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1、电气设备电气设备 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 1 / 25 电气设备电气设备 2020 年 09 月 22 日 投资评级：投资评级：看好看好（维持维持） 行业走势图行业走势图 数据来源：贝格数据 行业周报-景气度扩散，关注量价齐 升的弹性环节-2020.9.20 新能源行业投资策略-新能源，新机 会-2020.9.17 行业周报-长期预期提升，景气度加 速向上-2020.9.13 锂电池行业锂电池行业深度系列报告深度系列报告（二） ：（二） ： 从从充放电本质充放电本质看看材料创新材料创新，龙头共进化，龙头共进化 行业深度报告行业深度报告 刘强（分析师）刘强（分析师） 李若飞（分析

2、师）李若飞（分析师） 证书编号：S0790520010001 证书编号：S0790520050004 锂电材料锂电材料体系是电池性能不断进化的核心体系是电池性能不断进化的核心 终端新能源车对动力电池的诉求主要在能量密度、 循环寿命、 安全性能三个方面， 当前产业界围绕这三大目标进行了一系列的锂电池创新， 我们认为其中最核心的 创新在于锂电材料。 锂电材料体系的创新基于电池充放电本质， 其中正负极选材 是提升电芯能量密度的关键， 电解液添加剂是改善电池循环寿命的有效手段。 对 于锂电产业链而言， 往往是具有强大研发基础与资金实力的头部企业引领行业的 技术创新与工艺进步。 在技术持续迭代的背景下，

3、 我们推荐具有强大研发实力的 锂电龙头宁德时代宁德时代。同时，新技术的需求者与发明者特斯拉特斯拉、提前布局硅基负极 技术的贝特瑞贝特瑞、 拥有多项电解液添加剂技术的新宙邦新宙邦、 在四元前驱体有研发经验 的格林美格林美、实现单晶、高镍量产的容百科技容百科技、当升科技当升科技等具备技术先发优势的公 司将受益。 正负极正负极选材是选材是提升提升电芯能量密度的关键与核心电芯能量密度的关键与核心 电芯能量等于正负极电势差与电芯容量的乘积。 提高电芯的能量密度的本质是提 高正负极电势差与理论比容量， 而电势与理论比容量由材料自身特性决定。 因此， 正负极材料的选择较为关键。 当前商业化的正极体系的创新集

4、中在对三元材料的 改性方面。 三元体系的技术发展可概括为无钴化与单晶化。 目前无钴化尚处于实 验室探究阶段，代表路线是：1）使用 Mg/Al/Mn 元素直接取代钴元素，造出新 三元或二元材料，实现完全去钴化；2）在 NCM 三元体系中添加铝元素制备四 元 NCMA， 将钴含量进一步稀释， 实现材料低钴化。 单晶化已经在中镍材料中广 泛应用， 高镍材料单晶化尚需进一步的工艺探索。 负极材料创新集中在高克容量 的硅体系，代表路线是：1）硅纳米线等纳米结构；2）硅碳复合材料；3）硅氧 碳复合体系。目前后两种技术路线处于导入期。我们认为，材料体系的创新着眼 于锂电池充放电本质， 是解决当前锂电池痛点最

5、有效的手段， 也将成为颠覆行业 格局的重要推手，具有前瞻性布局的企业最为受益。 开发新型电解液添加剂是改善电池循环寿命的开发新型电解液添加剂是改善电池循环寿命的有效手段有效手段 动力锂离子电池的失效直接影响电池的使用寿命与安全性。 而失效的诱因通常是 一连串的“反常”反应，而且多数难以避免。当前有效阻止连锁反常反应继续发 生的关键材料在于电解液添加剂。 电解液添加剂的使用是一种低成本、 高效率提 升电池循环寿命与安全性的方法。少量的添加剂就可起到改善效果。不过，当前 电解液添加剂技术的难点在于：1）添加剂与溶剂、锂盐的配比调节问题；2）电 解液添加剂的功能性取舍问题。 我们认为， 锂离子电池的

6、循环寿命和安全性是终 端消费者购车的主要考量指标， 电解液添加剂对上述性能的改善立竿见影， 若添 加剂的配比与功能平衡问题得以解决，将是材料层面落地速度最快的技术创新。 风险提示：风险提示：新技术转化不及预期、新能源汽车销量不及预期等 -15% 0% 15% 31% 46% 62% -012020-05 电气设备沪深300 相关研究报告相关研究报告 开 源 证 券 开 源 证 券 证 券 研 究 报 告 证 券 研 究 报 告 行 业 深 度 报 告 行 业 深 度 报 告 行 业 研 究 行 业 研 究 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明

