2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告

2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告目錄提升帶電量解決多數(shù)問題，電池成本決定汽車電動(dòng)化前景

電芯成本解析：原材料成本占9成，非活性物質(zhì)比例較大硅負(fù)極：極具性價(jià)比的降本良方總結(jié)與投資建議：龍頭推動(dòng)成本下降，行業(yè)集中大勢所趨降本目標(biāo)并非遙不可及，成本下降依賴技術(shù)沉淀品質(zhì)、規(guī)模、成本形成正反饋，降價(jià)壓力加速市場集中度提升投資建議：電池格局繼續(xù)集中，關(guān)注龍頭及其生態(tài)圈企業(yè)降本之路知易行難，技術(shù)能力是核心驅(qū)動(dòng)2019-2020年動(dòng)力電池行業(yè)專題報(bào)告導(dǎo)語對車企來說，動(dòng)力電池最重要的性能指標(biāo)依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環(huán)次數(shù)，其中安全性是壓倒一切的考量。此外，根據(jù)麥肯錫2016年進(jìn)行的一項(xiàng)電動(dòng)車消費(fèi)者習(xí)慣調(diào)查，中美德三國消費(fèi)者對于電動(dòng)車的疑慮依次是產(chǎn)品價(jià)格、續(xù)航里程、充電便利性、車型/品牌。提升帶電量解決多數(shù)問題，電池成本決定汽車電動(dòng)化前景

電池系統(tǒng)成本是撬動(dòng)汽車電動(dòng)化的支點(diǎn)對車企來說，動(dòng)力電池最重要的性能指標(biāo)依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環(huán)次數(shù)，其中安全性是壓倒一切的考量。此外，根據(jù)麥肯錫2016年進(jìn)行的一項(xiàng)電動(dòng)車消費(fèi)者習(xí)慣調(diào)查，中美德三國消費(fèi)者對于電動(dòng)車的疑慮依次是產(chǎn)品價(jià)格、續(xù)航里程、充電便利性、車型/品牌。綜合來看，汽車電動(dòng)化的必要條件是在滿足安全性的前提下，以能夠接受的成本緩解消費(fèi)者的續(xù)航里程焦慮（>400km）。成本方面，：產(chǎn)能階段性過剩，五大因素塑造行業(yè)格局》里的測算，電池系統(tǒng)的價(jià)格需要下降至0.6~0.7元/Wh，才逐漸具備替代燃油車的條件，這意味著電池層面成本至少還需要下降35~40%。這一測算結(jié)果與上汽高管在2020年汽車百人會(huì)上的發(fā)言幾乎一致。因此，電池系統(tǒng)成本是左右汽車電動(dòng)化進(jìn)程最重要的因素。

對電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程影響彈性較大的變量依次是電機(jī)傳動(dòng)效率、帶電量、車身重量、風(fēng)阻系數(shù)和能量密度。值得注意的是，整車的設(shè)計(jì)能力，如風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積以及電控效率對續(xù)航里程的影響甚至高于萬眾矚目的電池系統(tǒng)，可見整車自身仍有非常大的挖掘空間以提升續(xù)航里程及產(chǎn)品力。進(jìn)一步地，我們假設(shè)其他參數(shù)不變，僅調(diào)整帶電量和能量密度。不難發(fā)現(xiàn)，盡管理論上較低的能量密度最終會(huì)導(dǎo)致新增的帶電量邊際效應(yīng)為零，但計(jì)算得知該臨界點(diǎn)已超過1000kWh，在帶電量低于100kWh時(shí)，可以認(rèn)為汽車?yán)m(xù)航里程與帶電量呈線性關(guān)系。以蔚來汽車的電池系統(tǒng)為例，2018年ES8上市時(shí)所用電芯的能量密度為210Wh/kg，成組之后質(zhì)量能量密度僅有132Wh/kg，重量成組率為63.6%，體積成組率則僅有31.7%，由于車身過重以及風(fēng)阻系數(shù)偏高，以70kWh的帶電容量NEDC續(xù)航里程僅有350km。經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)之后，2019年推出的ES6基礎(chǔ)版（70kWh）NEDC續(xù)航里程達(dá)到430km，高容量的車型（84kWh）續(xù)航里程達(dá)到510km，其質(zhì)量能量密度和成組率也分別達(dá)到170Wh/kg和70%，因此提高電池裝載量是改善汽車動(dòng)力性的不二法門。

因此，對于電池系統(tǒng)而言，帶電量是更具決定意義的參數(shù)，質(zhì)量能量密度的影響相對有限。值得一提的是，提升帶電量還可以緩解諸多困擾電動(dòng)車的頑疾，以帶電量分別為30kWh和60kWh的兩輛車為例，除了續(xù)航里程提升近一倍之外，大容量電池系統(tǒng)還有很多其他優(yōu)點(diǎn)：首先，大容量電池系統(tǒng)對于電芯的放電倍率要求降低，整車等速巡航階段的輸出功率約10kW，但加速階段輸出功率很大，峰值功率可達(dá)100kW以上，小系統(tǒng)的瞬時(shí)放電倍率要求達(dá)到4C，這對電池壽命造成較大傷害，而大系統(tǒng)的放電倍率要求僅為大系統(tǒng)的一半；其次，大電池系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)要求也大為降低，假設(shè)汽車要求行駛里程達(dá)到20萬公里，小系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)將達(dá)到1100次，而大系統(tǒng)的循環(huán)壽命要求僅為570次，這為更高能量密度、低循環(huán)壽命的電池使用開拓了空間；三是充電功率顯著提高，在充電倍率相同的情況下，大系統(tǒng)快充半小時(shí)（soc從30%充至80%）即可行駛220公里以上，極大程度上緩解了充電壓力，此外，車內(nèi)空調(diào)等其他體驗(yàn)也有明顯改善。

降低電芯成本是電池系統(tǒng)降本的核心任務(wù)車企對于電池的需求可以簡化為以盡可能低的成本裝載更多的電池，電池企業(yè)努力的方向可收斂至1）降低電池制造成本，為提升電池裝載量提供經(jīng)濟(jì)性空間；2）提高電池系統(tǒng)體積能量密度，提升電池容量潛在裝載空間；3）定制化生產(chǎn)，滿足參數(shù)設(shè)計(jì)的定制化要求。如前所述，ES8電池系統(tǒng)的重量和體積成組率分別僅有63.6%和44.2%，但電芯的成本占比卻遠(yuǎn)高于此。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，軟包電芯的系統(tǒng)成本占比達(dá)到70%左右，方形電芯的成本比重則高達(dá)80%，隨著電芯能量密度的提升，結(jié)構(gòu)件的重量和成本占比還會(huì)進(jìn)一步下降，因此降低電芯成本是系統(tǒng)降本的核心人物。在目前一線電芯企業(yè)格局已基本清晰的情況下，電池企業(yè)下一步競爭的關(guān)鍵是在確保安全性的前提下，盡可能降低電池制造成本，其他諸如能量密度、循環(huán)壽命等性能的優(yōu)先級相對靠后。

