新能源汽车动力电池技术未来展望

中汽中心信息科技CNTNRO新能源汽车动力电池技术未来展望中国汽车20222022年12月 1.1动力电池发展现状-企业电池选择特点中汽中心信息科技·主流主机厂通常在三元锂和磷酸铁锂电池上都有所布局，主要依靠具体车型性能需求选择性搭载，自前主要以方形电池为主。电池的技术需求及趋势主打微小型产品的主机厂，出于对成本和安全性选型：的考虑主要搭载磷酸铁锂电池；NCM与LEP配套占比相差无几主打中高端产品的主机厂，多数同一车型会开发高端产品仍以NCM为主，LEP主打经济型车型三元锂和磷酸铁锂两个版本，按照续航需求选择；■安全性：至少达到冒烟不起火快充：选择三元锂电池的多数企业出于安全性和技术成熟产品设计尽量达到3-4C度考虑，目前仍以5/6系的搭载为主；NCM电池的应用以5、6系为主：少数高端车型企业出于对性能和续航里程的需求选能量密度：择8系电池。高镍、固态半固态电池等技术会成为趋势■封装形式：中国硬壳方形仍为主要沿用路线，随着固态半固态电池、80%的主机厂考虑工艺的安全性和成熟性选择方形4680大圆柱电池的发展，主机厂对于大圆柱存在一定的封装方式方形为主要封装方式兴趣。少数特殊车型对软包和圆柱电池有需求。■模组：采用集成度更高、部件数量更少、智能化更强大的数据来源：中汽信科调研制造工艺是趋势，具体会趋向于CTC、大标准模组、CTP等工艺形式2 1.2动力电池发展现状-4680电池N中汽中心丨信息科技圆柱电池工艺成熟，PACK成本低，电池产品及电池组的一致性较高，电池单体的散热面积大，散热性能优于方型电池但是成组后散热设计难度较大、能量密度低。46系列大圆柱电池对热管理的要求降低，可以很好的克服圆柱电池相关缺点。方形电池圆柱型电池软包电池较好好较差较好好较差较好好较差安全性一致性设计灵活性O循环寿命O充放电倍率成组效率汽车工业信息O封装可靠性高，安全性高、系统能量效率高、能量密度较高；成本低、工艺成熟优点尺寸变化灵活，能量密度高，重量轻、内结构较为简单，扩容相对方便；单体容量产品良品率及产品致性较高阻小大，系统构成相对简单，稳定性好型号多，工艺难统一机械强度差生产自动化水平不高，单体差异性较大成组后散热设计难度大封口工艺难缺点大规模应用中，存在系统寿命低于单体寿能量密度低成组结构复杂命的问题设计难度大，产品一致性、安全表现一般3 1.2动力电池发展现状-4680电池NN中汽中心|信息科技技术的普及与4680电池的规模化应用相互促进，一定程度上助力4680电池降本。4680大圆柱电池发展对部分相关技术的影响相关技术干电极技术一体化压铸技术干电极技术能较好地适用于高镍相关企业：TMaxwel!'CHERVON-AUtoIDRA正极、硅基负极的电极制造，能TESLR在保证安全性的基础上进一步提干电极技术（又称干法技术）是一种无溶剂的生产技术，可应用于正极和负极的制造广东鸿图科技股份有限公司高能量密度，能将4680大圆柱相关标的其与传统湿法电极制造的不同点是：湿法电极制造需要使用粘合剂材料的溶剂，现阶段溶剂主要是NMP。湿法工艺是将溶剂与正、负极粉末混合后涂至正、负电极集流TESLRTUOPU拓普电池的优势进一步放大。干电极（技术介体上然后再干燥。而干法则不需要溶剂，直接将挤出的电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。NMP是一种有毒溶剂，回收纯化和再利用环节要求较高且难技术逐渐成为未来电池制造工艺绍）KOL科达利度较大，且湿法工艺需要用到成本较为昂贵电极涂覆机的技术研发热点之一。未来随着干电极技术传统湿法技术特斯拉在其电池日首次发布一体化压铸技术，相干电极技术的规模化应用比传统冲压焊接工艺，一体化压铸技术将使成本具有大幅简化电极生产流程、提升生产速率(采需要将正，负极材料与有毒的下降40%、零件减少79个，未来新一代全压铸底PVDF涂覆和NMP溶剂的需求将NMP溶液混合，再进行干燥和盘将减少370个零件，生产速率大大提升。