【国君电新|快充行业深度】快充驱动新能源车产业链“用电”改造——快充行业系列之一

作者：国泰君安电新团队石岩/庞钧文/牟俊宇 来源：具体请见2023年8月16日报告《快充驱动新能源车产业链“用电”改造——快充行业系列之一》。PDF版报告全文欢迎联系对口销售或团队成员获取。 报告导读 快充实现新能源车有效补能缓解里程焦虑。我们认为，快充技术发展将驱动电芯材料、电池包、零部件、充电基础设施等 全产业链技术更新，看好优先布局快充的龙头企业。 摘要 投资建议：我们认为，快充技术有望实现里程焦虑的有效缓解，推进新能源车市场空间进一步抬升，看好优先布局快充的龙头企业。推荐1）电池：宁德时代、亿纬锂能，受益标的：国轩高科、欣旺达；22）负极：贝特瑞、中科电气、璞泰来，受益标的：信德新材；3）导电剂：受益标的：天奈科技；4）涂布技术解决方案：受益标的：曼恩斯特；5）车载电源：受益标的：欣锐科技；6）水冷板：受益标的：银轮股份、华峰铝业；7）充电桩：盛弘股份。 快充技术高效补能，改善电车里程焦虑。近年来，随着新能源汽车智能化发展趋势成为主流，更丰富的座舱体验和智能驾驶功能都对动力电池提出了更长续航里程、更高能量密度的要求。虽然相较于传统的交流慢充，直流快充的技术要求及成本较高，但其在充电时间上具有显著优势，成为车企改善电动车里程焦虑和提升品质的重要方向。 快充技术是系统工程，推动“电器件”迭代换新。快充技术主要涉及微电池技术和宏电池技术，前者致力于研究电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池内部生态；后者主要关注与充电桩、热管理、电池系统和充电协议。电芯的能量体系上，主要通过负极材料（造粒、包覆、表面功能化）、电解质（新型锂盐LiFSI）、导电剂（碳纳米管）、电极设计（降低电极厚度）等途径优化电芯材料，提高锂离子迁移速率以提升快充能力。电池的管控体系上，主要通过散热（液冷散热、多层液冷板）、车载电源（高电压化）、汽车零部件（第三代半导体材料）等途径升级配套车端零部件，适配快充性能。在基础设施上，主要通过建立快充站及优化电网（配建储能、虚拟电厂）应对快充需求。 国内头部企业全方位布局快充领域，加快快充产业化进程。2018年10月10日，保时捷发布其首款纯电动车Taycan，开启快充商业化探索。由于快充作为系统工程，需要全产业链协同配合，才能实现其产业化应用和发展，目前国内头部企业已从微电池技术到宏电池技术全面开发、协同布局。我们认为，快充技术有助于企业构建差异化竞争优势，同时，头部企业端的推进有望将快充产业化进程大大加快。 风险提示：新能源汽车销量不及预期，快充技术产业化速度不及预期。 1.快充技术高效补能，改善电车里程焦虑 全球新能源汽车市场持续增长，市场空间广阔。根据EVSales数据，2020-2022年期间，全球新能源汽车销量分别为324、677和1052万辆。2020年在经济增长放缓的大背景下，全球新能源汽车销量依然实现了逆势增长，同比增长 42.7%。2022年，全球新能源汽车市场销量大幅上升至1052万辆，同比增长55.4%，渗透率达13.0%。 快充技术解决补能焦虑，推动新能源汽车发展更进一步。里程焦虑是电动车消费者主要担心的问题之一，之所以存在与电动汽车电池续航能力差、充电慢密不可分，也一定程度上限制了电动汽车的广泛应用。而随着新能源汽车智能化发展趋势成为主流，更丰富的座舱体验和智能驾驶功能都对动力电池提出了更长续航里程、更高能量密度的要求。目前来看，解决里程焦虑的两种途径分别是提升电池充电速率和提高电池能量密度。考虑到目前主流车型续航已经能满足消费者日常通勤需求，在关注油箱大小的同时，催生出产业界对补能方案的进一步探索。相较于传统的交流慢充补能，直流快充补能下充电桩内置功率转换模块，将交流电转换为直流电直接输入车内电池组，无需通过车载充电机进行转换，大幅度提升补能效率。 打造产品高端差异化，保时捷发布快充新能源车型。2018年10月10日，保时捷发布其首款纯电动车Taycan，宣称充电15分钟实现80%的电量，搭载800V电压平台，充电速度居于业内榜首。