7、2 / 25 目目 录录 1、 降本提质倒逼技术不断进化 . 4 1.1、 能量密度是衡量电池性能的核心标准 . 4 1.2、 锂离子电池仍存有成本下降空间 . 5 1.3、 锂电失效是汽车电动化进程的拦路虎 . 6 2、 材料创新：抓住锂电池充放电本质 . 8 2.1、 正极：现有三元体系的无钴化、单晶化 . 8 2.1.1、 无钴化：安全性尚待验证 . 8 2.1.1、 单晶化：制造壁垒高、量产难度大. 12 2.2、 硅基负极：复合化和结构改性最具量产潜力. 15 2.2.1、 硅纳米线：成本是制约其发展的主要问题 . 16 2.2.2、 硅碳复合材料：硅基材料中最先量产的材料 . 17

8、 2.2.3、 硅氧负极：性能介于硅、石墨之间. 19 2.3、 电解液：添加剂是提升循环寿命的一剂“良药” . 20 3、 受益公司 . 21 3.1、 特斯拉：降本增效极致追求者 . 21 3.2、 宁德时代：行业创新引领者 . 21 3.3、 贝特瑞：有望迎来硅碳负极风口 . 21 3.4、 新宙邦：电解液添加剂提升产品附加值 . 22 3.5、 格林美：高镍低钴前驱体材料的先行者 . 22 3.6、 容百科技：单晶与高镍技术的先行者 . 22 3.7、 当升科技：高镍单晶产品性能领先同业 . 22 4、 风险提示 . 23 图表目录图表目录 图 1： 现有锂电体系的电芯能量密度最高可达

9、 304Wh/kg（单位：Wh/kg） . 4 图 2： 宁德时代短期规划已实现，中长期追随国家规划. 5 图 3： 锂离子电池体系未来或将向全固态锂电、锂空发展 . 5 图 4： 锂离子电池包价格逐年下降 . 6 图 5： 在电池包成本拆分中，正极占比 21% . 6 图 6： 在电池包原材料成本拆分中，正极占比 38% . 6 图 7： 锂离子电池失效原因复杂 . 7 图 8： 锂离子电池热失效最终表现为电解液燃烧 . 7 图 9： 电芯能量密度提升方法 . 8 图 10： 硫酸钴价格在三种前驱体中最高（单位：万元/吨） . 8 图 11： NCM523 价格受硫酸钴价格影响较大（单位：万

10、元/吨）. 8 图 12： NCA9055、NA955、NMn955 的克容量相差不大 . 10 图 13： Mg/Al/Mn 掺杂可以有效延缓 LNO 升温速率 . 10 图 14： NCMA89 的循环性能、高温性能均优于 NCA89 与 NCM90 . 11 图 15： NCMA89 的首圈放电容量与 NCM90 相当 . 11 图 16： NCMA89 的热分解温度最高 . 11 图 17： 蜂巢能源四元 NCMA 电池循环寿命高于三元 NCM 电池 . 12 pOtMsNtPoQqMqMrMnPtNsN8O8Q8OnPrRoMqQiNoOuNkPpNsR8OoOxOwMpOmQMYr

11、NpN 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 3 / 25 图 18： 三元材料的热稳定性、循环寿命随着镍含量的增加而降低 . 12 图 19： 三元材料比二元材料的容量保持率低 . 12 图 20： 多晶材料在多次循环后逐渐粉碎 . 13 图 21： 单晶材料在多次循环后几乎无粉碎现象 . 13 图 22： 容百科技高电压单晶 NCM523 合成工序 . 13 图 23： 烧结温度和锂化比对晶粒尺寸影响较大 . 14 图 24： 单晶 NCA 比多晶 NCA 粒径小且光滑 . 14 图 25： 单晶 NCA 的循环寿命优于多晶 NCA . 15 图 26： 硅负极

12、特点及改性方法 . 16 图 27： 硅纳米线结构呈一维针状 . 16 图 28： 利用 PECVD 制备的硅纳米线形貌不均一 . 17 图 29： 当沉积形貌不均一时，循环寿命大打折扣 . 17 图 30： 硅碳复合材料可以是核壳形貌、三明治形貌等. 18 图 31： 国内负极厂商在硅碳负极领域的专利布局 . 18 图 32： 硅基负极生产工序与石墨类负极生产工序不同. 19 图 33： J.D.团队单晶 NCM523/Graphite 电池循环寿命远高于其他同类型电池 . 21 图 34： J.D.团队单晶 NCM523/Graphite 电池在 20下工作 25 年后的容量保持率依然高于

13、 90% . 21 表 1： 全球锂电领先国家和企业提出动力电芯能量密度发展规划（单位：Wh/kg） . 4 表 2： 从 NCM811 到 NCM9055，钴元素度电成本边际减少量为 14.06 元/kWh . 9 表 3： 蜂巢能源 NM 二元无钴电池能量密度与 NCM811 电池相当 . 10 表 4： 从贝特瑞相关专利来看，目前硅基负极材料多以碳材料为基底 . 19 表 5： 锂离子正极材料的不稳定问题多与电解液有关 . 20 表 6： 各类电解液添加剂功能性强 . 20 表 7： 锂电产业链公司估值对比 . 23 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 4

