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快充专题2——电池材料端的变化
金融民工1990
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2023-12-21 20:34:49

会议要点

1. 快充时代的电池材料革新

快充普及势头强劲:高压快充车型价格逐渐下探至20万级别,预示快充技术向中低端市场渗透,将推动高压快充车型大规模普及和销量增长。

动力电池材料升级:锂离子传输是快充的核心,导致电池厂商积极升级材料体系,特别在负极和电解液等材料上提升。

电池倍率性能提升:需要更强倍率性能,促进例如碳纳米管等导电材料的应用升级,与消费者快充需求增长相对应。

2. 负极材料革新

快充影响因素:负极和电解液材料是影响锂电池快充性能的重要组成部分,其中负极的粒子传输通道、颗粒度形态等是关键因素。

负极材料现状:采用天然石墨和人造石墨,目前以成本和性能优势的人造石墨为主流,但石墨结构特点导致锂离子传输速率慢,影响快充性能。

快充安全挑战:快充时锂离子沉积在负极表面,可能导致电极极化、内阻增加、安全隐患,常规石墨对电池容量、寿命及安全存在负面影响。

3. 提升负极快充副材料技术

负极材料改善策略一:二次造粒,通过热解和球化工序改善粒径分布和表面积,从而提升快充性能与锂离子传输效率。

负极材料改善策略二:表面包覆(包袱),以石墨为核心,外覆一层无定型的碳材料,此结构有利于锂离子的快速传输与电池快充性能提升。

改进结果:通过二次造粒与表面包覆技术,显著增强负极材料的倍率性能,对于电池快充能力的提升至关重要。

4. 电池材料快充进步与前景

锂离子电池负极材料正向包袱(石墨化材料)及二噪力(硅基材料)升级,提升快充性能。主流非材料厂商在快充性能材料上已有深入布局,一些产品已实现量产,支撑4C至5C的快充需求。

电解质材料中,FSA(双(fluorosulfonyl)氨基锂盐)相比传统六氟磷酸锂,具有更佳性能,可提升电池导电率。FSA的需求正在明显增长,预计中国到2027年需求量将达到7万吨,年复合增长率为45%,助力快充技术发展。

FSA在锂电池中添加比例有望由当前的0.5-2%增至3-5%,显著增加需求空间,为投资提供广阔前景。

5. 材料端突破进展

电解液与负极材料是锂电材料关键部分,头部厂商如时代思康、天赐、康鹏多氟多正大力布局FSI产能,占比已达50%,显示产能规划和技术引领正稳步前进。

导电剂材料如碳纳米管、石墨烯的需求随快充要求增加,表现较传统碳黑具有更强导电性能,导电剂的需求将持续扩大。

天奈科技、道氏技术、黑猫股份等企业正积极布局导电材料领域,快充市场进入量产阶段,预计各材料环节价值和需求将明显提升。

会议实录

1. 快充时代的电池材料革新

随着销量的持续攀升,我们观察到高压架构或快充车型的售价,已有多款下探至20万元级别。这表明高压快充车型已逐步普及,价格区间正向中端渗透,预计将进一步促进这类车型的销量增长。随着电动汽车高压架构的推广,包括电池、电机、电控和OBC在内的多个部件,都将迎来更新迭代。

 

近期,众多动力电池制造商开始布局快充技术,预示着电池材料体系将升级,而锂离子传输效率直接影响快充性能。因此,我们将重点关注负极和电解液等材料的变化。此外,随着电池倍率性能要求的提高,碳纳米管导电剂的应用也预期将升级。本次会议我们着重探讨"快充专题2"下,电池材料端将发生哪些变化。下面请华西电信团队分析师李维嘉,详细分享细分市场的情况。现在,让我们将时间交给李维嘉。

 

首先,对于电池端,电动车通过"三电系统"简要概述其架构,即电池、电机和电控。其中,电池是重要的能量供应部件。快充技术之一便是通过高压快充。对整个三电平台,包括小型三电系统,都会产生显著影响。

 

成本端的变化,举例来看,目前比较成熟的二C和150度前驱系统,电压从450伏升至950伏,会导致整体成本上升。电芯成本的增加,占到了总成本增长的过半,说明电池端在快充部分,无论是性能还是价值量提升,都扮演着核心角色。

