電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)十年的成長(zhǎng)性是毋庸置疑的，但是整車(chē)不好投，多賣(mài)了電動(dòng)車(chē)就會(huì)少賣(mài)燃油車(chē)，互聯(lián)網(wǎng)車(chē)企屬于新增量，可惜不在二級(jí)市場(chǎng)，所以作為電動(dòng)汽車(chē)最關(guān)鍵變量的動(dòng)力電池就得到二級(jí)市場(chǎng)多年來(lái)的青睞。這幾天受到歐陽(yáng)明高院士“2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”主題演講的啟發(fā)，今天想跟大家一起梳理一下動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈的演化過(guò)程和未來(lái)趨勢(shì)，目的是幫助一些剛進(jìn)入這個(gè)行業(yè)做研究的投資人提供一個(gè)清晰的分析框架，希望老司機(jī)多提供意見(jiàn)。

歐陽(yáng)明高院士對(duì)動(dòng)力電池未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)判值得參考，我的總結(jié)如下：

1）政府對(duì)動(dòng)力電池2020年的規(guī)劃可以完成的確定性很高，即2020年可以實(shí)現(xiàn)比能量300瓦時(shí)/公斤、比功率1000瓦時(shí)/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時(shí)以?xún)?nèi)。實(shí)現(xiàn)的途徑也是明確的，即通過(guò)正極三元高鎳化和負(fù)極硅碳化，其中的關(guān)鍵是負(fù)極硅碳化。這方面寧德時(shí)代跑的最快，在保證安全性的情況下，能量密度已經(jīng)可以達(dá)到304瓦時(shí)/公斤，循環(huán)壽命在1000次左右；其他電池企業(yè)如力神和國(guó)軒也已接近滿(mǎn)足要求。

2）2020~2025年，動(dòng)力電池能量密度從300瓦時(shí)/公斤提升到400瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從8毛錢(qián)以?xún)?nèi)降到6毛錢(qián)以?xún)?nèi)，汽車(chē)?yán)m(xù)航里程達(dá)到400公里。要完成400瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)，關(guān)鍵是正極材料的改變，目前看最可能的是富鋰錳基和固態(tài)電池。

3）2025~2030年，最大的突破可能在電解質(zhì)，即全固態(tài)電池會(huì)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，比能量有望達(dá)到500瓦時(shí)/公斤，續(xù)航里程500公里以上。

一、正極三元材料高鎳化

動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)規(guī)模化主要受三個(gè)因素影響：能量密度、安全性和成本，電池路線的發(fā)展也是在這幾個(gè)因素之間平衡驅(qū)動(dòng)的。目前鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料：鈷酸鋰由于含鈷量高，而鈷比較稀缺，所以容易導(dǎo)致成本高；磷酸鐵鋰成本低、安全性好，但是能量密度限制大；三元材料比較好地平衡了三個(gè)因素，在政策鼓勵(lì)下增長(zhǎng)較快。

三元材料顧名思義就是由三種化學(xué)成分組成的材料，然后根據(jù)三種元素的配比比例來(lái)區(qū)分命名。目前主要的兩種三元材料是NCM（鎳鈷錳多元材料）和NCA（鎳鈷鋁多元材料），字母就是化學(xué)元素的縮寫(xiě)。NCM（鎳鈷錳多元材料）根據(jù)鎳鈷錳三種金屬含量的比例不同，主要分為NCM333、NCM523、NCM622和NCM811，數(shù)字就是每種元素的占比，其中NCM333和NCM523屬于低鎳，NCM622和NCM811屬于高鎳。NCA（鎳鈷鋁多元材料）中主要為鎳、鈷兩種元素，鋁元素含量較少，是高鎳三元材料的代表，比如特斯拉的三元NCA電池中鎳含量就達(dá)到了80%。

1）三元電池高鎳化的原因：

1、前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，鈷稀缺，成本高，長(zhǎng)期用不合適；

2、鎳有提高材料能量密度的作用。在三元材料中，鎳和鈷是主要的電活性原子，錳和鋁只是起到維持材料在充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用；鋰離子在低鎳三元材料中遷移活性較低，而且鎳的電壓比鈷更高、容量更大，因此為了不斷提高正極材料的比容量，就要向高鎳化方向發(fā)展。

2）高鎳化也有限度：

由于鋰原子和鎳原子半徑相似，過(guò)量鎳的加入會(huì)因與鋰發(fā)生位錯(cuò)現(xiàn)象導(dǎo)致鋰鎳混排，鋰層中鎳含量越多，鋰在層狀結(jié)構(gòu)中脫嵌就越難，導(dǎo)致材料電化學(xué)性能變差，而且鎳含量越高，對(duì)制程的要求也越高。因此，雖然增加鎳的比例是件滿(mǎn)足能量密度和成本的兩全其美事情，但最高比例也是有限度的。

