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自動點膠機_這也是制約儲能產品大規模應用
 

  相較有限的壓縮原材料成本,電池企業通過擴大產能實現規模效應降成本更為切實可行。

  電動車全球化趨勢已不可逆轉,兩大趨勢需要高度重視,其一是繼北汽與國軒攜手深度合作之后,上汽與寧德時代成立合資,標志著動力電池行業將從春秋時代百家爭鳴快速進入后戰國時代,逐漸形成強強聯合、寡頭割據的新格局;其二是繼江淮大眾合資之后,北汽與戴姆勒合資啟動奔馳電動車國產化計劃,此舉將推動海外(尤其是歐洲)傳統車企加緊電動汽車在華布局,合資與自主的較量將在電動車領域再次上演,國內核心零部件供應商迎來歷史性發展機遇。

  當前時點,市場對動力電池價格下降及銷售放量存在較大的擔憂,但仍應維持短期不悲觀,長期依然樂觀的態度,理由是:今年電池環節進入行業快速洗牌期,短期來看成本下降尚未被市場完全預期,通過采取全產業鏈分攤降本壓力以及規?;a等“增效”措施,中游環節盈利能力將好于市場預期;中期看,隨著國產三元高比能電池滲透率不斷提升,未來幾年內電池有望復制“摩爾定律”,成本快速下降;長期來看,在未來高鎳與NCA時代,技術、成本與規模優勢突出的龍頭將脫穎而出。

  一切爆發都有片刻的寧靜,一切進步都有冗長的回聲。興業證券試圖通過對動力電池降本潛在途徑進行全方位梳理,描繪未來電池降本增效的發展軌跡。

  回顧過去十年,動力電池價格經歷大幅的下降,日韓電池龍頭價格已從2010年的600-800美元/KWh降至目前150-200美元/kWh,國內龍頭商在2016年底也降至300美元/kWh左右,目前已進入到200-250美元/kWh。

  三元路線仍是選擇,目前鋰電池基本體系已經較為成熟,幾大主流方向三元路線、磷酸鐵鋰、錳酸鋰與鈦酸鋰已經確定,各條路線可以改進的方向與存在的缺陷都較為明確。三元路線的優勢在于極限比能量密度高,單體可達350wh/kg,其他無一例外達不到要求,因此三元將是未來幾年主流乘用車商業化應用的,但其也有明顯缺陷,如安全性的相對不足以及材料成本較貴(鈷)。磷酸鐵鋰由于安全性優勢,近幾年被廣泛應用于客車領域,劣勢則是其改進空間不大,比能量較低。錳酸鋰的優勢在于成本,劣勢是比能量已達極限,因此只能用于特定應用領域的專用車型。鈦酸鋰優勢在于能夠實現快充(5min充滿),但成本達到其他路線的數倍,因此只能應用于續航里程相對不敏感的客車等領域。

  短期:補貼退坡敦促全產業鏈降成本,動力電池環節首當其沖,率先實現成本下降的企業將在下一輪退坡中占得先機

  中期:實現“油電平價”需電池價格降至1元/WH以下,目前國內1.6元/WH左右價格仍有較大下降空間。

  日本、美國與中國均提出到2020年實現電池性能的大幅提升與成本的大幅下降,中國目標為1元/WH;

  產業界龍頭目標更為激進,特斯拉、通用與大眾紛紛宣布降成本計劃,2020年目標低至93美元/KWH。

  補貼退坡敦促全產業降成本,動力電池首當其沖。2016年12月30日,新版補貼政策正式落地,乘用車、專用車補貼退坡20%,客車退坡30%-50%。此外國補與地方補貼配比普遍由此前1:1下調至1:0.5,整體補貼退坡幅度較大。補貼下調使得動力電池環節首先受到沖擊,一季度銷售價格下滑明顯,對毛利率造成一定沖擊,電池企業短期內壓縮成本的意愿十分強烈。此外,新一輪補貼退坡將在2019年到來,率先實現降成本的電池企業將在一年半后的再次退坡中占得先機。

  根據測算,動力電池價格在100美元/KWh附近時,電動汽車與燃油車的競爭焦點就將轉變為其他制造成本方面,即實現油電平價,進而電動汽車才能脫離補貼與燃油車競爭。目前日韓電池龍頭價格已從10年前的1000美元/KWh以上降至250-300美元/kWh,距離這一目標越來越近,但進一步降本的難度變得更大。

