电力设备新能源行业800V高压快充新技术系列报告（二）：宁德时代“神行”4C超充电池发布，开启材料端技术进步新篇章

证券研究报告 宁德时代“神行”4C超充电池发布 开启材料端技术进步新篇章 ——800V高压快充新技术系列报告（二） 2023年8月17日 作者：光大电新 殷中枢 / 陈无忌 请务必参阅正文之后的重要声明 核心观点 宁德时代发布“神行”超充电池发布会，实现磷酸铁锂电池4c超充。为了解决电动车用户群体从先锋用户转向大众用户，以及需求重心从续航里程转向补能效率，新产品的定位为实现普通大众的快速补能。2023年8月16日，宁德时代发布全球首款磷酸铁锂4c超充电池，实现充电10min，神行800里（400km）。超充电池不再是高端用户选配，而成为电动车的标配产品，预计2023年底量产，2024年一季度上市。 材料、结构、体系全方位创新实现4C超充，负极改性及包覆受益弹性大。超电子网正极、石墨快离子环、超高导电解液配方、超薄SEI膜、高孔隙率隔离膜等技术创新共同为4C超充的实现打下基础。我们认为，负极是实现快充的核心环节。石墨快离子环技术对石墨表面进行改性、多梯度分层极片设计，实现快充与续航的平衡。负极包覆材料用量提升是受益于超充电池的重要方向。 高压快充需要电池-车-桩-网端协同升级，电池及材料端渗透率有望首先看到快速提升。我们认为，电池超充快充技术虽具备技术基础，但过去一直作为高端车型的选配，宁德此次发布会的意义更在于使得4C超快充电池成为搭载在普通车型上的标配产品。高压快充作为解决当前消费者补能焦虑的技术趋势，电池及材料端的落地是第一步，渗透率有望首先看到提升，后续充电桩端大功率化、车端800V高压化将是下一阶段重点。 1 建议关注：信德新材（负极包覆材料用量提升）、黑猫股份（正极导电网络对导电剂要求提升）、天赐材料（LiFSI用量提升）等。 风险提示：快充车型销量不及预期、技术进步不及预期等。 nPnOtOmPrNrPpRoRsOtO8O8Q8OpNnNmOsRiNoOxPkPnMtM8OqRrOvPrNqMuOqRrN请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 宁德时代发布“神行”4C超充电池，实现平价超充 2 材料端：快充带来电池材料的升级需求 投资建议 风险分析 请务必参阅正文之后的重要声明 1.1 宁德时代发布“神行”磷酸铁锂4C超充电池，实现平价超充 2023年8月16日，宁德时代发布“神行”超充电池新品发布会，是全球首款磷酸铁锂4c超充电池。为了解决电动车用户群体从先锋用户走向大众用户，以及需求从续航里程转向补能效率，新产品的定位为实现普通大众的快速补能。 全球首款磷酸铁锂4c超充电池，充电10min，神行800里（400km）。低温性能方面，-10°C下实现30分钟充电80%SOC；续航里程达到700km，实现超长续航。 图1：宁德时代“神行”超充电池 3 资料来源：宁德时代快充新品发布会 请务必参阅正文之后的重要声明 1.2 材料、结构、体系全方位创新 图2：宁德时代超快充技术 4 资料来源：宁德时代官网 材料、结构、体系全方位创新，实现4C超充。实现快充需要电池各材料环节共同技术创新，宁德时代通过超电子网正极、石墨快离子环、超高导电解液配方、超薄SEI膜、高孔隙率隔离膜等材料创新，共同为4C超充的实现打下基础。宁德时代4C超充电池计划2023年底量产，2024年一季度上市。 请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 5 宁德时代发布“神行”4C超充电池，实现平价超充 材料端：快充带来电池材料的升级需求 投资建议 风险分析 请务必参阅正文之后的重要声明 6 材料端：快充带来电池材料的升级需求 2.1 材料端：快充带来电池材料的升级需求 电池快充难点：平衡高能量密度和倍率性能， 同时高倍率会带来更为严重的析锂副反应和产热效应， 造成电池的安全性降低。 通过改善负极、电解液、正极、隔膜等提高锂离子电池的快充循环性能。 