快充将推动电池材料体系升级,并带来充电系统大功率与高电压趋势

一、新一轮快充趋势正在形成

快充是指在较短时间内使蓄电池达到或接近完全充电状态。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,电池的C额定值是对电池充放电时的电流的测量。例如1C可表示容量为10Ah的电池在满电的情况下能够提供一小时10安培的电流或是在1小时内将该块电池充满电。同样的,0.5C可以表示10Ah电池在2小时内提供5安培电流,或是2小时将电池充满电。

快充是提升整车消费体验的重要途径。消费者对于购买电动车最主要的迟疑点往往在于“里程焦虑”,对整车而言主要是续航指标,对电池而言主要影响是能量密度。而补能时效性是仅次于里程焦虑的重要性能指标。

目前大部分电动车快充倍率在1C-2C之间,特斯拉超级充电桩V3功率最高可达250kW,对应最高充电倍率约2.5C,在13分钟、28分钟分别可充满50%、80%电量,对应续航250、400km。为实现更高的补能效率,提升充电倍率是必然趋势。

快充带来大功率化、高压化趋势。快充意味着在更短时间内储能,充电系统的功率更大;同时,为降低充电电流控制发热,大部分整车厂都推出了800V高电压平台的快充方案。国内ChaoJi快充标准的逐步落地(最高1500V*600A)也为高电压路线奠定了基础。若要实现目前主流车型(50kwh)4C以上的快充要求,对应电压平台需求都在400V以上。保时捷Taycan为业内首个推出800V高压电气架构,搭载800V直流快充系统并支持最高270kw(约2.5C)的大功率快充的电动车型。随后比亚迪、小鹏、华为等企业相继推出高电压平台的快充方案。

二、快充将推动负极升级,硅基材料与CNT使用强度可能提升

宁德时代即将发布的麒麟电池便可满足4C高压快充需求,同时蜂巢也计划在2023Q2推出第二代4C快充电芯产品。此外小鹏、广汽、长城汽车等整车厂的发布的高压平台下的电芯充电倍率需求也达到了6C。

电池快充性能主要取决于负极材料。在充电条件下,负极作为锂离子的接受体,需要具备快速接纳大量锂离子的嵌入能力,否则在快充过程中锂离子会在负极表面沉积、析出,形成锂枝晶,可能会刺穿隔膜造成内短路,从而造成安全隐患。

造粒(二次造粒)、炭化包覆技术是决定负极快充性能的核心knowhow。目前主流负极材料以人造石墨负极为主,生产流程可主要分为预处理、造粒、石墨化、炭化包覆(可省略)、球磨筛分几个步骤。其中造粒与炭化包覆基本决定了负极的倍率性能。

粒径大小基本决定负极材料的倍率性能。造粒环节基本决定了负极材料的粒径大小 ,小颗粒比表面积大,锂离子迁移的通道更多、路径更短,倍率性能好,反之大颗粒的压实密度高、容量大。而高端的石墨负极为兼顾两个倍率与容量性能,往往进行二次造粒步骤,将原有颗粒与石油焦、针状焦等基材在一定条件下再次造粒,所得材料倍率等性能会优于一次造粒的同粒径产品。该工艺壁垒较高,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。

炭化包覆可改善石墨负极倍率性能。由于软硬碳的层间距离比石墨稍大,通过在石墨负极表层包覆一层无定形碳或者其它碳材料,相当于在石墨外表面形成缓冲层,从而提高倍率性能,还可以在表面形成致密的SEI膜,提高首效、循环寿命。该工艺难点在于包覆材料的选择与包覆层的厚度、均匀度。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。

掺杂改性的核心目的在于提升负极材料比容量。该环节多样性、差异性极强,目前掺杂比例较大的材料有天然石墨、硅等,两者在理论比容量上均要高于人造石墨,天然石墨成本也更低。进行掺混后,在相同粒径下,也就是对应维持相同的倍率性能的条件下,天然石墨/硅的比例越高,材料的比容量越高。据行业反馈,日韩企业在天然石墨掺混比例上会显著高于国内企业,可能为掺混工艺、及配套电解液配方上有一定程度的差异,而硅的掺混比例目前还较低。

除负极外,高倍率需求下,电池电解液配方也需做出一定调整,LiFSI、LiBOB等新型锂盐用量可能增加,用以增加电解液电导率、建立更为稳定的SEI膜。而在正极方面,三元正极倍率性能略好于铁锂。