電芯成本解析：原材料成本占9成，非活性物質(zhì)比例較大參數(shù)設(shè)計(jì)：定制化特征明顯，容量提升推進(jìn)電芯標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)鋰電池是有一定差異性的產(chǎn)品，汽車不同的功能需求對于電池的參數(shù)有著決定性的影響。粗略來看，根據(jù)使用情況可將鋰電池分為兩類，一類是功率型，主要用來為汽車加速提供短暫的動(dòng)力，可以儲(chǔ)存的能量較少，不能長期提供能量，其能量釋放時(shí)間通常持續(xù)幾秒到幾十分鐘；另一類是能量型，可以長期提供能量，但放電速率相對較小，一般情況下放電時(shí)間設(shè)計(jì)為1小時(shí)甚至更長，一般純電動(dòng)汽車會(huì)用到能量型電池。功率型電池與能量型電池的主要區(qū)別是功率/能量比，即放電倍率，功率型電池的放電倍率可達(dá)15C以上，能量型電池的放電倍率不超過2C，隨著純電動(dòng)汽車帶電量日益增大，對于放電倍率的要求會(huì)進(jìn)一步放寬。這兩種需求反映在電芯層面，最顯著的區(qū)別是功率型電芯極片由于電流密度較大，為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，活性層的厚度很薄，能量密度較低，成本更高。因此工業(yè)上這兩類電芯在設(shè)計(jì)方面截然不同。

在同一類電芯內(nèi)部，設(shè)計(jì)上也存在差異性。以最普遍的能量型電芯為例，電池參數(shù)設(shè)計(jì)首先必須根據(jù)用電設(shè)備需要及電池的特性，確定電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的參數(shù)，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(biāo)（如電壓、容量、體積和重量等）的電池組。動(dòng)力電池設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解用電設(shè)備具對電池性能指標(biāo)及電池使用條件，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：電池工作電壓，決定了電芯的數(shù)量與連接方式；電池工作電流，及正常放電電流和峰值電流；電池工作時(shí)間，包括連續(xù)放電時(shí)間、使用期限或循環(huán)壽命，與電池工作電流一起決定了電池的容量；電池工作環(huán)境，包括電池工作環(huán)境及環(huán)境溫度；電池最大允許體積。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提出了一套設(shè)計(jì)原則，規(guī)則要求用戶輸入多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，例如電池電量，電池和模組數(shù)量，以及最大功率下的目標(biāo)電壓等。此外，用戶必須輸入以下三種能量測量值之一：電池組能量，電池容量或車輛電氣范圍，定義其中一個(gè)值將決定其他兩個(gè)值。然后，迭代過程通過改變電池容量和電極厚度來解決用戶定義的能量參數(shù)（能量，容量或范圍）和剩余電池特性。結(jié)果是電池，模組和電池組的尺寸，質(zhì)量，體積和材料等方面的要求。

對于有容量要求的電池，在材料體系選定后，根據(jù)正極活性物質(zhì)的比容量即可計(jì)算出正極活性物質(zhì)的質(zhì)量，再根據(jù)正極配比（活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑的配比）和涂布量上限即可計(jì)算出這些活性物質(zhì)需要涂布在多大面積的集流體上，即求得正極總面積。隨后根據(jù)電子平衡原則和防短路要求，電芯的負(fù)極和隔膜用量也可求得，據(jù)此可以得出整個(gè)電芯的物料用量。因此，正極材料的性能和用量是電芯容量的決定性因素。

隨著電池系統(tǒng)容量的增大，電芯參數(shù)設(shè)計(jì)的差異性在降低，標(biāo)準(zhǔn)化程度日益提升，原因在于大容量電池系統(tǒng)消解了工作電壓、放電功率、連接方式等電學(xué)要求，突出了電池體積、系統(tǒng)成本的約束，使得不同電池系統(tǒng)的差異性日益集中到電芯數(shù)量/容量方面，其他參數(shù)的差異性大為降低。另一方面，從工業(yè)生產(chǎn)角度，推進(jìn)電芯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，也是降低電池系統(tǒng)成本非常有效的途徑。因此，盡管電池定制化的需求仍然存在，但電池企業(yè)總體上在減少電芯規(guī)格的品類。生產(chǎn)流程還原：批次與節(jié)拍工序交錯(cuò)，質(zhì)量控制是難點(diǎn)自1991年索尼公司實(shí)現(xiàn)鋰電池商業(yè)化生產(chǎn)以來，鋰電池在性能與生產(chǎn)工藝上實(shí)現(xiàn)了長足的進(jìn)步，但其工作原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)流程總體上并未發(fā)生很大變化。概而言之，鋰電池電芯的制造可以分為3個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，約15個(gè)生產(chǎn)工序：電極制片。電極制片是將正極和負(fù)極材料涂在作為載體的金屬箔材上，再加以干燥、壓延，該環(huán)節(jié)包括混漿、涂布、烘干、輥壓和分切等工序。單體裝配。將涂布好的正負(fù)極極片輪流交替鋪上隔膜，加工成一個(gè)電極堆疊，然后再將堆疊置入到外殼中包裝好，并注入電解液?；伞⒗匣ɡm(xù)化成）和檢測。裝配好的單體首先使用小的電流緩慢充電，再用較大的電流循環(huán)多次進(jìn)行充電和放電，以便達(dá)到生成單體全部功能的目的，并用以記錄單體精確定義好的各項(xiàng)功能。

混漿是將正負(fù)極活性材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定比例，在溶劑中混合均勻。混漿過程對電池單體的質(zhì)量起著至關(guān)重要的決定性作用，每一組分都必須具備最高的純度，最小的剩余含水量及最大的干燥度，并且必須以最高的精度來加料，對集流體金屬（鋁箔和銅箔）的要求也要有最高的純度（>99.8%）。為了保證后續(xù)的涂布工藝過程能夠安全、連續(xù)地運(yùn)行，混拌好的涂布物質(zhì)的一些關(guān)鍵參數(shù)如均一性和粘度系數(shù)必須精確保持在設(shè)定值范圍之內(nèi)，不僅如此，混漿關(guān)鍵參數(shù)如均一性和粘度系數(shù)的時(shí)間變化也必須考慮進(jìn)來，因此混漿要求必須快速加工處理。電極涂布的主要任務(wù)是將性能穩(wěn)定、粘度適當(dāng)、流動(dòng)性好的漿料均勻地涂覆在銅箔（負(fù)極）或鋁箔（正極）上。電極涂布工藝的好壞，對鋰電池的容量、一致性和安全性具有直接影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在鋰電池失效的全部原因中，約10%是由電極涂布工藝引起的。漿料涂布過程中必須要保證極片厚度和單位面積拉漿重量的高精度性，使用具備極片拉片和極片張力控制最高精度的涂布機(jī)設(shè)備是優(yōu)質(zhì)出品的前提條件。極片涂布后制成的極片必須進(jìn)行干燥。干燥室通過熱風(fēng)對流在不同的干燥箱（懸浮帶式干燥箱、對流抽吸式干燥箱、滾動(dòng)帶式干燥箱）里實(shí)現(xiàn)的。干燥箱里設(shè)置的干燥溫度曲線對極片附著在金屬極片上的附著強(qiáng)度以及整個(gè)極片厚度上粘合劑的分布意義重大。電池裝配過程要完成卷繞、裝殼、封口、注液等步驟，是電芯制作的核心，對周圍環(huán)境要求極高，如濕度要控制在1%以內(nèi)，同時(shí)，這些流程自動(dòng)化程度較高，一旦參數(shù)確定出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率反而相對較低。在老化工序中，從傳送帶上運(yùn)送過來的電池單體被放置到一個(gè)加熱到約30℃的車間里存放8~36天不等。在老化過程的前期和后期分別測量單體的開路電壓（OCV），測得的數(shù)據(jù)可以用來計(jì)算單體的自放電率。老化過程之后會(huì)對存放的單體做一些功能測試，比如容量測試、內(nèi)阻測試和自放電測試等。以這些測量值和事先定義好的極限值為基礎(chǔ)，可以再老化工序之后把單體進(jìn)行容量等級的多級分類，這個(gè)過程稱之為分容。老化工序最大的挑戰(zhàn)性在于對空間場地的需求，因?yàn)榇娣艈误w需要大量場地，導(dǎo)致費(fèi)用大增，同時(shí)還有大量的專用托盤需求，這也帶來了額外的高額成本支出。在上述工序中，攪拌、涂層、烘干、壓實(shí)、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序（batch）,而切片、層疊、加注電解液、封裝等工序?yàn)楣?jié)拍制造工序，這導(dǎo)致鋰電池的生產(chǎn)流程連續(xù)性較低，自動(dòng)化水平相對受限，對保持電池品質(zhì)的一致性帶來了巨大挑戰(zhàn)。方形卷繞電池：正極材料是降本最大來源，其他措施集腋成裘美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)非常精細(xì)的模型以研究鋰電池成本，但研究對象是方形疊片電池，我國鋰電池廠商多采用方形卷繞路線，因此Batpac的經(jīng)典模型并不適用。我們借鑒其思路，搭建了簡化的方形卷繞電芯成本模型，假設(shè)該電芯采用622三元正極材料和人造石墨負(fù)極材料，其他參數(shù)假設(shè)如下：我們將最經(jīng)典的PHEV-2型電芯規(guī)格代入其中，電芯的長度、寬度、厚度分別為148mm、92mm、27mm；計(jì)算得到該電芯的容量約51Ah，質(zhì)量能量密度為216Wh/kg，體積能量密度為512Wh/L，與實(shí)際數(shù)字吻合度較好。電芯的各組成部分以及重量組成如下：

