电力设备及新能源行业动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格局 35页

'电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局目录产能高速扩张，形成阶段性、结构性过剩局面42014-2017年电池产能快速扩张，产能过剩已成定局4阶段性过剩：扩产周期与需求增长错配，当前供给大于需求，但小于远景需求4结构性过剩：磷酸铁锂过剩，高端三元不足5动力电池发展方向：能量密度是撬动性价比的支点6价格持续下降是电动车替代燃油车的基础6提升电池容量是改善电动车性能的前提7提升电池能量密度是技术攻关的主要方向8五大因素制胜，安全性压倒一切9安全性—高悬的达摩克利斯之剑10电池热失控是电动车事故的主要来源10电池热失控的原因机理及控制11高镍化、大容量趋势增大安全隐患，车企决策更加审慎14能量密度—提升是必由之路，切忌欲速则不达15成本—电动车价格仍然偏高，补贴强度决定电池价格17充放电功率/倍率性能—优先级相对靠后18循环次数—重要但不具决定性20小结：差异化战略是取胜之匙，龙头强者恒强21投资建议：行业显示先发优势，龙头及其产业链企业前景光明22风险提示22 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表目录图表1：中国动力电池产能（分季度）情况统计4图表2：中国动力电池产量（分季度）情况统计4图表3：2017年中国动力电池企业产能统计5图表4：2017年中国动力电池企业出货量统计5图表5：电池企业的产能情况及规划5图表6：2017年主要电池企业的产能及产能利用率分化十分明显6图表7：2010-2030年动力电池价格及下游需求走势7图表8：不同类型新能源汽车带电量及续航里程（纯电动续航）7图表9：日产聆风汽车动力电池系统演变趋势8图表10：高镍材料具备更高的容量密度，但热稳定性和首次库伦效率较差9图表11：动力电池产品具有一定程度的差异性9图表12：动力锂离子电池的产品安全10图表13：新能源汽车起火的主要场景统计11图表14：电动车起火事故的原因统计11图表15：锂离子电池热分解反应的出发原因及发展过程12图表16：锂离子电池典型热失控过程12图表17：锂离子电池各种放热反应的温度区间与反应焓13图表18：不同正极材料pH值和表面残余锂（典型值）14图表19：正常电芯和胀气电芯气体成分分析14图表20：2018年补贴标准鼓励高能量密度电池系统15图表21：国内主流电池厂商产品能量密度水平统计15图表22：2018年5-8批补贴目录车型续航里程与能量密度统计16图表23：2010年以来全球动力电池系统成本及降幅17图表24：2017年国内主要电池企业销售价格17图表25：锂电池产品毛利率明显高于下游车企17图表26：随着充电电流密度增大石墨负极表明析锂现象更加明显19图表27：充电时间/倍率对于电池系统参数及价格的影响19图表28：特斯拉ModelS行驶20万公里后续航里程保持在90-95%20图表29：放电深度对于电池系统循环次数影响显著21图表30：提升充放电倍率将降低电池循环寿命21图表31：2015年以来宁德时代与比亚迪市场份额统计21 图表32：2015年以来宁德时代市场份额统计21图表33：国内主要电池厂商下游客户统计22 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局我们在行业深度报告《动力电池系列报告（一）：穿越2020，动力电池需求到底有多大？》中的分析结果表明：动力电池的行业需求有望在2030年之前保持25%以上的复合增速，成长空间巨大。但另一方面，由于过去几年国内电池产能高速扩张，目前全行业产能过剩情况突出，行业内企业境况已出现显著分化。出现这种境况的原因一是过去几年行业内产能扩张过于激进，2017年底动力电池规划产能已接近200GWh，而当年国内电池装机总量仅有38GWh，产能开工率严重不足；二是动力电池的下游客户是大众消费品，下游对于电池各项因素的综合考量决定了行业集中度较高。产能高速扩张，形成阶段性、结构性过剩局面2014-2017年电池产能快速扩张，产能过剩已成定局中国的锂电池行业起步较早，但在2014年以前锂电池主要用于消费电子行业，动力电池的产能相对有限。2014年国内新能源汽车行业的快速爆发极大地刺激了电池厂商和新进入者扩产的动力。从2014年下半年起，动力电池季度产能环比复合增速达到25%，单季产能从2014年1季度1.7GWh增加到2018年1季度的40GWh以上。尽管新能源汽车的产销量仍然保持较快增长，但增速远远落后于动力电池产能的增速。高工锂电调研显示，今年上半年中国动力电池出货量22.86GWh，而同期动力电池产能约为91.87GWh，产能利用率仅25%。随着新产能的继续投放，到今年年底动力电池年产能将达200GWh，可装备400万辆新能源汽车，是2018年产销量的4倍，因此产能过剩的局面短期内预计难以缓解。图表1：中国动力电池产能（分季度）情况统计图表2：中国动力电池产量（分季度）情况统计资料来源：GGII，资料来源：GGII，阶段性过剩：扩产周期与需求增长错配，当前供给大于需求，但小于远景需求尽管目前动力电池产能严重供过于求，但从中长期看，动力电池的需求量在上千GWh量级，现有产能仍需扩产近10倍才能满足供应。据彭博新能源财经估计，全球动力电池的总需求将从2016年的21GWh增长到2030年的1300GWh，15年内复合增速达35%，因此行业内的龙头企业还有很大的扩产空间。与此同时，动力电池扩产周期约2-3年，且呈现脉冲式增长的特点，新能源汽车的需求却是以比较 稳定的速度持续增长，电池企业提前储备产能抢占市场地位也是合理决策。