通过严格的锂电池检测实验检测每一颗单体电芯的一致性,在PACK环节采用复杂的多级串并联工艺并使用更为昂贵的液体冷凝系统达到实时的温度监控,而这部分昂贵的前期研发与设计成本已经反映在特斯拉财报的亏损中。Model3能够以3.5万美元的平民价格发售,其核心原因在于40万级别的订单量大大摊薄电池组的定制化成本,从而实现电池成本的迅速下降。

模块化就是在相同的基本架构上进行定制化组合,使得设计、生产车辆就像搭积木一样简单、快捷。这一概念的运用将极大地节省研发成本、验证周期及生产成本。模块化设计在传统车领域已经非常成熟,随着新能源汽车产销的逐渐扩大,这一模式也将被植入。以大众为例,其宣布旗下所有新能源车型将采用统一的电池单元,这一计划将节省66%的成本。

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未来电池企业的供应将以模组为最小单元。目前动力电池行业存在的一大问题是尚未模块化,包括尺寸在内的诸多标准尚未统一,圆柱、方形与软包路线未有真正意义的主流出现并且各体系内标准也参差不齐。未来随着行业集中度提升,电池将通过主流企业制定标准,进行标准化生产。过对电池单体的串联、并联或串并联混合的方式,确保电池模块统一尺寸,并综合考虑电池本体的机械特性、热特性以及安全特性。在安装设计不变的情况下,根据不同的续航里程和动力要求,提供不同电池容量,以满足不同的需求。这种模块化应用,在单体、模组端都可实现大规模自动化生产,大幅降低生产成本。

3.3其他路径:梯次利用、模块化设计与纵向一体化

3.3.3纵向一体化:降低交易成本

现有的动力电池行业的商业模式依然有很多值得优化之处,比如在即将到来的退役电池潮中,退役电池合理的梯次利用将大大增强电池的经济效益,又比如各大车企力推的模块化设计将是电池实现规模效应的前提,再如企业通过打通上下游形成类似于比亚迪的商业闭环,这些举措均能实现电池成本的进一步下降。

纵向一体化也能够实现交易成本的下降。如比亚迪所采取的从上游矿石、电池材料、到PACK、BMS、电芯到下游整车的一体化路线,实现了成本的有效下降。特斯拉选择自建电池超级工厂也有类似考虑。对于动力电池企业来说,切入电池材料等上游环节,特别是成本下降有较大空间的隔膜、电解液等环节是成本控制的较好路径,如国轩与星源材质合作的隔膜产线。

3.3.1梯次利用:机遇与挑战并存

4降成本路径之二:工艺改进见成效,比能量缓步提高

动力电池退役潮将在今明两年爆发。2014年为我国动力电池放量元年,出货量达3.9GWh,早期的这批电池一般在3~5年左右即将达到设计的寿命终止条件,部分一致性不好或使用工况较恶劣的,甚至达不到3年的使用寿命。以此推算,我国将在今年迎来动力电池退役的放量潮,此后逐年快速递增,预计到2019年,最晚不会超过2020年,会有超过10GWh的退役动力电池规模。

兴业证券认为动力电池能够持续降成本的关键因素在于其类似于半导体,存在电池“摩尔定律”,以比能量的持续提高来实现单位Wh成本的不断下降。目前来看动力电池系统能量密度提升空间主要来自高镍三元NCM与NCA的普及应用。未来动力电池比能量将主要从电池的物理性能与化学性能两方面着手提高,物理性能方面主要从材料轻量化、相互之间的搭配衔接突破,化学性能则主要通过新型材料的试用以实现电池电化学性能的最佳状态。

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物理方法:工艺改进仍有空间

一般而言,动力电池容量低于初始容量的80%时,动力电池不再适合在电动汽车上使用。而80%以下还有很大利用空间,国家也支持和鼓励梯次利用。但是目前在理论研究和示范工程方面较多,在商业化推广方面还处在初期的探索阶段。商业化的方式有两种:一是梯次利用,如应用于储能与低速电动工具;二是资源化,提取废电池中的镍、钴等金属,但是利用率不高、浪费较大。

电芯环节:

储能与低速电动工具市场是梯次利用的两个主要面向市场:

圆柱路线目前成本最低,主要通过18650向20700与21700等大容量单体切换实现进一步降本;

1)储能市场:据测算,储能电池市场化应用的目标成本为180美元/kwh,约合1.2元/wh,使用新型动力锂电池无法达到成本要求,投资回报率偏低,这也是制约储能产品大规模应用的最大障碍。梯次利用的动力电池能够较好地权衡成本与性能因素,如电动大巴退役的动力电池由于能量密度较低,比较适合作为储能基站使用。

