请务必阅读正文后的重要声明部分 Table_IndustryInfo 2020年 02月 04日 强于大市(维持)证券研究报告行业研究电气设备 磷酸铁锂专题报告 刀片电池和CTP方案带动磷酸铁锂回暖 投资要点 西南证券研究发展中心 Table_Author 分析师：谭菁 执业证号：S1250517090002 电话：010-57631196 邮箱：tanjswsc 分析师：陈瑶 执业证号：S1250519080003 电话：0755-23914886 邮箱：cyaoswsc Table_QuotePic 行业相对指数表现 数据来源：聚源数据 基础数据 Table_BaseData 股票家数 194 行业总市值（亿元） 17,609.63 流通市值（亿元） 17,368.34 行业市盈率TTM 30.08 沪深300市盈率TTM 11.5 相关研究 Table_Report 1. 特斯拉专题报告：创新源自于对本质的思考 (2020-01-23) 2. 电力设备新能源行业：新能源汽车补贴不退坡传闻可能影响市场预期 (2020-01-13) 3. 特斯拉专题报告：特斯拉强势开启电动汽车海外需求 (2020-01-08) 4. 电力设备新能源行业2020年投资策略：新能源中游窗口期打开 (2019-12-03) Table_Summary LFP凭借其低价及强安全性在众多正极材料中脱颖而出。磷酸铁锂电池具有循环寿命相对较长、发热量低、热稳定性好的特点，同时磷酸铁锂电池还拥有良好的环境安全性。磷酸铁锂电池凭借着较低的价格和稳定的性能大量应用于电动客车，该材料具有安全性好、循环寿命长、成本低等优点，是动力和储能电池的主打正极材料。 宁德时代和比亚迪引领 CTP方案，进一步降低成本。2019年，宁德时代率先采用全新CTP技术的无模组电池包，CTP电池包体积利用率提高了15%-20%，零部件数量减少 40%，生产效率提升了 50%，投入应用后将大幅降低动力电池的制造成本。比亚迪“刀片电池”的升级重点在于可实现无模组，直接集成为电池包（即 CTP 技术）。刀片电池包通过优化电池包结构，从而提高电池包之后的效率，但对单体能量密度提高没有太大影响。比亚迪规划到2020年，其磷酸铁锂单体能量密度将达到 180Wh/kg 以上，系统能量密度也将提高到160Wh/kg以上。 刀片电池和 CTP 方案成本可降 15%。我们假设刀片电池体积比能量密度提升50%左右并且在带电量不变的情况下，铝壳盖板以及 PACK 成本下降 33%；能源、人工、制造以BMS由于工艺优化以及零部件减少而下降 20%，则刀片电池制造总成本可以由0.696元/Wh下降15.6%至0.588元/Wh。若考虑原材料价格下降则可进一步降低成本。 刀片电池和CTP方案仍将率先在商用车上使用。我们预计2020年磷酸铁锂的电池在商用车占比将进一步提升。从投资的角度，上游磷酸铁锂得以放量，下游商用车盈利能力边际改善。由于整个磷酸铁锂的上游已经经过三年洗牌，行业集中度较高。产业链中如果达到 10 家供应商，就是集中度已经非常高，稳定出货第三方的供应商只有3-4家。所以我们认为龙头受益明显。 重点关注个股：重点关注稳定出货的正极材料龙头企业以及下游新能源客车企业，建议关注：德方纳米（300769.SZ）、国轩高科（002074.SZ）、比亚迪（002594.SZ）和宇通客车（600066.SH）。 风险提示：电动车销量不达预期的风险，磷酸铁锂电池成本降幅不达预期的风险。 0%6%12%18%24%30%19/2 19/4 19/6 19/8 19/10 19/12 20/2电气设备 沪深300 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 目 录 1 磷酸铁锂电池具备成本和安全的优势 . 1 1.1 LFP凭借其低价及强安全性在众多正极材料中脱颖而出 . 1 1.2磷酸铁锂电池工作机理 . 3 2 宁德时代和比亚迪引领 CTP方案，进一步降低成本 . 5 3 刀片电池和 CTP方案成本可降 15% . 10 4 刀片电池和 CTP方案仍将率先在商用车上使用 . 12 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 图 目 录 图 1：钴酸锂结构图 . 1 图 2：镍钴锰酸锂结构图 . 1 图 3：锰酸锂结构图 . 2 图 4：磷酸铁锂结构图 . 2 图 5：磷酸铁锂电池工作机理 . 3 图 6：磷酸铁锂电池内部结构 . 4 图 7：磷酸铁锂充放电机理 . 4 图 8：BYD刀片电池 . 5 图 9：首款搭载“刀片电池”的比亚迪汉 EV . 5 图 10：比亚迪“刀片电池”单体电池示意图 . 6 图 11：比亚迪动力电池包剖视图和爆炸图 . 6 图 12：比亚迪专利动力电池排布方式空间利用率更高 . 6 图 13：一种实施方式提供的电池包的爆炸图 . 7 图 14：提供电池包（车用托盘）固定在电动车上的爆炸示意图 . 