动力电池行业：解决续航最后一棒，快充进程加快催生材料新变化

报告出品方：华宝证券

以下为报告原文节选

------

1. 新能源汽车发展进入高压快充加速发展时期

1.1. 跨越电动车渗透率鸿沟，推广快充是必然之路

电动汽车渗透率快速提升，消费者需求已从政策、补贴驱动转变为对电动车本身使用价值优势的认可。自推广新能源汽车以来，过去十年，全球新能源汽车销量取得了较大规模的复合增速。目前新能源汽车仍处于渗透率快速提升的阶段，2023 年上半年我国新能源汽车渗透率已经超过 30%。当前，新能源车已经具备了较高的大众认知度，消费者需求已从政策、补贴驱动转变为对电动车本身使用价值优势的认可。后续，电动车渗透率提升有望继续延续，主要在于电动车产品力提升、存量增换购群体对电动车接受度高以及出行理念潜移默化的革新。

电动汽车发展的核心痛点是里程焦虑，解决里程焦虑有补齐续航和提高充电速率两种途径。
根据各机构对消费者购车因素的调研，运行费用低、牌照/限行政策优势、安静、动力性能好、新潮智能、环保等是电动车相对燃油车的主要优势，也是现有消费者购车的重要驱动因素。而潜在消费者没有购买新能源车的主要原因包括对续航不足、充电不便、购买价格高、质量安全性等方面的担忧。里程焦虑是制约消费者购买新能源车的主要因素，因此后续在以换购和首购消费者为主的电动车市场，对电动车短板的补齐是其渗透率提升的关键驱动因素，这就需要解决里程焦虑问题，解决里程焦虑有补齐续航和提高充电速率两种途径。

电动车发展初期，续航里程不足矛盾更加突出从而获得优先发展，快充整体发展相对滞后。
电动汽车购车补贴主要以车辆续航里程以及动力电池能量密度为评价指标确定补贴额度，消费者需求叠加政策鼓励使得在此期间动力电池的能量密度，以及纯电动汽车的续航里程迅速提高。
相比之下，快充整体发展相对滞后，但趋势已经显现，从 2017-2022 新上市车型平均快充时长基本保持在 0.6-0.7h 之间，未体现出下降趋势；但最小快充时长自 2020 年开始从 0.5h 下降到0.17h。

后续跨越电动车渗透率鸿沟，推广快充是必然之路。后续提升续航里程的边际效用逐渐减弱，一方面，新能源汽车补贴逐步退坡，到 2023 年完全取消，政策层面对续航里程和能量密度的指引减弱；另一方面 2023 年新上市车型的平均标称续航里程已经超过 500 公里，基本可以满足消费者在冬季之外的长短途出行，继续提高带电量和续航里程，主要是为了满足在冬季低温和夏季高温下的出行需求，后续继续往上提升技术难度加大效用递减。而续航里程的提升带动纯电动汽车长途出行场景的增多，反过来促进了消费者对途中快充的需求。能否像传统车加油一样实现快速充电，成为用户端关注的新“痛点”。后续要跨越电动车渗透率鸿沟，获得主流消费者广泛的支持，推广快充是必然之路。
1.2. 快充可通过高电压或大电流实现，高压快充成为主流

快充是指在较短时间内使动力电池达到或接近完全充电状态，决定充电速率的指标是充电倍率。充电倍率是充电快慢的一种量度，指电池在规定的时间充电至其额定容量时所需要的电流值。对于动力电池，快充的平均充电倍率一般需达到 1C 或以上。电池的充放电倍率一般由nC（Capacity）表示，nC 代表一小时充电时间能够充满 n 倍电池总电量，倍率值 n 越大充满电的时间越短。1C 指的是，如果电池容量是 100Ah，充电电流 100A，就是 1C 充电倍率。100Ah的电池，若能一直以 1C 充电，理论上可以 1 小时充满。