尽管目前处于过剩局面， 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局但龙头企业可以通过规模优势降低成本绑定客户，从而提高产能利用率进一步降低成本，实现正反馈循环，以获取更多份额等待行业拐点到来。阶段性过剩将带来两个结果，首先市场集中度远高于产能集中度，中小厂商面临出局。2017年国内动力电池总出货量为33.5GWh，其中前五位和前十位的市场集中度分别达到61.6%和73.0%，而这些厂商的产能占比则仅有34.7%和52.0%。图表3：2017年中国动力电池企业产能统计资料来源：GGII，图表4：2017年中国动力电池企业出货量统计资料来源：真锂研究，第二个后果是行业的扩张进程放缓，尤其是中小企业的扩张速度放慢。2017年是动力电池产能集中投放的重要年份，2018年之后动力电池企业的扩产进度逐渐分化，中小企业的扩产预期减弱，由于市场份额在快速向龙头集中，中小企业的产能逐渐成为无效产能，与此同时，头部企业的产能利用率仍然维持在高位，甚至保持供不应求的状态，因此其产能扩张的速度并不会减缓。总体而言，龙头企业的产能可能成为格局稳定之后的实际有效供给。图表5：电池企业的产能情况及规划2016年产能2017年产能2020（或远期）产能2016-2020年CAGRCATL8165058.1%比亚迪10164035.8%国轩高科5.57.520-25（60亿Ah）38%~46%天津力神5103041.4%亿纬锂能59.013-资料来源：公司公告，此外，储能业务稳步成长，将成为消化锂离子电池过剩产能的重要去向。尽管储能电池技术种类多样，但锂离子电池被认为是最具前景的技术，目前的主要障碍在于锂电池较高的成本。根据储能技术的市场需求，锂电池成本降至0.9元/Wh时即具备应用价值。未来几年动力电池的价格仍将持续走低，尤其是过剩比较严重的磷酸铁锂电池价格下行空间和压力都较大，一旦储能市场被打开，目前产能过剩的局面将迅速得到缓解乃至扭转。 结构性过剩：磷酸铁锂过剩，高端三元不足 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局结构性过剩体现在两方面，一是产品类别上，截止到2016年年底，我国动力电池总产能约63GWh，其中三元电池产能25.5GWh，占比约40%，这一比例到2017年有望提升至47%。在三元优势逐渐确立的大背景下，磷酸铁锂的产能将长期处于过剩状态，预计未来几年内将有落后产能退出市场；二是在市场结构上，市场竞争力较弱的低端产能严重过剩，位于头部的少数龙头则处于供不应求的状态。从产能利用率角度观察，2017年CATL的产能利用率接近90%，比亚迪的产能利用率超过40%，行业平均水平则只有30%左右。图表6：2017年主要电池企业的产能及产能利用率分化十分明显资料来源：公司公告，动力电池发展方向：能量密度是撬动性价比的支点在新能源汽车推广过程中的两个主要问题：一是与化石燃料相比，电池相对低的能量密度，汽油的能量密度高达12000Wh/kg，现在较先进的动力电池单体能量密度约250Wh/kg，仅有汽油的1/40，这导致的主要后果是普通电动车续航里程远低于燃油车，催生消费者的“里程焦虑”；二是与内燃机驱动相比，相对高的整车成本，燃油车经过上百年的发展，其发动机的制造工艺成熟，成本控制也较好，动力电池的产业化时间仍然较短，当前成本很高，据BNEF统计，截至2017年，美国中档燃油车的动力系统成本约5500美元/套，动力电池成本则高达12000美元/套，尽管电动车的使用成本有优势，但电池造价的巨大差距导致目前电动车的经济性仍然较差。价格持续下降是电动车替代燃油车的基础电池价格下降、实现电动车经济性平价是推动电动车替代燃油车的基础。根据我们在深度报告《动力电池系列报告（一）：穿越2020，动力电池需求到底有多大？》中的测算：对于某些年行驶里程较高的应用场景，当前的电池价格已可以满足使用全成本平价；对于中档车而言，动力电池系统 价格降至1元/Wh时，大众消费者可以实现使用全成本平价；随着电池成本的进一步下降，一旦低于0.7元/Wh，电动车的购臵成本可以和同档燃油车竞争，使用全成本则明显低于燃油车，届时电动车将在脱离政策支持的环境中加速替代燃油车。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局从动力电池短暂的发展史中可以看出，动力电池成本下降的速度非常迅速，从2010年至今，动力电池系统的价格从1000$/kWh降至2017年的209$/kWh，年复合降幅达20%以上。国内动力电池的价格也在快速下降，据《2018中国汽车产业发展报告》的研究，2013年国内锂电池单体的价格高达3.2元/Wh，2018年有望降至1元/Wh，2025年有望降至0.55元/Wh。动力电池价格下降将带动电动车的销量和锂电池的年需求。BNEF预计到2030年全球动力锂电池的需求有望超过1600GWh，是2017年需求量的25倍，其中电动车需求接近1300GWh，电动大巴的电池需求接近270GWh，储能电池的需求接近70GWh。图表7：2010-2030年动力电池价格及下游需求走势资料来源：BNEF，提升电池容量是改善电动车性能的前提能量密度低的缺点可以通过增加电池容量来缓解。纯电动车根据续航里程的长短分为低端（小于250km）、中端（250~380km）和高端电动车（380km以上），纯电动车的续航里程由汽车携带电量决定，一般而言，1kWh电量可以驱动汽车行驶5-7km（或者3-4英里）。图表8：不同类型新能源汽车带电量及续航里程（纯电动续航）资料来源：2010年电动车刚刚推向市场时，市场主流产品的带电容量仅有24kWh，续航里程不足200km，“续航里程焦虑”成为阻碍消费者选购电动车的一大难题。随着电池成本的快速下降以及能量密度 的提升，汽车携带的电池容量稳步增加，续航里程也随之增加，目前300km以上的产品已经成为主流，特斯拉的高端产品续航里程达600km以上，里程焦虑得到极大缓解。