  結合各國頒布的動力電池技術路線年將實現電池性能的大幅提升與成本大幅下降。各國擬定的系統比能量目標值普遍集中在200-250kg/wh之間,中國頒布的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》提出到2020年電池單體比能量超過300Wh/kg,系統比能量達到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下,大致相當于150美元/kwh。日本在100美元/kwh,美國要求是90-125美元/kwh,歐洲是120美元/kwh,與油電平價目標的100美元/WH均十分接近,亦即各國政策要求到2020年左右電動汽車要實現和燃油車相近的性價比水平。

  從產業界角度來看,各家巨頭不遺余力專注降本。特斯拉提出其超級工投產將使得電池成本降低35%,從一開始的“成本低于190美元/千瓦時”直降至“不足125美元/千瓦時”。大眾計劃將其電池采購成本由2016年的180美元/KWH壓縮48%至2020年的93美元/KWH,其中制造與模組成本壓縮一半,材料成本壓縮40%。

  近幾年動力電池激增需求推動上游原材料價格暴漲,而長期來看,絕大部分原材料并不稀缺,當原材料價格恢復理性后,下游能夠削減一定的成本。而即便原材料價格依舊保持堅挺,部分高價材料占電池成本比重也在逐漸變小,預計不會對整體降成本造成太大影響。同時,動力電池行業的生產模式與商業模式依然可以繼續優化,商業成本仍有一定的下降空間。

  原材料成本端:價格相對動力電池需求彈性較大的碳酸鋰、氫氧化鋰等鋰鹽供需達到再平衡后價格將步入長期下降通道;鈷鹽盡管未來存在供給缺口,但預計漲價帶來的影響有限。

  工藝改進與規模經濟:動力電池產量進一步提升,規模效應與良率提升,同時整車端爆款車型出現帶來單車電池研發、設計(如BMS)等成本下降;

  目前正極材料成本占到電芯25%-30%,而正極材料主要由碳酸鋰和各種對應的前驅體材料構成,高鎳NCM(NCM811)與NCA正極則多由氫氧化鋰替代碳酸鋰。前驅體中,鈷價對于NCM材料的價格影響較大。

  鋰鹽占電池價格比例在4.5%-8.5%之間,鈷鹽在3%以內。鋰鹽方面,選取各條電池主流技術路線的主流車型,對于氫氧化鋰/碳酸鋰成本占電池價格比例進行測算,結果在4.5%-8.5%之間,NCM與NCA路線鋰鹽占比較高,NCA路線%,而磷酸鐵鋰與錳酸鋰占比較低。鈷鹽方面,NCM111路線所含鈷元素比例,按目前40萬元/噸鈷價測算,占電池售價比例為2.84%,其余路線鈷含量皆達不到這一水平,因此判斷鈷鹽占電池價格比例在3%以內,目前量產的主流NCM523與NCM622占比在1.5%左右。

  預計碳酸鋰未來幾年內將保持供需平衡,長期來看價格處于高位回落通道中。氫氧化鋰直到2020年仍將維持緊缺狀態,2020年以后可能存在供應過剩風險,產能釋放速度取決于原料供應,特別是鋰輝石的供應量。氫氧化鋰產能緊缺將成為制約高能量密度電池成本下降的主要因素。氫氧化鋰可通過碳酸鋰轉產得到,代價在2萬元/噸的水平,因此與碳酸鋰價差將保持相應的平衡態勢。

  鋰鹽價格對于電池成本影響有限。假設未來碳酸鋰/氫氧化鋰價格下跌20%,電池價格將下降0.9%-1.7%,下降幅度較為有限。而即便需求端超預期增長,導致鋰鹽價格保持堅挺,由于其占電池成本比重較小,預計不會給降成本造成太大障礙。

  供需缺口將使鈷價維持高位。鈷鹽供應缺口2017年持續擴大:2017年缺口將達到4300噸的量,預計將持續至2019年。目前3C電子產品依然是鈷下游重要的領域,3C電子出貨量若下降則對鈷價造成較大壓力。整體來看,供需缺口將使鈷價在未來幾年維持在高位水平。

  預計鈷價上漲對三元電池影響有限。雖然目前高鎳三元材料市場份額逐步提高,但絕大部分商已進入從532向622轉移的階段,未來過渡到811后,單位用鈷量將明顯減少。根據前述測算,高鎳NCM811路線%,因此未來高鎳三元時代到來后,鈷價上漲將不會對降成本起到太大影響。

  興業證券認為相較有限的壓縮原材料成本,通過擴大產能實現規模效應降成本更為切實可行,這也是國內企業近期集中堆砌釋放產能的關鍵因素之一。規模效應不僅包括電芯環節產能利用率與良率提升帶來的電芯成本下降,也包括整車端單車出貨提升帶來的研發投入、設計成本以及PACK和BMS等環節下降。

