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中金公司:从“麒麟电池”看动力电池结构演化趋势
2022.06.24 08:05 中金公司

财联社6月24日讯,中金公司认为,上一轮电池技术周期主要由电池材料创新引领,以高镍三元为代表;而在当前时点,材料层级的创新迭代趋缓,结构层面创新加速,从电芯层面4680、刀片等新结构,到系统层面CTP、CTC技术,将成为本轮电池技术周期的主线。

以下为原文内容:

麒麟电池发布,电池包性能再升级。麒麟电池为宁德时代第三代CTP电池包,相比前两代CTP技术,麒麟电池完全取消模组形态设计,并通过冷却结构上的优化,使得麒麟电池安全性、电池寿命、快充性能以及比能量密度进一步提升。

电池结构创新层出不穷,无模组化、集成化成趋势。随着电池材料技术迭代趋缓,叠加当前原材料涨价背景,电池结构创新或将成为车企和电池厂进一步提升性能和降低成本的重要抓手。在电芯层面,比亚迪推出刀片电池提升空间利用率,特斯拉则推出4680大圆柱电池推动电池能量密度提升。系统层面,宁德时代先后推出三代CTP技术,比亚迪与特斯拉则推出CTC/CTB电池车身一体化技术,零跑、上汽等整车厂也推出MTC/CTP等技术创新,我们认为无模组化发展或将成为趋势。

我们认为动力电池模组向大尺寸、无模组方向发展,是电芯品质提升后对能量密度追求的必然选择。电动车为提升续航里程,需在有限的底盘空间内应提升体积利用率,尽可能多地放置动力电池以增加实际带电量。早期因电芯生产成熟度低、一致性稳定性较弱,需使用较多模组以增强电池安全性、降低维修成本。目前随着单体电芯品质提升,电池企业不断研发大模组甚至无模组以减少内部零部件、提升成组效率和电池体积能量密度。同时,CTP等无模组化技术也有助于电池降本并推动标准化与换电等新商业模式推广。

电池包结构迭代将加剧电池企业间分化,具备CTP/CTC领先技术能力电池厂有望进一步巩固配套份额并获得技术溢价带来的超额收益。技术能力较弱的车企将CTP/CTC电池包设计完全交由有实力的电池厂,电池厂则向下游延伸,同时与车企的绑定粘性进一步增强。而技术能力较强的车企将主导CTP/CTC设计、形成差异化竞争,仅与部分技术实力强的电池厂联合开发,其余电池厂商将从模组供应商退化为电芯供应商,配套价值量有所下降。

风险

新能源车销量不及预期,新技术应用推广不及预期,行业竞争加剧。

正文

麒麟电池发布,电池包性能再升级

麒麟电池为宁德时代第三代CTP技术(Cell to Pack)。相较于传统“电芯-模组-电池包”三级结构,CTP技术省去或减少模组组装环节,将电芯直接集成至电池包或更大的模组,最终达到提高系统层级能量密度、降低成本的目的。宁德时代第一、二代CTP的设计方案本质上用大模组替代小模组、仍保留模组形态布置;而根据宁德时代公布的麒麟电池结构,第三代CTP技术:1)完全取消模组形态布局,2)开创性的取消电池包横纵梁、底部水冷板以及隔热垫的单独设计,集成为多功能弹性夹层,使得麒麟电池具备以下优势:

►极速温控,安全性提升。麒麟电池在两块电芯中间设计液冷板,电芯双面冷却,换热面积较原底部冷却方案扩大4倍,将电芯温控时间缩短50%,在电芯温度异常时极速降温,有效阻隔热失控,安全性更优;

►支持4C高压快充技术。电芯双面冷却设计带来散热效率提升,进而可适应更大电流和高压快充(4C),做到5min热启动、10min充电80%;

►提高电池寿命。中间多功能弹性夹层设计可在电芯膨胀时起到一定缓冲作用,相比电芯贴电芯的设计,电池循环寿命延长;

►比能量提高。麒麟电池完全取消模组形态布置,进一步减少了结构件的用量,同时一体化设计的冷却结构,兼具水冷、缓冲、结构支撑多重作用,减少了横纵梁设计,使得电池包空间利用率提升,从第一代CTP到麒麟电池,电池包空间利用率从55%提升至72%,间接提升系统能量密度,磷酸铁锂系统能量密度160wh/kg,三元可达255wh/kg,较4680电池多装13%的电量,匹配三元技术可支持电动车实现1000km以上续航里程。