硅基负极会是未来超快充方案下的良好选择。硅基负极材料通过造粒工艺将纳米硅和基体材料形成前驱体,经过表面处理、烧结、粉碎、筛分、除磁等工艺制备。相较于石墨372 mAh/g的克容量,硅的理论容量超其10倍,高达4200mAh/g。这使得在石墨负极中掺硅后,材料克容量会随硅含量迅速上升。在此基础上,再将负极材料粒径细化,材料的锂离子嵌入活性位点和扩散通道也会相对较多,这使得硅基负极在克容量较高的同时,也能满足快充所需的倍率性能的要求。

原材料纳米硅的制备存在一定壁垒。硅基负极原材料一般选用纳米硅粉,主要系硅颗粒的尺寸对电极电化学性能有一定的影响,纳米级硅颗粒可极大地缩短锂离子在活性材料中的传输距离,在循环、倍率和快速充放电性能方面有着优异的表现。目前纳米硅的制备成本高,工艺条件较为苛刻,博迁新材等在纳米硅粉上有布局的企业,随着硅基负极产业化可能拥有一定优势。 

碳纳米管搭配硅基负极进一步优化性能。硅基负极容量优势明显,但还存在硅体积易膨胀、循环性能一般等缺点。目前主要通过添加碳纳米管等导电剂来解决。由于碳纳米管具有较高电导率、大长径比,易形成导电网络纤维结构,能够与活性材料点对线接触,这将有利于提高电池容量、倍率性能、电池循环寿命。

硅基负极+碳纳米管可能随大圆柱产业化放量。未来对于高容量电池的需求可观,特别是在大圆柱电池中,钢壳可以较好的抑制硅基负极的膨胀,高比容量的硅基负极+碳纳米管更适合搭配高镍三元,会随着大圆柱的产业化加速迎来放量。

国内硅碳负极仍处于产业初期,众多企业展开布局。相较于日韩在硅基负极应用的深度布局,我国硅碳负极的实际应用相对小众,主要系硅基负极的生产复杂,技术难度大,工艺非标准化,准入门槛高。2021年中国硅基负极的出货量为1.1万吨,渗透率约1.5%。但硅碳负极高容量的优势备受关注,贝特瑞、杉杉股份等企业都展开对硅基负极的布局并实现量产。

三、充电桩系统大功率化与液冷化

3.1、高功率充电模块可能形成差异化

充电系统向大功率化高压化升级。充电桩中主要由充电设备、配电设备、管理设备构成。其中充电模块属于充电设备中的核心部件,为充电桩提供能源电力、电路控制和转换等功能,保证了供电电路的稳定性,因此模块的性能直接影响充电桩整体性能和安全保障。同时,充电模块占整个充电桩整机成本较大。随着充电系统功率提升,相应的功率半导体要求更高。

目前充电模块主要往高功率、高电压、高效率等方向发展。

高功率:目前行业主流模块产品功率在10-20kW之间。行业较为领先的厂商如优优绿能,华为,英飞源,麦格米特等已开发出30KW及以上的产品。高功率的充电模块将有效降低单个充电桩所需模块数量,从而降低充电模块的单W成本,且提高安全性。

高电压:在国网2017版《电动汽车充电设备供应商资质能力核实标准》中规定直流充电机输出电压范围为200V~750V,受此影响目前主流产品均为该电压等级,但随着未来800V,乃至1000V电压平台的普及用以缩减电车充电时间。1000V及以上输出电压的充电模块产品将成为主流。目前英可瑞麦格米特、华为等头部厂商均已开发出1000V的产品。

高效率:目前主流效率约95%- 96%,未来98%效率以上的充电模块将更多的出现。从技术角度来看,并没有太大的难度。98%超高效率技术和宽禁带(SiC)器件在通信电源市场已逐步成熟,主要需要考虑的就是成本问题,随着SiC成本的下降,超高效率的充电模块将逐步成熟。

红海竞争中逐步形成差异化。充电模块中成本占比由大到小分布为:IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、结构件、电感电容、DSP芯片、传感器等其他元器件。目前随着技术进步,充电桩模块生产价格在不断降低。根据中国充电基础设施促进联盟数据,2020 年直流充电桩的充电模块的成本价格约0.38元/W。