目前特斯拉、奥迪、起亚等海外车企和比亚迪、上汽、埃安、蔚来等国内车企相继推出了搭载快充技术的电动化平台方案。我们认为，当下新能源车行业竞争激烈，快充技术作为解决新能源车里程焦虑的差异化性能，成为车企引流消费者的一张名片，有望迎来大规模商业化导入。 2.快充技术是系统工程，推动“电器件”迭代换新 快充技术的应用是系统工程，涉及新能源汽车多环节核心零部件的迭代。新能源汽车产业链囊括动力电池、电子电气部件、整车制造等多行业和多环节。为了实现快速充电，需要多个层面的开发和配合。快充技术主要涉及微电池技术和宏电池技术，微电池技术致力于研究电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池内部生态；宏电池技术主要关注与充电桩、热管理、电池系统和充电协议。快充的逐步应用，将有望催生电池材料、电池包及相应的电动车电子电气架构和充电站的开发、快充期间电网负载平衡方面的产品迭代创新。 3.能量体系-电芯：提高锂离子迁移速率以提升快充能力 锂离子和电子在电极和界面中的迁移速率很大程度上决定了快充能力。通过各种策略提高主体材料和界面中的锂离子的扩散速率和离子电导率被认为是提高快充能力的主要方法。 负极材料：造粒、包覆工艺提升快充性能 3.1 负极材料是限制快充的主要因素。在充电条件下，负极作为锂离子的接受体，需要具备快速接纳大量锂离子嵌入的能力。在快充过程中，负极材料依然存在一些技术瓶颈。第一，虽然石墨独特的层状结构可以实现锂离子的嵌入，但由于石墨层间距较小，造成锂离子的扩散阻力较大，扩散动力学不理想，从而无法达到理想的倍率性能。第二，锂离子嵌入石墨时较长的扩散路径会使得电池的倍率性能不理想。第三，在快速充电的情况下，较大的极化会使石墨的嵌锂电位无限接近于锂金属的沉积电位，从而出现表面析锂甚至产生锂枝晶，不仅会导致电池性能下降，甚至会造成内部短路或热失控。第四，石墨的片层结构之间由微弱的范德华力连接，因此结构不稳定。锂离子嵌入过程中伴随的溶剂分子共嵌入会导致石墨片层的剥离和脱落，进而影响电化学性能。 通过造粒、表面碳包覆、表面功能化等措施改善石墨负极性能，使其满足快充需求。对石墨材料，锂离子的传导速率主要受颗粒的大小、粒度分布、取向性、表面状态等因素的影响。通过造粒可以控制石墨的颗粒大小、粒径分布和形貌。小颗粒石墨材料之间存在凹孔，可以提高材料保液性能和降低材料的膨胀系数，缩短锂离子的扩散路径，降低锂离子的浓差极化，因此小颗粒有利于提高材料倍率性能。表面碳包覆是指以石墨材料为内核，在其表面包覆一层无定型碳材料，形成一种核壳结构。表层的无定型碳相当于形成一层缓冲层，可以有效吸附电解液，更有利于锂离子的扩散，降低锂离子在石墨表面的传递阻力，增加了锂离子的扩散通道，从而可以改善石墨材料的大电流充放电性能。另外，亦可以通过石墨材料的表面功能化，例如通过KOH在石墨表面刻蚀、氧、氮等元素掺杂来提高石墨的活性位点，来提高石墨材料的快充性能。 3.2电解质：LiFSI满足快充更高的安全稳定性和导电能力 快充模式对电解液的热稳定性及导电性提出更高要求，新型锂盐LiFSI具备更优性能。电解液被称为电池的“血液”，充当连接正极和负极的桥梁，在电池内部发挥离子传导的功能。它不仅可以调节电极/电解质界面，还可以影响电池的性能，茹容量、内阻、倍率性能、工作温度和安全性能等。通常，锂离子在液态电解质中的扩散系数比固体电极中的扩散系数高几个数量级，溶剂化锂离子在电极/电解液界面的去溶剂化是决定电池快充能力的重要因素，因此增加电解液的离子电导率有利于降低锂离子的溶剂化和去溶剂化活化能，并实现快充。此外，电极/电解液界面的不稳定性是限制快充过程中电解液耗尽、可循环锂离子损失以及电极-电解液界面之间电荷转移的另一原因。目前电解液的主流锂盐LiPF6在高电压的情况下会出现严重的析锂反应，同时高电压带来的高温会严重影响LiPF6的化学性质，降低充电速度和电池使用寿命。要实现快充，必须要用更高性能的锂盐对LiPF6进行替代，LiFSI在电解液的热稳定性以及导电性等方面优势明显。