图表:宁德时代麒麟电池包结构示意

资料来源:公司官网,中金公司研究部

图表:麒麟电池多功能弹性夹层的设计

资料来源:公司官网,中金公司研究部

图表:宁德时代CTP技术迭代过程

资料来源:宁德时代官网,蜂巢能源官网,蔚来汽车官网,中金公司研究部

电池结构创新层出不穷,无模组化、集成化将成趋势

随着电池材料技术迭代趋缓,叠加当前原材料涨价背景,电池结构创新或将成为车企和电池厂进一步提升性能和降低成本的重要抓手,我们认为电池结构创新将由电芯和系统层级协同推进。

电芯结构创新:刀片电池与4680大圆柱电池引领

►刀片电池:2020年3月比亚迪推出刀片电池,针对方形电芯采用扁平化和减薄设计,成组时电芯直接充当电池包结构件,提高电池空间利用率。此外,刀片电池使用铁锂正极,并采用叠片工艺,降低电池内阻同时进一步提高能量密度,且电池整体安全性较好,针刺实验无明火、无烟。

►4680大圆柱电池:2020年9月特斯拉推出4680大圆柱电池.相比2170电池,4680电池直径进一步增加到46mm,大尺寸电芯降低了pack系统管理难度,减少了电池包金属结构件及导电连接件成本,每kWh成本下降约14%[1]。同时4680采用了激光雕刻的无极耳技术,无极耳结构使得电子运动距离大大缩短,内阻减少,让更安全、更高容量电芯成为可能,能量密度可达300Wh/kg,同时可带来更高的输出功率与更好的快充性能,在15分钟内可将电池电量从0充至80%,功率密度峰值可达1000W/kg以上。

图表:电芯层面结构创新包括4680大圆柱电池与刀片电池

资料来源:特斯拉官网,比亚迪官网,中金公司研究部

系统结构创新:去模组化、集成化

系统结构的创新变种较多,整体体现出去模组化、集成化的特征:

►CTP(Cell to Pack): 典型代表如宁德时代麒麟电池、上汽魔方电池以及比亚迪在产的刀片电池,取消模组环节,直接将电芯集成在电池包上,但保留电池托盘、上盖板的设计。

►CTB(Cell to Body):比亚迪2022年5月推出CTB方案,率先搭载于海豹车型上,该方案将刀片电池的上盖与车身底板集成于一体、取消了单独的上盖板设计,但仍保留电池托盘。CTB方案将电池包空间利用率进一步提升至66%、能量密度提升10%(我们预计或接近160kg/Wh)。

►MTC(Module to Chassis):零跑2022年4月推出MTC方案,该方案保留了模组和电池托盘设计,将车身底盘作为电池包上壳体、取消了单独的上壳体,让零部件数量减少20%、电池布置空间增加14.5%。

►CTC(Cell to Chassis):特斯拉于2020年推出基于4680圆柱电池的CTC方案,直接将圆柱电芯排列在车身上形成电池舱、前后连接车身大型铸件,电池上盖代替车身地板,可减重10%,增加14%的续航以及降低7%的成本。

对比各家CTP和CTC方案,宁德时代麒麟电池和特斯拉4680 CTC方案综合性能占优:

►能量密度:宁德时代麒麟电池铁锂/三元系统能量密度可达160Wh/kg/255Wh/kg以上,处于领先水平;而特斯拉4680 CTC方案,考虑到圆柱排列天然存在间隙、成组效率低于方形,我们预计系统能量密度较麒麟电池略低。

►冷却效果及散热性能:宁德时代麒麟电池和特斯拉4680 CTC 方案在电芯间设计液冷板,实现双面冷却、散热效率更佳;而比亚迪CTB、零跑MTC、上汽魔方电池均为单面冷却,散热效率一般。

►电池寿命:宁德时代麒麟电池和特斯拉 4680 CTC方案由于电芯间设计水冷板,在电芯膨胀时可提供一定缓冲作用,将有助于提升电池寿命。

图表:各家车企与电池厂CTP/CTC方案对比

资料来源:宁德时代官网,特斯拉官网,比亚迪官网,领跑官网,上汽集团官网,中金公司研究部

如何理解模组结构创新的核心驱动力?