激烈的竞争以及产品同质化导致国内充电设备制造企业的毛利率近几年下滑较多。从过往利润率情况看,具备模块生产研发能力的企业毛利率更高。目前新进入者大量出现,但大部分是“组装、销售”依赖性企业,主要是市场渠道的竞争。但是从产品本身来讲,充电桩在可靠性、安全性、稳定性上的要求,比大部分电器产品要高得多,长期来看,应该会逐步形成产品品质的差异和分化。充电模组本身是基于电力电子变换的产品,壁垒相对较高一些,具备高功率、高电压充电模组产品研发和生产能力企业,有望逐步体现出优势。

3.2、液冷充电枪产业化加速

同时充电枪需要采用液冷系统。充电枪产品主要分为交流充电枪、直流充电枪。交流充电枪接入的为220V交流电,功率较低,约3.3-40kW,设备结构简单,成本较低。直流充电枪功率偏大,随着功率提升,充电电流增大,使得充电枪端子及线缆的发热量会快速增加,导致温升过快引发安全问题。因此在大功率充电桩中(一般大于120kW)往往采用液冷充电枪。

液冷充电枪在充电线缆中放置液冷管道,通过电子泵来驱动冷却液流动,让冷却液带走线缆的发热量,目前常用介质有水、乙二醇水溶液、纯乙二醇、空调制冷剂和硅油等。液冷充电枪能满足大功率、低温升的要求,同时线缆的截面积可以大幅度减小,充电枪线缆的重量更轻,用户的操作体验感更好。

特斯拉超充桩V3率先使用液冷技术,其他厂商也在跟进。其充电功率达到了250kW,同时线缆直径较V2版充电枪减少44%,至23.87mm。其他整车厂如比亚迪、广汽、小鹏、岚图、理想等为配合其即将推出的800V 高压架构车型,大功率快充桩为必需品。目前小鹏超充站支持 180kW 双枪直流快充桩,单枪最高功率可达 120kW;蔚来推出超充补能方案,其超充站 210kW 主机 1 拖 4 配置功率可随时升级至 270kW。目前小鹏、蔚来充电功率还未超过150kW,暂时未使用液冷充电枪,但随着功率的提升,液冷充电枪有望放量。

永贵电器在国内液冷充电枪领域布局领先,已率先实现量产。根据公司公告,公司已掌握大功率液冷充电枪的核心技术,可以实现在1000V电压,400A~500A的充电电流下工作,并已形成批量供货。公司新能源业务客户包含华为、小鹏、理想等,均在推出高压快充方案,对液冷充电枪潜在需求可能较大。

四、充电桩建设提速

充电桩建设正在加速。截止2021年底中国新能源车保有量约798万辆,车桩比约3:1。今年以来充电桩建设加速,车桩比下降,目前约2.7:1,车桩比仍较高,充电设施配套发展空间巨大。

乘用车与商用车对充电桩的需求场景不尽相同。由于乘用车与客车、专用车应用场景不同,因此对充电桩需求场景有所差别。乘用车数量级更大,并且驾驶者对充电时间有一定要求,因此一般在住宅区、工作地点、商超等地点建设充电桩以满足充电需求,若充电桩成本能持续下滑,车桩比越接近1,越契合消费者需求。商用车一般按照固定路线运营,因此集中式充电站更适合。

2025年充电桩保有量有望超2000万根,车桩比接近1.5:1。国内电动车销量持续超预期,而国内目前车桩比约2.7:1,尤其是上海、深圳等新能源汽车保有量较大的地区经常出现充电排队的现象,充电桩数量明显不足。政府有望对充电桩领域开展新的刺激政策,预计2021-2025年我国新能源汽车销量CAGR在36%左右,同时2025年车桩比达1.5:1, 预计2021-2025年新建充电桩CAGR将近45%,可见,需要全社会加大充换电体系的投资强度。

五、投资建议

电动车充电时效是仅次于长续航之后的重要性能指标,对整车消费体验的重要性不言而喻。当前,车企与电池公司正在推动充电倍率从1C-2C向4C甚至6C升级。快充需要电池材料特别是负极相关材料升级,同时意味着充电系统大功率化,也就会推动高电压趋势和整车高压电气系统升级。具体而言,负极材料可能选用二次造粒/炭化包覆,并更大比例掺混硅基材料和碳纳米管材料。而充电系统上可能出现液冷散热以及高压器件与新型半导体器件的变化。

推荐或关注

负极:璞泰来、贝特瑞、杉杉股份翔丰华博迁新材

CNT:天奈科技道氏技术

充电桩及配套:麦格米特盛弘股份英可瑞和顺电气炬华科技永贵电器圣龙股份等。

$博迁新材(SH605376)$ $永贵电器(SZ300351)$ $麦格米特(SZ002851)$ 

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