該電芯中，正極活性材料的重量占比僅有37.3%，箔材、電極以及封裝殼體的重量占比則超過20%；在成本構(gòu)成上，正極材料的占比則達(dá)到43.5%，物料成本中的占比高達(dá)55.6%。由于正極活性材料是電池容量的決定性因素，因此技術(shù)上降低電芯成本的主要方式是提升正極材料的重量占比。實(shí)際上，在過去20年里，鋰離子電池的能量密度每年穩(wěn)步增長3%，主要依賴于增加活性物質(zhì)比例技術(shù)方面的進(jìn)步。

對成本模型中的主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，對成本影響最大的因素是正極材料的性能和價(jià)格，負(fù)極性能和價(jià)格影響位居其次，但彈性系數(shù)已相差較遠(yuǎn)，此外，降低非活性材料的各項(xiàng)措施（提升活性材料面密度、降低載體厚度、增大電芯尺寸等）盡管單項(xiàng)影響都不大，但累計(jì)起來降本效應(yīng)也不容小視。

對于鋰電池而言，單純提高正極材料1倍的儲(chǔ)鋰容量，在平均電位不下降的前提下，提高鋰電池的質(zhì)量能量密度最大約為40%；提高負(fù)極材料1倍的儲(chǔ)鋰容量，提高電池的質(zhì)量能量密度最大約為20%。由于電極儲(chǔ)鋰容量提高一般伴隨著體積變化，單純通過提高電極材料的儲(chǔ)鋰容量來提高電池的體積能量密度，應(yīng)該很難超過40%。疊加工藝方面的進(jìn)步，在現(xiàn)有體系不發(fā)生根本變化的前提下，鋰電池單體的能量密度達(dá)到300Wh/kg時(shí)可能會(huì)遭遇瓶頸。降本之路知易行難，技術(shù)能力是核心驅(qū)動(dòng)電池的主要材料價(jià)格在2018年之后降幅已明顯趨緩，這意味著電芯單體的BOM成本下降將進(jìn)入瓶頸期。在此背景下，提高單體的儲(chǔ)能能力—即提升電池能量密度—以攤薄單位容量成本是電池廠商的內(nèi)在需求。能量密度提升的本質(zhì)，是在確保安全的前提下，在一定空間內(nèi)（外包裝）將活性材料的重量/體積占比不斷提升，并升級活性材料的比容量。

能量密度提升有如下路徑，一是采用高比容量的活性材料，即正極高鎳化和負(fù)極用硅碳材料；二是優(yōu)化工藝提高活性材料的重量占比，包括提升面密度、壓實(shí)密度、卷繞改疊片、降低銅箔、鋁箔、隔膜等材料的厚度；三是提高電芯尺寸，挖掘規(guī)模效應(yīng)。此外，在系統(tǒng)層面上還可以改進(jìn)成組技術(shù)，降低模組、PACK等封裝成本。材料：在比容量與安全性之間走鋼絲高鎳正極：只有龍頭能駕馭的降本利器。從敏感性分析結(jié)果來看，提升正極材料的比容量是降低成本極為有效的途徑。在材料層面，高比容量的正極材料包括高鎳三元和富鋰材料，其中高鎳三元材料已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。高鎳化至少能帶來兩方面好處，一是降低鈷資源的用量，減輕上游資源價(jià)格波動(dòng)帶來的價(jià)格波動(dòng)，

NCM811相比NCM523的鈷含量由12.21%降至6.06%，折算到動(dòng)力電池每kwh用鈷量從0.22kg降至0.09kg，因此在鈷價(jià)越高時(shí)，NCM811的材料成本優(yōu)勢將越明顯。例如，在金屬鈷20美元/磅時(shí)，高鎳三元材料單位容量成本低8%；在金屬鈷30美元/磅時(shí)，高鎳三元材料單位容量成本低12%；二是提升能量密度，降低電池每Wh成本，2015年以來三元材料從333過渡到622，比容量從150mAh/g提升至170mAh/g以上，電芯能量密度則從180Wh/kg提升至260Wh/kg。目前廣受關(guān)注的811系材料已經(jīng)開始使用，Ni含量更高的材料也在研發(fā)之中，可以說高鎳化是材料發(fā)展不可動(dòng)搖的趨勢。

我們的模型測試結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，正極比容量從180mAh/g提升至200mAh/g，電芯的能量密度從218Wh/kg提升至232Wh/kg，增幅近7%；物料成本則從0.419元/Wh降至0.386元/Wh，降幅近8%；如若比容量進(jìn)一步提升至210mAh/g，則電芯能量密度提升至239Wh/kg，成本進(jìn)一步降至0.372元/Wh。因此，對于電池企業(yè)來說，高鎳化是降低電芯成本無法回避的路徑。另一方面，高鎳化帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)仍待攻克：首次循環(huán)效率下降；熱穩(wěn)定性下降。由于Ni2+半徑（0.069nm）與Li+半徑（0.076nm）較為接近，在制備過程中容易導(dǎo)致鋰鎳陽離子混排，進(jìn)入鎳空位的鋰在循環(huán)過程中難以脫嵌，導(dǎo)致電池的首次庫侖效率不夠理想，并容易造成材料結(jié)構(gòu)坍塌，由層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)或NiO型巖鹽相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致容量衰減、循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性降低。由于Ni4+具有還原性，容易生成Ni3+，為了保持電荷平衡，材料中會(huì)釋放出氧氣，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)被破壞。副反應(yīng)影響安全，材料表面的雜質(zhì)在存儲(chǔ)環(huán)境中的水份及氧氣的作用下會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，生成Li2CO3和LiOH等物質(zhì)，從而在電極材料表面形成一種絕緣層，阻礙Li+的擴(kuò)散和電子的傳輸。壓實(shí)密度下降，目前三元電池極片的壓實(shí)密度可以達(dá)到3.3~3.6g/cm3，而高鎳材料是一次顆粒團(tuán)聚而成的二次球形顆粒，由于二次顆粒在較高壓實(shí)密度下會(huì)破碎，對煅燒時(shí)的氣氛要求很高，壓實(shí)密度目前很難突破3.3g/cm3，從而限制正極活性材料比例的提升。高鎳材料表面的碳酸鋰和氫氧化鋰雜質(zhì)不易控制，雜質(zhì)容易超標(biāo)，這些殘留鋰化合物主要是Li2O、LiOH·H2O、Li2CO3等堿性物質(zhì)，殘留物越多，材料表面的PH值越大。堿性物質(zhì)在空氣中容易吸潮，導(dǎo)致材料表面和水反應(yīng)，或使材料在調(diào)漿時(shí)黏度變大，或者將多余的水分帶入電池中，造成電池性能下降。調(diào)漿黏度變大的原因是黏結(jié)劑PVDF團(tuán)聚，使正極漿料黏度變大難以過篩，情況嚴(yán)重時(shí)漿料變果凍狀，成為廢料。正極材料生產(chǎn)條件苛刻，成本上升。8系以上的三元材料較之前的5系、6系理化性質(zhì)出現(xiàn)了很大變化，導(dǎo)致高鎳正極在原材料合成、工藝裝備（不易混合、需要二次煅燒及水洗等）、環(huán)境控制（全程濕度低于10%）、環(huán)保（氨水濃度大、氫氧化鋰刺激氣味大）等方面都不得不面對更多的困難，因此盡管理論上高鎳材料可以使原材料成本下降6-8%，但目前高鎳正極市場價(jià)格較5系高出近40%。

