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特斯拉电池专题报告:LFP纳入供应链商业策略胜

发布时间:2020-12-31 13:42

  2020年2月18日路透社报道特斯拉与宁德时代谈判,采购(无钴电池)磷酸铁锂电池,预计应用于低配版国产特斯拉车型,标准版和长续航版依旧使用LG化学的NCM811电池。目前来看,宁德时代的“无钴电池”针对的是上海工厂生产的中国版特斯拉;而购买宁德时代“无钴电池”后特斯拉将自建电池生产线,具体电池成分预计会在4月份的特斯拉电池日上进行说明。

  动力电池在整车成本中占比达40%以上,三元锂电池中正极材料的价格又占了动力电池成本的40%,正极材料中镍、钴、锰三种原材料二月份的价格分别为10.3万元/吨、27.6万元/吨、1.3万元/吨,其中钴的价格要远高于镍和锰。另外随着5G技术的兴起,智能终端对于钴的需求将会更加旺盛。为了降低成本,近年来各大电池厂都致力研发钴含量更低的电池,从三元电池从523到622再到811,钴的含量一步步降低。特斯拉对低钴电池布局已久,历代车型采用的锂离子电池一直在向低钴化发展,而且还计划推向全系列车系。2012年,特斯拉在ModelS上,钴的使用量是11千克/辆车;2018年,特斯拉在Model3上,钴的使用量为4.5千克/辆车,消耗量仅为2.8%。同年,马斯克在推特上表示:“下一代电池含钴量要为零。”

  在动力电池领域,磷酸铁锂电池三元锂电池一直是两大主流,其中三元锂又分为主流的镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种,后者主要应用于特斯拉的车型上。三元锂电池在能量密度和低温性能方面有优势,在储能密度方面,三元锂电池因为电压高,其能量密度基本能达到240Wh/kg,几乎是磷酸铁锂电池140Wh/kg的1.7倍;另外在抗低温上,三元锂电池低温使用下限值为零下30度,相比磷酸铁锂电池低温下限值零下20度更有优势,同时在相同低温条件下,磷酸铁锂电池衰减高达30%,三元锂电池冬季衰减不到15%。磷酸铁锂电池成本更低、安全性更好、使用寿命长,但是最大的缺陷就是能量密度低,难以满足高能量密度高续航里程的需求。随着近期宁德时代攻克了CTP技术,以及比亚迪发布了“刀片电池”,磷酸铁锂电池的能量密度有了新的解决方案。CTP技术+磷酸铁锂电池是在磷酸铁锂材料体系的基础上,利用系统集成及工艺改进来提升能量密度,同时降低电池成本。宁德时代的CTP技术采用大模组的方式,通过取消顶板、侧板等零部件来简化模组结构,优化电池包结构,提高了电池包在整车的连接强度,实现较大幅度的降本。我们认为工厂最终的配套方案为宁德时代磷酸铁锂电池+CTP技术,使得磷酸铁锂电池包系统能量密度达到160Wh/kg。由于省去了电池模组组装环节,较传统电池包,CTP技术可以使电池包能量密度提高10%~15%,体积利用率提高15%~20%,零部件数量减少40%,大幅降低制造成本。

  CTP的概念最开始是宁德时代在去年9月德国的法兰克福车展上提出的。作为高集成的动力电池系统开发平台,CTP与传统电池包的区别在于省去了中间的模组环节,其优势主要有三点:一是轻量化:CTP技术能够最大程度的减少电池Pack内部,各个模组之间的侧板、底板、连接线束、固定件、非必要的横梁,纵梁等零部件,对于电池的轻量化非常有帮助。二是提升能量密度:包括重量比能量密度和体积比能密度。通过减少内部结构组建,CTP电池包能提高体积利用率,系统能量密度也间接提升,如宁德时代的CTP技术,重量比能量密度能达到200Wh/kg。从体积比能量密度来看,比亚迪的CTP技术可以使体积比能量密度相比过去能够提升50%,不同规格的电芯体积比能量密度分别为439Wh/L、448Wh/L、449Wh/L、450Wh/L。三是成本低:CTP技术减少了电池Pack本身的成本,也通过简化工艺降低生产组装成本,降低动力电池成本的需求事实上也是CTP技术落地的一个重要推动力。