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表9：日产聆风汽车动力电池系统演变趋势20122015.122017.102020年前2022年前电池容量/kWh24kWh30kWh40kWh60kWh未披露电芯和模组数量4电芯x48模组=192电芯8电芯x24模组=192电芯电芯数量明显提升续航里程228km280km400km约500km600km正极材料锰酸锂镍钴锰三元材料未披露负极材料石墨质保期5年10万km8年或16万km未知资料来源：网络资料，提升电池能量密度是技术攻关的主要方向提升电池能量密度是降本提效的有效手段。由于动力电池的成本主要是原材料，提升电池能量密度可以有效降低原材料的用量和成本。此外，电池系统的重量达数百公斤级别，占整车重量的1/3左右，提升能量密度可以有效减少电池系统和汽车整体重量，进一步改善整车性能。提升电池能量密度主要通过优化活性材料和生产工艺，目前比较确定的技术方向包括正极材料高镍化和负极中引入硅材料。提高三元NCM正极材料中镍元素的含量可以有效提升电池的容量和工作电压，从而提升电池的能量密度。不同比例NCM材料的优势不同，Ni表现高的容量、低的安全性，Co表现高成本，高稳定性，Mn表现高安全性、低成本，理论上，提高正极材料中的镍含量是提高电池能量密度、提升锂电池性价比的不二之选。然而，随着镍含量的提高，正极材料的稳定性随之下降。由于Ni2+半径（0.069nm）与Li+半径（0.076nm）较为接近，在制备过程中容易导致锂镍阳离子混排，进入镍空位的锂在循环过程中难以脱嵌，导致电池的首次库仑效率不够理想，并容易造成材料结构坍塌，由层状结构向尖晶石结构或NiO型岩盐相转变，从而导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。另外，阳离子混排使得电极材料表面锂析出，表面碱度过高，多余的锂形成碳酸锂或氢氧化锂在充放电过程中分解，使得电池产气鼓包，安全性能下降。此外，在充电至较高电压状态下，材料表面Ni2+被氧化至Ni4+，其与电解液之间会发生较严重的副反应形成SEI膜，导致离子和电子电导率较低，从而导致倍率性能表现不佳。由于面临上述问题，尽管高镍三元已成为众多电池厂商的攻关方向，但距离大规模推向市场仍需时日。在石墨负极中引入硅元素是提高电池容量的有效方法。商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料，石墨的理论比容量为372mAh/g，而市场上的高端石墨材料已经可以达360~365mAh/g，因此相应锂离子电池能量密度的提升空间已相当有限。硅基负极材料因其较高的理论比容量（高温4200mAh/g，室温3580mAh/g）、低的脱锂电位（＜0.5V）、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但硅负极在脱嵌锂离子时体积变化率太大，并且会导致析锂反应，造成安全隐患，因此目前硅负极材料的应用也未普及。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表10：高镍材料具备更高的容量密度，但热稳定性和首次库伦效率较差资料来源：中国锂业网，五大因素制胜，安全性压倒一切动力电池的主要构成包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液以及将其封装起来的结构件，这些材料尽管有优劣之分，但总体上仍是单一品，多数环节的供应商并无绝对的技术优势，原材料供应商主要在成本和工艺上展开竞争，技术同质性较强。动力电池是各种材料的集成品，不止在外形结构和技术路线有多种组合，同一类产品也差异巨大。原材料、生产设备、工艺、配方、管理等每一个环节的细微差距积累起来，造成了优质电池和普通电池难以逾越的鸿沟，不同厂家产品的性能差异较大。图表11：动力电池产品具有一定程度的差异性资料来源：动力电池的下游是消费品行业，一旦出现质量事故甚至造成人员伤亡，对于整车企业的品牌损害巨 大，因此尽管动力电池并不直接面向消费端，但下游车企无疑会优先选用质量最可靠的电池产品， 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局电池企业当前制胜的竞争战略是采用差异化战略，即提供质量更可靠、成本更具竞争力、电池性能更好的产品，从而进入下游汽车的供应链。对车企而言，按照重要程度排序，动力电池应具备的品质依次是安全性、低成本、倍率性能、循环寿命和能量密度。安全性是动力电池大规模应用的根本前提，能量密度和循环寿命是电池性能最主要的指标，价格在根本上决定了动力电池在传统燃油发动机面前的竞争力。安全性—高悬的达摩克利斯之剑电池热失控是电动车事故的主要来源电动车的动力来自电池，电池的安全性，如是否会着火、爆炸、导致人员触电、释放有害气体，车体结构是否安全等诸多问题，都是关乎每位消费者生命安全的大事，确保安全是新能源汽车不断提升渗透率的根本前提。动力电池系统的产品安全性范围包括化学安全、电气安全、力学安全和功能安全。化学安全在电池单体设计时候就已经定型，比如如何选择活性材料以及如何组合；电气安全通过对电池系统里的电线、壳体和其他电器部件的绝缘来实现；力学安全则通过适当的机械设计来实现，比如特殊的房碰撞保护壳；功能安全需要通过相应的传感器来监测电池单体、电池控制单元和它们相关的通信接口来达到目标，执行器是指如接通、断开电池的继电器。化学安全事故是电动车事故的主要来源，电芯层面主要承担化学安全层面的职责。图表12：动力锂离子电池的产品安全资料来源：《锂离子电池手册》，据高工锂电不完全统计，自2018年以来，国内发生的电动车起火事故超过30起，事故范围涉及到乘用车、客车、物流车等不同车型。