电动车为提升续航里程,需在有限的底盘空间内应提升体积利用率,尽可能多地放置动力电池以增加实际带电量。复盘动力电池模组演变过程,模组由差异化向标准化发展以降低开发成本,并逐步向大型化、无模组化发展以提升体积利用率并进一步推动降本。

►早期模组尺寸结构差异化显著:早期电动汽车各车型的电池包尺寸大小并无统一标准存在较大差异,模组尺寸及在电池包内布置方式也多种多样,导致电池模组及电池包扩展性较差,开发成本高。

►模组逐步标准化,并向大尺寸发展:德国汽车工业协会推出标准电芯尺寸,此后大众内部推行VDA355模组,对电池模组进行标准化,并通过宁德时代等厂商的推广逐步成为市场主流标准;后续大众推出VDA390模组,横向放置三个模组,进一步提升了体积利用率(横向长度由355mm*3提升至390mm*3);大众推出MEB电动平台和590尺寸模组,减少模组数量并进一步提升横向体积利用率(横向长度由390mm*3提升至590mm*2)。

►进一步向大模组/无模组CTP及CTC方向演变:2019年后,宁德时代、比亚迪等厂商推出CTP(Cell to Pack)技术,直接将电芯集成进电池包,进一步提升体积利用率,向大模组/无模组化过渡发展。既CTP后,电池企业及车企尝试进一步精简结构推出CTC(Cell to Chassis),即取消模组与电池包设计,将电池上壳体与车身底盘直接融合,减少零部件数量并提升空间利用率。

我们认为动力电池模组向大尺寸、无模组方向发展,是电芯品质提升后对能量密度追求的必然选择。早期因电芯生产成熟度低、一致性稳定性较弱,需使用较多模组以增强电池安全性、降低维修成本。目前随着单体电芯品质提升,电池企业不断研发大模组甚至无模组以减少内部零部件、提升成组效率和电池体积能量密度。

图表:早期各电动车模组布置结构

资料来源:各公司官网,知化汽车,中金公司研究部

图表:动力电池向大模组、无模组方向演化

资料来源:电动汽车百人会(2022年3月25日-3月27日),中金公司研究部

成本方面,CTP技术减少了模组侧板等结构件并简化内部线缆,减轻车身重量的同时降低电池包成本。如据特斯拉估算,采用CTC+一体化压铸技术后,可节省370个零部件,为车身减重10%,将每千瓦时的电池成本降低7%。

图表:锂电池成本拆分

资料来源:GGII,鑫椤咨讯,中金公司研究部

CTP技术有助于进一步推动锂电池标准化,并推动换电等新商业模式。CTP技术通过无模组化设计进一步提升锂电池标准化程度,电池厂内使用电芯通用性提升,对于换电车企而言也具备更好的适配性。如宁德时代推出“巧克力换电块”,即采用了CTP技术,能量密度超160wh/kg,单块电池可提供约200km续航。

图表:宁德时代“巧克力换电块”

资料来源:宁德时代官网,中金公司研究部

从目前各车企及电池企业规划来看,大多集中布局CTP/CTC技术。2020年3月,比亚迪发布刀片电池,率先推出CTP技术;2020年9月,特斯拉在电池日上发布4680电芯尺寸及CTC技术;2022年4月,零跑发布CTC电池底盘一体化技术;2022年5月,比亚迪推出CTB车身电池一体化技术;宁德时代也在2019-2022年间先后推出三代CTP电池包。国内外电池企业及整车厂集中布局CTC及CTP技术。

电池去模组化对产业链影响几何?

在新能源车的开发过程中,车企跟电池厂商在电池包层面存在较明显的“技术切割”,技术能力较弱的车企会下放电池包整包的开发和制造给电池厂、直接向电池厂采购电池包;而技术能力较强的车企则会主导电池包的开发和装配,向电池厂采购模组或者电芯。我们认为车企参与到电池包的开发和制造主要出于三个目的:1)由于电池包设计涉及到车身、底盘等核心技术参数,车企希望相关的核心技术尽可能保留在体系内部;2)方便车企匹配整车设计和自上而下定义电池需求,增强产业链话语权;3)解决车企新能源转型带来的传统业务部门人员安置问题,如发动机、变速箱等部分的生产线员工可转移到电池包装配。随着电池结构从“传统三层结构”→CTP→CTC演化,车企和电池厂商的配套关系将进一步分化,有能力的车企、电池厂商将分别向上、向下整合:

►技术能力较弱的车企将CTP/CTC电池包设计完全交由有实力的电池厂,向电池厂直接采购CTP模组或者CTC集成化底盘;电池厂向下游延伸,同时与车企的绑定粘性进一步增强。

