电力设备行业电动车高压快充系列报告之电池&材料篇：高压快充凭风起，技术升级正当时

电动车高压快充系列报告之电池&材料篇 ——高压快充凭风起，技术升级正当时 分析师：尹沿技（SAC职业证书号S0010520020001）2023年8月24日 报告要点 现阶段高压快充和换电将并行发展，相互补充，共同构成新能源汽车快速补能场景。随着新能源汽车渗透率不断提升，虽然动力电池能量密度和续航里程均实现大幅提升，然而消费者里程焦虑问题仍较为显著。如何实现高效率补能，仍是行业当前亟待解决的问题，以蔚来、宁德为首的主机厂和电池厂推出的换电方案，广汽、小鹏、华为等为首的车企和互联网巨头推出的超级快充方案，均尝试解决电动车高效补能问题。在自动驾驶和人车交互等智能化尚未成熟落地之前，车企较难以此建立护城河，故换电模块和接口很难做到统一。而车企自主搭建的高压快充平台以及充电设施将成为竞争的优势之一。 高压快充将是继高镍之后动力电池又一次影响较为全面的重大技术升级。快充模式下，从电池材料到电芯体系设计以及充电模式等都会影响到电池的性能保持，材料原子层级到车用系统层级都可能成为影响锂离子电池快速充电的因素。我们认为超级快充将减缓车企在能量密度和续航里程的军备竞赛，降低车企的成本压力，对于动力电池而言，将是继高镍之后又一次影响较为全面的重大技术升级。 动力电池和上游材料将率先受益技术升级。动力电池作为新能源汽车电量存储和释放的媒介，超级快充车型的动力电池将是最早实现升级的核心部件。快充电池作为复杂的电化学体系，实现快充性能的提升，涉及到电池体系的重新设计、负极材料的改性、电解液配方的优化、隔膜的升级、导电剂、粘结剂等辅材的搭配等。 报告要点 此轮技术升级，电池端我们重点看好在基础研发领域长期投入的头部企业，材料端看好具有优异快充性能的负极企业，具有特殊添加剂、新型锂盐的电解液企业和受益于快充渗透率持续提升的碳纳米管导电剂企业。 投资标的：宁德时代、杉杉股份、中科电气、信德新材、璞泰来、新宙邦、天奈科技、黑猫股份 电池(宁德时代：公司通过多年的研发投入和技术积累，将充分受益此次技术升级带来的变革，继续保持强有力的竞争优势；)负极(杉杉股份：快充型负极突破快充极限，领先优势明显；中科电气：专注石墨负极，研发实力强劲；信德新材：负极包覆龙头；璞泰来：高端负极龙头，相关技术积淀深厚)电解液(新宙邦：添加剂种类丰富，布局溶剂和新型锂盐)导电剂(天奈科技：碳纳米管龙头，受益于快充渗透率提升；黑猫股份：炭黑龙头，材料端放量在即) 关注标的 目录 政 策 落 地 ， 车 企 发 力 ， 快 充 电 池 加 速 渗 透 2 高 压 快 充 推 动 电 池&材 料 升 级 高 压 平 台 架 构 下 电 池 企 业 快 充 赛 跑 3 4 按充电技术，充电桩可分为直流桩和交流桩 新能源汽车动力电池主要通过充电和换电两种方式实现补能。按照不同充电技术分类，充电桩可分为直流桩和交流桩。交流充电桩，俗称“慢充”，一般是小电流、桩体较小、安装灵活，充电速度较慢，由于技术成熟，成本较低，一般集中在居民小区。直流充电桩，俗称“快充”，一般是大电流，桩体较大，可以提供足够功率，短时间内充电量更大，实现快充要求，因此多集中在对充电效率要求较高的场所，比如高速公路服务区、集中型充电站等地。 快充可以分为高电压快充和大电流快充 充电时间由电压和电流共同决定。对于充电桩而言，充电时间=电池容量/充电功率，由于增大电池容量提高电动车的续航能力，这是发展的必然趋势，因而想要缩短充电时间，大功率充电是最佳解决方案之一。又因功率=电压×电流，想要缩短充电时间，可以通过增大电流和提高电压的方法来增大充电功率。 快充可以分为高电压快充和大电流快充，高压快充更受桩企和车企的偏爱。大电流快充对散热性的要求较高，高电压快充则可以提升安全性和能量转换效率，因而高压快充获得了大部分桩企和车企的青睐。 