因此，高鎳材料的商業(yè)化應(yīng)用并非簡單更換活性材料，而是要解決隨之而來的材料、電池設(shè)計(jì)以及循環(huán)特性方面所帶來的一系列負(fù)面問題，這導(dǎo)致了高鎳推廣困難重重，迄今為止批量供應(yīng)高鎳電池的企業(yè)僅有兩家，其中松下自2017年起向特斯拉供應(yīng)NCA高鎳電芯，寧德時(shí)代自2019年下半年起增加NCM811高鎳電芯，其他諸如LG、三星、SKI等一線國際企業(yè)一再推遲高鎳電池的批量供貨，二線企業(yè)在高鎳化之路上則落后更遠(yuǎn)。

硅負(fù)極：極具性價(jià)比的降本良方前述的成本敏感性分析表明，改善負(fù)極性能也是降低電芯制造成本的有效途徑。目前商業(yè)化的鋰電池主要以石墨為負(fù)極材料，石墨的理論比容量為372mAh·/g，而市場上的高端石墨材料已經(jīng)可以達(dá)到360~365mAh·/g，因此基于石墨負(fù)極的鋰電池能量密度優(yōu)化空間相對有限。在此背景下，硅基負(fù)極材料因其較高的理論比容量（高溫4200mAh·/g，室溫3580mAh·/g）、低的脫鋰電位（<0.5V）、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富、成本較低等優(yōu)勢而被認(rèn)為是極具潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負(fù)極材料。然而，由于硅負(fù)極材料在充放電過程中存在巨大的體積變化（320%），導(dǎo)致納米硅顆粒與電極極片的機(jī)械穩(wěn)定性變差、活性顆粒之間相互的接觸不好、以及表面SEI鈍化膜的穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重影響電池壽命；硅的膨脹會(huì)在電池內(nèi)部去產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)對極片造成擠壓，從而出現(xiàn)極片斷裂；還會(huì)造成電池內(nèi)部孔隙率降低，促使金屬鋰析出，影響電池的安全性。因此目前硅負(fù)極主要通過與石墨負(fù)極材料復(fù)合使用，解決體積膨脹的問題可以通過控制碳材料中硅的含量、減小硅體積到納米級；或改變石墨質(zhì)地、形態(tài)，實(shí)現(xiàn)碳和硅的最佳匹配；或者采用其他物質(zhì)對硅進(jìn)行包覆，促進(jìn)膨脹后的復(fù)原；還可以采用更適宜的電極材料等一系列方法來減少硅膨脹帶來的諸多問題。

實(shí)踐證實(shí)，要想取得比較理想的電化學(xué)性能，復(fù)合材料中的硅顆粒粒徑不能超過200-300nm。但是在比表面、粒徑分布、雜質(zhì)以及表面鈍化層厚度等關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)壁壘都很高，國內(nèi)廠家目前還達(dá)不到，而外購納米硅粉成本極高，導(dǎo)致硅碳負(fù)極的價(jià)格較石墨類產(chǎn)品高出1倍左右。現(xiàn)在行業(yè)用硅普遍在8%-10%。據(jù)測算，采用硅負(fù)極材料的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時(shí)每千瓦時(shí)電池的成本可以下降至少3%，因此硅負(fù)極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，與高鎳推廣面臨的問題類似，硅碳負(fù)極的應(yīng)用條件更加嚴(yán)苛，同時(shí)以硅碳材料為負(fù)極的電池負(fù)極片壓實(shí)密度和首次效率都會(huì)下降，導(dǎo)致多數(shù)電池廠家只能望洋興嘆，我國目前硅碳負(fù)極的出貨量占比還不足1%。主要電池廠家中松下的步伐較早，供給特斯拉的高比能量電池即采用硅碳負(fù)極，其他電池企業(yè)尚無大批量供貨的記錄。國內(nèi)負(fù)極龍頭貝特瑞和江西紫宸已有不同規(guī)格的硅碳負(fù)極產(chǎn)品，預(yù)計(jì)未來幾年有望逐漸推廣。設(shè)計(jì)：螺獅殼里做道場，工藝優(yōu)化無止境一顆鋰電池容量由正極材料多寡決定，提升能量密度除了采用高比容量的材料之外，另一路徑是在有限的空間內(nèi)裝入更多的活性材料，即提升電芯內(nèi)部的填充度。根據(jù)我們搭建的模型測算，PHEV2型電芯內(nèi)部填充度約為82%，填充不完全在橫向和縱向上都有原因。橫截面上，在電池設(shè)計(jì)中，通常采用群裕度這個(gè)概念來表征電芯的空間填充度。群裕度是指電池實(shí)際內(nèi)部橫截面積與最大內(nèi)部截面積的比例，即，將電芯橫向切開，其中卷繞式電芯中各種物質(zhì)的截面積與電池殼體內(nèi)徑包含的面積的比值，可以表征卷繞式電芯的入殼的困難程度、電芯充電膨脹后對殼體的壓力等。群裕度的計(jì)算方式有兩種，分別是：

一般采用第二種計(jì)算方式?？v向的不完全填充主要來自頂層集流體、絕緣層等內(nèi)伸的部件需要占據(jù)的空間，一般為頂蓋的內(nèi)側(cè)部件留出5mm空間，此外，為防止極片短路，寬度方面隔膜>負(fù)極>正極，涂布時(shí)正極材料比隔膜少4mm左右，這進(jìn)一步降低了正極材料的用量。此外，目前方形電池的裝配多選用卷繞工藝，卷芯成型后彎曲的部位難以避免留下空隙，這進(jìn)一步降低了內(nèi)部空間的填充率。因此，改善空間利用率也多從如下途徑實(shí)現(xiàn)，一是選用疊片裝配工藝，二是減少非活性材料的體積占比，三是增大電芯內(nèi)部尺寸攤薄非填充空間的比例。卷繞改疊片：有效提升群裕度，生產(chǎn)效率是主要阻礙目前的方形電池多數(shù)采用卷繞工藝裝配電芯，卷繞工藝非常成熟，成本也相對較低，但卷繞工藝裝配的電芯對內(nèi)部空間利用率不足，從而限制了電池能量密度的提高和成本的下降。我們模型測算的結(jié)果表明，卷繞電池空間利用率僅有82.3%，偏低主要源于三個(gè)方面，一是縱向上為頂蓋和極柱焊接留出空間，一般為5mm左右，對PHEV-2型電池影響空間利用率約6.2%；二是橫向上由于卷繞電芯易膨脹，按照群裕度第二重定義，一般設(shè)計(jì)為群裕度93%左右，為卷芯厚度增加留出彈性空間；三是卷芯兩側(cè)邊緣位置存在較大曲率，也造成了空間浪費(fèi)，我們模型測算結(jié)果顯示曲度部分影響填充率約5.7%。此外，在充放電的過程中，卷芯彎曲部位易變形和扭曲，會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，甚至有安全隱患。