 

对于快充性能,我们采用倍率(C-rate)来衡量,即充放电电流与电池额定容量的比值。提升充放电电流或降低额定容量,都可以加大倍率性能。倍率性能同时代表充放电速度,例如0.2C意味着需要5小时充完电,而1C则表示1小时即可充完。倍率性能的数值在不断提升。自2011年起,每30分钟的续航里程已从90英里增长至2019年的246英里,而目前15分钟内能够实现450公里的快速充电。

 

技术升级方面,包括宁德时代、中航锂电等动力电池厂商,在技术研发和产品量产方面已有显著积累。目前宁德时代的"鹏城电池"、奇瑞电池等,都展现了超冲性能的提升,同时蜂巢能源、新旺达、中创新行、巨湾等,也展示了快充电池性能和技术量产的准备情况。

 

随着行业的快速进展,预期未来快充性能将进一步提升,消费者的快充需求得到更好满足。

 

2. 负极材料革新

校对文本:

 

另一方面,从锂电材料端来看,负极和电解液对快充性能的提升起到了重要作用。先来谈谈负极,负极对提升充电速率至关重要。锂电池的工作机理是,在充电过程中,锂离子从正极材料中释放,经电解液到达负极材料,并嵌入负极结构与电子结合。因此,材料内部的粒子传输通道、颗粒度形态及取向等因素,对快充性能有显著影响。负极比正极更关键,目前它是影响锂离子传输速度的关键环节。同时,在电解液中,其氧化还原稳定性相对较弱,快充会导致电解质层的增厚,进而影响离子传输速度。因此,对于传统电解液,它会对锂离子传输产生负面影响。

 

现在主要使用天然石墨和人造石墨作为负极材料。人造石墨因其成本和性能优势,成为主流选择。石墨是层状结构,锂离子主要从边缘嵌入,但此过程中扩散路径较长,导致扩散速率受限,影响充电性能。快充时,电解液中的锂离子传输速率高于其在石墨层的嵌入速率,这可能导致锂离子在负极表面沉积,引起电极电压极化。沉积的锂可能与电解液反应,形成SEI(固体电解质界面)层,从而增加电池内阻,严重时甚至可能引起安全问题。因此,在快充条件下,传统石墨材料可能对电池容量、寿命和安全等方面造成负面影响。

 

定性判断:

 

负极和电解液对快充性能的提升至关重要

负极是影响锂离子传输速度的关键环节

人造石墨成为主流选择

快充时,锂离子在石墨层的嵌入速率较慢,可能导致电极电压极化

传统石墨材料在快充条件下可能会对电池性能产生负面影响

3. 提升负极快充副材料技术

我们认为,富金这边对整体改善的需求非常迫切。这方面的改善可以通过几种方式实现。第一种方式是通过二次造粒,这在负极材料,尤其是人造石墨加工中,扮演着重要角色。它主要包括两个步骤:热解工序和球形筛分工序。

 

热解工序实际上就是把破碎的物料放入反应釜中,经过一系列加热和搅拌的工序,获得大约10-20毫米的物料。球形筛分工序则是将这种10-20毫米的物料再经过机械的全面磨粉,最终得到6-10微米的颗粒。我们现在认为,二次造粒是快充领域改善副材料性能的一个重要方式。所谓二次造粒,其实就是以沥青等物质作为粘合剂,将小颗粒基材在反应釜内进行重复交替的过程,达到目标粒径的尺寸。经过二次造粒,可以得到由许多小颗粒组成的椭圆形颗粒。

 

这种改进的材料,将具备更窄的粒径分布和更高的比表面积,包括在微结构内形成了更多、更丰富的通道。这样不仅可以提升负极材料的倍率性能,而且二次造粒的产品整体表现出更加优异的各向同性,这对锂离子在材料中的扩散非常有利。因此,二次造粒是满足快充性能的常用手段之一。

 

第二种常用的副材料改善方法是通过包覆工艺,这同样可以提升材料的快充性能。包覆简单来说就是以碳素材料为核心,在其表面包覆一层非晶态碳材料。这样的核壳结构有助于解决碳基材料的快充性能问题。由于非晶态碳是由沥青、酚醛树脂或柠檬酸等物质组成,这样的材料层间距相对较大,可以改善锂离子在其中的传导性能,从而提高倍率性能。但是这类材料在实际应用过程中也存在像沥青这类影响电池性能的问题,因此我们也在不断对这一端材料进行改性。