国家和地方政策接连落地，快充网络建设按下快进键 新能源发展之初，关于车桩比等充电问题就甚嚣尘上，经过多年的建设，覆盖全国的充电网络初步形成，早期电动车的电池技术水平的限制，主要以低倍率慢充为主。 国家和地方政策接连落地，快充网络建设按下快进键 随着远距离出行需求增多，2014年以高速公路服务区配套建设快充网络为基础的政策开始提出，2020年政策提出居民充电服务慢充为主、应急快充为辅、公共充电网络快充为主、慢充为辅的建设思路。2022年政策提出在我国现行直流充电接口技术方案基础上，进一步提高充电电流电压，全面支持快充基础设施的建设。2023年最新政策提出要通过加强科技创新引领，从而提升车网双向互动能力，鼓励新技术创新应用，加快推进快速充换电、大功率充电、智能有序充电、无线充电、光储充协同控制等技术研究。 新能源汽车需求呈爆发式增长，以纯电动车为主 新能源汽车需求的爆发式增长：在各国政策的大力支持下，下游车企加大新能源业务发展力度，推动优质新能源车型投放、续航里程提升、智能驾驶体验优化和配套设施进一步完善，消费需求显著提升。2022年新能源汽车销量为688.7万辆，23年上半年新能源汽车保有量达1620万辆，同比增长近53%。 电动汽车以纯电为主：2023年上半年，新能源汽车销量为374.7万辆，同比增长44.1%，其中纯电新能源汽车实现271.9万辆的销量，占比72.56%；插电式混合动力售出102.5万辆，占比27.36%。 资料来源：国家统计局，中国汽车工业协会，iFinD，华安证券研究所整理 高电压架构将成为下一代电动汽车主流平台 为匹配用户快速充电需求，车企正加快发展大功率高压快充，充电时间向10分钟以内迈进。2021年以来，国内外车企掀起了一轮800V电压平台车型发布潮，广汽埃安、比亚迪e3.0、小鹏G9的800V高压车型充电仅需5min，此外北汽极狐、东风岚图、长安C385、吉利极氪001等高电压平台车型均已经实现上市销售。 车企发力，政策接连落地，快充类电池加速渗透 高电压平台车型加速渗透。根据国内主要车企发布的800V及以上高压快充车型规划，2022年逐步量产，预计2023年满足3C以上高端高电压平台车型将密集上市，2025年主流车型将均会支持高压快充，到2026年，800V及以上高电压平台车型销量预计可达580万辆，占国内电动汽车比例达50%。2025年快充类动力电池需求量约为350GWh，占国内动力电池装机量的59%，快充类动力电池加速渗透。 消费类快充前车可鉴，技术路径有据可依 智能手机快充大获成功，使得高压快充技术路径有据可依。目前手机电池已经实现7C快充，自智能手机快充方案推出以来，手机充电速度一直在不断的刷新。2023年6月，巨湾技研发布了其自主研发的巨湾凤凰电池，可实现8C极速快充，6分钟可实现0-80%充电，论证了锂离子电池高倍率充放电的可行性。 目录 政 策 落 地 ， 车 企 发 力 ， 快 充 电 池 加 速 渗 透 2 高 压 快 充 推 动 电 池&材 料 升 级 高 压 平 台 架 构 下 电 池 企 业 快 充 赛 跑 3 4 高倍率成为动力电池争夺新高地 高倍率动力电池对技术提出更高标准。由于车规级动力电池的特殊性，电池的体积较大，散热条件较差，对于如何保证电池的安全性提成更高的要求。另外动力电池对于循环寿命的要求要远远高于消费电池，这也加大了高倍率型动力电池实现的难度。 快充动力电池将是继高镍之后又一次重大技术升级 超级快充模式下，从电池材料到电芯体系设计以及充电模式等都会影响到电池的性能保持，材料原子层级到车用系统层级都可能成为影响锂离子电池快速充电的因素。 影响因素大小排序：材料原子尺度＞材料微观结构＞电芯体系设计＞PACK(散热、一致性等）＞系统（充电模式，热管理、使用习惯等） 资料来源：《Lithium-ion battery fast charging: A review》，国际交通电动化杂志，华安证券研究所整理 快充动力电池将是继高镍之后又一次重大技术升级 电池充电原理：充电时Li+从正极经过电解液传输到负极，其中主要的传输路径有：1）经过固态电极；2）经过正负极的电极/电解质界面；3）经过电解液，包括Li+的溶剂化和去溶剂化；4）Li+在电解液中穿过隔膜，运动到负极。 