  电池模组结构在电池PACK过程中起到电芯集成、支撑、固定和保护等作用,同时还要满足完好固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变、满足载流性能要求、满足对电芯温度的控制、遇到严重异常时及时断电、避免热失控的传播等等功能。如果去掉模组直接将电芯串并联在一起做成电池包,这意味着一旦有电芯出现问题将会对整个电池包产生影响,从而有可能降低电池包的可靠性。因此CTP技术对电池企业和主机厂而言的要求都很高,包括提高电池产品的一致性和增加售后维修成本等。北汽新能源EU5是首款搭载CTP电池包的车型,其能量密度可达到200Wh/kg以上。随后大众汽车拉美卡车公司(VWCO)也与宁德时代签订长期合作协议,搭载磷酸铁锂电池包的全新电动货车e-Delivery即将上市。宁德时代为VWCO定制的新型标准电池包效率由原来的75%提升到90%,系统能量密度提升到160Wh/kg。目前虽然宁德时代和蜂巢能源利用CTP技术给出了提升电池包空间利用率和能量密度的解决方案,但产品最终结果还需要进一步验证。

  特斯拉以三代产品定位依次下沉为路径,以电动化切入、以智能化展开差异化竞争、高度垂直一体化整合,逐步扩大用户群体,同时维持环保、科技、高端的品牌形象,目前公司在纯电车和自动驾驶技术领域的领先优势已经是行业公认。以特斯拉在中国市场的销量担当Model3为例,国产Model3凭借动力电池系统、自动驾驶技术以及整车FOTA技术支撑起起强大的竞争力。特斯拉最大的电池供应商是全球电池领先企业松下公司,与松下联合研发的强大电芯以及自主研发的电池管理系统和电池冷却系统构筑了其在电动车核心领域技术壁垒。从18650电池到21700电池,特斯拉携手松下实现了电池单体的自主研发,并在能量密度上实现了突破,达260-280Wh/kg。在自动驾驶方面,国产model3搭载Autopilot系统,采用摄像头为主导硬件,搭载Hardware3.0芯片,配备8颗摄像头、12个超声波雷达和1个毫米波雷达。特斯拉表示在不久之后,Autopilot甚至将具备城市内道路的驾驶能力,可以识别红绿灯和小路口的停车标志。在人机交互系统方面,通过FOTA空中升级的方式进行软件的更新,保证硬件系统的优化潜力得以发挥。相比于其他车企的OTA,FOTA技术能够对底层系统进行迭代,直接向相关ECU推送软件补丁,完成功能性升级。

  除了提升各车型的技术优势,特斯拉还积极完善配套基础设施。截止2019年12月特斯拉已经在中国市场投放超级充电站超过300座,超级充电桩数量也已经达到1.5万个。12月27日,特斯拉上海金桥建成国内首座V3超级充电桩,并对外开放。V3充电桩最高支持250kW充电功率,相比V2充电桩提升一倍多。还是以Model3为例,在峰值功率状况下,5分钟充电时间里能将续航增加120km左右。特斯拉凭借智能化优势、完善的配套设施以及独特的品牌效应迅速扩大市场,推动全产业链的发展。

  2019年全球电动车的销量约为220万辆,同比2018年实现增长10%,市场份额从2.1%提升到2.5%。按照车企销量排名来看,前三名分别为特斯拉比亚迪北汽,原本排在全球电动车销量首位的比亚迪已被特斯拉成功反超,主要是因为国内新能源补贴的退坡,导致比亚迪销量连续数月下滑,而特斯拉在全球各个地区销售均实现增长,其中包括中国市场受补贴价格下滑,销量持续扩大。根据具体电动车型来看,特斯拉的Model3全年销量为30.1万辆,全年销量11.1万辆,年销量7.0辆,成功超越比亚迪元登上了第三的宝座。特斯拉的Model3销量在全球总销量中占比达14%左右,明显高于排在第二的,在全球销量中处于绝对领先地位。