  經對比分析,電池售價與良率幾乎呈線性關系,隨著良率提升,電池價格直線下降。目前我國自動化程度較好的高端產能良率在90%,勞動密集型的低端產能良率在80%,隨著行業逐漸淘汰低端過剩產能與高端產能良率進一步提升,未來成本會有小幅下降空間,大約對應良率每提升1%,成本同幅度下降1%左右,提升至95%對應5%成本降幅空間。

  電池售價與產能利用率(下稱Ut)的關系分為幾個階段,產能利用率小于20%時,電池價格隨著Ut提升快速下降,而之后相對平緩,Ut在50%時對應價格在350美元/KWH,90%對應330美元/KWH??紤]到15/16年Ut已經達到相對的高點,這一塊未來的空間比較有限。興業證券認為不必過度擔憂產能過剩導致Ut下降,原因在于未來幾年的產業高景氣度使得Ut保持在50%以上問題不大,而50%-區間內售價相對于Ut的敏感性已經不強。

  電池組中的PACK與BMS環節需根據不同車型需要進行針對性研發,具較強的定制化屬性,難以像電芯環節一樣通過規?;慨a來實現成本下降。要降低PACK與BMS環節的成本,切實可行的路徑是打造爆款車型,從而攤薄附加在每輛車的研發與定制成本。

  Model3成為爆款是特斯拉降低單車成本實現盈利的先決條件。以特斯拉Model3為例,由于Model3電池組選用高比能量的NCA正極材料,并采用20700單體電芯,整體散熱性能較差,其安全性能需要在PACK與BMS環節加以保障。為此,特斯拉采用尖端BMS技術,自主研發單體電荷平衡系統,并通過嚴格的鋰電池檢測實驗檢測每一顆單體電芯的一致性,在PACK環節采用復雜的多級串并聯工藝并使用更為昂貴的液體冷凝系統達到實時的溫度監控,而這部分昂貴的前期研發與設計成本已經反映在特斯拉財報的虧損中。Model3能夠以3.5萬美元的平民價格發售,其核心原因在于40萬級別的訂單量大大攤薄電池組的定制化成本,從而實現電池成本的迅速下降。

  現有的動力電池行業的商業模式依然有很多值得優化之處,比如在即將到來的退役電池潮中,退役電池合理的梯次利用將大大增強電池的經濟效益,又比如各大車企力推的模塊化設計將是電池實現規模效應的前提,再如企業通過打通上下游形成類似于比亞迪的商業閉環,這些舉措均能實現電池成本的進一步下降。

  動力電池退役潮將在今明兩年爆發。2014年為我國動力電池放量元年,出貨量達3.9GWh,早期的這批電池一般在3~5年左右即將達到設計的壽命終止條件,部分一致性不好或使用工況較惡劣的,甚至達不到3年的使用壽命。以此推算,我國將在今年迎來動力電池退役的放量潮,此后逐年快速遞增,預計到2019年,晚不會超過2020年,會有超過10GWh的退役動力電池規模。

  一般而言,動力電池容量低于初始容量的80%時,動力電池不再適合在電動汽車上使用。而80%以下還有很大利用空間,國家也支持和鼓勵梯次利用。但是目前在理論研究和示范工程方面較多,在商業化推廣方面還處在初期的探索階段。商業化的方式有兩種:一是梯次利用,如應用于儲能與低速電動工具;二是資源化,提取廢電池中的鎳、鈷等金屬,但是利用率不高、浪費較大。

  1)儲能市場:據測算,儲能電池市場化應用的目標成本為180美元/kwh,約合1.2元/wh,使用新型動力鋰電池無法達到成本要求,投資回報率偏低,這也是制約儲能產品大規模應用的障礙。梯次利用的動力電池能夠較好地權衡成本與性能因素,如電動大巴退役的動力電池由于能量密度較低,比較適合作為儲能基站使用。

  2)低速電動工具市場:低速車與電動自行車主要采用鉛酸電池,相比鋰電池,鉛酸電池更為便宜(0.6元/WH),但問題在于污染大。如果采用梯次利用的動力電池,可以在價格、行駛里程(能量密度)、和壽命之間達到一個較好的平衡,從而更快速的推動鋰電池在低速車與電動自行車市場的應用。