 

通过对比实验数据,我们发现采用包覆材料的石墨负极材料具有明显提升的倍率性能。

 

4. 电池材料快充进步与前景

因此,从负极材料这一端来看,目前主要通过包覆和掺杂等方式来提升现有石墨材料的快充性能。从非材料厂商的角度出发,我们可以观察到,主流厂商已经对快充性能的提升进行了深入的布局。而且一些产品已经量产,能满足大约4C到5C的快充性能需求。因此,我们看到非材料端正在不断提升快充性能,并进行技术升级。

 

在电解材料领域,最重要的部分是锂盐。目前广泛使用的锂盐是六氟磷酸锂,但以FSA为代表的材料,可能是未来具有确定性的发展方向。我们了解到FSA拥有优秀的性能表现,以氮原子为中心构成亚里岩结构。它的阴离子半径相比六氟磷酸锂更大,意味着可以更容易地解离出锂离子,从而提升锂电池的导电率。

 

因此,对于电解质环节来说,提升性能是最关键的。FSA实际上是对常规六氟磷酸锂的性能进行补充的材料。目前对于FSA的需求已经显著提升。2022年全球的需求量大约是1.2万吨,其中中国需求超过1.1万吨,同比增长达到了60%。预计到2027年,中国对FSA的需求会达到7万吨,复合增速也将达到45%,表现出快速增长的趋势。随着快充车型的普及以及对技术要求的提升,这些有助于快充性能提升的材料,有望迎来需求的进一步扩大。

 

我们分析相关资料可以发现,对于添加比例而言,一般在0.5%到2%之间,未来的增加比例有望达到3%到5%。因此,我们认为FSA的需求有很大的增长空间。

 

对业绩的指引或业绩预期性质的判断:预计到2027年,中国对FSA的需求会达到7万吨,复合增速也将达到45%,表现出快速增长的趋势。

 

比较重要的观点陈述:快充技术的提升及其对应的材料需求将持续增大,FSA作为六氟磷酸锂的性能补充材料,具备了越来越重要的地位和广泛的应用前景。

 

5. 材料端突破进展

我们已经看到,包括六氟磷酸锂(LiPF6)和电解液制造商在内的多家公司都在布局对双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)的投资。像时代新材、天赐材料和多氟多这样的一些领军企业,实际上都在建设LiFSI的生产能力。具体而言,天赐材料、时代新材以及多氟多三家公司的规划产能总和已经占到了市场的50%。显而易见,无论是产能规划、技术领先,还是产品应用,LiFSI都在不断推进。

 

在我们讨论的负极和电解液这两个部分中,它们作为整个锂电材料中的主要成分,对于提升电池性能与倍率发挥了关键作用。此外,例如导电剂等辅助材料,也将从中获益。

 

除了上述两个方面,导电剂也可以提升电池的倍率性能。因为它在活性物质之间发挥着收集电流的作用,能够减小电解液的接触电阻,并加快迁移速率,因而可以提升整体锂离子的导电性能。目前,锂电池中的导电剂主要以碳黑、石墨等形式存在,但是,类似碳纳米管、石墨烯这些新型材料也表现出了极佳的潜力。从导电性能来看,比较了传统碳黑和新型碳纳米管,阻抗越小代表导电性能越强,显然碳纳米管具有更优越的导电性。因此,我们认为随着快充需求的增长,像碳纳米管这样的新型导电剂材料,需求也将持续扩大。

 

从企业角度来说,包括天力、道森黑猫股份等公司,都已经对导电剂材料进行了规划和布局。目前碳纳米管导电剂领域的产能和出货量处于起步阶段,我们预见,在导电性能提升的需求驱动下,导电剂市场的需求会释放,应用的普及率也将提高。从锂电材料端来看,整体而言,主要材料对负极和电解液至关重要,而在导电剂环节上,技术升级和性能改善同样有望实现。通过这些部分的共同努力,我们可以期待电池整体快充性能的提升。

 

目前快充技术已经进入量产阶段,需求正在不断释放。展望未来,我们对快充性能提升带来的整个产业链价值提升和需求增长持乐观态度。


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