  根据公司公告,特斯拉的交付量逐年增加,2019年全年交付36.8万辆,同比增长49.8%,其中Model3交付量30.1万辆,高于ModelS和X系列的总和,同比增长106.01%。在特斯拉的主要销售市场中,2019年Model3在美国市场的销量为15.9万辆,位居最畅销电动汽车排行榜榜首,三款车型ModelS、X和3约占美国电动市场份额的78%。中国市场是特斯拉海外第一大市场、全球第二大市场(仅次于美国本土),也是全球增长最快的市场。在车市整体下行和补贴退坡的情况下,特斯拉在中国的销量却是逆市而行,快速上涨。今年1月我国新能源汽车产销仅完成4万辆和4.4万辆,同比下滑程度均超过了50%,多半的传统企业遭遇了“斩腰”式下滑。而据特斯拉公布的报告显示,的超级工厂已经恢复了国产Model3的交付工作,目前上海工厂对国产Model3的产量可达到周产3000辆,远高于之前的周产1000辆,与其他国内车厂一月惨淡的销售业绩形成鲜明的对比。这不仅是特斯拉价格更加下沉的原因,更是市场对电动车整体品质和使用便利性的广泛认可的结果。

  特斯拉通过选用我国本土供应商,降低了生产成本及交通运输成本,规避了进口关税,使得整车成本显著下降,如果使用宁德时代的CTP技术,生产成本和价格势必会进一步下探。国内纯电动车型在价格15~25万,续航里程400~450公里区间竞争激烈。特斯拉车型凭借成本优势继续下沉,将对国产车型构成直接威胁。另一方面,特斯拉的发展也可能给国内供应链企业带来增量,带动国内电动汽车整体供应链提升。并且有助于提升中国新能源汽车行业技术水平,降低国产新能源汽车成本。

  据特斯拉透露,目前国产Model3零部件本地化率为30%,2020年年中将达到70%,年底实现100%本地化率。若特斯拉2020年底实现国产化,国产低配版降至20万元,国产特斯拉价格下调对于国内自主品牌而言将会带来新的挑战。我们预计特斯拉凭借车载软件、外观设计及品牌优势,单车品牌溢价在3万元左右,至少可以抢占新能源乘用车15%的市场份额。由于补贴退坡,去年中国新能源汽车销量不尽如人意,作为主力军的自主品牌正在承受着转型的剧痛,此时国产特斯拉通过不断降价抢占市场份额,自主品牌的处境无疑是雪上加霜。

  工厂预计生产两款车型Model3和ModelY,每款车型均有不同版本,包括标准续航版和长续航版。Model3标准续航版和长续航版额定里程分别为445km、590km;ModelY标准续航版和长续航版额定里程分别为505km、480km。现有的Model3版本中配套松下NCA和LG811电池,如果特斯拉与宁德时代谈判落地,上海工厂的Model3会配套磷酸铁锂电池。我们假设配套宁德时代磷酸铁锂电池的车型续航里程不超过现有版本,即低配版Model3续航里程不超过445km,低配版ModelY续航里程不超过480km。

  根据2019年工信部发布的新能源汽车补贴政策,特斯拉为拿到最高档国内新能源汽车补贴,两款搭配磷酸铁锂电池的车型续航里程至少应超过400km。目前私人购买的Model3可以拿到24750元补贴就是来自最高档2.5万元补贴乘以0.9的电池系统能量密度调整系数和1.1的车辆能耗调整系数。在电池和续航方面,国产版特斯拉Model3的电池分为两种版本,其中一款的电池能量密度、NEDC续航跟电耗分别为是145Wh/kg、445km、12.4kWh/100km;另一种是153Wh/kg、455km、12.5kWh/100km。

  目前还没有披露宁德时代采用CTP方案的磷酸铁锂电池系统能量密度,我们用搭载刀片电池的比亚迪“汉”作为参照,根据2020年第2批新能源汽车推广目录披露,该车型百公里耗电量为14.1kWh/100km。