7 图 15：比亚迪 CTP技术对比实验 . 7 图 16：实施例 1动力电池包的排布方式 . 8 图 17：实施例 2动力电池包的排布方式 . 8 图 18：实施例 3动力电池包的排布方式 . 8 图 19：实施例 4动力电池包的排布方式 . 8 图 20：实施例 5动力电池包的排布方式 . 8 图 21：电池导热板剖视图 . 8 图 22：某实施例电池包的爆炸图 . 8 图 23：比亚迪 CTP电池散热实验结果 . 9 图 24：CTP高集成动力电池开发平台 . 9 图 25：宁德时代 CTP电池包 . 9 图 26：宁德时代 CTP电池包的结构示意图 . 10 图 27：宁德时代 CTP电池包的结构爆炸图 . 10 图 28：LFP电池包单价 . 10 图 29：国轩高科锂电池业务毛利率 . 10 图 30：LFP电池制造总成本 . 11 图 31：LFP电池制造总成本占比 . 11 图 32：单位原材料成本拆分 . 11 图 33：单位原材料成本占比 . 11 图 34：单位原材料成本测算 . 12 图 35：考虑企业毛利率的 LFP价格 . 12 图 36：2020年新能源客车毛利率测算 . 13 图 37：2019年各正极企业出货量市场份额 . 13 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 表 目 录 表 1：锂离子电池正极材料性能比较 . 2 表 2：锂离子电池性能比较 . 4 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 1 1 磷酸铁锂电池具备成本和安全的优势 1.1 LFP凭借其低价及强安全性在众多正极材料中脱颖而出 锂离子电池中正极材料占整个电池成本的 40%以上，且当前的技术条件下，整体电池的能量密度主要取决于正极材料，所以正极材料是锂离子电池的核心开发、研究的材料，目前成熟应用的正极材料包括钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂及锰酸锂。 （1）钴酸锂：有层状结构和尖晶石结构，一般常用层状结构，其理论容量为270mAh/g左右，层状结构钴酸锂主要应用在手机、航模、车模、电子烟、智能穿戴等数码产品上。 20世纪90年代索尼首次使用钴酸锂生产出第一块商业化的锂离子电池。我国钴酸锂产品 2003 年前基本被日本户田、日亚化学、清美化学、比利时五矿等国外厂家垄断。当升科技2003年推出国内第一款钴酸锂，并于 2005、2009年分别实现出口韩国和日本，2010年成为国内第一家以正极材料为主业登陆资本市场的企业。2012 年，北大先行、天津巴莫推出第一代 4.35V 高电压钴酸锂产品。2017 年，湖南杉杉、厦门钨业推出 4.45V 的高电压钴酸锂产品。 当前钴酸锂的能量密度和压实密度已基本到极限，其比容量与理论容量相比还是有较大的提升空间，但是由于当前整体的化学体系限制，尤其是电解液在高电压的体系下很容易分解，故进一步通过提升充电截止电压提升比容量的方法受到了一定的限制，后续一旦电解液技术得到突破，其能量密度还会有提升的空间。 （2）镍钴锰酸锂：一般具有绿色环保、成本低（成本仅相当于钴酸锂的 2/3）、安全性好（安全工作温度可达170）、 循环使用寿命长（延长45%）的优势。 2006年深圳天骄、宁波金和率先推出333、442、523体系的三元材料。2007至2008年主要原材料金属钴的价格大幅涨价，导致钴酸锂和镍钴锰酸锂材料的差价扩大、促进了在中国锂电市场的应用，镍钴锰酸锂材料迎来了第一个爆发期。2007 年贵州振华推出单晶型的523体系的镍钴锰酸锂材料。2012年厦门钨业出口日本市场的企业。2015年政府补贴政策引导镍钴锰酸锂材料迎来了第 2个爆发期。 当前对单晶化镍钴锰酸锂研究主要通过不断的提升镍含量，提升充电截止电压，来进一步的提升产品的能量密度，但这对电解液等相关配套材料以及锂离子电池制造厂商的技术能力提出了更高的要求。 图1：钴酸锂结构图 图2：镍钴锰酸锂结构图 数据来源：公开资料，西南证券整理 数据来源：公开资料，西南证券整理 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 2 （3）锰酸锂：有尖晶石结构和层状结构，一般常用尖晶石结构的。理论容量 148 mAh/g，实际容量在 100120mAh/g 之间，具有容量发挥较好、结构稳定、低温性能优越和成本低廉等特点。但是其晶体结构容易畸变，造成容量衰减，循环寿命短。主要应用于一些对安全性要求较高，成本要求高，但对能量密度和循环要求较低的市场。如小型通讯设备、充电宝、电动工具和电动自行车、特殊场景（如煤矿）。 2003 年国内锰酸锂开始产业化，云南汇龙和盟固利率先抢占低端市场，济宁无界、青岛乾运等厂家逐渐加入，容量型、循环型、动力型产品多元化发展满足不同的应用市场。2008年，盟固利将锰酸锂动力电池成功应用在电动客车上。 