  模塊化就是在相同的基本架構上進行定制化組合,使得設計、生產車輛就像搭積木一樣簡單、快捷。這一概念的運用將極大地節省研發成本、驗證周期及生產成本。模塊化設計在傳統車領域已經非常成熟,隨著新能源汽車產銷的逐漸擴大,這一模式也將被植入。以大眾為例,其宣布旗下所有新能源車型將采用統一的電池單元,這一計劃將節省66%的成本。

  未來電池企業的供應將以模組為小單元。目前動力電池行業存在的一大問題是尚未模塊化,包括尺寸在內的諸多標準尚未統一,圓柱、方形與軟包路線未有真正意義的主流出現并且各體系內標準也參差不齊。未來隨著行業集中度提升,電池將通過主流企業制定標準,進行標準化生產。過對電池單體的串聯、并聯或串并聯混合的方式,確保電池模塊統一尺寸,并綜合考慮電池本體的機械特性、熱特性以及安全特性。在安裝設計不變的情況下,根據不同的續航里程和動力要求,提供不同電池容量,以滿足不同的需求。這種模塊化應用,在單體、模組端都可實現大規模自動化生產,大幅降低生產成本。

  縱向一體化也能夠實現交易成本的下降。如比亞迪所采取的從上游礦石、電池材料、到PACK、BMS、電芯到下游整車的一體化路線,實現了成本的有效下降。特斯拉選擇自建電池超級工也有類似考慮。對于動力電池企業來說,切入電池材料等上游環節,特別是成本下降有較大空間的隔膜、電解液等環節是成本控制的較好路徑,如國軒與星源材質合作的隔膜產線降成本路徑之二:工藝改進見成效,比能量緩步提高

  筆者認為動力電池能夠持續降成本的關鍵因素在于其類似于半導體,存在電池“摩爾定律”,以比能量的持續提高來實現單位Wh成本的不斷下降。目前來看動力電池系統能量密度提升空間主要來自高鎳三元NCM與NCA的普及應用。未來動力電池比能量將主要從電池的物理性能與化學性能兩方面著手提高,物理性能方面主要從材料輕量化、相互之間的搭配銜接突破,化學性能則主要通過新型材料的試用以實現電池電化學性能的狀態。

  圓柱路線目前成本,主要通過18650向20700與21700等大容量單體切換實現進一步降本;軟包路線成本,主要通過規?;a降成本以及改進工藝提升能量密度;

  方型路線主要通過大容量與鋁殼輕量化實現降成本,潛在降本空間在三類封裝路線中。

  目前的重點突破環節,主要通過提升成組效率提升系統比能量,產業目標為由目前65%水平提升至85%,對應30%比能量提升空間。

  正極材料:高鎳NCM材料與NCA材料,高比能量的正極材料能夠大大減少負極、隔膜與電解液等材料的用量。

  同時,其缺點也包括:1)高溫升、充電倍率是普遍詬??;2)循環次數上限在1000多次,使用壽命較短,應用場景局限在中低端。

  降成本方向:做大單體電芯。特斯拉已經Model3中用20700替代18650電芯,20700電池增加的尺寸大概為10%,而體積和能量儲存確是18650的1.33倍。根據特斯拉的估計,在達到與18650同樣的良率和產能后,20700能帶來能量密度增加3-4%,同時實現成本下降5-10%。

  軟包電池,又稱聚合物鋰電池,是使用高分子膠態或固態電解質的類方型電池,它們的制作工藝相似度很高,多用于手機、平板等高端3C產品上,因為高分子電解質全憑人工合成,所以成本較高,目前應用到動力電池上,還沒有成本優勢。軟包鋰電池所用的關鍵材料—正極材料、負極材料及隔膜—與傳統的鋼殼、鋁殼鋰電池之間的區別不大,的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復合膜)。

  軟包電池的優勢主要在于安全性能好。軟包電池的優點:1)安全性:在結構上采用鋁塑膜包裝,發生安全問題時,軟包電池一般會鼓氣裂開,而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發生爆炸;2)重量輕,軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%,較鋁殼鋰電池輕20%;3)內阻小,軟包電池的內阻較鋰電池小,可以極大的降低電池的自耗電;4)循環性能好,軟包電池的循環壽命更長,100次循環衰減比鋁殼少4%~7%;5)設計靈活,外形可變任意形狀,可以更薄,可根據客戶的需求定制,開發新的電芯型號。