和卷繞工藝相比，疊片工藝具備天然的優(yōu)勢。疊片式極組呈長方形，幾乎可以充滿方形殼體空間；而卷繞式極組呈橢圓形，必然造成殼體四角的空間浪費(fèi)。另外，卷繞式極組長時(shí)間使用后容易扭曲，兩側(cè)圓弧處斷裂造成內(nèi)部短路。未來方形電池做大做長，電池管理更加簡易高效，可以更好地適應(yīng)電動(dòng)汽車模塊化生產(chǎn)，這也是圓柱電池所不具備的優(yōu)勢。在產(chǎn)品性能方面，根據(jù)蜂巢能源披露的信息，疊片工藝生產(chǎn)的方形電池優(yōu)勢明顯：因?yàn)闃O組有更好的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，電池變形和膨脹的幾率大幅下降；邊緣結(jié)構(gòu)更簡單，電池安全性更高；能量密度可以相應(yīng)提高5%；循環(huán)壽命提升10%-20%；內(nèi)阻更低，可以實(shí)現(xiàn)更高倍率放電；電池的規(guī)格更加靈活，一致性更佳。我們的模型測算結(jié)果表明，在同等規(guī)格尺寸下，采用疊片技術(shù)之后，按照群裕度第一重定義，設(shè)計(jì)值可達(dá)96%左右，較卷繞提高8個(gè)百分點(diǎn)，從而使得能量密度提高12%，電芯每Wh物料成本下降近10%。盡管疊片工藝潛在優(yōu)勢明顯，但當(dāng)前仍然面臨諸多需要克服的問題，包括更高的工藝門檻和生產(chǎn)成本等，其中最大的難題是生產(chǎn)效率。日韓廠商曾經(jīng)攻關(guān)疊片工藝，但是生產(chǎn)效率提升始終無法取得實(shí)質(zhì)上的突破。當(dāng)下卷繞機(jī)的水平，可實(shí)現(xiàn)線速度3m/s，張力波動(dòng)控制±5%，對齊精度為±2mm，整機(jī)合格率≥99%，時(shí)間稼動(dòng)率≥98%，故障率≤1%，疊片機(jī)水平目前是電芯整體對齊精度±0.5mm，產(chǎn)品合格率≥99.5%，時(shí)間稼動(dòng)率≥98%，故障率≤1%，疊片效率（五工位）在4片/s，與卷繞效率相差較遠(yuǎn)。據(jù)測算，在電芯尺寸較小的情況下，只有單工位效率提升到0.2秒/片左右時(shí)，疊片工藝才可能與卷繞工藝成本相當(dāng)。另外，疊片工藝需要將每個(gè)極片進(jìn)行兩次分切，一個(gè)電芯則涉及到數(shù)十次分切，而卷繞工藝每個(gè)電芯只需要進(jìn)行正負(fù)極各一次分切。每次分切都存在極片的截面產(chǎn)生毛刺的風(fēng)險(xiǎn)，這就增加了電池質(zhì)量控制的難度。正是因?yàn)槭苤朴谶@兩個(gè)主要的短板，疊片工藝的滲透率還有待突破。但總體而言，效率與分切的問題并非不能克服，目前主流電池廠中，除了LG一直采用疊片和軟包路線之外，寧德時(shí)代、比亞迪也紛紛布局該路線，三星SDI于近日宣布在匈牙利的新產(chǎn)線將采用疊片工藝，我們預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)疊片有望取代卷繞成為電芯的主流生產(chǎn)工藝。大尺寸電芯：提效降本一舉多得，工藝水準(zhǔn)決定成果增大單體電芯容量是降低電池生產(chǎn)成本的重要手段。大容量電芯一方面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整材料結(jié)構(gòu)，降低單位電量所使用材料，另外一方面通過提高單片電芯電量，有利于降低生產(chǎn)損耗。由于電芯為模組和電池包的主要材料投入，大容量電芯帶來的單位材料成本下降也帶動(dòng)模組和電池包材料成本的下降。以特斯拉的電池系統(tǒng)為例，2019年起特斯拉采用松下的21700圓柱電芯代替使用了5年之久的18650電芯，切換之后，電池單體電池容量可以達(dá)到3~4.8Ah，大幅提升35%，電芯能量密度則從250Wh/kg提升20%至300Wh/kg，生產(chǎn)成本降幅達(dá)9%以上。具體而言，大電芯的第一個(gè)優(yōu)勢是提升了活性材料的重量比例，從而提升電芯的能量密度，降低電芯生產(chǎn)成本。我們的模型測算結(jié)果表明，方形卷繞電芯厚度從27mm增加至79mm時(shí)，由于非活性物質(zhì)用量被攤薄，正極材料在電芯總重量的占比從37.6%提升至39.4%，其質(zhì)量能量密度從218Wh/kg增加至229Wh/kg，增幅達(dá)5%，電芯綜合成本從0.54元/Wh降至0.506元/Wh，降幅約7%。二是有利于提高成組率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能量密度?，F(xiàn)在比較成熟的實(shí)際中，PACK系統(tǒng)層級按照電芯處理方式可分為四級：電芯級、模組級、模塊級和電箱級。其中電芯級是一個(gè)基礎(chǔ)，后面每一級都會(huì)使用一定的零部件來對電芯進(jìn)行處理，所以后面每一級都有一個(gè)成組效率（電芯重量占每一級部件的百分比）的問題，最后系統(tǒng)的成組率是前面幾個(gè)層級相乘。層級越多，最后的成組效率就相對越小。在進(jìn)行PACK系統(tǒng)層級設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理規(guī)劃，盡量減少層級，已達(dá)到更高成組效率的目標(biāo)。以寧德時(shí)代電芯變化軌跡為例，2017年寧德時(shí)代電芯規(guī)格以標(biāo)準(zhǔn)尺寸為主，成組效率僅有67%；隨后幾年里憑借更大的電芯和模組，電池系統(tǒng)的成組率不斷提升，2019年下半年公司推出CTP（celltopack）產(chǎn)品，直接省略了模組的保護(hù)，其成組效率有望達(dá)到80%。在材料體系沒有發(fā)生根本變化的情況下，將系統(tǒng)能量密度提升了50%。三是解構(gòu)車企推動(dòng)模組標(biāo)準(zhǔn)化的努力，提升電芯企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈地位。目前車企和電池廠業(yè)務(wù)的分界點(diǎn)在模組環(huán)節(jié)，車企希望在實(shí)現(xiàn)模組的標(biāo)準(zhǔn)化，讓電池廠成為純粹的電芯供應(yīng)商，加劇電芯環(huán)節(jié)的競爭，如大眾MEB平臺(tái)適用的590模組，可同時(shí)兼容方形和軟包電池，兩大電池供應(yīng)商LG和寧德時(shí)代的產(chǎn)品無論是技術(shù)路線還是尺寸都完全不同；電池廠則力圖將觸角延伸至模組環(huán)節(jié)，無論是CTP還是大電芯本質(zhì)都是提升電芯環(huán)節(jié)的差異性，在降低成本的同時(shí)，提高電芯的技術(shù)壁壘，從而進(jìn)一步綁定車企，消解車企模組標(biāo)準(zhǔn)化的意圖。