正极：科学研究表明正极的衰减和CEI膜的增长对锂离子电池的快充速度没有影响（一个萝卜一个坑），而正极的颗粒大小和电子导电速率可以提升离子扩散和电子导电的速率，正极可以通过减小正极颗粒和增加导电性提升快充性能； 负极：负极材料内部的固相扩散系数相对较小（逐层嵌入），限制了电池的大电流充放电能力，负极成为电极反应的控制步骤，提升负极材料本身的快充特性尤为重要； 资料来源：《Lithium-ion battery fast charging: A review》，国际交通电动化杂志，华安证券研究所整理 快充动力电池将是继高镍之后又一次重大技术升级 电解液：溶剂的粘度、锂盐的浓度和扩散系数、功能添加剂以及浸润性等都对快充有较大的辅助作用； 导电剂：导电剂作为一种关键辅助材料，可以减小电极的接触电阻，加速电子的移动速率，进而提高电池倍率性能，导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等作为导电剂被广泛用在快充型电池中； 隔膜：隔膜的厚度、孔隙率和透气度对锂离子电池快充影响较大，电池提高快充特性优先选择更薄、孔隙率和透气度更高的隔膜。 资料来源：《Lithium-ion battery fast charging: A review》，国际交通电动化杂志，华安证券研究所整理 碳包覆、硅碳负极、二次造粒是负极改性的三种主要方式 碳包覆、硅碳负极、二次造粒是负极改性的三种主要方式。负极是快充的核心环节，目前电池多采用石墨负极，直接用于快充会存在扩散系数较低、析锂效应等问题。因此需对负极改性，主要方式包括碳包覆、二次包覆、使用硅碳、二次造粒。其中碳包覆的多孔通道可以为Li+提供更多传输路径，从而提升倍率性；硅碳可以提升负极析锂电位，降低锂析出效应，提升安全性。 碳包覆：碳包覆材料成本占负极成本3%，占整个电池包成本小于0.3%。因此碳包覆材料特点是“低成本敏感+高性能相关”，即增加很低的成本就可以对性能提升很大；用量上，1C碳包覆比例约1%，1.5~2C碳包覆需求达5%，4C充电碳包覆需求可以超过10%，快充电池碳包覆用量提升超过一倍。 资料来源：《An Ultrastable Cathode for Li-Ion Batteries》，《巨头将发布新技术！》，研迅社，华安证券研究所整理 碳包覆、硅碳负极、二次造粒是负极改性的三种主要方式 硅碳负极：硅的电压平台比石墨高，充电时析锂的可能性不高，高压快充时在安全性能上，硅碳负极与石墨相比优势较大。但硅的导电性较差，同时体积膨胀系数较大，同样材料需要改性：（1）表面碳包覆，有机改性；（2）使用多孔硅碳合金负极，获得含有大量羟基的复合材料，通过羟基与碳酸酯的相容性促进锂离子的去溶剂化，实现高压快充。 硅的纳米化处理：硅纳米化，可以利用所有的硅，并预留膨胀空间，利于锂和硅化合物的形成，有效改善循环性能。此外，还可以对纳米硅进行补锂处理，解决硅碳负极电池首次充电效率低、以及电池循环寿命短的问题。但是，成本较高，工艺制程复杂，制备难度较大。 资料来源：《浅谈快充类负极材料》，《一种多层碳包覆的硅碳复合材料的制备方法与流程》，华安证券研究所整理 碳包覆、硅碳负极、二次造粒是负极改性的三种主要方式 二次造粒工艺：二次造粒有利于提高负极材料性能。二次造粒工艺是将骨料粉碎获得小颗粒基材后，使用沥青作为黏结剂，根据目标粒径的大小，在反应釜内进行二次造粒，经过后续石墨化等工艺，获得成品二次造粒负极材料。 二次造粒目的：石墨二次造粒是一种对粗石墨进行进一步精细划分、增加表面积的工艺，其中一次造粒减小负极颗粒体积，二次造粒重新结成大颗粒。通过二次造粒，可以让原有的石墨颗粒更