其次，用于法工艺生产速率可提高7倍)、节省成本(省一体压铸工艺的生产设备的占地面积更小，能够会受到影响。一体化压铸技术与去成本高昂的电极涂覆机)等优势。但现阶段工成膜。其中NMP(N-甲基吡咯烷节省35%的占地面积。但现阶段一体化压铸技术成本较高由于尚未得到规模化应用。压铸机设计4680电池相互促进形成良性循艺尚不成熟，卷绕难度较大。降本增效是4680酮)是现阶段主要使用的溶剂。壁垒较高，定制化程度较高，且价格较高。特斯环，一体化压铸技术进一步降低相关影响电池未来规模持续增长的核心驱动之一，要想维采用湿法工艺存在的问题有：使拉现正在生产于4680电池组相匹配的前后车身一体化压铸件。4680电池的大规模应用将带动一体4680电池成本促进其规模增长，持更高的规模增速，4680电池必须利用相关技用溶剂的情况下锂与混有锂金属化压铸件的需求持续增长，促进一体化压铸技术的成熟和规模化。随着规模化摊平设备成本，而4680电池的增长又将拉动一术不断下探成本底线。迫于持续降本压力的的碳融合相对困难，其次，在第4680电池或将干电极技术作为降本增效的突破体化压铸技术提高汽车生产效率的优势将使其有一次循环时电池容量会一定程度体化压铸件的需求望取代现有的汽车车身组装生产线，进一步降低口，后者或将在4680电池规模化快速导入期后上损失。但湿法工艺现阶段较为4680电池的成本。现阶段布局一体化压铸技术的中国企业有：广东鸿图、文灿股份、科达利等迎来行业发展的拐点成熟4 1.3动力电池发展现状-磷酸铁锂电池N中汽中心信息科技对于单体电芯来说，磷酸铁锂电池在性能上有安全性和循环寿命高等优点，但由于正极材料性能的限制，电芯单体能量密度难以大幅提高。通过近年来电池成组技术的提高，目前磷酸铁锂电池成组的能量密度与三元锂电池差距缩小，工况续航里程可以满足市场需求，加之其较低的成本，市场需求不断扩大。磷酸铁锂与三元锂单体电芯优劣势明显磷酸铁锂电池系统技术升级补足短板磷酸铁锂电池与主要三元锂电池性能对比正极材料能量密度循环寿命成本安全性刀片电池JTM（卷叠技术）磷酸铁锂（LFP）低高低高电池成组技术的升级使磷酸铁锂电池成组能量密度提升，续驶里程与三元锂电池不相上下。镍钻锰酸/镍钴铝酸三元锂高低高低工况续航(NCM、NCA)三元锂电池磷酸铁锂电池model 3电芯能量密度磷酸铁锂电芯单体的能量密度难有跨越式发展，三元锂445km468km电芯能量密度还有较大的发展空间。在相对较低的成组成本、较高的安全性和主要在零下20度的环境下，磷酸铁锂电芯电池容量将缩水性能劣势得以改善的情况下，磷酸铁锂电池开抗低温性能近50%，三元锂电芯缩水近25%。始逐渐被更多的车企选择。5 1.3动力电池发展现状-磷酸铁锂电池N中汽中心丨信息科技三元锂电池所必需的的镍、钻元素为贵金属，加之2021年以来镍、钴、锰价格持续上涨，导致三元锂电池成本不断走高而磷酸铁锂电池对不含贵重金属材料，所以成本相对较低。镍、钻、锰价格持续上涨磷酸铁锂电池成本较低与2020年Q4相比，2021年镍、钴、锰价格不断上涨，其中锰单价张幅操钻元素为贵金属，所以三元锂电池的成本相对较高。磷酸铁锂电池达255.93%不含贵重金属材料，所以成本相对较低。同时，2021年以来镍、钴原材料价格持续上涨，对三元锂电池成本端带来影响。Ni、Co、Mn价格变化情况（单位：万元/吨）60300%全球市场三元锂电芯价格在102美元/kWh，磷酸铁锂电芯80美元/kWh，两者差距5055.93%250%22美元，以目前纯电动车型所配备的电池容量70kWh计算，相同容量下的电芯成本40200%相差9853元左右。同时，随着电池容量的提高差距会更大。30150%20100%电池类型电芯成本104795%50%三元锂7140美元（约合人民币45682元）16.98%00%磷酸铁锂5600美元（约合人民币35829元）镍锰差值9853元2020Q4均值当前价格数据来源：彭博社，公开资料整理6 1.3动力电池发展现状-磷酸铁锂电池N中汽中心丨信息科技，以比亚迪和国轩高科为例，自前配套的主要车型中磷酸铁锂电池总成的技术参数均可达到补贴标准。