理論上，大電芯在設(shè)計(jì)和制造層面的實(shí)施并不困難，難點(diǎn)在于保持電芯的高品質(zhì)。對于卷繞式電芯，單個(gè)卷芯極片卷繞長度約6-7米，更長會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力不均勻，從而導(dǎo)致電芯循環(huán)性能受限，卷繞式大電芯會(huì)采取多個(gè)卷芯并聯(lián)的方式，其實(shí)質(zhì)是減少封裝殼體的用量，一旦卷芯出現(xiàn)膨脹，會(huì)影響其它卷芯的正常充放電；對于疊片式電芯，更大容量意味著同一殼體內(nèi)疊層數(shù)量增加，邊緣毛刺、疊片錯(cuò)位等問題出現(xiàn)的概率急劇上升。因此，目前市場上大電芯的供應(yīng)商數(shù)量相當(dāng)稀少，寧德時(shí)代最大規(guī)格的電芯單體容量已達(dá)到200Ah以上，國內(nèi)其他廠家都在120Ah以下。非活性材料減量：降本累積效果明顯，削減冗余設(shè)計(jì)增加安全隱患從前述分析可知，正負(fù)極活性材料占電芯的重量比僅有60%左右，集流體、電解液和殼體等非活性材料重量占比達(dá)35%以上，設(shè)法減少非活性材料的重量比例也是提升能量密度、降低電池成本的有效途徑。非活性材料減重減厚主要從如下途徑著手：提升正負(fù)極片的壓實(shí)密度，即降低正負(fù)極片活性層的孔隙度。模型中假設(shè)正負(fù)極片的孔隙率分別為25%和27%，相應(yīng)的壓實(shí)密度分別為3.38g/cm2和1.55g/cm2，如將正極極片孔隙度降至20%，則正極面密度可達(dá)3.60g/cm2，電池能量密度從216Wh/kg提升至219.7Wh/kg。增大壓實(shí)密度的潛在風(fēng)險(xiǎn)在于導(dǎo)致極片過壓或者極片掉粉，從而導(dǎo)致電池容量降低、循環(huán)惡化以及內(nèi)阻增加等問題。提升極片面密度。目前極片都采用雙面涂布，正極單面面密度約20mg/cm2，相應(yīng)的正積極片厚度約130微米，其中正極箔材厚度（鋁箔）占比達(dá)10%，提升面密度可進(jìn)一步減少箔材的空間占用，從而提升能量密度。我們的模型測算表明，如將單面面密度從20mg/cm2提升至25mg/cm2，電池能量密度可提升2.7%，綜合成本下降2.1%。面密度提升的主要障礙在于負(fù)極，由于負(fù)極漿料的溶劑為水，隨著極片厚度增加，烘干過程變得難以控制，或者在極片底部留下殘余水，或者導(dǎo)致極片底部出現(xiàn)裂縫，二者都會(huì)導(dǎo)致使用過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。目前主流電芯企業(yè)負(fù)極面密度控制在18~20mg/cm2（雙面），而國際領(lǐng)先的電芯企業(yè)則可以達(dá)到25mg/cm2左右。降低N/P比。N/P比（Negative/Positive）是在同一階段內(nèi)，同一條件下，正對面的負(fù)極容量超正極容量的余量，計(jì)算方法為N/P=單位面積負(fù)極容量/單位面積正極容量。石墨負(fù)極類電池N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，這主要是出于安全設(shè)計(jì)，主要為了防止負(fù)極析鋰，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工序能力，如涂布偏差。但是，N/P過大時(shí)，電池不可逆容量損失，導(dǎo)致電池容量偏低，電池能量密度也會(huì)降低。我們的模型里假設(shè)N/P比為1.1，如果將N/P比調(diào)整為1.05，電池能量密度將增加2%，成本下降0.8%。減少隔膜、負(fù)極、正極材料留白面積。為了防止電池短路以及極片邊緣毛刺導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，涂布時(shí)往往會(huì)在集流體邊緣處留下空白，其規(guī)律是負(fù)極活性層寬度比隔膜少2mm左右，正極比負(fù)極也少2mm，這些留白造成的體積能量密度損失達(dá)3%以上，因此提高涂布精度，增大活性材料填充也成了電池企業(yè)面臨的重要課題。降低銅箔、鋁箔和隔膜等材料的厚度。銅箔、鋁箔、隔膜等材料在電芯質(zhì)量的占比接近10%，厚度占比接近7%，因此降低箔材的厚度和重量對于提升能量密度、降低成本意義重大。自2010年以來，銅箔的厚度已從12μm降至6~8μm，領(lǐng)先企業(yè)已在嘗試4.5μm厚度的銅箔；鋁箔和隔膜厚度從20μm降至12μm左右。另一方面，箔材的應(yīng)用并不是越薄越好，需要保證電池的安全性。然而，更薄的箔材對于材料供應(yīng)商和電芯企業(yè)都帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，材料企業(yè)需要解決負(fù)荷率和成品率下降、成本上升的問題，電芯企業(yè)則需要解決涂布、輥壓和卷繞等一系列問題，因此，能夠應(yīng)用更薄的箔材已成為表征電芯企業(yè)技術(shù)能力的一大標(biāo)志。以銅箔為例，寧德時(shí)代早在2019年已全面采用6μm的銅箔，并已在嘗試4.5μm產(chǎn)品，而國內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍然停留在8μm的水平。