3）每單位三元材料所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分含量：

1噸三元NCM333正極材料需要0.20噸鎳金屬、0.20噸鈷金屬；需要0.91噸硫酸鎳、0.97噸硫酸鈷；1噸三元NCM523正極材料需要0.31噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.40噸硫酸鎳、0.60噸硫酸鈷；1噸三元NCM622正極材料需要0.38噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.72噸硫酸鎳、0.61噸硫酸鈷；

1噸三元NCM811正極材料需要0.53噸鎳金屬、0.07噸鈷金屬；需要2.38噸硫酸鎳、0.32噸硫酸鈷；1噸三元NCA正極材料需要0.55噸鎳金屬、0.10噸鈷金屬；需要2.45噸硫酸鎳、0.49噸硫酸鈷。

根據(jù)真鋰研究預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，2017年我國(guó)動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域?qū)φ龢O材料市場(chǎng)需求約為7.33萬(wàn)噸，其中三元NCM材料市場(chǎng)需求約為3.01萬(wàn)噸，占比41%，三元NCA材料市場(chǎng)需求約為1.17萬(wàn)噸，占比16%。

雖然目前還是以NCM523為主，占比超過(guò)50%，但是未來(lái)兩年高鎳NCM811和NCA會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

二、負(fù)極材料硅碳化

要增加能量密度，除了要在正極材料上改進(jìn)，負(fù)極材料也要跟進(jìn)才能快速達(dá)到目標(biāo)。硅基負(fù)極材料的能量密度優(yōu)勢(shì)明顯高于石墨負(fù)極材料，因?yàn)槭睦碚撃芰棵芏仁?72mAh/g，而硅負(fù)極的理論能量密度可高達(dá)4200mAh/g，實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)1000mAh/g也是有著巨大的優(yōu)勢(shì)。近兩年國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究已經(jīng)解決了硅基材料體積膨脹和低電導(dǎo)率的問(wèn)題，多家負(fù)極材料公司都開(kāi)始了量產(chǎn)項(xiàng)目。比如，特斯拉已在Model3上采用硅碳負(fù)極作為動(dòng)力電池新材料，電池容量達(dá)到了550mAh/g以上，電池能量密度達(dá)300wh/kg；杉杉股份2017年可以完成4000噸/年的硅碳負(fù)極生產(chǎn)規(guī)模。

三、軟包電池

聊完電池的正負(fù)極材料，還是有必要對(duì)電池封裝形式做一下了解。目前市場(chǎng)上主要有三種電池封裝形式：圓柱形、方形和軟包，其中軟包的趨勢(shì)較明顯。

圓柱形電池是以直徑和長(zhǎng)度命名的，比如18650，18是直徑，65是長(zhǎng)度，單位是mm。圓柱形電池的優(yōu)點(diǎn)是：工藝成熟、PACK成本較低、良品率高、散熱好、空間布局靈活；缺點(diǎn)是：采用鋼殼或鋁殼封裝，會(huì)比較重，比能量相對(duì)較低。通過(guò)增大圓柱形電池的體積可以獲得更多的電池容量，這是在改進(jìn)正負(fù)極材料性能相對(duì)較慢的情況下，部分企業(yè)所采取的可以相對(duì)提高能量密度的措施。比如，特斯拉已經(jīng)啟動(dòng)了21700電池的規(guī)模化生產(chǎn)，并用在Model3上；國(guó)內(nèi)部分圓柱形18650電池企業(yè)比克、福斯特、猛獅等都宣稱(chēng)將在未來(lái)產(chǎn)能擴(kuò)充中投產(chǎn)21700電池。

方形電池殼體主要采用鋁合金、不銹鋼等材料，優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、封裝可靠度高、耐受性好、成組相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)能量效率高；缺點(diǎn)是：尺寸定制化高、型號(hào)太多、工藝難統(tǒng)一，安全隱患較大（一個(gè)由40個(gè)圓柱電池形成的動(dòng)力電池模組，可能僅由4-5塊方形電池組成，一旦發(fā)生電芯熱失控，那么方形每個(gè)電芯產(chǎn)生起火或爆炸的速度、威力都遠(yuǎn)高于圓柱電芯）。目前，生產(chǎn)方形電池的企業(yè)有國(guó)軒高科、三星SDI、力神、寧德時(shí)代等。