图3：锂离子电池热失控机理图 资料来源：汤爱华等，《电动汽车用锂离子动力电池大功率快充方法研究》，2021，光大证券研究所整理 图4：不同尺度下锂离子电池快充的影响因素 资料来源：Janek，《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》，2021，光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 7 负极：快充主要限制因素，表面析锂+体相扩散 2.2 负极：快充关键破局点，包覆与梯度分层极片设计 负极为快充主要限制因素。 由于动力学条件相对比较差， 因此在快速充电的过程中容易发生表面析锂的反应， 进而减少负极可供Li嵌入的有效面积， 一方面降低电池容量、 增加内容、 减少寿命， 另一方面界面晶体生长， 影响安全性。 石墨层状结构决定了锂离子必须从材料的端面嵌入，并逐渐扩散至颗粒内部，导致扩散路径较长，快充性能不佳。 图5：锂离子电池负极充电机制 资料来源：Zhang，《A review on energy chemistry of fast-charging anodes》，2020，光大证券研究所整理 图6：锂离子电池快充析锂的反应机制 资料来源：Zhang，《A review on energy chemistry of fast-charging anodes》，2020，光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 8 负极：包覆与梯度分层极片构建快离子环 2.2 负极：快充关键破局点，包覆与梯度分层极片设计 从理论角度上来看，增强石墨的快充能力有以下两种策略： 强化单一相扩散，指强化锂离子在石墨颗粒内部或在电解液中的扩散能力；增强界面动力学，指加速锂离子的去溶剂化，提高锂离子在固体电解质界面(SEI)膜的迁移能力。 宁德时代提出二代快离子环技术，对石墨表面改性（修饰多孔包覆层），为电流传导搭建高速公路。另外，多梯度分层极片设计，实现快充与续航的平衡。 图7：负极的表面改性策略：表面刻蚀（左）、通过碳纳米管增加扩散孔径（右） 资料来源：Zhang，《 A review on energy chemistry of fast-charging anodes 》，2020，光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 9 负极：造粒/二次造粒影响快充性能 2.2 负极：快充关键破局点，包覆与梯度分层极片设计 造粒影响石墨颗粒的大小、 分布和形貌， 从而影响倍率性能等。 小颗粒石油焦、 针状焦通过二次造粒得到较大粒度产品， 与同粒度产品相比， 能有效 缩短锂离子的扩散路径， 提高倍率性能， 同时也能提高材料的高低温性能和循环性能。 图8：人造石墨负极生产工艺流程图 资料来源：璞泰来招股说明书，光大证券研究所 图9：人造石墨负极生产工艺流程图 资料来源：贝特瑞招股说明书，光大证券研究所 请务必参阅正文之后的重要声明 10 负极：硅负极是面向快充的更好选择 2.2 负极：快充关键破局点，包覆与梯度分层极片设计 硅负极可从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状端面方向提供，因此硅负极是面向快充的更好选择。 硅碳复合（Si-CNTs）提供了解决硅负极体积膨胀、电子传输缓慢问题的有效途径；与纯硅相比，硅碳复合增加了负极的快充能力。然而，复合材料的使用仍然受到能量密度和高制造成本的阻碍。 钛酸锂、锂铌钨氧化物的掺杂同样可以在一定程度上实现快充性能的提高。 图10：Si[110] 纳米线中锂离子的扩散路径和相应的势垒 资料来源：Janek，《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》，Advanced Energy Materials，2021；光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 11 电解液：溶剂化结构调控抑制共嵌 2.3 电解液：溶剂化的调控、高导率的追求 对石墨负极而言，在常规的低浓度电解液中，锂离子被大量溶剂溶解，形成锂离子溶剂化鞘层。