上述所有措施全部采用之后，電芯單體的質(zhì)量能量密度從218Wh/kg提升至248Wh/kg，電芯成本則從0.55元/Wh降至0.515元/Wh，物料成本從0.43元/Wh降至0.39元/Wh。另一方面，上述的每一條措施都意味著降低了安全冗余設(shè)計(jì)，假如工藝能力沒有提升，減少非活性材料的用量實(shí)際上增加了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，在安全性壓倒一切的前提下，甚至可能導(dǎo)致電池廠商失去客戶。因此，與一般制造業(yè)相反，電池企業(yè)反而是龍頭公司在壓縮冗余設(shè)計(jì)，因?yàn)榉腔钚圆牧系臏p量都是建立在工藝和技術(shù)能力有富余的基礎(chǔ)之上。過程能力—質(zhì)量/一致性決定市場份額，良品率拉開成本差距鋰電池單體大量成組后才能使用，因此電芯的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)合格只是基本要求，品質(zhì)一致性在供應(yīng)商評估過程中具有很高權(quán)重。此外，進(jìn)行大批量生產(chǎn)的時(shí)候，一個(gè)單體的成本主要是取決于材料成本和生產(chǎn)過程中的廢品率。因此，電池在材料和設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)能否得到大批量高品質(zhì)的復(fù)制才是決定其成本和市場競爭力的關(guān)鍵，這主要取決于工業(yè)生產(chǎn)的過程能力。定性：多材料/工序非線性耦合而成的流程型制造業(yè)，復(fù)雜度極高一般而言，制造業(yè)主要可以劃分為流程型制造業(yè)和離散型制造業(yè)兩大類。離散型制造業(yè)以機(jī)械制造為代表，在離散制造過程中，尤其是加工、組裝、運(yùn)行過程一般只發(fā)生幾何形狀和時(shí)/空變化，而很少發(fā)生物理、化學(xué)和生物性質(zhì)變化，只要計(jì)算機(jī)的能力足夠強(qiáng)，算法得當(dāng)，離散型制造的加工過程、運(yùn)動(dòng)過程的物理機(jī)制和模型就較易數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，這是離散型制造較易智能化的重要原因。流程型制造以化工、冶金、建材等工業(yè)為代表。流程型制造過程中既有時(shí)/空、幾何形狀變化，又有涉及物理-化學(xué)變化的狀態(tài)、成分、性質(zhì)變化，其中工藝參數(shù)眾多而又互相關(guān)聯(lián)、互相作用、互相制約，屬于開放復(fù)雜系統(tǒng)，不少事物難以有確定的數(shù)字解，難于數(shù)字化。其生產(chǎn)模型以配方為核心，具備較強(qiáng)的易變動(dòng)性和伸縮性，往往具有較高的技術(shù)難度。鋰電池制造是高復(fù)雜度的流程型制造業(yè)。鋰電池生產(chǎn)可粗略分為15/16道工序，其中既涉及到物理變化（主要是極片制造），也涉及到化學(xué)變化（SEI膜的形成），工藝點(diǎn)數(shù)以千計(jì)，這些不同結(jié)構(gòu)和功能的工序通過非線性耦合構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并且由于降本提效的需求，其配方在不斷變化，因此鋰電池批量生產(chǎn)的技術(shù)復(fù)雜性在制造業(yè)里處于很高水平，其生產(chǎn)流程具備如下特點(diǎn)：配方型。離散制造企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其最終產(chǎn)品一定是由固定個(gè)數(shù)的零件或部件組成，這些關(guān)系非常明確并且固定。在流程生產(chǎn)行業(yè)MES中，一般采用配方的概念來描述這種動(dòng)態(tài)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系。MES在描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配方的時(shí)候，還應(yīng)具有批量，有效期等方面的要求。非線性耦合。流程企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)往往不是很固定—上級物料和下級物料之間的數(shù)量關(guān)系，可能隨溫度，壓力，濕度，季節(jié)，人員技術(shù)水平，工藝條件不同而不同，最終產(chǎn)品的性能則是上下級物料和加工環(huán)境非線性耦合的結(jié)果。仍然在進(jìn)化。多數(shù)流程制造業(yè)的產(chǎn)品是原材料，其產(chǎn)品性能和工藝配方在很長一段時(shí)間里保持穩(wěn)定，而鋰電池提效降本的需求仍然迫切，其生產(chǎn)配方仍在不斷變化，生產(chǎn)工序也需要相應(yīng)調(diào)整升級，因此鋰電池生產(chǎn)工藝的難度也在不斷提高。綜上，鋰電池生產(chǎn)是多材料/工序非線性耦合而成的流程型制造業(yè)，復(fù)雜度極高，需要控制數(shù)以千計(jì)的工藝點(diǎn)才能保證電池品質(zhì)的高一致性，非線性耦合的特性意味著配方的每次調(diào)整都需要調(diào)整所有關(guān)鍵工序的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能，因此鋰電池的技術(shù)進(jìn)步大概率由研發(fā)實(shí)力雄厚的龍頭推動(dòng)，個(gè)別材料/工藝的創(chuàng)新很難實(shí)現(xiàn)彎道超車。一致性是獲得市場份額的前提，決定了過去三年國內(nèi)格局電動(dòng)車的電池系統(tǒng)由數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)電芯連接而成，由于木桶效應(yīng)，電池系統(tǒng)的性能取決于電池包里性能最差的電芯。此外，與消費(fèi)電子產(chǎn)品相比，電動(dòng)汽車由于放電電流、工作電壓以及工作環(huán)境都更加嚴(yán)苛，動(dòng)力電池允許的故障率較消費(fèi)鋰電池低2-3個(gè)數(shù)量級，因此質(zhì)量要求更加苛刻。

電芯的品質(zhì)通常從兩個(gè)維度衡量，一是常規(guī)的電、熱和機(jī)械性能，這類性能區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)明確，而且影響因素較少，容易監(jiān)測和控制；二是電芯性能參數(shù)的一致性，相對而言，電芯一致性的重要性難以直觀量化，主要是不一致所導(dǎo)致的問題需要更長的時(shí)間才會(huì)暴露，但后果同樣嚴(yán)重，電芯性能不一致往往帶來如下方面的問題：容量損失，電芯單體組成鋰電池組，容量符合“木桶原理”，最差的那顆電芯的容量決定整個(gè)電池組的能力。壽命損失，小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達(dá)壽命的重點(diǎn)。一只電芯壽命終結(jié)，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。內(nèi)阻增大，不同的內(nèi)阻，流過相同的電流，內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相對比較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會(huì)進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對負(fù)反饋，使高內(nèi)阻電芯加速劣化。單體電池在制造出來后，本身存在一定性能差異。初始的不一致度隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計(jì)，導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)（SOC、電壓等）產(chǎn)生更大的差異；電池組內(nèi)的使用環(huán)境對于各單體電池也不盡相同。這就導(dǎo)致了單體電池的不一致度在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。當(dāng)質(zhì)量特性值的分布服從正態(tài)分布時(shí)，一定的過程能力指數(shù)對應(yīng)著一定的不合格品率。在一般的制造業(yè)中，Cpk達(dá)到1.33（對應(yīng)良品率為99.36%），即表明該產(chǎn)品/工序過程能力充分；如達(dá)到1.67（對應(yīng)良品率99.978%），表明該產(chǎn)品/工序過程能力很高；如Cpk在1.67以上，甚至意味著工藝能力過剩，存在粗活細(xì)作。然而，電芯生產(chǎn)對于工序能力的要求要高得多。以一個(gè)約50kWh的電池系統(tǒng)為例（主流A級車系統(tǒng)容量），大約包含280個(gè)PHEV-2規(guī)格電芯，我們計(jì)算了不同過程指數(shù)值所對應(yīng)的電芯和系統(tǒng)不良率表現(xiàn)：不難發(fā)現(xiàn)，一般制造業(yè)較好的過程能力指數(shù)（1.33）對電芯而言幾乎意味著全面不合格。目前我國二線電池企業(yè)在電芯層面的Cp可以達(dá)到1.33，成組后的電池系統(tǒng)成為不良品的概率達(dá)80%以上；國內(nèi)一線龍頭的過程能力指數(shù)可以達(dá)到1.67，即便如此電池包的不良率也達(dá)6%以上；海外圓柱電芯龍頭的工序能力指數(shù)可以達(dá)到2，但圓柱電芯單體容量小，成組時(shí)需要的電芯數(shù)量數(shù)以千計(jì)，以特斯拉為例，其電池系統(tǒng)由約7000個(gè)圓柱電芯組成，假設(shè)電芯Cp值為2，則電池包的不良率約為2.35%；如果PHEV-2電芯的CP值達(dá)到2，成組后電池包不良率可降至0.1%以下，這在目前還是很難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。我們假設(shè)車企能接受的電池系統(tǒng)良率為85%，則電芯的良率要達(dá)到99.92%以上，對應(yīng)CP值為1.55，這仍然是極高的工序能力要求，國內(nèi)多數(shù)電池企業(yè)很難達(dá)標(biāo)。我們認(rèn)為，電芯一致性的差異是過去幾年國內(nèi)鋰電池格局迅速集中的重要原因。我國鋰電池的名義產(chǎn)能處于嚴(yán)重過剩狀態(tài)，2019年全行業(yè)產(chǎn)能利用率不足30%。與此同時(shí)，龍頭公司寧德時(shí)代的市場份額卻甩開同行絕塵而去，無論是政策引導(dǎo)的三元，還是市場認(rèn)為偏低端的磷酸鐵鋰，寧德時(shí)代的市占率都已達(dá)到50%以上?？紤]到磷酸鐵鋰電池的固有安全特性，技術(shù)難度低于三元，而且各廠家的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至能量密度等性能參數(shù)均相差不大，寧德時(shí)代在鐵鋰領(lǐng)域的全面勝出主要是憑借產(chǎn)品的高一致性。

突破質(zhì)量、成本、效率(制造周期)不可能三角，是行業(yè)強(qiáng)者恒強(qiáng)的根源過程能力的差異在成本端也有顯著影響，過程能力不足造成的損失主要體現(xiàn)在如下方面：一是不良流程/產(chǎn)品造成的質(zhì)量損失，二是為了確保最終產(chǎn)品質(zhì)量所付出的成本，包括分選環(huán)節(jié)增加和制造周期延長，三是份額不足、開工率低造成的停機(jī)損失。