軟包電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復(fù)合膜)，這是軟包鋰電池中最關(guān)鍵、技術(shù)難度最高的材料。軟包裝材料通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍BOPA或PET構(gòu)成的外層保護(hù)層)、阻透層(中間層鋁箔)和內(nèi)層(多功能高阻隔層)。

軟包電池的優(yōu)勢(shì)：

1）安全性能好，軟包電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑膜包裝，發(fā)生安全問(wèn)題時(shí)，軟包電池一般會(huì)鼓氣裂開(kāi)，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發(fā)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(nèi)阻小，軟包電池的內(nèi)阻較鋰電池小，可以降低電池的自耗電；

4）循環(huán)性能好，軟包電池的循環(huán)壽命更長(zhǎng)，100次循環(huán)衰減比鋁殼少4%～7%；

5）設(shè)計(jì)靈活，外形可變?nèi)我庑螤睿梢愿。筛鶕?jù)客戶(hù)的需求定制，開(kāi)發(fā)新的電芯型號(hào)。

軟包電池的不足之處是一致性較差，成本較高，容易發(fā)生漏液。

雖然圓柱、方形和軟包三種封裝類(lèi)型的電池各有優(yōu)勢(shì)，也各有不足，但是三元電池中用軟包的趨勢(shì)還是比較明顯，因?yàn)槿洶姵厝萘枯^同等尺寸規(guī)格的鋼殼鋰電池高10~15%、較鋁殼電池高5~10%，而重量卻比同等容量規(guī)格的鋼殼電池和鋁殼電池更輕，在高能量密度和輕量化的政策推動(dòng)下更容易得到企業(yè)認(rèn)可。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)如東風(fēng)、眾泰、北汽新能源等主流電動(dòng)車(chē)企都在增加軟包動(dòng)力電池份額，寧德時(shí)代最新研發(fā)的高鎳正極和硅碳負(fù)極電池也是使用軟包封裝形式。

四、富鋰錳基正極材料

富鋰錳基正極材料還處于研發(fā)階段，相關(guān)資料較少，它的優(yōu)勢(shì)是：比容量高、成本低、無(wú)毒安全。歐陽(yáng)明高院士表示，目前國(guó)內(nèi)有兩個(gè)單位承擔(dān)了富鋰錳基正極材料前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目，一個(gè)是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減；另外一個(gè)是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，研制出了比容量400毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，那么理論上滿(mǎn)足400瓦時(shí)/公斤的能量密度就沒(méi)問(wèn)題。

五、固態(tài)電池和全固態(tài)電池

市場(chǎng)上對(duì)固態(tài)電池的討論比富鋰錳基多不少，固態(tài)電池可以說(shuō)是全固態(tài)電池的前期形態(tài)，即它的電解質(zhì)可能是液態(tài)、半固態(tài)、固液混合，而全固態(tài)鋰電池值得是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池，全稱(chēng)是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。

全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)：

1）安全性高，因?yàn)樗鼪](méi)有有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問(wèn)題；

2）能量密度高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的密度和使用量高于液態(tài)電解質(zhì)，而使用固態(tài)電解質(zhì)之后就沒(méi)有電解液泄漏問(wèn)題，所以它可以一片片全部疊起來(lái)，這樣體積比能量就會(huì)高；

3）正極材料選擇的范圍寬，因?yàn)樨?fù)極是鋰金屬，正極不含鋰都可以，而且電解質(zhì)的電壓窗口更寬，正極材料選擇范圍也就大，比能量就可以提高；

4）系統(tǒng)比能量高，由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過(guò)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。

目前國(guó)內(nèi)做固態(tài)電池研究的機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位還不少，包括中科院青島能源所、（中科院）寧波材料所，（中科院）物理所等，也包括寧德時(shí)代、中航鋰電等。因?yàn)閺墓虘B(tài)電池到全固態(tài)電池的過(guò)程中有中間形態(tài)可以產(chǎn)業(yè)化，比如豐田計(jì)劃將在2022年實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化（它是一種石墨負(fù)極＋硫化物電解質(zhì)＋高電壓正極的電池），所以固態(tài)電池比富鋰錳基正極材料電池值得跟蹤研究。

雖然今天的文章不涉及具體的投資邏輯，但是對(duì)于新人去篩選重點(diǎn)關(guān)注的公司還是有幫助的，比如選動(dòng)力鋰電池企業(yè)要選那種既有當(dāng)前主流產(chǎn)品產(chǎn)能的，還要有未來(lái)產(chǎn)品形態(tài)技術(shù)儲(chǔ)備的，像寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、璞泰來(lái)、杉杉股份等；而對(duì)鈷的投資是越往后不確定性越大。