14、/ 25 1、 降本提质倒逼降本提质倒逼技术不断进化技术不断进化 动力电池堪称电动汽车的心脏，对动力电池的研发是新能源汽车行业的核心。从目 前现状来看，动力电池的研发主体是电池企业与车企，他们从“降低成本+提升能量 密度+提升循环寿命与安全性”三个目标出发，在材料、工艺、电池体系上做出很多 突破。核心产品力决定动力电池企业的行业地位。本文将对目前各企业在材料技术 储备做详细梳理。 1.1、 能量密度能量密度是衡量电池性能的核心标准是衡量电池性能的核心标准 第一只商业化锂离子电池出现在 1991 年，这款索尼开发的锂离子电池的能量密度只 有 80Wh/kg， 而如今， 随着电池材料的更新换代以及

15、制造工艺的日趋成熟， 锂离子电 池电芯的能量密度已经可以达到 300Wh/kg。锂离子电池的应用领域也从单一的消费 电子领域逐步向电动汽车和储能装置渗透。在动力电池领域，在动力电池领域，系统系统的能量密度与电的能量密度与电 动汽车的续航里程直接挂钩，高能量密度几乎成为市场衡量电池性能的绝对标准。动汽车的续航里程直接挂钩，高能量密度几乎成为市场衡量电池性能的绝对标准。 图图1：现有锂电体系的电芯能量密度最高可达现有锂电体系的电芯能量密度最高可达 304Wh/kg（单位：（单位：Wh/kg） 数据来源：BloombergNEF、开源证券研究所 目前，多国政府和企业对动力电池能量密度提出发展规划。目

16、前，多国政府和企业对动力电池能量密度提出发展规划。从国家规划来看，韩国 的规划相对激进，提出电芯能量密度在 2030 年达到 600Wh/kg。美国先进电池联合 会提出在 2020 年电芯能量密度提升至 350Wh/kg。日本新能源产业技术综合开发机 构提出在2020/2030年电芯能量密度分别达到250/500Wh/kg。 中国的目标最为稳健， 计划在 2020/2025/2030 年分别达到 300/400/500Wh/kg。 表表1：全球锂电领先国家和企业全球锂电领先国家和企业提出动力电提出动力电芯芯能量密度发展规划（单位：能量密度发展规划（单位：Wh/kg） 国家国家/企业企业 202

17、0 2025 2030 中国 300 400 500 日本 250 - 500 美国 350 - - 韩国 300 - 600 宁德时代 300-350 350-500 500-700 特斯拉 385 500 数据来源：中国汽车工程学会、NEDO、高工锂电、开源证券研究所 龙头公司带动行业技术创新。龙头公司带动行业技术创新。落实到企业层面，动力电池新技术开发的主力除了动 力电池巨头外， 还有新能源车企。 特斯拉是全球电动化的引领者， 一直以来和松下合 0 50 100 150 200 250 300 350 20062008200022 LCO/Gr

18、LMO/GrLMO+LNO/GrNCM333/GrNCM622/GrNCM811/GrNCA/Gr 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 5 / 25 作研发动力电池， 其规划是在2020年实现电芯密度385Wh/kg， 2025年实现500Wh/kg。 宁德时代对能量密度的追求一直是“稳准快” 。从宁德时代 2017 年的技术展望中可 以看出，公司 2020 年之前的目标已经基本实现，2019 年 NCM811 已经实现量产， 单体电芯能量密度达到 304Wh/kg。2020 年以后，CATL 对电芯能量密度的规划与国 家步调较为一致。 图图2：宁德时代短期规划已

19、实现，中长期追随国家规划宁德时代短期规划已实现，中长期追随国家规划 资料来源：宁德时代官网 国内外动力电池的能量密度平均水平离设定目标尚有差距，新技术、新新技术、新体系体系将推动将推动 行业行业竞争格局良性竞争格局良性改变。改变。目前成熟的锂电池体系的能量密度天花板已现。对于电芯 而言， 能量密度提升的本质在于提高正负极材料的比容量以及正负极材料的电势差能量密度提升的本质在于提高正负极材料的比容量以及正负极材料的电势差。 短期可以通过调节材料元素成分或改善制备工艺提高现有体系的能量密度，如无钴 高镍技术、干电极技术；长期看，现有锂电成熟体系的能量密度天花板已现，未来十 年里，固态电池、锂空/锂