生產(chǎn)過程中不良流程/產(chǎn)品造成的損失用直通率和不良品率來衡量。鋰電池制造的多數(shù)流程無法返工，而是在關(guān)鍵工序上對性能參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用直通率（流通產(chǎn)出率）能夠揭示不良品造成的損失，直通率由每一個(gè)流程的首次產(chǎn)出率（firsttimeyield,FTY）乘積得到，鋰電池生產(chǎn)的關(guān)鍵工序有6個(gè)，質(zhì)量特征值則有9個(gè)。不良品則是在最后的分容階段篩選出來廢棄，這些不良品是質(zhì)量損失的重要來源。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室假設(shè)的電芯良率及主要材料的直通率拆解如下所示，實(shí)際上各廠家的相關(guān)數(shù)據(jù)差異較大。良率方面，一線企業(yè)的電芯良率可達(dá)96~97%，較好的二線企業(yè)僅有92~93%，在其他條件均不變的情況下，5個(gè)百分點(diǎn)的良率差異會(huì)導(dǎo)致成本端相差0.023元/Wh；直通率方面，一線企業(yè)正極材料的直通率可達(dá)95%以上，二線勉強(qiáng)接近90%，5個(gè)點(diǎn)的直通率差異導(dǎo)致成本端相差0.015元/Wh。因此，僅考慮質(zhì)量損失，一二線企業(yè)之間即可造成0.035元/Wh以上的成本差異。

工序能力對成本的另一顯著影響是拉長產(chǎn)品制造周期。電芯的完整生產(chǎn)周期覆蓋從投料到出廠，時(shí)間長達(dá)3~6周，其中涂布、分切、卷繞等機(jī)械制程耗時(shí)1~2天，且各家企業(yè)差異不大，但化成時(shí)間差異較大，優(yōu)秀企業(yè)化成時(shí)間可控制在2周左右，二線企業(yè)則需要2-3周時(shí)間?；蓵r(shí)間的區(qū)別主要源于前道工序質(zhì)量控制的差異，對于工序能力強(qiáng)的企業(yè)，一次分容即可完成篩選，多數(shù)企業(yè)則需要二次化成，這種情況下電學(xué)參數(shù)一致的電芯可能使用了不同批次的原料，隨著使用次數(shù)增加，其先天的不一致會(huì)逐漸體現(xiàn)。此外，由于化成占用的廠房面積較大，長期的化成分容一方面會(huì)增加設(shè)備和廠房折舊，另一方面成為整個(gè)流程的瓶頸環(huán)節(jié)，拖累整體周轉(zhuǎn)率。以固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率為例，即使在2016年的行業(yè)歷史性高點(diǎn)，一二線企業(yè)的周轉(zhuǎn)率也有顯著差異，我們認(rèn)為這種差異主要來自制造周期。

對于流程制造業(yè)，規(guī)模效應(yīng)能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。由于工序能力存在差異，車企傾向于選擇產(chǎn)品一致性更好的供應(yīng)商，這導(dǎo)致一二線電池企業(yè)產(chǎn)能利用率的急劇分化。以2019年數(shù)據(jù)為例，寧德時(shí)代全年出貨量達(dá)33GWh，產(chǎn)能利用率約75%，其他企業(yè)的產(chǎn)能利用率多數(shù)徘徊在40%以下，產(chǎn)能利用率的分化導(dǎo)致了成本差異的增加。2018年寧德時(shí)代動(dòng)力電池出貨量達(dá)23.5GWh，其折舊總額約20億元，國軒高科出貨量3.1GWh，折舊總額3.33億元，這還不考慮寧德時(shí)代折舊年限較國軒高科短一半。

因此，鋰電池生產(chǎn)打破了一般制造業(yè)品質(zhì)—成本—生產(chǎn)效率的不可能三角，反而通過提升品質(zhì)，降低了質(zhì)量損失，并且縮短生產(chǎn)周期，最終降低了整體的生產(chǎn)成本，更高的品質(zhì)進(jìn)一步促進(jìn)了市場份額的提升，從而強(qiáng)化了成本優(yōu)勢。5M1E分析：工藝（Method）與環(huán)境（Environment）是拉開質(zhì)量差距的決定因素產(chǎn)品質(zhì)量通常取決于六大因素：5M1E（人/Man、機(jī)器/Machine、材料/Material、方法/Method、測量/Measurement、環(huán)境/Environment）。

人（Man）：鋰電池產(chǎn)線由于尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，大量工序仍需人力操作，目前每GWh產(chǎn)線需配備400-500員工，另一方面，對員工的學(xué)歷要求并不高，寧德時(shí)代79%的員工學(xué)歷在本科以下，這表明操作人員對鋰電池質(zhì)量的影響相對較小。機(jī)器（Machine）：目前鋰電池的設(shè)備投資強(qiáng)度約3億元/GWh，單廠投資2GWh以上。精度和效率是鋰電設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，也是設(shè)備的研發(fā)與制造過程需要重點(diǎn)考慮的因素，其主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、零件加工精度、裝配技能水平以及設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試時(shí)的工藝適應(yīng)性等。生產(chǎn)設(shè)備的精度和自動(dòng)化水平?jīng)Q定了鋰離子電池的質(zhì)量，例如極片涂布的涂覆精度、極片制片的極耳位置精度、極片卷繞的電芯對齊精度等對鋰離子電池的容量、電壓、內(nèi)阻以及可靠性能和安全性能等方面有重要影響。目前鋰電設(shè)備的國產(chǎn)化率已接近100%，部分設(shè)備企業(yè)甚至已進(jìn)入國際廠商供應(yīng)鏈，因此各廠家設(shè)備的區(qū)別并不大，另一方面，由于各廠家會(huì)根據(jù)自身的技術(shù)對產(chǎn)線作調(diào)整，因此鋰電設(shè)備有一定的定制化需求。此外，圓柱、方形、軟包三種裝配路線對產(chǎn)線的自動(dòng)化水平也有一定影響，圓柱電池產(chǎn)線可以接近全自動(dòng)化生產(chǎn)，方形和軟包電池只能半自動(dòng)化生產(chǎn)，因此方形和軟包電池的一致性要弱于圓柱。材料（Material）：鋰電池生產(chǎn)用到多種材料，對純度、顆粒尺寸、含水量等各項(xiàng)指標(biāo)要求都非?？量?。同設(shè)備一樣，目前國內(nèi)鋰電材料國產(chǎn)化率也接近100%，前驅(qū)體、正極、負(fù)極、電解液等主要材料供應(yīng)商已進(jìn)入國際一線電池廠商的供應(yīng)鏈，電池企業(yè)在材料性能上要求略有區(qū)別，但不是造成質(zhì)量差異的核心因素。方法（Method）：鋰電池生產(chǎn)的工藝方法總體上相近，但是具體的工藝點(diǎn)都有特色，例如，僅在制片環(huán)節(jié)，正極、負(fù)極漿料的配方、攪拌速度、添加劑種類和用量都有無數(shù)種組合，卷繞時(shí)張力調(diào)節(jié)、烘干的溫度和時(shí)間也各有差異，鋰電池生產(chǎn)流程非線性耦合的特點(diǎn)決定了各廠商在這上千個(gè)工藝點(diǎn)的區(qū)別是造成產(chǎn)品質(zhì)量差異的主要原因。測量（Measurement）：測量主要是觀測關(guān)鍵工序質(zhì)量特性是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，所采用的的手段、設(shè)備和分析方