梳理分析上述电动车起火背后的原因，大部分最终都指向了动力电池，既有电池本身环节的质量问题，也有使用环节的不当操作。纯电动汽车起火事故的根源都在于电池热失控。 电池中国网统计了2017年以来新能源汽车的起火事故，从场景来看，起火的第一场景是充电，充电中和充满电之后发生安全问题，大概占50%；第二场景是停放，部分新能源汽车在购臵后使用率偏低，或者是即将报废车辆在没有拆除电池包的情况下长期搁臵停放，约占20%；第三场景是 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局行驶，约占10%；第四场景是碰撞，约占5%；第五场景是极端环境或者说恶劣天气，出现动力电池绝缘密封性能下降，泡水后短路等故障问题，约占10%；其他场景约占5%。导致起火事故的原因之中，首当其冲的是电芯产品问题。在电芯生产制造过程中，个别产品杂质、毛边等质量控制未能符合要求，经过多次充放电循环过程形成析锂导致内部短路，最终发生热失控、热扩散。中科院院士欧阳明高认为，部分企业为获得补贴盲目追求高比能量，缩短电池产品测试验证时间，技术验证周期偏短导致了技术验证不足、工程解决方案不成熟，是造成产品质量问题的主要原因。除此之外，电气连接失效和碰撞等机械伤害也会引发新能源汽车起火。在汽车使用的长期过程中，部分产品使用寿命无法充分满足要求。例如某车型动力电池经过一段时间使用后，螺栓松动，局部电阻较大开始发热，成为安全隐患。而碰撞是触发动力电池热失控的典型方式。单个电芯或模组发生热失控，会进一步传导至其他电芯、模组和电池包。目前动力电池有关隔热、阻断的机械结构设计有待进一步提高。图表13：新能源汽车起火的主要场景统计资料来源：电池中国网，图表14：电动车起火事故的原因统计资料来源：电池中国网，电池热失控的原因机理及控制从科学机理上讲，造成锂离子电池热分解失控的诱因较多，有由外部出发的，如电滥用、热滥用或者机械滥用，也有由内部出发的，如金属杂质残留、隔膜破损或负极上的析锂反应导致单体损坏等。不论触发的原因为何，其导致的结果主要是电池单体温度升高，这会进一步引起其他单体的热分解反应，从而产生更多热量。这种自加速的过程被称为热失控（ThermalRunaway），它导致的结果往往是不可控的单体发热，甚至是起火。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表15：锂离子电池热分解反应的出发原因及发展过程资料来源：《锂离子电池手册》，锂离子电池普遍采用易燃的烷基碳酸酯有机溶液作为电解液；其作为负极的石墨在充电态时化学活性接近金属锂：在高温下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的锂离子与电解液、粘接剂PVDF会发生反应，这些都伴随着大量热的释放；其作为正极的过渡金属氧化物在充电态时具有较强的氧化性，在高温下易分解释放出氧，释放出的氧与电解液发生燃烧反应，继而释放出大量的热。因此，在滥用的情况下，安全设计不足的锂离子电池会有热失控的可能，如冒烟、起火甚至爆炸等。图表16：锂离子电池典型热失控过程资料来源：《锂离子动力电池安全性问题影响因素》，提升安全性有三个维度：一是材料维度；二是生产过程维度；三是电芯集成维度。材料维度上，从 对热失控过程中各反应的温度和反应焓的统计来看，尽管负极SEI膜分解反应热相对较小，但其 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局反应起始温度较低，会在一定程度上增加负极极片的“燃烧”扩散速度。更重要的是，SEI膜分解反应直接决定了电池的高温存储性能，因此，改善SEI膜的热稳定性十分必要，改善的途径主要是通过成膜添加剂或锂盐增加其热稳定性。另外，尽管粘接剂在负极中的重量比很小，但是其与电解液的反应热十分可观，因此通过减少粘接剂的量或选择合适的粘接剂将有利于改善电池的安全性能。正极材料方面，各充电态正极材料在高温下释氧程度是影响其安全性能的主要因素。若对其他性能要求较高，采用核-壳结构和表面包覆也是减少正极材料与电解液的反应热，提高电池安全性能的有效手段。电解液方面，电解质LiPF6的热稳定性是影响电解液热稳定的主要因素，因此目前主要改善方法是采用热稳定性更好的锂盐。但由于电解液本身分解的反应热很小，对电池安全性能影响十分有限。对电池安全性影响更大的是其易燃性，降低电解液可燃性的途径主要是采用阻燃添加剂。图表17：锂离子电池各种放热反应的温度区间与反应焓反应过程反应温度区间/℃反应焓（J/g）改善途径负极材料SEI膜分解100-130186-257成膜添加剂或锂盐改善热稳定性LiC6/溶剂反应110-2901460-1714LiC6/PVDF220-4001100-1500减少用量或增加阻燃剂正极材料LixCoO2分解178-250146容量要求不高时，采用LiFePO3释氧能力较低的正极材料，容量要求高时，采用核-壳结构或表面包覆LixNi0.8Co0.2O2分解175-340115LixCoO2/溶剂反应167-300381-625Mn2O4/溶剂反应200-400350-450LixNi0.8Co0.2O2/溶剂反应180-230600-1256电解液电解质分解225-300155-285采用热稳定性更好的锂盐，增加阻燃剂资料来源：曾毓群等《锂离子电池安全性能研究》，尽管不同类型的电池在正极材料、隔膜等方面有一定差异，但总体思路相同，即正极材料尽量选取稳定性好的、隔膜选取机械强度大的。此外，一旦确定了正极材料，不同电芯企业在材料方面趋同度就已很高，材料的区别很难成为不同电芯品质差异的根本来源。生产过程的质量控制水平是各家电芯企业差距的最主要来源，制造工艺的差异集中体现在产品一致性上。锂离子电池制造工艺复杂，工序繁多，包括合浆、涂布、辊压分切、制片、卷绕、组装、注液、化成和分容等。制造过程的各个工序都影响着电池的性能，各工序的误差累积是造成单体电池性能差异的主要来源。