国内部分电解液企业已具有LiFSI批量供应能力，并有望在需求驱动下加速应用。 导电剂：碳纳米管导电性能优异 3.3 碳纳米管具备更高导电率，更能满足快充要求。导电添加剂的作用是在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流，以减小电极的接触电阻、加速电子的移动速度。锂电池目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、碳纤维、碳纳米管(CNT)以及石墨烯等。其中，炭黑类、导电石墨类和碳钎维属于传统的导电剂；碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂材料。碳纳米管呈圆柱状，内部中空，具有良好的电子导电性。柱状结构能够与活性材料点对线接触，在电极活性材料中形成连续的导电网络，充当“导线”的作用，有利于提高电池容量、倍率性能、电池循环寿命、降低电池界面阻抗等。根据GGII数据，2022年中国动力电池市场仍以炭黑为主，以碳纳米管为代表的新型导电剂市场份额约24%。随着充电倍率的提升，更高导电率的导电材料将获得更多应用。 3.4电极设计：降低电极厚度有利于提高快充能力 电极的面密度也能对电池的快充性能产生重要的影响作用，降低电极厚度有利于快充能力的提高。基于目前的电池技术，功率型和能量型电池之间的主要区别在于正极和负极的厚度。当前为提高电池的能量密度，往往采用的是较厚的电极。然而在充电过快的情况下，锂离子不能到达电极活性材料的所有的储存位点，因此需要改进电极制造工艺，采用小颗粒活性物质进行涂薄，从而提升电池的快充性能。 4.管控体系-电池包+零部件：全面升级适配快充性能 电池包：液冷符合快充模式下高散热要求 4.1 快充模式对电池系统的散热提出更高要求，液冷散热有望得到推广。电动车电池热管理系统通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度。目前主流散热系统有液冷散热和风冷散热。由于快充模式下新能源汽车电池中心区域的温度较高，其所需要的散热方式有望向液冷散热转变。 快充有望带来液冷板工艺改进和需求提升。液冷板是采用液体作为冷却介质的冷却板，其原理是在金属板材内加工形成流道，元件安装于板的表面，中间涂装导热介质，通过冷却液在板内流动带走元件所发出的热量，从而起到降温效果。2022年6月23日宁德时代发布能够满足4C快充技术CTP3.0麒麟电池。为保证在快充环境下电池的安全性能，麒麟电池创造性地将隔热垫、水冷板和横纵梁进行了三合一的集成，将传统设在底部的水冷功能件置于电芯之间，使得水冷板的散热从单面散热变为双面散热，将电池整体换热面积扩大了4倍。 车载电源系统：高电压化方案实现快充效果 4.2 车载系统高压化逐渐成为解决动力电池充电慢问题的核心方案。快充技术的核心在于提高整车充电功率，包括大电流及高电压两种方式。根据公式，功率(P)=电压(V)*电流(I)，实现大功率充电有两种方式：(1)加大充电电流，(2)提高充电电压。根据动力电池补能的充电功率（kW）=电压（V）*电流（A）。在现有常规400V充电电压下，若直接提升车载电源的充电功率，则需要提升充电电流，其优点在于，可以更好的兼容现有充电网络。然而大充电电流需要使用更粗更重的线束、散热管理难度大幅提升，整车的高压线束、PDU等部件需更换为通流能力大的产品，使得整车重量和成本增加。相较于常规400V充电系统，在同等功率的情况下，800V电压平台可以降低50%的电流，从而显著减少整车线束等零部件重量及成本和提升驱动效率。目前看，除特斯拉外，主流车企倾向于探索高电压方案实现快充效果。 为实现高电压充电，需要增加单体电池串联个数，对电芯的一致性提出了高要求。单体锂电池之间在容量、内阻、衰减等方面的有差异，因此在对串联的电池组充电时，电池组中容量最小的锂电池单体将最先充满电，而其他电池此时还没有充满电。若继续充电，则已充满电的单体锂电池就会被过充电。而锂电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害，因