快充可通过高电压或大电流实现，高压快充成为主流。快充目的在于缩短充电时间（充电时间 h=电池能量 kWh/充电功率 kW），当电池最大储能一定时，提高充电功率可以缩短充电时间，而充电功率取决于电压和电流（功率 kW=电流 A×电压 V），因此快充的本质是提高充电功率，可以通过提升电压和电流两种方式来实现。但大电流快充方式的劣势明显，目前高电压成为了快充主要趋势。
具体而言：

1） 高电压快充的优势在于提升效率降低热损耗，缺点在于需要大幅改变现有充电设施。
功率一定时，电压越高通过汽车线路的电流越小，由 Q=I²Rt 可知产生的功率损耗也越小，有效减少发热量；电流一定时，电压越高电机的功率越大，电动车速度就越大，电机驱动的效率也就越高。但串联升压对电芯的一致性提出了很高的要求；同时对现有基础设施进行升级改造的完成周期较长，对充电端和车端都有着比较严苛的耐高压要求。采用高电压快充的企业包括保时捷、比亚迪等。
2） 大电流快充的优势在于可以更好兼容现有充电网络，缺点在于热损失严重充电功率天花板更低。较低的电压平台可以更好的兼容现有充电网络，无需对现有平台进行较大的升级改造。但电路中大电流会产生很高的热损失，给热管理系统造成较大负担，包括连接器、电缆、电池的连接、母线排等电阻发热量呈平方级别增长，导致峰值充电功率虽然高，但平均功率不高，同时线缆粗细限制了大电流模式的上限，使其不能满足更高充电倍率的需求，充电功率天花板相对高压路线更低。采用大电流快充的企业主要是特斯拉。

2. 负极材料改进及车企纷纷布局，推进快充产业化进程加速

2.1. 解决快充发展瓶颈的关键在于对负极的离子迁移条件进行优化

单方面追求充电倍率并非技术瓶颈，快充发展难点在于平衡兼顾电芯的倍率需求以及容量和能量密度需求。从现有高倍率电池的产品数据来看，很多容量在 10Ah 以下的小动力电芯已经能够实现 10C 甚至 20C 以上的充电倍率，这说明对于混动电池、电动工具电池等这类主要需求倍率性能，对电芯容量、能量密度要求不高的应用场景，做到很高的充电倍率并非技术瓶颈。反观纯电动车用动力电池，目前常见的电芯持续充电倍率都在 1C 左右，快充产品的充电倍率往往也仅在 2-4C。其与小动力电芯的需求差异主要在于，纯电动车用动力电池除了需要较高的充放电倍率之外，还需要较大的单体容量以及较高的能量密度以满足较大的系统带电量需求。因此，从产品视角来看，目前纯电动车用电芯满足快充需求的关键难点在于平衡兼顾电芯的倍率需求以及容量、能量密度需求。

究其背后原理是，极化造成电池产热、负极析锂和容量损失。极化的本质是电池内阻使得内电路离子与电子的中和过程跟不上外电路电子的迁移速率，造成电极电位偏离平衡电位的现象。当电池无电流通过时，其两极之间的电位差为电池的平衡电位 E。当有电流通过时，实际上出现了电子与离子两个流通过程：其中外电路为电子的流动，它起着在电极表面累积电荷使电极电位偏离平衡状态的作用，也即极化作用；内电路为离子的迁移，它起着吸收电子运动所传递的电荷使电极电位恢复平衡态的作用，也即去极化作用。由于内电路离子迁移的阻力往往远大于外电路电子迁移的阻力，就产生了极化现象。充放电倍率越大、电池内部离子迁移、反应的速度越慢（阻力越大），所产生的极化问题越严重。在快充过程中，极化现象造成“正极电位偏高，负极电位偏低”，进而导致的负极析锂、容量损失的以及电池产热是电芯实现超快充的主要障碍。