  自特斯拉Model3量产以来,该车型销量迅速增加,并于18年Q3超过了ModelX和ModelS的总和。2019年前四季度Model3在各车型中销量占比分别为80.8%、81.4%、82.1%、82.6%,目前已稳定在80%左右。

  我们预计低配版Model3未来三年占上海工厂产量比例为33%、67%、72%,按照特斯拉全年生产50万辆的目标计算,2020年上海工厂特斯拉Model3的产量为15万辆,配套LFP电池Model3产量大约为5万辆。低配版Model3续航里程预计在400km-445km之间,平均每辆低配版Model3带电量区间为56.4~62.7kWh,最终测算出特斯拉LFP电池需求约为2.8~3.1GWh。

  假设要件一:大众宝马等新车型集中于2020年下半年在华推出,首发车型均配套三元电池,若有低配版也至少于2021年推出。

  在全球汽车电气化趋势下,奔驰宝马奥迪都将纯电SUV的中国生产计划安排在2020年。继建厂之后,上汽大众新能源工厂也在2019年落成,首台ID.车是一款MEB平台纯电动中型SUV,也是上汽大众未来投产的首款ID.家族车型,预计将于2020年下半年正式亮相。此外,大众品牌里程碑式车型,全球首款量产电动车ID.3,未来也将于工厂生产并配套三元电池。奔驰近年来也加快了在中国市场中电动汽车的布局,并且新增了位于北京经济开发区的工厂,将投产EQC、EQA、EQB三款车型。其中EQC车型1.5万辆/年,EQA车型4万辆/年,EQB车型6.5万辆/年,预计在2020年推出,三款车型也均采用三元电池,其中EQC车型搭载了宁德时代生产的79.2kWh的三元锂电池,WLTP工况续航里程大于413km。宝马推出的首款国产的宝马电动车型iX3将在2020年由华晨宝马正式量产,届时将直面奔驰EQC、奥迪e-tron的竞争。宝马iX3搭载宝马第五代电动动力传动系统,电动机最大功率为200kW,电池采用宁德时代提供的三元锂电池,容量为74kWh,WLTP标准下续航里程超过400km。电动汽车新车型预计在2020年下半年集中推出,从已发布的车型来看,大多数均采用三元电池。

  假设要件二:未来国产增量主要来自于新配套A\B级车中选择磷酸铁锂,但LFP占比较高的A00级车市占率的减少量可以达到抵消效果。

  根据乘联会,LFP装机占比较高的A00级车2018年和2019年的市占率分别为36.6%和17.7%,同比减少了18.9pcts。未来可能选择磷酸铁锂的新配套A\B级车中,纯电动A级车市占率从2018年的24.7%增加到2019年的40.1%,同比增加了15.4pcts;纯电动B级车市占率从2018年的1.5%增加到2019年的6.4%,同比增加了4.9pcts。纯电动A\B级车2019年市占率总和同比增加了20.3pcts,与A00级车市占率的减少量大体相当,预计A00级车的减少可以抵消A\B级车增加带来的磷酸铁锂电池增量。

  根据GGII,2019年我国动力电池装机量为62GWh,其中三元锂电池装机量为41GWh,占比65.69%,而磷酸铁锂电池装机量为20GWh,占比32.53%,远低于三元锂电池装机量。从细分车型看,纯电动客车主要以磷酸铁锂电池为主,装机量达到14GWh,占据纯电动客车电池量的94.67%,对应三元锂电池仅0.15MWh,占比不足0.01%。乘用车领域以三元锂电池为主,装机量达到40GWh,占据纯电动乘用车电池量95%的比重,而磷酸铁锂电池装机量为2GWh,占比5%不到。纯电动专用车领域以磷酸铁锂为主,装机量为4GWh,占据纯电动专用车80.90%的比重,三元锂电池装机量不足1GWh,占比仅有17%。