软包路线成本最高,主要通过规模化生产降成本以及改进工艺提升能量密度;

2)低速电动工具市场:低速车与电动自行车主要采用铅酸电池,相比锂电池,铅酸电池更为便宜(0.6元/WH),但问题在于污染大。如果采用梯次利用的动力电池,可以在价格、行驶里程(能量密度)、和寿命之间达到一个较好的平衡,从而更快速的推动锂电池在低速车与电动自行车市场的应用。

方型路线主要通过大容量与铝壳轻量化实现降成本,潜在降本空间在三类封装路线中最大。

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PACK环节:

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目前的重点突破环节,主要通过提升成组效率提升系统比能量,产业目标为由目前65%水平提升至85%,对应30%比能量提升空间。

3.3.2模块化设计:电池发挥规模效应的前提

化学方法:提升正极材料性能最为关键

模块化就是在相同的基本架构上进行定制化组合,使得设计、生产车辆就像搭积木一样简单、快捷。这一概念的运用将极大地节省研发成本、验证周期及生产成本。模块化设计在传统车领域已经非常成熟,随着新能源汽车产销的逐渐扩大,这一模式也将被植入。以大众为例,其宣布旗下所有新能源车型将采用统一的电池单元,这一计划将节省66%的成本。

正极材料:高镍NCM材料与NCA材料,高比能量的正极材料能够大大减少负极、隔膜与电解液等材料的用量;

未来电池企业的供应将以模组为最小单元。目前动力电池行业存在的一大问题是尚未模块化,包括尺寸在内的诸多标准尚未统一,圆柱、方形与软包路线未有真正意义的主流出现并且各体系内标准也参差不齐。未来随着行业集中度提升,电池将通过主流企业制定标准,进行标准化生产。过对电池单体的串联、并联或串并联混合的方式,确保电池模块统一尺寸,并综合考虑电池本体的机械特性、热特性以及安全特性。在安装设计不变的情况下,根据不同的续航里程和动力要求,提供不同电池容量,以满足不同的需求。这种模块化应用,在单体、模组端都可实现大规模自动化生产,大幅降低生产成本。

负极材料:硅碳负极替代切换;

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隔膜:薄型化隔膜;

3.3.3纵向一体化:降低交易成本

电解液:新型电解液LiFSI。

纵向一体化也能够实现交易成本的下降。如比亚迪所采取的从上游矿石、电池材料、到PACK、BMS、电芯到下游整车的一体化路线,实现了成本的有效下降。特斯拉选择自建电池超级工厂也有类似考虑。对于动力电池企业来说,切入电池材料等上游环节,特别是成本下降有较大空间的隔膜、电解液等环节是成本控制的较好路径,如国轩与星源材质合作的隔膜产线。

4.1、物理方法:工艺改进仍有空间

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4.1.1电芯环节:轻量化+大容量

4降成本路径之二:工艺改进见成效,比能量缓步提高

电芯封装方式按软包、方形与圆柱分,成本也有所区别。其中,圆柱最低,软包最高。主流大厂中CATL与比亚迪走方形路线,力神、比克走圆柱路线,国轩高科同时走方形与圆柱路线,同时CATL也在积极拓展软包路线。

笔者认为动力电池能够持续降成本的关键因素在于其类似于半导体,存在电池“摩尔定律”,以比能量的持续提高来实现单位Wh成本的不断下降。目前来看动力电池系统能量密度提升空间主要来自高镍三元NCM与NCA的普及应用。未来动力电池比能量将主要从电池的物理性能与化学性能两方面着手提高,物理性能方面主要从材料轻量化、相互之间的搭配衔接突破,化学性能则主要通过新型材料的试用以实现电池电化学性能的最佳状态。

圆柱路线:大容量电芯

物理方法:工艺改进仍有空间。

圆形锂电池是指圆柱型锂电池,最早的圆柱形锂电池是由日本SONY公司于1992年发明的18650锂电池,因为18650圆柱型锂电池的历史相当悠久,所以市场的普及率非常高,圆柱型锂电池采用相当成熟的卷绕工艺,自动化程度高,产品传品质稳定,成本相对较低。

电芯环节:

圆柱的优点包括1)结构成熟,产业化程度高,且只有卷绕这一条技术路线,不用纠结其他方法;2)设备自动化程度高,一致性高;3)结构稳定,可以支持高能量密度材料使用;4)应用范围广,产品消耗渠道丰富,整体成本有优势。同时,其缺点也包括:1)高温升、充电倍率是普遍诟病;2)循环次数上限在1000多次,使用寿命较短,应用场景局限在中低端。