  軟包電池的不足之處是一致性較差,成本較高,容易發生漏液。未來成本下降主要通過規?;a解決,漏液則可以通過提升鋁塑膜質量來解決。

  鋁殼輕量化與統一規格是未來發展重點。鋰電池鋁殼在鋼殼基礎上發展而來,與鋼殼相比,輕重量和安全性以及由此而來的性能優點,使鋁殼成為鋰電池外殼的主流。鋰電池鋁殼目前還在向高硬度和輕重量的技術方向發展,間接提升比能量。此外,由于方形鋰電池可以根據產品的尺寸進行定制化生產,所以市場上有成千上萬種型號,而正因為型號太多,工藝很難統一,未來成本下降還需要方形路線實現型號上的統一。

  方形路線在通過增大尺寸降成本的空間大于圓柱路線。美國卡內基梅隆大學的一項研究分析了圓柱形電池和方形電池的成本情況,發現在目前的技術水平下,圓柱形進一步降低成本的空間很小,通過提升圓柱形電池的尺寸和增加電極厚度的方式來降低成本已經收效甚微,而方形電池則有很大的潛力去降低鋰離子電池的成本,因此未來電芯封裝環節成本快速下降的機會很可能會出現在方形領域。

  電池PACK系統利用機械結構將眾多單個電芯通過串并聯的連接起來,并考慮系統機械強度、熱管理、BMS匹配等問題。PACK是銜接整車、電池、BMS的紐帶,而BMS則是動力電池組的核心技術,是電池PACK的核心競爭力,也是整車企業為關注的環節。PACK環節的成組效率是提升系統比能量的關鍵。同樣150Wh/kg級別的電芯,65%與85%成組效率下系統比能量分別為97.5Wh/kg與127.5Wh/kg,前者是目前國內的平均水平,而后者是工信部擬定到2020年的目標。成組效率從65%提至85%對應30%以上的系統比能量提升與較大幅度的成本下降,在各條路徑中顯得尤為關鍵。PACK環節成組效率提升主要有以下方法:

  1)提升集成效率。通過去除贅余組件以及關聯組件的集成來限度地減少組件數量來提高集成效率。2)減重,采用輕量化的材料和設計。3)電池包與底盤一體化。PACK體系經歷了代的T字或者工字型,再到第二代的土字型和田字形,目前已經來到第三代的一體化平臺,國際一線的特斯拉與大眾已經在這么做。一體化平臺的好處是把部分電池包的承重轉移到底盤上,從而實現輕量化。

  大眾的MEB平臺是其電池組未來實現成本大幅下降的關鍵。以大眾為例,大眾的針對電動車專屬研發的MEB(MEBElectrictoolkit)平臺是以大眾目前的MQB平臺為基礎,適用于電動車的全新的模塊化平臺。MEB平臺的構架是由底部的電池組而展開,打造更長的軸距和更短的前后懸,營造出更大的內部空間,從A到C級全系列乘用車或輕型商用車都可基于該平臺打造。電池組PACK與BMS設計也根據平臺打造,根據不同車型僅需要做一定的修繕與升級,設計與研發成本被化的攤薄。

  未來PACK將以整車企業主導。我國電動汽車市場未來一定是以乘用車為主要驅動,而乘用車電池PACK遠比商用車復雜,需要大量研發投入。電池企業技術儲主要集中于電池本身的研發,在PACK體系的關鍵環節如BMS、熱管理等不具較強實力。因此,未來的格局將是整車企業主導,第三方PACK企業憑借專業能力也能得到一定空間,但仍然需要依附于整車企業或產業聯盟。

  相比物理改進,動力電池的關鍵性突破仍然大概率要從提升電池電熱化學性能著手,通過新型的電池材料以及相互間的搭配、工藝的改進實現能量密度的進一步提升。而本土企業在未來幾年內研發與產業化的路徑也非常清晰,就是三元高鎳NCM電池與NCA電池。

  本土三元龍頭企業正在加速實現高比能三元電池量產。以本土高比能電池的代表企業比克電池為例,其16年三元出貨量0.9GWh,在本土企業中位列第2,僅次于CATL,其商業規劃具一定代表性。根據其規劃,比克的NCM與NCA電池量產計劃齊頭并進,目前能量密度達248WH/KG的NCA電池已實現量產,而下一代285WH/KG的NCA電池將于年內量產。就能量密度來看,已經達到特斯拉與松下水準。

  正極材料是電池能量的短板,提高正極材料比容量是提高電池能量密度的方式,未來高比容量的NCA和高鎳NCM是大勢所趨。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g,而石墨負極材料的比容量高達mAh/g,所以電池中負極和電解液等一般采用冗余配置,電池的終能量密度由正極材料決定。采用高容量的正極材料,能夠帶來負極、隔膜、電解液用量的大幅減少,電池終能量密度的提升幅度遠大于正極材料比容量提高的幅度。所以采用高容量的正極材料對于減輕電池重量,提高電動車的續航性能具有重要意義。