新能源国家补贴变化（2016-2022，万元，km）比亚迪刀片电池305.5汉EV电池总成参数：25能量密度：140Wh/kg205.54.44.4续航里程：550km-605km（工况法）155.554.4104.54.5国轩高科磷酸铁锂电池3.63.4国汽车工业信息54.53.62.52.41.82.252.25哪NO1电池总成参数：2.521.51.81.621.6210.6902016201720182019202020212022能量密度：135Wh/kg100≤R<150150≤R<200200≤R250250≤R<300300≤R<400R≥400续航里程：351km（工况法）数据来源：工信部，中汽信科整理7 1.3动力电池发展现状-磷酸铁锂电池中汽中心信息科技：尽管磷酸铁锂电池市场占比正在不断提升，但其单体电芯的能量密度、低温性能等方面还存在一定的技术瓶颈。开发高压实磷酸铁锂材料磷酸铁锂材料的压实密度偏低，目前大约在2.2-2.3g/cm3未来要求压实密度大于2.5g/cm3以上。开发低成本磷酸铁锂生产工艺未来要在原材料、生产装备及工艺等方面开发高倍率快充磷酸铁锂材料升级。如采用超长6列双层密封辊道窑或25大型陶瓷回转窑，可以大幅度提高产能、磷酸铁锂单体能量密度偏低，若能开发出快充磷降低能耗。此外，生产基地选择电价相对酸铁锂，能更好的解决续航里程问题。便宜的地区，也能大幅度降低成本。开发高能量密度磷酸锰铁锂材料3磷酸铁锂材料的能量密度几乎已达到极限，需要开发新的磷酸盐系材料如磷酸锰铁锂材料，其电压平台比磷酸4开发低温型磷酸铁锂材料铁锂高15%以上，能量密度也能相应提高。磷酸铁锂的低温性能不理想，-20~-40°C下，放电容量只有室温下的容量的70%~60%，北方寒冷地区使用受限。8 2.1动力电池技术发展趋势N中汽中心丨信息科技结构高度集成化，化学体系高比能已经成为动力电池的主要发展趋势动力电池结构高度集成化发展，化学体系呈现高比能趋势传统电池大模组CTPCTB/CTC滑板底盘占比下降大规模量产技术积累阶段动力电池新化学体系电池高镍NCM+si/c体系半固态/全固态电池Li-S、Li-Air当前水平研发阶段技术积累最高260Wh/kg320Wh/kg以上，2024年陆续落地，目前比能量未达预期尚未预研，科研机构起步阶段化学体系结构形式纯电动汽车发展目前分成两种方向，一是以城市代步为主的微型传统电池装车比例下降，主要由于单位体积能量低，成本相对较车，磷酸铁锂主要增量市场：二是高镍三元代表的高端市场，核高，大模组工艺受到更多企业的关注，CTC/CTB技术在后市场心为产品性能，未来第二种产品占比将会扩大，所以高比能电池应用问题尚未解决，不适宜大规模量产。技术是未来发展的核心方向。9 2.2动力电池技术发展趋势-电池结构优化中汽中心信息科技刀片电池基于磷酸铁锂电池技术架构设计，采用无模组设计，并通过横跨包体的长条状单体电池取消了横纵梁结构，体积能量密度提升了50%，比亚迪依靠结构工艺优化，使电池成本得到有效控制刀片电池专利图电池包整体架构专利图多个单体电池在容纳装置中的排列示意图顶板219(220）YO)100口基于磷酸铁锂电池技术架构210(205)换热板212210(206)209(205)设计，与传统磷酸铁锂电池端板207侧板209(205)~相比，体积能量密度提升200(300)-215204201(301)边框201(G01,)50%，工艺、人工及材料成213(4)本可降低20~30%单体电池直接211边框排布而非提前~3电池阵列口磷酸铁锂电池的安全和降本组成电池模组203--202302.0淘203202(302)中属性被比亚迪发挥的淋漓尽CN201910544020.8致，下一步需要考虑能力密口通过横跨包体的长条状单体电池取度提升。口刀片电池的主要特点是将电芯进行扁平化设计