锂离子电池制造过程复杂，每个工序的误差累计成最终电池性能差异，因此过程控制十分重要。对每个过程进行优化可提高产品一致性，其中影响较大的步骤包括电池浆料分散是否均匀、极耳、盖板等处的焊接质量以及注液过程的精度控制等。此外，采用自动化程度高及精度高的生产线，不仅可以提高劳动效率、改善工人劳动环境，还可以节约材料、降低能耗并且大大降低生产过程中由于人为接触造成的污染和人为操作的随机性导致的电池不一致，从而提升产品品质。总之，提高电池一致性从根本上要提高制造工艺水平。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局电芯集成维度上提升安全性主要是提高电池管理系统的水平（BMS）。在电池组使用过程中遇到的不一致性问题，可以通过BMS对电池组状态进行控制，以抑制电池性能差异的放大。ＢＭＳ可以准确估测SOC，进行动态监测，实时采集电池的端电压、温度、充放电电流，防止电池发生过充或过放现象，并对电池组进行均衡管理，使单体电池状态趋于一致，从而能在电池使用过程中改善电池组的一致性问题，提高其整体性能，并延长其使用寿命。高镍化、大容量趋势增大安全隐患，车企决策更加审慎国内的电池企业对于电池的物理性能尤其关注，目前展开竞争的热点仍在能量密度、快充以及循环次数上，对于降低产品价格目前并无特别有效的方法，对于安全性则较为忽略。随着电池正极材料逐渐向高镍三元切换，安全性将日益成为决定电池企业命运的关键力量。不同组分的三元材料中，镍含量越高的材料，容量也越高，但其表面的碳酸锂和氢氧化锂杂质越不易控制，很容易出现杂质超标的情况，这些残留锂化合物主要是Li2O、LiOH〃H2O、Li2CO3等碱性物质，残留物越多，材料表面的PH值越大。碱性物质在空气中容易吸潮，导致材料表面和水反应，或使材料在调浆时黏度变大，或者将多余的水分带入电池中，造成电池性能下降。调浆黏度变大的原因是黏结剂PVDF团聚，使正极浆料黏度变大难以过筛，情况严重时浆料变果冻状，成为废料。图表18：不同正极材料pH值和表面残余锂（典型值）材料型号LCONCM111NCM442NCM523NCM71515NCApH值10.310.710.711.411.612.0残锂（mg/kg）561001003005001000资料来源：王伟东等，《锂离子电池三元材料》，过量水被带入电池的后果更加严重，首先是消耗的锂盐增加，副反应增加，使电池内阻变大、自放电高、衰减快，而且还会伴随大量气体产生；电池内气体的产生会使软包电池发生账期、铝壳电池鼓壳、圆柱电池高度超标，严重时防爆阀开裂，导致电池失效等。过量的水还会和电解液反应生成氢氟酸，腐蚀电池内部的金属部件，造成电池漏液。当负极有锂析出时，析出的锂遇到水会发生剧烈反应，产生氢气和大量的热，引发严重的安全问题。水分超标的电芯在化成时会产生大量气体，研究发现，气体成分中氢气含量明显增大。此外，副反应产生的氟化氢气体不仅会与铝箔反应，还会和正极材料反应造成电池性能变差。图表19：正常电芯和胀气电芯气体成分分析气体成分CO2C2H4C2H6C3H6C3H8H2CH4CO正常电芯0.1362.211.990.320.5815.053.0816.630.1152.901.690.270.4915.982.6214.14胀气电芯0.0559.8313.490.420.3657.981.179.20资料来源：王伟东等，《锂离子电池三元材料》，大容量也将导致电池系统的安全隐患增加。由于电池系统是由成百上千个电芯串并联而成，一个电 芯出现过热起火就可能会导致整个电池系统发生热失控事故，对于方形和软包电池类似风险更加突出。随着电池系统容量的增加，在电芯安全系数不变的情况下，电池系统的事故风险将出现上升， 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局因此车企在选择供应商时将更加审慎，务求在电芯维度上提高安全性，从而确保电池系统的安全系数。能量密度—提升是必由之路，切忌欲速则不达提高电池能量密度是电池厂商的重要目标，我国现行的补贴政策也大力鼓励高能量密度电池的应用。能量密度提升一方面有助于提高汽车电池装载量，从而提升汽车续航里程；另一方面，能量密度提升有助于减少高价原材料的使用和电池的pack成本，是降低电池系统成本的主要推动力。然而，能量密度提高的上述影响对于汽车而言都非直接作用。在性能上，续航里程是目前电动车与燃油车之间的主要差距来源，续航里程与所携电池容量直接相关，提高能量密度的作用更多体现在降低电池材料成本以及汽车轻量化等方面。新能源汽车每百公里的电耗大约为15~20kWh，即5~6km/kWh。早期新能源汽车的续航里程较短，现在最新的新能源汽车续航里程已达到500km以上，基本解决了续航里程焦虑，因此通过提高能量密度进一步改善汽车续航能力的边际效应在不断减弱。在成本上，高镍三元材料不仅提高了电池能量密度，还大幅度减少了钴的用量，其降本潜力较大。然而截至目前，由于高镍的811三元路线要求产线作进一步升级，同时811的前驱体需要多次水洗和烧结，目前生产成本较高，而且尚未实现大规模供应。值得一提的是，高镍三元材料的稳定性较其他产品有所下降，尤其是材料表面的碱性高，吸水能力极强，造成正极材料的纯度下降，附着水增加，给电池的实际应用带来极大的安全隐患。因此，目前海外的电池厂商，如三星SDI和LG化学纷纷推迟811电池量产的进度。导致能量密度受青睐的重要原因在于我国现行的补贴政策与电池能量密度挂钩。《中国制造2025》计划在2020年前后实现电芯能量密度突破300Wh/kg，电池系统能量密度突破240Wh/kg，因此动力电池企业致力于研发能量密度更高的电池，尤其是加快推进高镍三元电池的研发应用。2018年的国补政策中，乘用车电池系统能量密度在120Wh/kg以上才能拿到全额补贴，对于大于140Wh/kg的车型补贴还有倍增的激励。