【国君电新】超充电池量产在即,充电效率再提速——快充行业系列之二

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10月22日报告《超充电池量产在即，充电效率再提速——快充行业系列之二》。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 随着宁德时代发布全球首款磷酸铁锂4C超充电池，快充技术向更低成本、更大范围和更高充电速度推广应用，具备相关 快充技术的头部锂电企业有望受益。 摘要 投资建议：我们认为，以宁德时代为代表的头部电池企业正在引领行业跨入新能源车的超充时代，推进新能源车市场空间进一步抬升，看好布局快充技术研发生产的各环节龙头企业。推荐1）电池：宁德时代、亿纬锂能，受益标的：国轩高 科、欣旺达；2）负极：贝特瑞、璞泰来、中科电气，受益标的：信德新材；3）导电剂：受益标的：黑猫股份、天奈科 技。 神行超充电池亮相，充电效率再提升。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，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、高孔隙率隔离膜等技术革新，为4C超充的实现打下基础。相较于传统快充电池，神行超充电池主要有三大优势：（1）充电10分钟，续航400公里；（2）全温域快充，低温性能不减（3）超长续航与超高安全保障。 快充技术是系统工程，电芯材料迭代更新。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。具体到电池角度，涉及到电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池材料体系生态的研究。由于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）等途径可以优化电芯材料，提高主体材料和界面中的锂离子扩散速率和离子 电导率，提升快充能力。 超充电池量产在即，国内车企积极参与配套。2022年以来混动新能源能由于更好解决用户的里程焦虑问题比例持续提升。超充技术的普及，将有望很好缓解用户纯电里程焦虑，带动纯电动新能源比例及电池行业装机规模提升。目前阿维 塔、哪吒、奇瑞等车企已先后启动旗下车型的搭载宁德时代4C神行电池，同时，其他头部电池企业的快充技术研发推广也日益成熟。头部电池企业的快充产品有望成为车企引流消费者的一张差异化名片，迎来大规模商业化导入。 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.神行超充电池亮相，充电效率再提升 1.1宁德时代发布全球首款磷酸铁锂4C超充电池 2023年8月16日宁德时代正式发布全球首款磷酸铁锂4C超充电池——“神行超充电池”。“神行超充电池”具有高能量密度 （500Wh/kg）、高安全性、长寿命等优势，实现了“充电10分钟，续航400公里”的超快充速度，在-10℃下实现30分钟充电80%SOC，续航里程高达700公里以上，极大缓解了用户的补能焦虑，全面开启新能源车的超充时代。公司预计，该款超充电池将于2023年底实现量产，2024年一季度正式装车。 变化一：充电10分钟，续航400公里 4C有望成为超级快充代名词。电池的充放电倍率通常用C来表示。4C表示即在给定的电流强度下在一定充电范围内充满电池仅需15分钟。神行快充电池作为首款能够实现4C超充的铁锂电池，成功实现“充电10分钟，续航400公里”，使用户能够在短时间内享受长途续航，大大减少充电等待时间，提高电动汽车的实用性。 图1：神行电池10分钟充电可满足核心城市间穿梭需求 数据来源：宁德时代 变化二：全温域快充，低温性能不减 常温状态下，神行超充电池10分钟可充至80%SOC。同时，宁德时代在系统平台上采用电芯温控技术，解决了磷酸铁锂低温快充的难关，使电芯最大限度地均匀发热，在低温环境下也可以快速加热到最佳工作温度区间，即使在-10℃低温环境下也可实现30分钟充至80%，而且在低温亏电状态下零百加速不衰减。 图2：神行超充电池在整体性能参数上行业领先 数据来源：宁德时代 变化三：超长续航与超高安全保障 宁德时代在CTP3.0的基础上，开创性地提出一体成组技术，实现了高集成性、高成组效率，使得神行超充电池突破磷酸铁锂性能上限，可实现700公里以上长续航。同时，神行超充电池使用了改良的电解液，并配备了高安全涂层隔膜，为电池安全上 了“双保险”。此外，通过智能算法对全局温场进行管控，宁德时代打造故障实时检测系统，克服快速补能带来的诸多安全挑战，使神行超充电池具备极致的安全水平。 1.2解构宁德时代神行超充电池材料体系 为了实现神行超充电池的优异产品性能，宁德时代重新定义磷酸铁锂电池材料体系。4C超充的实现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，为4C超充的实现打下基础。 提升锂离子脱出速度：在正极材料方面，神行超充电池采用超电子网正极技术、充分纳米化的磷酸铁锂正极材料，并搭建四通八达的超电子网，降低了锂离子脱出阻力，使充电信号快速响应。 提升锂离子附着效率：在负极材料方面，神行超充电池创新性地采用了宁德时代最新研发的二代快离子环技术，对石墨表面进行改性，增加了锂离子嵌入通道并缩短嵌入距离，为离子传导搭建“高速公路”。同时，神行超充电池通过多梯度分层极片设计，实现快充与续航的完美平衡。 降低锂离子传导阻力：在电解液方面上，宁德时代研发了全新的超高导电解液配方，有效降低电解液黏度，显著提升电导率。此外，宁德时代还优化设计超薄SEI膜，进一步降低锂离子传导阻力。 改善锂离子液相传输速率：在隔膜方面，宁德时代通过高孔隙率的隔离膜改善了隔离膜高孔隙率和低迂曲度孔道，从而改善锂离子液相传输速率。 2.快充技术是系统工程，电芯材料迭代更新 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。具体到电池角度，涉及到电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池材料体系生态的研究。由于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。 2.1负极材料：造粒、包覆工艺提升快充性能 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。 2.2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，如容量、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：导电炭黑及碳纳米管提升性能 2.3 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。炭黑颗粒的粒径小，比表面积大、堆积紧密，有利于颗粒之间紧密接触，充当电极中“导线”的作用，组成的导电网络。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。 图8：碳纳米管可在电极活性材料中形成连续的导电网络 数据来源：《FastChargingofLithium-IonBatteries:AReviewofMaterialsAspects》，国泰君安证券研究 2.4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。 3.超充电池产量在即，车企积极参与配套 纯电动新能源为市场主流，插电混动解决里程焦虑增长更快。2023年1-9月我国新能源汽车累计销量627.8万辆，同比增长 37.5%。从行业销量结构来看，插电混动尽管单车带电量小，但由于混动能更好解决用户的里程焦虑问题比例持续提升。 2023年9月中国纯电动汽车销量62.7万辆，同比16.2%。插电式混动汽车销量27.7万辆，同比64.4%，占比已突破30%。我们认为，随着超充技术的普及，将很好缓解用户纯电里程焦虑，带动纯电动新能源比例及电池行业装机规模提升。 图10：2022年以来插电比例有所提升 数据来源：中汽协，国泰君安证券研究 打造差异化高端车型，车企积极参与快充电池配套。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，开启行业对快充技术的探索。2023年8月宁德时代神行超充电池一经发布，阿维塔、哪吒、奇瑞等车企先后启动旗下车型的搭载。考虑到宁德时代神行超充电池自发布到首发车型仅2个月以及公司2023年底量产2024年一季度正