  本土正極材料龍頭企業正在加速實現高鎳三元正極材料量產。目前國內NCM111和NCM523型三元正極材料產品相對成熟,而622NCM于2016年開始逐步在部分動力電池企業中推廣,未來將逐步拓展至811NCM以及NCA材料。以材料龍頭杉杉股份為例,現有三元材料以NCM532、NCM523和NCM622為主,目前正在積極推進高鎳三元產線,在建產能包括寧鄉二期1萬噸NCM622產能,預計2017年年底投產,以及寧夏5000噸NCM811產能,預計2018年投產。

  硅負極的理論能量密度超其10倍,高達4200mAh/g,通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業界公認的方向之一,但其也有技術難點,主要在于在充放電過程中會引起硅體積膨脹~300%。據報道特斯拉將在Model3中采用了電池新材料,“特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統石墨負極材料中加入了10%的硅,其能量密度至少在550mAh/g以上”。

  本土進展方面,國內前幾大負極材料生產商陸續對硅碳負極材料進行布局,深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負極材料產品,杉杉正處于硅碳負極材料產業化進程中,星城石墨已將硅碳新型負極材料作為未來產品研發方向。貝特瑞研發的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g,盡管離硅的理論比容量4200mAh/g仍有較大差距,但已經是人造石墨負極材料比容量的3倍,性能大幅度地提高。

  隔膜工藝主要分干法與濕法兩類。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等,直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性,性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜技術路線主要分為干法與濕法兩種,干法成本較低但不適合大功率電池,濕法更薄能夠滿足大功率的要求,但是成本較貴。早的主流是干法;2015年三元產量上升后濕法使用較多,預計2020年干濕法占比50%,分別應用于中低端與高端領域。

  國產隔膜距離海外一線龍頭仍有差距。日本的旭化成是隔膜行業的龍頭,市占率在50%以上。過去1-2年,中國還有不少企業進入市場,但無法對龍頭地位構成撼動。旭化成干法現在可量產出貨的是12微米,濕法還是6-7微米。由于原料、技術、工藝與制設的差距,目前國產隔膜一致性較差,且厚度無法達到要求,干法20-40微米仍為主流。

  未來發展:薄型化隔膜。隨著動力電池比能量快速提升,16微米、12微米甚至8微米的隔膜開始應用,而濕法工藝制成的隔膜能夠達到要求。而干法隔膜隨著工藝的逐步改進近幾年也能夠應用于低比能量的三元電池中。

  電解質中添加LiFSI后,可提高離子導電率及電池充放電特性。比如,反復充放電300次后,1.2MLiPF6的情況下放電容量保持率會降至約60%,而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后,保持率可超過80%。目前LiFSI已經被行業中大部分企業進行過性能測試,特別是行業排名靠前的企業,如松下、LG、三星、索尼,以及日本的主流電解液生產商,如宇部化學、中央硝子等,同時其年使用量也處于趨勢性上上升階段。5他山之石可以攻玉放眼海外上下求索

  興業證券認為,動力電池從電池材料、電芯的生產、電池模組化再到電池PACK,整條產業化路徑并不是相互割裂的,而是有機的整體。未來要實現成本下降,不論是通過生產模式與商業模式上的改進還是通過物理與化學手段提升電池能量密度,都并非由某幾個環節單向突破能夠達成,而是基于全局角度設計達到終優化。例如,高比能量正極材料的使用需要相應負極、電解液與隔膜的升級配合,同時需要PACK成組系統中的BMS的升級,同時配合性能更好的溫控系統。比能量的提升是以成本上升為代價的,對應到單位Wh的成本是否下降則需要不斷地調試與優化,這方面海外已經走在前列。因此本章聚焦海外實現成熟商業化的車型與對應的電池技改降本之路,以窺未來國產高比能時代的降成本前景。

  國際一線車企主要車型的電芯供應幾乎由日韓電池企業包辦。2016年銷量排行前20車型中,對應的電池供應商有日本的松下和AESC,韓國的LG化學、三星SDI和SKI,北美電動汽車電池的供應商基本被日本和韓國壟斷。本土暫時由于政策因素使得日韓巨頭未能大規模進入,但是仍然不能掩飾本土企業在技術儲上相較日韓巨頭的劣勢。