因此，今年整车企业对于电池能量密度的重视达到了前所未有的高度。图表20：2018年补贴标准鼓励高能量密度电池系统能量密度（Wh/kg）<105105~120120-140140-160>160补贴系数00.611.11.2资料来源：工信部，值得一提的是，尽管国内动力电池厂商的份额相差悬殊，但各家产品在能量密度上的差异却并不显著，部分二线厂家规划中的产品性能甚至优于行业龙头。这表明提高能量密度在技术上并非难以逾越，更大的困难来自大规模供应品质和一致性好的电池产品。图表21：国内主流电池厂商产品能量密度水平统计技术路线电池形状当前水平目标水平 CATL三元、磷酸铁锂方形铁锂单体160Wh/kg，三元240Wh/kg2020年铁锂单体超过180Wh/kg，三元单体超过270Wh/kg 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局比亚迪磷酸铁锂、三元方形铁锂单体165Wh/kg，电池包140Wh/kg；三元单体200Wh/kg，电池包160Wh/kg2020年铁锂单体180Wh/kg，电池包160Wh/kg；三元单体260Wh/kg，电池包200Wh/kg国轩高科磷酸铁锂、三元铁锂产线升级至180Wh/kg，系统密度130Wh/kg2020年铁锂单体200Wh/kg，三元300Wh/kg孚能三元软包2019年三元电芯280Wh/kg，2020年300Wh/kg力神磷酸铁锂、三元圆柱、方形、软包研发电芯单体302Wh/kg；高镍811将进入小批量应用亿纬锂能磷酸铁锂、三元方形铁锂；圆柱、软包、方形三元三元铝壳单体200Wh/kg，系统密度180Wh/kg比克圆柱电池18650-3.0Ah电芯230Wh/kg国能磷酸铁锂、锰酸锂软包铁锂单体200Wh/kg，系统160Wh/kg；三元单体260Wh/kg，系统160-180Wh/kg万向一二三三元、磷酸铁锂软包三元单体接近260Wh/kg江苏智航三元、NCA圆柱具备NCM811和NCA量产能力资料来源：事实上，在当前的能量密度下，电动车的续航能力已经有显著改观。在2018年的国补政策中，补贴的最高里程为400Km，目前越来越多的车型已经可以达到，2018年第6-8批补贴目录中，25%以上的乘用车续航里程已在400公里以上；此外，2018年新能源补贴加入了能量密度的调节系数，并且最高系数对应比能量要求为160wh/Kg，能达到该标准的车型占比仅有10%，可见与里程数相比，能量密度满足最高条件的比例并没有里程数多，也可以看出电动车核心部件电池的技术提升难度是比较大的。图表22：2018年5-8批补贴目录车型续航里程与能量密度统计续航里程（km）能量密度（Wh/kg）车辆占比第5批第6批第7批第8批第5批第6批第7批第8批90%170240255209118.11123.20123.76125.880%205264300.2230122.3130.85128.23131.8875%250300301252123.69140132.1714070%251301301255125.04140.5139.6714060%255304.2302.4300.2127.14140.89142.13141.2450%270308.5310305132.2143.03144143.1840%301330351316140.04144145144.1830%309.6360401.2354.2141.28145.25151.8148 25%316401403400142.2145.25151.814820%334.76401.6404.6405143.36147.42152149.7610%400429.3442.2415.2146.16153.54160.46160.06资料来源：第一电动网， 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局成本—电动车价格仍然偏高，补贴强度决定电池价格成本是目前电动车发展面临的最大问题。经过多年的持续努力，动力电池系统的平均成本已从2010年的1000$/kg降至209$/kWh，年复合降幅达20%，然而距离燃油车仍有相当大的差距。据研究，当锂电池系统成本降至100美元/kWh时，电动车的使用全成本（TCO）基本与同档燃油车相同；当锂电池系统成本降至70美元/kWh以下时，电动车的生产成本将低于燃油车。目前电动车的成本仍远高于燃油车，新能源汽车市场过去几年的爆发主要来自补贴政策的驱动，动力电池的价格实际由补贴强度决定。2017年国内动力电池的平均售价约1.5元/W，统计的几家主要电池企业销售价格与其市占率并无显著相关性，宁德时代作为国内电池龙头，2017年国内市占率超过20%，其电池系统售价既无龙头溢价也没有体现出价格竞争的迹象。随着补贴强度的退坡，动力电池全产业链的价格也将随之下调，以达到新的均衡价格。图表23：2010年以来全球动力电池系统成本及降幅资料来源：BNEF，图表24：2017年国内主要电池企业销售价格资料来源：公司公告，值得注意的是，尽管动力电池价格在过去几年大幅度下降，锂电池厂商的毛利率也随之下滑，但仍然维持在30%以上，车企的毛利率则徘徊在低位。也就是说，电池厂商面临的价格压力主要来自补贴强度的下降，但相对于车企的议价能力仍然要更强。图表25：锂电池产品毛利率明显高于下游车企 资料来源：Wind， 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局降低成本需要全产业链发力、重点环节突破。首先是原材料，正负极材料占到电池成本的50%以上。近年来三元电池的爆发式增长使得上游三元材料出现严重供不应求的局面，正极材料出现了不同程度的价格上涨，预计2019年原材料供需将逐渐扭转，原材料价格的回落将有力地降低电池成本。此外，提高生产制造的良品率和一致性以及材料回收和再循环，也是降低电池产业链成本的有效途径。