电池产热：高倍率下，会产生大量的不可逆热，给大容量电芯的散热提出挑战，负极是主要的产热环节。电池充放电过程中的产热主要分为两部分，即可逆热和不可逆热。其中可逆热与电池内的化学反应进程有关，吸/放热方向与材料的熵热系数相关，产热率与电流成一次方关系；充电过程电池极化电压与平衡电压之间的差值称为过电压，过电压与电流的乘积即为电池充电过程不可逆的能量消耗也即产生的不可逆热。其产热率与电流成二次方关系。从总产热率上来看，充电过程中超过 95%的热量都在正负极上产生，而其中各时点产热又以负极为主导。
对于可逆热，由于正极在充电各阶段的熵热系数都接近于零，因而负极主导了可逆热的产生，在电池高速充电阶段（20%~70%SOC）负极化学反应为放热反应，这加剧了快充过程的产热问题；对于不可逆热，由于嵌锂反应的阻力要显著大于脱锂反应，因而充电过程中负极的不可逆热也要显著大于正极，同时这也意味着负极是快充过程的主要限制环节。
负极析锂：锂离子电池是基于锂嵌入反应设计，析锂是指锂金属电池发生锂转化反应，产生金属锂，石墨的嵌锂电位仅为 0.1-0.2V，与锂的析出电位 0V 非常接近。快充过程中，严重的极化现象容易使得负极电位降到 0V 的析锂电位以下，从而造成锂的析出，随着更多的锂在SEI 膜下沉积使得 SEI 膜破裂，锂表面又生成新的 SEI 膜，锂盐浓度逐渐降低。锂金属开始垂直于极片表面生长，形成锂枝晶。如果枝晶刺破隔膜导致内短路会较快电池产热影响电池安全。

容量损失：充电过程的电池极化会使得电池的外电压更早地到达充电的截止电压，充电倍率越高，极化越强，到达截止电压的速度越快，电池的可用容量越小，造成充电倍率越大，电池的可用容量越小的问题。

因此，要想实现电池超快充，需要改善电池充电过程的极化问题，关键在于对负极的离子迁移条件进行优化。对传统石墨负极材料进行改性，通过掺硅、碳包覆、导电剂、粘结剂等新材料的应用，能够提高锂离子的嵌入通道与扩散速度，从而提高负极的倍率性能。

2.2. 头部车企纷纷加速布局，快充市场空间广阔

目前头部车企纷纷加速布局，超级快充是大势所趋。2019 年，保时捷 Taycan 是全球首款 800V 高压平台的量产车型，支持 350kw 大功率快充，30 分钟内电量可从 5％快充到 80％。
近两年高压快充路线受到越来越多主机厂的青睐，现代起亚等国际巨头发布 800V 平台，比亚迪、吉利汽车等都相继开始布局 800V 高压平台，造车新势力蔚来、理想也紧随其后。目前，比亚迪、极氪、广汽埃安、北汽极狐、长安、长城以及小鹏汽车等多家车企已相继发布 800V平台架构或规划。根据 2023 年 7 月 6 日蔚来举办的 NIO Power Day 发布会，蔚来即将发布800V 高压平台电池包及配套换电站，并面向全行业开放。理想纯电动车的快充技术，目前在实验室条件下可以做到充电 10 分钟续航 400 公里的成绩。

预计到 2025 年快充渗透率有望达到 30%以上，全球搭载快充的车型有望超过 190 万辆。
从现有搭载 800V 快充的车型来看，基本为 B 级车以上，因此我们以 B/C 级车作为基数进行渗透率分析。2022 年国内 B/C 级车的占比约为 30%，我们假设 B/C 级车的占比保持 30%稳定。
根据目前已上市搭载 800V 架构的车型进行预测，2022 年 800V 快充车型的销量约为 5 万辆，渗透率达到 3%，2023 年上半年 800V 快充车型的销量约为 15 万辆，渗透率达到 5%，考虑到下半年更多 800V 新车上市，我们预测 2023 年全年渗透率为 12%，2025 年渗透率有望达到30%。基于以上假设，我们预计到 2025 年国内搭载 800V 架构的新能源汽车有望达到 105 万辆，3 年 CAGR 为 165%；全球搭载 800V 架构的新能源汽车销量有望达到 198.39 万辆，3 年CAGR 为 179%。