当锂离子嵌入石墨阳极时，溶剂分子在石墨的夹层中发生共嵌入。调节锂离子的溶剂化结构，有效抑制溶剂分子共嵌入，是提高石墨的快充性能的一种有效策略。 2023年7月“2023中国汽车论坛第五届全球汽车技术发展领袖峰会”上，宁德时代首席科学家吴凯称，电解液在降低粘度方面取得了突破，重点攻克了导电率，并且研发了一些新的添加剂。 图11：调节溶剂化结构以抑制溶剂分子共嵌入的示意图 资料来源：Xu，《The Role of Cesium Cation in Controlling Interphasial Chemistry on Graphite Anode in Propylene Carbonate-Rich Electrolytes》，2015，光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 12 电解液：高电导率锂盐利于快充 2.3 电解液：溶剂化的调控、高导率的追求 在以酯类有机物为溶剂(碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯)(EC/EMC)的常规电解液中， 含双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)的电解液具有比含其他锂盐(LiFSI > LiPF6 > LiTFSI> LiClO4 >LiBF4)电解液更高的电导率，因此利于快充。 得益于不同锂盐间的协同效应，采用锂盐混合物作为电解质也能改善石墨的快充能力。例如，在LiPF6基电解液中添加少量双草酸硼酸锂(LiBOB)，可以建立更为稳定的SEI膜，从而极大改善石墨负极的倍率性能和循环稳定性。 图12：不同锂盐体系对电池充放电曲线的影响（1C） 资料来源：Xu，《Electrolyte additive enabled fast charging and stable cycling lithium metal batteries》，Nature Energy，2017；光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 13 隔膜：高孔隙度隔膜 2.4 隔膜：高孔隙度隔膜 隔膜性能直接影响锂离子扩散速度、电解液的保持性、体系内阻和界面结构的组成，从而对电池快充性能产生影响。 宁德时代为实现4C快充，在隔膜端改善隔离膜高孔隙率、低迂曲度孔道、锂离子液相传输速率。 图13：不同隔膜组装的锂离子电池的倍率性能 资料来源：吴明霞等，《不同隔膜对快充型三元锂离子电池性能的影响》，2019；光大证券研究所整理 图14：宁德时代高孔隙率隔离膜 资料来源：宁德时代快充新品发布会 请务必参阅正文之后的重要声明 14 正极：磷酸铁锂导电性较差， 快充易发热 2.5 正极：导电网络构建是核心 磷酸铁锂导电性较差，构建超电子网络是核心。2023年8月16日，宁德时代“神行”超充电池发布会强调为磷酸铁锂正极搭建超电子网，提高锂离子脱出效率。 电池BMS与热管理要求提升：2018年电动汽车大功率充电试点专题研讨会上，宁德时代展示了自加热技术通过BMS电池管理系统识别电池状态，拟定速热控制策略，能使电池温度在15分钟内从-20°C提升到10°C，充电能力提高5倍，放电能力提高7倍。 图16：通过对磷酸铁锂电池自加热可提升全方位性能 资料来源：Chao-Yang Wang，《Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles》，2021，光大证券研究所整理 图15：宁德时代超电子网正极技术 资料来源：宁德时代快充新品发布会 请务必参阅正文之后的重要声明 15 正极：单晶不利，多晶占优；高镍不利，低镍占优 2.5 正极：导电网络构建是核心 三元材料中，正极的镍含量越高，在循环过程中越容易出现体积膨张的现象，其颗粒粒径会随着循环逐渐增大，而快充性能与正极颗粒粒径直接相关，因此高镍的结构稳定性不足以支撑其快充。 多晶的快充性能相较单晶会更好。单晶的烧制温度高，颗粒粒径大，多晶的一次颗粒粒径小于单晶，因此快充性能更好。 图17：一