  然而,單就成本而言,中國在主要的產地已經展現出優勢,在包括四大材料在內的主要電池材料供應環節均涌現一批規?;钠髽I,具價格優勢同時具一定技術能力。根據CEMAC的測算,由于在勞動力成本與材料成本上的優勢,截止2015年底,中國動力電池不論在成本還是在售價上均已處于全球水平??紤]到今年以來本土電池掀起的新一輪降價潮(20%降幅),成本已經成為中國動力電池的核心優勢所在。未來動力電池產能持續向中國轉移是大趨勢,而中國也將成為世界的動力電池工,培育出一批具國際競爭力的動力電池龍頭企業。

  興業證券認為國內動力電池企業在成本上較日韓巨頭有優勢,但在技術儲上處于劣勢。國內企業未來的降成本提技術之路必然是在對于國外的模仿基礎上實現超越,模仿的對象不應局限在電芯級別,而是目前已在全球暢銷車型中實現商業化的主流電池包及其采取的技術路線。興業證券對三款為主流的車型電池組進行剖析,而這三款電池也正好對應三家日韓巨頭電池企業,松下、LG與三星;以及三種主要的封裝形式,圓柱、軟包與方形路線。

 ?。?)優化Cell和Pack的生產工藝,以及通過產能擴張獲取經濟效益2)通過與客戶工接近來降低包裝,物流,報關,庫存等運營成本3)提升良率,降低運營費用。從行業的角度來講,現在沒有統一標準,因為18650的只有松下在做。為特斯拉供應圓柱形電池,特斯拉也在分享技術,希望圓柱形電池能得到更多推廣,不過還是要看裝在整車上什么位置。

  特斯拉的電池成本主要分為三個階段,目前電池成本占比接近60%,未來投資50億美金的超級電池工投產,成本有望下降30%以上。

 ?。?013年以前:18650電芯價格較低僅為$2,但是BMS和PACK成本較高,電池成本占比為57%。此前松下一直為特斯拉的電池供應商,提供的電池為18650的NCA電池,單個電芯為3.1Ah,能量為11.47Wh,單價為$2左右,預計該價格為松下搶占市場而有意放低的價格。以85kwh的ModelS為例,采用7263顆電芯,電池成本為$15246,特斯拉公告的BMS和PACK成本為$20000,總電池成本為$35246,2013年特斯拉年報顯示其毛利為22.5%,車子售價為$79900,其成本為$79900×(1-22.5%)=$61923,電池成本占比為$35246/$61923=57%。

 ?。?013年至特斯拉的超級電池工Gigafactor投產前:受商業因素的而影響,電芯單體價格大幅上升為$3.5,得益于BMS和PACK成本下降,電池成本占比為59%。2013年10月30號特斯拉與松下簽訂了高達70億美元合同,此時18650NCA電芯的價格上漲到了$3.5,漲幅高達75%,同樣85kwh的7263顆電芯成本為7263×3.5=$26680,但是特斯拉單獨出售的電池包價格和年報顯示的毛利卻沒有太大的變化,估測BMS+PACK成本已經大幅降低為$10000,因為BMS和PACK主要成本為設計費,本身的電子元器件和制造成本很低,整個電池包的成本為$26680+$10000=$36680,成本占比為$36680/$61923=59%。

  階段3:為超級電池工建成之后(2017-):電池成本下降30%以上。預計21700單體價格為$3.3,折合0.14美元/w。由于Model3電芯數量較少且容量較少,預計Model3BMS+PACK成本為$2880左右,綜合電池包成本為$6960,電池包成本占比29%。

  特斯拉實現圓柱路線大幅降本的秘訣在于設計閉環。興業證券在前述分析中提到圓柱路線的電池包降成本空間已經非常有限,Tesla能夠實現圓柱路線大幅度成本下降是一個例外。Tesla的電池、系統、整車一體化,全產業鏈覆蓋,可以做到設計的閉環,這與其它企業有根本性的區別,Tesla可以全面評估更改的利弊,而這是國內18650電池目前所不具的。

  通用汽車在2015年曾經披露過Bolt電動車采用LGChem的電池,電芯cell的價格為145美元/kWh左右。在年度全球商業會議上,通用汽車進一步對外展示了Bolt的電池電芯cell的成本預測。其中2016年的成本為145美元/kWh,這個數值持續到2019年,2020年會下降到120美元/kWh。到2022年,該數值繼續下降到100美元/kWh。合理推算得到通用bolt電池組成本在200美元/kWh,到2020年降至170美元/kWh。

  BoltEV與一代和二代Volt非常相似,采用了LG“袋狀電池”,也就是像食品真空袋那樣的尺寸和形狀,并且在兩代Volt車型上分別只使用了288和196個,顯然效率高了很多。