3. 快充对材料性能的影响

3.1. 快充负极：二次造粒、表面碳包覆、硅碳负极是提高倍率性的三条路径

二次造粒：二次造粒是目前高端人造石墨为了兼顾能量密度与倍率性能往往会采取的重要工序。造粒的工艺步骤是在一定的温度和压强下，将物料植入球磨机中进行球磨，并筛分。一次造粒的目的是减小负极颗粒的体积，二次造粒的目的是将小颗粒粘结成大颗粒。对于倍率性而言，负极颗粒越小，颗粒的比表面积就越大，锂离子迁移的通道就会增加，路径变短，更利于锂离子的运动；而对于容量而言，负极颗粒越大，压实密度越高，活性颗粒的空间利用率增大，更有利于储锂。通过造粒制备的二次颗粒兼具大颗粒压实密度高、容量大的优点，以及小颗粒比表面积大锂离子脱嵌通道多的优点，同时提高二次颗粒的各向同性度，以兼顾能量密度和倍率性能。二次造粒的工艺壁垒较高，璞泰来率先在高端人造石墨负极产品上运用，是其核心 knowhow 之一。

表面碳包覆可以起到加快嵌锂和保护负极的作用，包覆材料与包覆工艺的不同均会对实际的包覆效果产生较大影响。碳包覆是目前最常见的负极材料包覆改性措施，具体方法是以沥青等作为包覆原料与石墨颗粒混合经炭化在石墨表面形成无定型碳包覆，构筑出层状排布的“核壳结构”，碳化后对电池负极有三方面好处：1）无定形碳的碳层之间是无序排列的，结构各向同性的，且碳层间距较石墨层间距更大，锂离子可以自由在碳层间移动；2）无定形碳层表面孔隙较高，并有许多通道，可以为锂离子嵌入石墨层起到引导作用；3）无定形碳与电解液的相容性更好，可以有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨层的剥落，从而减少不可逆副反应的发生，抑制析锂，降低快充对石墨材料的破坏。目前包覆处理主要用于高端石墨负极，包覆材料与包覆工艺的不同均会对实际的包覆效果产生较大影响。璞泰来、杉杉常将其运用于高能量密度快充消费或者动力负极；国内主要的碳包覆材料供应商有信德新材。

硅基负极：提升快充负极安全性，打开能量密度上限。一方面，硅基负极可以提升安全性，在快充过程中，石墨负极的对锂电位约为 0V，因此容易产生锂析出效应，然而硅的嵌锂平台更高，对锂电位约为 0.5V，表面析锂的可能性较小；另一方面，硅基负极可以提升能量密度，硅材料的理论容量可达 4200 mAh/g，远高于于碳材料的 372mAh/g，储锂性能更优，利用硅远大于石墨的克容量提高复合材料的整体容量，为倍率性能和能量密度的平衡提供空间。但是硅的体积膨胀系数较大，且导电性较差，因此目前硅基负极的改性路线包括：1）对纳米硅颗粒进行多孔处理，多孔硅可以容纳自身在嵌锂过程中的体积膨胀；2）与石墨负极组成具有中空结构的蛋黄-蛋壳结构，并在表面进行碳包覆，提升倍率性；3）添加导电剂增强导电性。

--- 报告摘录结束 更多内容请阅读报告原文 ---

报告合集专题一览 X 由【报告派】定期整理更新

（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

精选报告来源：报告派

新能源 / 汽车 / 储能

新能源汽车 | 储能 | 锂电池 | 燃料电池 | 动力电池 | 动力电池回收 | 氢能源 | 充电桩 | 互联网汽车 | 智能驾驶 | 自动驾驶 | 汽车后市场 | 石油石化 | 煤化工 | 化工产业 | 磷化工 | 基础化工 | 加油站 | 新材料 | 石墨烯 | 高分子 | 耐火材料 | PVC | 聚氯乙烯 | 绿色能源 | 清洁能源 | 光伏 | 风力发电 | 海上发电