20、硫电池等新体系的开发或将成为重点。 图图3：锂离子电池体系未来锂离子电池体系未来或或将向全固态锂电、锂空发展将向全固态锂电、锂空发展 资料来源： overview of battery cell technologies 1.2、 锂离子电池仍存有成本下降空间锂离子电池仍存有成本下降空间 降低成本是电动汽车对锂离子电池行业发展提出的另一需求。降低成本是电动汽车对锂离子电池行业发展提出的另一需求。电动汽车的造价成本 一般比传统燃油车高。而电动汽车中动力电池成本占比在 40%左右，动力电池成本 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 6 / 25 的降低对整车降本贡献最大

21、。而且锂离子电池成本下降空间一直存在。自从大规模 工业化应用以来， 锂离子电池的制造成本呈现急速下降趋势。 根据 BloombergNEF 数 据，2019 年全球动力锂离子电池包价格在 156 美元/kWh，预计到 2024 年降至 93 美 元/kWh，到 2030 年进一步降至 61 美元/kWh。 图图4：锂离子电池包价格逐年下降锂离子电池包价格逐年下降 数据来源：BloombergNEF、开源证券研究所 降本降本方式主要从电芯四大材料与新工艺着手。方式主要从电芯四大材料与新工艺着手。从电池包的成本结构来看，电芯原材 料成本占比最大。 进一步拆分电芯成本， 发现正极材料占比最大。 三元

22、电芯的正极材 料成本占比达 38%。降低正极材料的成本对整个电池包降本效果最佳。而目前成熟 的正极材料的价格已经随着规模化生产显著降低，市场供需关系基本稳定，进一步 大幅降价的可能性较小。 因此寻找新材料、 新工艺成为降本新方向。 各企业对降本的 热情不竭， 从材料到电池包零部件， 已经涌现出许多新技术。 合成三元材料的平价替 代、研制新的制备装配工艺等是各个公司研发的热点。 图图5：在电池包成本拆分中，正极占比在电池包成本拆分中，正极占比 21% 图图6：在在电池包电池包原材料成本拆分中，正极占比原材料成本拆分中，正极占比 38% 数据来源：开源证券研究所 注：该数据根据宁德时代 2019

23、年成 本测算得到 数据来源：开源证券研究所 注：该数据根据宁德时代 2019 年成 本测算得到 1.3、 锂电失效是汽车电动化进程的拦路虎锂电失效是汽车电动化进程的拦路虎 锂离子电池锂离子电池失效失效诱因诱因复杂复杂。锂离子电池的失效分为性能失效与安全性失效。性能失 效指锂电池容量衰减、循环寿命短、倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能 衰减等。 安全性失效包括热失控、 胀气、 漏液、 析锂、 短路等。 失效的内因较为复杂， -40% -30% -20% -10% 0% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 20001

24、620020E 电池包价格（美元/kWh）同比增速(右轴) 21% 4% 4% 3% 6% 18% 7% 11% 25% NCM电池包成本 正极 负极 隔膜 电解液 铜箔 其他原材料 能源 人工 其他成本 38.13% 6.81% 7.19% 4.89% 10.17% 32.81% NCM电池包原材料成本 正极 负极 隔膜 电解液 铜箔 其他原材料 行业深度报告行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 7 / 25 电芯四大材料皆存在失效导火索。 概括起来就是电芯内部发生一系列 “反常反应” 导 致四大材料的损伤。 图图7：锂离子电池锂离子电池失效原因失效原因

25、复杂复杂 资料来源： 锂电池失效分析与研究进展 动力锂电池动力锂电池的失效的失效直接影响电池的使用寿命直接影响电池的使用寿命与安全性与安全性。动力电池使用寿命的评价标 准通常是循环圈数与容量保持率。目前商业化动力电池的循环寿命在 2000 周左右， 意味着一辆续航里程为 400km 的纯电动车在 100%的放电深度下，全生命周期运行 里程为 80 万 km。一辆纯电动乘用车正常通勤情况下年均里程为 2.5 万 km，则该纯 电动乘用车使用寿命为 32 年。但实际上，在电芯充放电过程中可能会发生“反常反 应” ，降低电芯循环圈数与容量保持率，从而减少电动汽车的使用寿命。改善电芯使 用寿命的主要方

26、法是对电解液改性。 安全性失效是锂离子电池发生较多的一种失效，来源于电池在充放电过程中的热失 控问题。目前成熟的锂离子电池体系使用的电解质为有机物，当电池内部发生一系 列“反常”反应而放出大量热，有机电解液有可能在高于其燃点而燃烧，并在密闭空 间内释放气体，最终导致电池包爆炸。电池内部“反常“反应的诱因相对复杂且不可 控，因此从材料角度而言，有效解决电池热失效问题主要思路为：1）使用阻燃添加 剂防止有机电解液燃烧；2）开发不易燃的固态电解质。 图图8：锂离子电池锂离子电池热失效热失效最终表现为电解液燃烧最终表现为电解液燃烧 资料来源： Safety issues in lithium ion batteries: materials and