►技术能力较强的车企将主导CTP/CTC设计、形成差异化竞争,向上游模组制造进一步整合,相应的部分电池厂商将从模组供应商退化为电芯供应商,配套价值量会有所下降;但考虑到CTP/CTC方案设计需要与电芯设计协同,我们认为车企将会与有实力的电池厂共同开发,相应的开发供应商也有望在后期的量产中保留主供的地位。

重点关注具备整包设计能力的电池厂商、液冷板和隔热材料优质供应商

电池:无模组设计提高行业竞争门槛,头部和优质二线厂商具备优势

我们认为,上一轮电池技术周期主要由电池材料创新引领,以高镍三元为代表;而在当前时点,我们认为材料层级的创新迭代趋缓,结构层面创新加速,从电芯层面4680、刀片等新结构,到系统层面CTP、CTC技术,将成为本轮电池技术周期的主线。全新的电芯/系统结构将提高电池专利、制造工艺、以及开发设计的门槛:

► 电芯层面,比如4680的全极耳设计、刀片的结构设计不同厂商均设有专利保护,新进入者需绕开现有的专利;此外,4680全极耳设计带来激光焊等新工艺,制造难度大幅提升、成为当前量产良率的瓶颈环节。

►系统层面,一方面CTP/CTC方案需要综合电化学材料技术、热管理、电气与电路保护、电池管理系统、电池包结构的设计与开发,对电池厂商的综合技术能力要求较高;另一方面,CTP/CTC设计提高了维护难度和成本,相应的对电池单体的质量和一致性的要求更高。

综上,我们认为,本轮电池结构主导的技术周期将进一步稳固头部电池厂商的龙头地位、拉大头部与二、三线厂商盈利差距;同时,综合实力较强的优质二线厂商亦有望把握结构机遇突围、实现份额提升。

热管理:无模组化带来液冷板和隔热材料需求及设计变化

电池包无模组化设计对阻隔热失控要求提升,也带来液冷结构和隔热材料的变化:

液冷结构:液冷板定制化设计及“电芯级”立式冷板需求提升

液冷板是电池液冷系统的核心部件。液冷板内部设有液流通道,通过冷却液在液流通道中的循环流动,将热量从液冷板表面带走从而对环境进行冷却。其核心技术指标在于:1)散热功率大,能快速导出电池包的多余热量;2)密封性和结构强度高,避免冷却液泄漏,多采用钎焊工艺;3)冷却回路设计精准,保障电芯单体温度均匀性;4)重量轻,通常为铝制材料。从布局方式上,可划分为模组级液冷板和电芯级液冷板:

►模组级平板式液冷板:液冷板作为整体作用在一个或多个电池模组上,目前主流布局设置在电池包底部、作用于电池模组底面,典型代表如大众MEB、奥迪、通用、奔驰等车型;这种方案冷却结构设计简单,成本低,但散热效果及单体温度均匀性一般。

►电芯级立式液冷板:将液冷板设置在电芯之间,如特斯拉全系采用蛇形管的液冷板设计,作用于圆柱电芯侧面;这种方案散热效果较好,且有利于保障单体温度均匀性,但冷却结构设计较复杂、成本较高。

图表:大众MEB和特斯拉的液冷方案

资料来源:公司官网,中金公司研究部

电池包无模组化设计使得对电芯层级的散热需求提升,增加了立式液冷板设计,同时由于立式冷板部分充当横纵梁、结构强度提升:

►宁德时代“麒麟电池”:在电芯间设计立式水冷板,电芯双面冷却、提升电池换热效率,冷板与横纵梁、隔热棉做一体化设计,具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能:1)通过结构加强设计插入电池排间,同时连接上盖和下箱体,起到传统横纵梁支撑保护作用;2)立式冷却板将电芯隔开,同时纵向电芯间有膨胀补偿片+绝热气凝胶,有效隔热实现“零热失控”;3)液冷板通过双层冷却通道设计,可吸收电池充放电及老化时产生的膨胀,减少电池单体挤压,提升电池循环寿命。

► 上汽“魔方电池”:上汽“魔方电池”通过两根纵梁和三根立式液冷板的设计来实现电池前后端的碰撞防护和电芯冷却。

图表:麒麟电池液冷板设计

资料来源:国家知识产权局,中金公司研究部;注:专利公开号为CN216648494U,图中标红位置为加强体结构,水冷功能集成于加强体之中

图表:上汽魔方电池液冷结构设计

资料来源:上汽官网,中金公司研究部

电池无模组化设计提升对电池液冷板用量及性能要求,同时由于各家车企/电池企业的CTP/CTC差异化设计,对电池液冷板的布局和结构设计有所不同,带来定制化的开发需求,我们认为具备技术开发能力和先进制造工艺技术的液冷板供应商有望受益:

胶粘剂及隔热材料:无模组化带来用量的增长和对性能指标要求的提高

电池包无模组化设计使得胶粘剂在固定/防护/热管理等方面的作用更为突出,需求量与性能要求有望提高。CTP结构在省却模组部件的同时,需要使用大量胶粘剂来连接固定电芯,同时胶粘剂也在防护、热量管理等方面起到至关重要的作用。胶粘剂根据功能侧重不同主要分为两类:1)结构胶,以连接固定电芯与PACK壳体为主要目的,对于强度、柔韧性、耐老化、阻燃绝缘有较高要求,同时兼顾一定的导热作用;2)导热胶,以将电芯工作时产生的热量导出到外部为主要目的,实现热管理的部分功能,兼顾结构粘接要求。我们认为CTP结构下单个电池包对于胶粘剂的需求量有所增长,同时对于胶粘剂、胶黏材料的性能指标也提出了更高的要求。

看好球形氧化铝实现导热材料的高性能优化。球形氧化铝具有高热传导性、可压缩性、绝缘性等特点,可减少传热热阻、提高散热性能,我们认为是导热填料的重点优化方向之一。

图表:动力电池用胶粘剂

资料来源:胡东昇等《动力电池CTP结构需要什么样的结构胶粘剂?》2021年,中金公司研究部

图表:回天新材胶粘剂产品在动力电池领域的应用

资料来源:公司公告,中金公司研究部

隔热材料解决电池热扩散、磨损问题,在电池包无模组化设计下作用更为突出。隔热材料在电芯中起到两方面的重要作用:1)有效减少电芯磨损,起到缓冲保护作用;2)在电芯热失控时,能够及时阻隔热量,抑制热扩散,延缓事故发生,增加逃生时间。除电芯外,隔热材料也可用于顶板/侧板,起到防火和抗冲击的作用。CTP结构下电池包直接由电池单体组成,热扩散、磨损问题更为突出,隔热材料的运用尤为关键,以“麒麟电池”为例,其纵向电芯间有膨胀补偿片+绝热气凝胶,有效隔热实现“零热失控”。

图表:相邻电芯增加阻燃材料能防止电芯连续热失控

资料来源:焦红星《电池热失控防护方案仿真分析》2021,中金公司研究部

电池隔热材料技术路线丰富,陶瓷化硅橡胶为可行的高效替代方案。目前常用的动力电池保温隔热材料有隔热泡棉(PU、XPE、IXPE泡棉)、二氧化硅气凝胶、云母板等。其中,隔热泡棉是一种高分子弹性体,可吸收电池充放电时的鼓胀应力,但其基于PE材料本身的特性,使得部分材质存在高温软化和燃烧释放有毒气体的不足,且高端泡棉多依赖进口;二氧化硅气凝胶的结构优点和低导热系数使其具备较强的保温隔热能力和高温耐受能力,在材料厚度和覆盖的工作温度上较普通隔热泡棉优势突出。除目前常用的电池隔热材料外,陶瓷化硅橡胶作为新型的防火阻燃材料,其诸多特性契合电池阻燃绝缘需求,对比前两大材料,其突出优势在于力学性能和陶瓷化下的阻燃功能。此外,陶瓷化硅橡胶制备工艺与普通硅橡胶基本一致,工艺简单,我们认为未来陶瓷化硅橡胶有望作为新一代保温隔热材料广泛应用于动力电池领域。

图表:几种电池隔热材料的对比

资料来源:远翔新材招股说明书,纳偌科技官网,浙江荣泰官网,南京玻纤院,中金公司研究部

风险提示

全球新能源车销量不及预期:新能源车为当前动力电池主要下游应用场景,若新能源车销量不及预期,将影响电池企业营业收入和产能利用率,进而影响电池厂商利润。

新技术推广应用不及预期:新技术有望促进格局优化和获取到技术溢价带来的超额利润,若技术推广不及预期,或将拉近头部与二、三线电池企业份额及盈利上的差距。

行业竞争加剧:若行业竞争加剧、引发价格战,将导致行业整体利润下滑。

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