  這種袋狀電池相對于18650有幾個優點,首先是冷卻效果更好,溫控更加均勻,每個點的溫度也很容易達到一致性,隨后我在實驗室里看到了它的散熱系統,就像主板的印刷電路那樣,遍布袋狀電池的每個部位,通用的工程師使用了水冷散熱的方式,由于扁平的袋狀電池有著更大的面積,因此印刷電路一般的水冷管路密布,確實更容易溫控;其次它的壽命更長,也更加可靠,在環節下也相對穩定。

  寶馬i3一直使用的電芯是方形鋁殼,三元NCM材料,由三星SDI提供,額定電壓在3.7V,電壓限值區間為2.8-4.1VDC,電芯的比能在120Wh/kg以上,電芯的內阻在0.5mΩ左右。i3電池包共有8個模組組成,每個模組有12個電芯,共計96個電芯,串聯。

  供應鏈方面現在消費電池的正極材料大部分來自中國,動力電池只有不到10%來自中國,隔膜和負極主要來自韓國,電解液有少部分由中國工業,大部分來自日韓。同時,表示未來將產業鏈從日韓向中國轉移也是未來costreduction重要的機會。過去三年代到第二代產品能量密度有50%的增加,2018年的第三代產品會有20-30%的提升。

  i3是寶馬真正意義上量產的一款電動車,在去年9月份就已全球銷量突破6.6萬輛。i3很多領域的技術都為寶馬后續電動汽車開發做了充實的積累和探索,比如整車輕量化技術、電池系統模塊化技術、熱管理技術等。

  從動力電池系統角度來看,i3自2013年11月份上市以來至今進行了一次升級,即在2016年電量由22kWh,提升為33kWh,電量提高50%,這一次升級,保持了電池包體積、結構不變。升級之前的i3續航里程在81英里/130公里(升級后33度電續航在114英里/183公里),電池包總電量為22kWh,容量60Ah,總電壓353V;電池包的總重量約為235kg,比能為93.6Wh/kg(33度電的比能約為140.4Wh/kg)。

  i3的電連接,高壓線束(科士達Kostal提供)采用插接式與模組連接,與電極間的連接則通過超聲焊實現,采樣線先超聲焊再點膠的方式與連接片相連。寶馬i3的熱管理采用直冷方案(也有液冷方案),制冷劑為R134a。

  快充電池已實現成熟的商業化應用。目前快充類電動車已超過15000臺,累計運行超過10億公里,在公交車等對于充電時間要求較為嚴格的領域應用較為廣泛??斐渲髁骷夹g路線有兩類,一類是以鈦酸鋰替代石墨作為負極材料,代表企業有微宏、銀隆等,另一類是在磷酸鐵鋰體系下采用快充型石墨作為負極,代表企業為CATL。

  成本是快充電池進一步拓展應用領域的制約。國內快充電池度電成本約為5000元,補貼還不足以覆蓋該部分成本,因此快充仍未成為真正意義的主流。如果快充電池能夠實現較大幅度的成本下降,將迅速拓展其市場空間。潛在方向包括1)能量密度提升;2)批量化生產降成本;3)提高標稱電壓,目前只有2.3V,而三元在3.7V。

  現有體系下,電池能量密度有理論極限,如果要進一步突破Wh/kg比能量,目前的可選方案包括固態鋰電池,以及鋰空氣電池、鋰硫電池等新的電化學體系電池。

  高比能量+不燃燒。工作原理上固態鋰電池和傳統的鋰電池并無區別,只是電解質從液態變為固態。固態電池的優勢在于:1)能量密度:固態電池不再使用石墨負極,而是直接使用金屬鋰負極,大大減輕負極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高。目前實驗室已經可以小規模批量試制出能量密度為300-Wh/kg的全固態電池。2)安全性:固態電池不會在高溫下發生副反應,不會因產生氣體而發生燃燒。目前豐田、松下、三星、三菱以及國內的寧德時代等電池行業領軍企業都已經積極布局固態電池的儲研發。

  比能量有望超過500Wh/kg。硫作為正極理論比能量高達2600Wh/kg,且單質硫成本低、對于環境友好。但是,硫具有不導電、中間產物聚硫鋰溶于電解質、體積膨脹嚴重等缺點,這些問題使得鋰硫電池的大規模應用面臨諸多挑戰,包括安全性、倍率性能和循環穩定性等。

  金屬空氣電池:比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料,與空氣中的氧氣發生氧化還原反應產生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍,體積更小,重量更輕。不足之處在于,仍處于實驗室階段,實現商業化尚需等待。

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