  我们假设2020年~2022年非三元占比每年下降2个pcts,分别为85%、83%、81%。按照2020年非特斯拉新能源乘用车销量为115万辆计算,2020年非动力电池装机量约为52.9GWh,其中磷酸铁锂占比15%达到7.9GWh;按照2020年非特斯拉新能源商用车销量为20万辆计算,2020年非动力电池装机量约为20GWh,其中磷酸铁锂装机量大约为18.8GWh,最终测算出2020年非装机26.7GWh。

  按照以上测算,2020-2022年预期磷酸铁锂电池装机量逐步爬坡,分别为36.5%,37.6%和38.0%。磷酸铁锂电池短期内复苏明显,但占比增速逐年减弱趋于40%。考虑到2020年各主流车厂集中推出配套有三元电池的新车型,三元电池需求量有望进一步上升。A00级车与A\B级车市占率变化带来的磷酸铁锂变化可能相互抵消,磷酸铁锂虽然在未来也有一定的需求,但边际增长有限。即使特斯拉上海工厂中生产磷酸铁锂配套的低配版Model3,对整个市场中磷酸铁锂装机量变化影响并不大,中长期看高能量密度的高镍三元电池依旧占据主流地位。

  从成本方面来看,磷酸铁锂电池在2019年下半年开始回暖,得益于补贴退坡后,磷酸铁锂电池成本优势更加明显,安全性高,对成本比较敏感的A00车和专用车有吸引力。中国新能源汽车产业,正需要一种能够迅速降低整车成本的动力电池,来缓解补贴政策大幅退坡导致的整车成本急剧上升。中低端车型对电池成本更加敏感,磷酸铁锂电池的性价比优势会逐渐凸显,因此2020年中国新能源汽车市场,将会有很多搭载磷酸铁锂动力电池的车型上市销售。从技术方面看,磷酸铁锂电池能够在技术上取得突破,三元锂电池也不一定会一直保持原地踏步。三元锂电池在能量密度方面比磷酸铁锂电池拥有更大的潜力,只要能解决好成本和安全性问题,三元锂电池还是会成为许多厂家的首选。特别是如今主流的400-500km纯电续航还是无法满足多数消费者的使用需求,纯电续航600km以上的车型在短期内还是离不开高能量密度的三元锂电池。

  Maxwell于1965年成立,初期为政府提供理论物理研究,1990年代转向技术输出并运用于商业产品,主要生产超级电容。公司于2013年和SK合作研发超级电容和干电池电极,17年收购Nesscapenergy加码超级电容布局,18年和吉利沃尔沃开始合作,产品应用广泛的分布在能源方面,包括风电、铁轨、电网储能等领域。Maxwell目前共200+专利,全面覆盖干法电极材料制备、电解质自主配方、储能装置系统优化等。2019年5月特斯拉在财务亏损的情况下仍然坚持以2.18亿美元溢价55%收购同样处于亏损状态的Maxwell,就是希望通过其主要核心专利干电池技术和超级电容器技术为自研电池做准备。

  特斯拉自2015年起开始围绕其产品线进行收购,通过组建新的团队对被收购的公司进行强硬的直接干预,让合并后的公司迅速完成业务对接与融合。Maxwell是特斯拉收购的第5家企业,先前分别是特斯拉的工具供应商RivieraTool、住宅太阳能安装商太阳城市SolarCity、德国自动化工程公司GrohmannEngineering、工业自动化公司Perbix,都是为了工厂自动化、垂直整合以利提升产能的需求而并购。收购Maxwell是特斯拉在电化学领域的第一次重要收购,意味着特斯拉开始吸收外部技术团队来布局未来技术。2019年7月-10月,特斯拉又秘密收购了一家加拿大的电池设备公司HibarSystems。Hibar于2019年推出完整“高速锂离子电池制造系统”,具备锂电后端设备生产能力,可以提升特斯拉电池产线设计、建设能力,以加快特斯拉下一代电池制造计划。