圆柱路线目前成本最低,主要通过18650向20700与21700等大容量单体切换实现进一步降本;

软包路线成本最高,主要通过规模化生产降成本以及改进工艺提升能量密度;

方型路线主要通过大容量与铝壳轻量化实现降成本,潜在降本空间在三类封装路线中最大。

降成本方向:做大单体电芯。特斯拉已经Model3中用20700替代18650电芯,20700电池增加的尺寸大概为10%,而体积和能量储存确是18650的1.33倍。根据特斯拉的估计,在达到与18650同样的良率和产能后,20700能带来能量密度增加3-4%,同时实现成本下降5-10%。

PACK环节:目前的重点突破环节,主要通过提升成组效率提升系统比能量,产业目标为由目前65%水平提升至85%,对应30%比能量提升空间。

软包路线:规模化生产

化学方法:提升正极材料性能最为关键。

软包电池,又称聚合物锂电池,是使用高分子胶态或固态电解质的类方型电池,它们的制作工艺相似度很高,多用于手机、平板等高端3C产品上,因为高分子电解质全凭人工合成,所以成本较高,目前应用到动力电池上,还没有成本优势。软包锂电池所用的关键材料—正极材料、负极材料及隔膜—与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大,最大的不同之处在于软包装材料。

正极材料:高镍NCM材料与NCA材料,高比能量的正极材料能够大大减少负极、隔膜与电解液等材料的用量。

软包电池的优势主要在于安全性能好。软包电池的优点:1)安全性:在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,而不像钢壳或铝壳电芯那样发生爆炸;2)重量轻,软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%;3)内阻小,软包电池的内阻较锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电;4)循环性能好,软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%~7%;5)设计灵活,外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号。

负极材料:硅碳负极替代切换。

软包电池的不足之处是一致性较差,成本较高,容易发生漏液。未来成本下降主要通过规模化生产解决,漏液则可以通过提升铝塑膜质量来解决。

隔膜:薄型化隔膜。

方形路线:大尺寸与铝壳轻量化

电解液:新型电解液LiFSI。

方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形电池,由于结构较为简单、能量密度较高,在国内普及率很高。方形硬壳电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于铝塑膜电池,电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。

4.1物理方法:工艺改进仍有空间

铝壳轻量化与统一规格是未来发展重点。锂电池铝壳在钢壳基础上发展而来,与钢壳相比,轻重量和安全性以及由此而来的性能优点,使铝壳成为锂电池外壳的主流。锂电池铝壳目前还在向高硬度和轻重量的技术方向发展,间接提升比能量。此外,由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产,所以市场上有成千上万种型号,而正因为型号太多,工艺很难统一,未来成本下降还需要方形路线实现型号上的统一。

4.1.1电芯环节:轻量化+大容量

方形路线在通过增大尺寸降成本的空间大于圆柱路线。美国卡内基梅隆大学的一项研究分析了圆柱形电池和方形电池的成本情况,发现在目前的技术水平下,圆柱形进一步降低成本的空间很小,通过提升圆柱形电池的尺寸和增加电极厚度的方式来降低成本已经收效甚微,而方形电池则有很大的潜力去降低锂离子电池的成本,因此未来电芯封装环节成本快速下降的机会很可能会出现在方形领域。

电芯封装方式按软包、方形与圆柱分,成本也有所区别。其中,圆柱最低,软包最高。主流大厂中CATL与比亚迪走方形路线,力神、比克走圆柱路线,国轩高科同时走方形与圆柱路线,同时CATL也在积极拓展软包路线。

4.1.2 PACK环节:提升成组效率

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电池PACK系统利用机械结构将众多单个电芯通过串并联的连接起来,并考虑系统机械强度、热管理、BMS匹配等问题。PACK是衔接整车、电池、BMS的纽带,而BMS则是动力电池组的核心技术,是电池PACK厂的核心竞争力,也是整车企业最为关注的环节。

圆柱路线:大容量电芯

PACK环节的成组效率是提升系统比能量的关键。同样150Wh/kg级别的电芯,65%与85%成组效率下系统比能量分别为97.5Wh/kg与127.5Wh/kg,前者是目前国内的平均水平,而后者是工信部拟定到2020年的目标。成组效率从65%提至85%对应30%以上的系统比能量提升与较大幅度的成本下降,在各条路径中显得尤为关键。PACK环节成组效率提升主要有以下方法:

圆形锂电池是指圆柱型锂电池,最早的圆柱形锂电池是由日本SONY公司于1992年发明的18650锂电池,因为18650圆柱型锂电池的历史相当悠久,所以市场的普及率非常高,圆柱型锂电池采用相当成熟的卷绕工艺,自动化程度高,产品传品质稳定,成本相对较低。

1)提升集成效率。通过去除赘余组件以及关联组件的集成来最大限度地减少组件数量来提高集成效率。2)减重,采用轻量化的材料和设计。3)电池包与底盘一体化。PACK体系经历了第一代的T字或者工字型,再到第二代的土字型和田字形,目前已经来到第三代的一体化平台,国际一线的特斯拉与大众已经在这么做。一体化平台的好处是把部分电池包的承重转移到底盘上,从而实现轻量化。

圆柱的优点包括:1)结构成熟,产业化程度高,且只有卷绕这一条技术路线,不用纠结其他方法;2)设备自动化程度高,一致性高;3)结构稳定,可以支持高能量密度材料使用;4)应用范围广,产品消耗渠道丰富,整体成本有优势。

大众的MEB平台是其电池组未来实现成本大幅下降的关键。以大众为例,大众的针对电动车专属研发的MEB(MEBElectrictoolkit)平台是以大众目前的MQB平台为基础,适用于电动车的全新的模块化平台。MEB平台的构架是由底部的电池组而展开,打造更长的轴距和更短的前后悬,营造出更大的内部空间,从A到C级全系列乘用车或轻型商用车都可基于该平台打造。电池组PACK与BMS设计也根据平台打造,根据不同车型仅需要做一定的修缮与升级,设计与研发成本被最大化的摊薄。

同时,其缺点也包括:1)高温升、充电倍率是普遍诟病;2)循环次数上限在1000多次,使用寿命较短,应用场景局限在中低端。

未来国内车企自主搭建PACK产线或由电池企业深度集成是趋势

降成本方向:做大单体电芯。特斯拉已经Model3中用20700替代18650电芯,20700电池增加的尺寸大概为10%,而体积和能量储存确是18650的1.33倍。根据特斯拉的估计,在达到与18650同样的良率和产能后,20700能带来能量密度增加3-4%,同时实现成本下降5-10%。

目前国内的PACK产业是整车厂、电池厂、独立第三方三足鼎立,且PACK企业之间水平差距很大,不少PACK企业的技术水平都还仅仅停留在简单的电芯串并联上,无法实现结合整车设计来进行PACK设计和组装,真正能达到下游整车厂商需求的优质PACK厂商屈指可数。

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未来PACK将以整车企业主导。我国电动汽车市场未来一定是以乘用车为主要驱动,而乘用车电池PACK远比商用车复杂,需要大量研发投入。电池企业技术储备主要集中于电池本身的研发,在PACK体系的关键环节如BMS、热管理等不具备较强实力。因此,未来的格局将是整车企业主导,第三方PACK企业凭借专业能力也能得到一定空间,但仍然需要依附于整车企业或产业联盟。

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4.2、化学方法:提升正极材料性能最为关键

软包路线:规模化生产

兴业证券认为,相比物理改进,动力电池的关键性突破仍然大概率要从提升电池电热化学性能着手,通过新型的电池材料以及相互间的搭配、工艺的改进实现能量密度的进一步提升。而本土企业在未来几年内研发与产业化的路径也非常清晰,就是三元高镍NCM电池与NCA电池。

软包电池,又称聚合物锂电池,是使用高分子胶态或固态电解质的类方型电池,它们的制作工艺相似度很高,多用于手机、平板等高端3C产品上,因为高分子电解质全凭人工合成,所以成本较高,目前应用到动力电池上,还没有成本优势。软包锂电池所用的关键材料—正极材料、负极材料及隔膜—与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大,最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜)。

本土三元龙头企业正在加速实现高比能三元电池量产。以本土高比能电池的代表企业比克电池为例,其16年三元出货量0.9GWh,在本土企业中位列第2,仅次于CATL,其商业规划具备一定代表性。根据其规划,比克的NCM与NCA电池量产计划齐头并进,目前能量密度达248WH/KG的NCA电池已实现量产,而下一代285WH/KG的NCA电池将于年内量产。就能量密度来看,已经达到特斯拉与松下水准。

软包电池的优势主要在于安全性能好。软包电池的优点:1)安全性:在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,而不像钢壳或铝壳电芯那样发生爆炸;2)重量轻,软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%;3)内阻小,软包电池的内阻较锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电;4)循环性能好,软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%~7%;5)设计灵活,外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号。

4.2.1正极材料:高镍NCM材料与NCA材料

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