综合来看，电池成本方面，满足电动汽车要求的成本需要做到动力系统与内燃机动力系统等价，即大概100美元/千瓦时，就可以跟传统内燃机动力完全等价。充放电功率/倍率性能—优先级相对靠后锂电池的倍率性能决定了锂电池充放电的速度，直接影响充电时间和输出功率，并进而影响到汽车的使用体验。其中放电倍率是电池系统的输出功率和汽车的最高行驶速度的重要影响因素，充电倍率则决定着电池系统的充电时间。在不显著影响电池寿命和其他性能的前提下，倍率性能越高越好。随着汽车携带电池系统容量的日益增大，放电倍率的需求已经不再迫切，目前对于倍率性能的关注主要在于快速充电的能力。锂电池的倍率性能与锂离子在正负极、电解液、以及它们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素，都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。最主要的影响因素主要来源于电极和电解质，电极材料的结构、尺寸、电极表面电阻等是影响电极高倍率性能的重要因素，因为它们直接或间接地影响着电极的电阻，影响着电极的充放电程度；传导能力和稳定性是影响电解质的主要因素，因为它们影响着锂离子电池的嵌锂程度、循环性能和安全性能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素，如果散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂离子电池的安全性和寿命。因此，研究和改善锂离子电池的充放电倍率性能，主要从提高锂离子迁移速度和电池内部的散热速率两个方面着手。近年来随着电池制造工艺的进步，目前的主流产品都可以达到1C左右的快充能力，即1小时充满大部分容量，这个充电速度可以满足大多数日常的使用场景。然而，如果要改善电动车的远距离行驶能力和体验，进一步提高倍率能力是不得不面对的问题。美国能源部将超快速充电定义为在10分钟内将荷电状态（SOC）提升80%，或者10分钟内将汽车可行驶距离提高200英里（约合322km），认为该指标可以基本消除电动车和燃油车动力补充时的时间差距，众多汽车厂商和电池厂商也纷纷将快速充电能力作为技术攻关的重点方向。然而在当前的技术路线和水平上过于追求倍率性能将带来一系列问题。首先是安全性问题。由于倍率性能取决于锂离子在电极内的迁移速度，一旦电子输入速度高于锂离子迁移，就会在石墨电极上形成金属锂的析出，由于金属锂为活泼金属，大量析出将导致爆炸风险急升。此外，快速充电会导致温度上升，导致电池容量衰减并大幅提升散热成本，根据研究，将倍率性能从1C提升到6C，即使散热系统正常工作，电池系统温度也将上升5℃，一旦充电过程中电池温度上升到45℃以上，电池的寿命将迅速衰减，甚至引发电池失效或者热失控事故。上述现象是充电场景成为起火事故高发地带的主要原因。在电池系统容量增加的大趋势下，安全方面的风险将更加突出。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表26：随着充电电流密度增大石墨负极表明析锂现象更加明显资料来源：Elsevier，其次是成本的大量增加。快充要求的极片厚度更薄，但这会提高电池的生产成本。科学家的研究计算结果表明，如要美国能源部的快充标准，极片厚度将从100μm左右降至20μm以下，锂电池单体的生产成本将增加近一倍，从103美元/kWh增加到196美元/kWh，进一步提升的边际成本还会快速上升。此外，由于充电功率将从100kW以下上升到400kW以上，大功率的充电设施成本也比较高昂。图表27：充电时间/倍率对于电池系统参数及价格的影响充电时间，ΔSOC=80%，分钟81023475361充电时间，ΔSOC=60%，分钟5715303439所需充电功率/kW6014611991008877电极厚度/μm1419438798103充电期间发热（kWh/系统）2.352.201.891.771.751.45充电后温升（ΔSOC=80%）/℃22.424.425.926.426.419.5电芯质量/kg2.752.41.741.491.461.45电池单体价格（$/kWh）229196132107104103与基准电池成本差（$/kWh）1269330410资料来源：Elsevier，注：电池正极材料为622型镍钴锰三元材料；电池系统容量85kWh；10秒最大功率300kW；电极最大通过电流密度4mA/cm2；电芯数量240个。目前电动车的推广还处于初级阶段，高强度长距离的应用场景占比极小，迅速改善倍率性能的要求并不迫切。因此，与安全性、成本、续航里程等要求相比，倍率性能目前还难以成为电池厂商和车企优先考虑的指标。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局循环次数—重要但不具决定性传统燃油车的平均使用寿命是8年，假如电动车每天充一次电，动力电池所需要的循环次数最多不超过3000次。而在实际使用过程中，电池系统的带电量越多，循环次数的需求反而越少。以Tesla的Model系列为例，电池系统的带电量达60-100kWh，其电芯为NCA，NCA的循环性能较差，大概只有1000次左右，但并未影响到汽车的长期续航。因此尽管动力电池的循环次数是一个极为重要的指标，对于电芯的选择却并未决定性的作用。图表28是来自286位ModelS车主的统计数据。在图中，车主用他们可计量的单位“续航里程”来评估电池的衰减情况。可以看出，在行驶了20万公里之后，特斯拉的电池仍能保持90-95%的初始容量，而众所周知的是，NCA的循环性能较差，容量衰减速度较快。图表28：特斯拉ModelS行驶20万公里后续航里程保持在90-95%资料来源：特斯拉论坛，出现这种现象的根本原因在于特斯拉采用了大容量电池的策略。