  超级电容又称为双电层电容器,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。与传统电池相比,超级电容具有许多优点:充电速度快,10秒~10分钟即可充至其额定容量的95%以上;功率密度高,功率密度达102~104W/kg,是锂电池的10倍左右;循环寿命长,循环使用次数达10~50万次。但与主流锂电池相比仍面临体积大、能量密度低(放电过快)的劣势。目前商用的超级电容能量密度仅8~10Wh/kg,约为锂电池的5%左右,曾经应用于国内混合动力客车的制动能量回收和提供峰值功率,但难以满足乘用车对高能量密度高续航里程的需求。

  所有Maxwell超级电容器均采用干电极专利技术制造,具备在高冲击高振动环境中寿命长、耐受力好的优点。超级电容搭配锂电池的复合组合系统,可以撷取双方的优点,以超级电容大功率密度的优势为瞬间弹性调整出力,或是瞬间吸收能量例如刹车回电,另外以锂电池大能量密度的特点为主要提供动力来源,提供续航力。目前超级电容技术对特斯拉电池可起到两方面辅助作用:一方面可以应用并联超级电容来延长电池寿命,另一方面可以应用于Semi等大车型,在启停状态造成的极端充放电电压,通过超级电容来实现,在加速时可起到功率平衡作用。

  干电极技术是指不适用溶剂,直接将少量(5%-8%)细粉状PTFE粘合与正极/负极粉末粘合,通过挤压机形成薄的电极材料带,再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。干电池与传统锂电池工艺差异主要体现在电极片制造上,传统的锂电池制造使用有粘合剂材料的溶剂NMP/MNP与负极或正极粉末混合后,把浆料涂在电极集电体上并干燥,属于湿法工艺。与传统工艺相比,干电极技术具有以下优势:1)提升能量密度:干电池电极可以达到300Wh/kg的能量密度,并在拥有在未来实现500Wh/Kg的技术路线(能量密度将比特斯拉当前的电池增加138%)。2)降低成本:干电池技术无需使用NMP+MNP溶剂,可以简化制造过程,如减少电机涂覆机、溶剂搅拌、烘干设备等使得成本下降10-20%。3)提升寿命:相比目前最高2倍的更长电池寿命。

  Maxwell的干电极技术,能够大幅降低成本和提提高电池的使用寿命。在有溶剂的情况下,锂金属与石墨不能很好的融合,很难修复由于形成SEI膜所造成的锂离子损失,因此难以避免首次充电后的容量损失。Maxwell的干电极工艺不使用溶剂,可用干法将锂金属添加到负极,添加的锂金属不仅能够弥补在形成SEI膜所损失的锂,还能弥补由于SEI生长所损失的锂。另外,Maxwell通过采用独特的环保型无溶剂工艺,将高纯度活性炭定制配方加工成碳膜基片,并加上高可靠性的密闭封装和高性能的电解液,提高电池的使用寿命并且成功实现降本目的。

  补贴退坡和竞争加剧使新能源汽车行业成本压力增大,特斯拉一方面通过磷酸铁锂电池降低上海工厂成本来实现车型下沉,另一方面通过超级电容+干电池技术进行自研电池布局。我们认为特斯拉无钴电池并不改变三元电池主流地位,自研电池虽短期内难以量产,长期有望引领新一轮技术趋势。随着2020年大众奔驰宝马等集中在华推出电动汽车新车型,新能源汽车板块迎来良好的布局机会。我们继续维持新能源电池行业“看好”投资评级,并关注包括干电池和超级电容器在内的新技术趋势。2020年海外一线车企新能源车型持续推出带来供给侧的结构性改善以及年初海外新能源汽车市场的优异表现更为坚定了我们对于新能源汽车渗透率不断提升,国内产业链供应全球市场的行业增长逻辑。我们继续维持新能源电池行业“看好”投资评级,建议关注两类标的,一是业绩增长稳定,市场份额不断提升的动力电池公司,如宁德时代(300750)、亿纬锂能(300014);行业格局清晰,海外市场占比不断增加的中游公司,如恩捷股份(002812)、璞泰来(603659)、科达利(002850)。二是磷酸铁锂电池技术积累深厚,创新研发能力较强的动力电池公司,如国轩高科(002074);下游客户优质,市场占比较高的正极材料公司,如德方纳米(300769)。

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