大容量电池可以在两方面延长电池的循环寿命。一是放电深度，虽然电池容量会因衰减机理而下降，但是如果电池在较小的SOC窗口内循环时，总容量以及能量的降低并不十分明显，大电池在这方面占据天然优势；二是充放电功率，即充放电的倍率，充放电的倍率越高，所需要的时间就越短，循环寿命也会越短。在同一辆车上，迅速启动和缓慢启动，对电池的消耗不同，损伤也随之不同。快速加速，相当于电池快速地放电，对于大容量电池，在同样的加速度下，电流更小，相当于是一次慢放过程，从慢放的角度来说，大容量电池衰减得更慢。因此，同样跑20万公里，特斯拉充放电一次跑500公里，跑完全程需要充放电400次，带电量较小的电动车充放电一次跑200公里，跑完全程需要充放电1000次。尽管特斯拉电池的循环寿命并没有那么优秀，但是它一次充放电可以跑的续航里程高，则在电池生命周期里，特斯拉能跑的总续航里程是可以比对手更高的。现在带电量提升的趋势已经明确，循环次数的要求可以减弱。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局图表29：放电深度对于电池系统循环次数影响显著资料来源：第一电动网，图表30：提升充放电倍率将降低电池循环寿命资料来源：网络资料，小结：差异化战略是取胜之匙，龙头强者恒强我们认为，在电池性价比的各种衡量指标中，安全性是压倒一切的优先考量，成本是推动电动车渗透率提升的基石，但定价权目前掌握在政策手里；能量密度尽管受当前政策重视，但贸然提速会损害安全性能，预计政策倾向将出现一定调整；倍率性能、循环寿命等也是重要影响因素，但在电池容量不断增加、充电能力有所改善之后，其重要性已退居后位。因此，对于电池厂商而言，在当前环境下，当务之急是提高产品品质和供应能力，尤其是确保电池的一致性和安全性，通过降价等方式获取份额难度较大，龙头强者恒强的态势比较明显。市场格局的演变也能验证这一逻辑。2018年以来国内前两大电池企业宁德时代和比亚迪的市场占有率已达60%以上，行业第三名的市场份额只有6%左右，双寡头的格局初步浮现。然而在2015年，宁德时代的国内市占率仅有10.2%，到2017年已接近30%，2018年份额提升的势头仍然不减，据统计2018年前9月份的市占率接近40%，剔除掉内部供应的比亚迪，在第三方电池厂商中宁德时代的市场份额已接近50%。图表31：2015年以来宁德时代与比亚迪市场份额统计资料来源：真锂研究，高工锂电，图表32：2015年以来宁德时代市场份额统计资料来源：真锂研究，高工锂电，优质客户资源向龙头集中的态势也非常明显。国内新能源汽车厂商中，除比亚迪选择自配套模式之 外，其他的大厂商如上汽、北汽、广汽、吉利、东风、宇通等都选择宁德时代作为主要供应商，宁德时代甚至将客户群拓展至海外的戴姆勒、大众等一线车企，国轩高科及以下的电池厂商则只能选 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局择国内的二线车企。由于同款车型零部件的配套周期长达5-8年，因此当前龙头的领先地位几乎无可撼动。图表33：国内主要电池厂商下游客户统计电池企业国内客户国际客户CATL华晨宝马（100%）、上汽（79%）、北汽（42%）、广汽（87%）、吉利（71%）、东风（81%）、长安（64%）、云度、宇通（91%）、南京金龙（45%）等宝马、戴姆勒、现代、大众、沃尔沃等（意向）比亚迪比亚迪（100%）、腾势、长安、程度客车、山东泰开汽车、东风等国轩高科江淮（74%）、安凯客车、苏州金龙、中通客车（9%）、厦门金龙、南京金龙（1%）、上海申沃等孚能科技长城欧拉、北汽（44%）、江铃（36%）等戴姆勒？天津力神宇通（4%）、金龙、中通、江淮（11%）、华晨、东风（7%）、一汽（5%）、北汽、上汽、五洲龙、长安（28%）等大众、戴姆勒？亿纬锂能南京金龙（51%）、郑州宇通（1%）等戴姆勒？深圳比克江淮（11%）、众泰、江淮大众、一汽、海马、东风专用车（15%）、奇点、小鹏、御捷等北京国能长安、江铃等万向一二三上汽（15%）、长安、奇瑞等大众？江苏智航烟台舒驰客车、一汽客车（大连）、山西成功汽车、襄阳九州汽车等资料来源：网络资料，刚锂电，投资建议：行业显示先发优势，龙头及其产业链企业前景光明尽管动力电池行业处于产能过剩阶段，车企对于电池安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环次数的全面需求导致市场份额加速集中，行业将体现先发优势，建议关注龙头企业及其产业链配套企业。电池环节建议关注锂电池龙头宁德时代，宁德时代经营业务包括动力电池及系统、储能电池系统以及锂电池回收三大板块，并且是2017年全球出货量最大的动力电池厂商，当年全国市占率达到29%，2018年前9月进一步增加至40%左右，在第三方电池厂商中市占率达到50%。公司在三元电池技术优势较大，有望充分享受汽车电动化和储能市场爆发的红利。产业链方面，建议关注宁德时代的主要供应商，上游建议关注宁德时代正极前驱体供应商格林美，负极材料和锂电设备建议关注璞泰来，隔膜建议关注创新股份，电解液建议关注天赐材料和新宙邦。风险提示l补贴退坡速度超预期导致价格和需求大幅波动。2019年新能源汽车补贴将再度退坡，一旦退坡幅度过大，将导致电池价格降幅超预期，同时可能影响到下游需求，影响电池公司业绩。 电力设备及新能源深度报告—动力电池系列报告（二）：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格—局l安全事故持续上升导致政策收紧。2018年以来新能源汽车安全事故频发，已经引起政府部门的高度关注，如果安全事故继续大量出现，或者出现重大安全事故，不仅直接影响事故车辆的配套电池企业，甚至可能导致产业政策收紧，从而影响到下游需求。l原材料价格快速上涨。原材料成本是电池成本的重要组成，2017年上游原材料价格飙涨，导致中游毛利率受损。'