目前锰酸锂低端市场主要是应用于对电池性能要求相对较低的通讯类电池、笔记本电脑电池和数码相机电池，锰酸锂依然会保持稳定增长的市场需求。高端市场是以车用市场为代表，对电池性能要求较，但随着三元材料技术的不断发展成熟，其在车用锂电的市场份额不断下降。 （4）磷酸铁锂：一般具有稳定的橄榄石骨架结构，放电容量可以达到理论放电容量的95%以上，安全性能优异，对于过充的承受力很好，循环寿命长，并且价格低廉。但其能量密度限制难以解决，而电动汽车用户却不断提升续航需求。 1997 年橄榄石型磷酸铁锂首次被报道可用作正极材料。北美的 A123、Phostech、ValeNce较早实现了量产，但由于国际新能源汽车市场不如预期，不幸破产被收购，或停产。台湾的立凯电能、大同尚志等厂商以来大陆订单，在国内磷酸铁锂厂商技术和产能赶超的情况下发展趋缓。2001 年我国启动磷酸铁锂的材料开发，目前我国磷酸铁锂正极材料研究和产业发展居于全球前沿，磷酸铁锂材料得到了蓬勃的发展。 图3：锰酸锂结构图 图4：磷酸铁锂结构图 数据来源：北极星储能网，西南证券整理 数据来源：物理化学学报，西南证券整理 表1：锂离子电池正极材料性能比较 钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 镍钴锰酸锂 镍钴铝酸锂 结构类型 层状 尖晶石状 橄榄石状 层状 层状 电压平台（V） 3.7 3.8 3.2 3.6 3.7 比容量（mAh/g） 150 120 140 150-195 200 压实密度（g/cm3） 3.6-4.2 3.2-3.7 2.1-2.5 3.7-3.9 3.7-3.9 比表面积（m2/g） 0.2-0.6 2.0-3.0 8.0-15.0 0.3-0.6 0.3-0.8 循环次数（次） 500 300 2000 800 800 工作温度（摄氏度） 20-55 0-50 -20-70 20-55 20-55 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 3 钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 镍钴锰酸锂 镍钴铝酸锂 热稳定性 差 良 优 较好 较差 安全性 一般 好 好 一般 一般 原材料成本 高 低 低 较低 较低 适用范围 3C数码产品 动力电池 中低端动力电池，储能 3C数码产品，高端电池 3C数码产品，高端电池 数据来源：公开资料，西南证券整理 1.2磷酸铁锂电池工作机理 磷酸铁锂正极材料是橄榄石型结构材料，六方密堆积排列，在磷酸铁锂正极材料的晶格中，P占据在四面的位置，八面体的空隙位置由 Li和 Fe 填充，晶体八面体和四面体形成了一个整体空间架构，在各个点的密切联系下形成一种锯齿状的平面结构。 图5：磷酸铁锂电池工作机理 数据来源：中国电池网，西南证券整理 磷酸铁锂电池正极由橄榄石结构的 LiFePO4 组成，负极由石墨组成，中间是聚烯烃PP/PE/PP 隔膜，用于隔离正负极、阻止电子而允许锂离子通过。在充放电的过程中，磷酸铁锂电池正极的离子、电子得失如下： 充电：LiFePO4-xe-xLi+xFePO4+(1-x) LiFePO4 放电：FePO4+xLi+xexLiFePO4+(1-x) FePO4 充电时锂离子从正极脱嵌经过电解质进入负极，同时电子从外电路由正极向负极移动，以保证正负极的电荷平衡，放电时锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。这一微观结构使得磷酸铁锂电池具有了较好的电压平台和较长的使用寿命：电池的充放电过程中，其正极在斜方晶系的 LiFePO4和六方晶系的FePO4两相之间转变，由于FePO4和 LiFePO4在 200以下以固熔体形式共存，在充放电过程中没有明显的两相转折点，因此，磷酸铁锂电池的充放电电压平台长且平稳；另外，在充电过程完成后，正极 FePO4的体积相对 LiFePO4仅减少6.81%，而充电过程中碳负极体积轻微膨胀，起到了调节体积变化、支撑内部结构的作用，因此，磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性，具有较长的循环寿命。 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 4 图6：磷酸铁锂电池内部结构 图7：磷酸铁锂充放电机理 数据来源：公开资料，西南证券整理 数据来源：公开资料，西南证券整理 磷酸铁锂正极材料的理论容量是每克 170mA，实际容量是每克 140mA，振实密度是每立方厘米0.91.5，工作时候的电压是 3.4V。 磷酸铁锂正极材料在应用的时候体现了良好的热稳定性能、安全可靠性、低碳环保性，是大型电池模块的首选正极材料。但是磷酸铁锂正极材料的堆积密度较低、体积能量密度不高、应用范围有限。针对磷酸铁锂正极材料的应用局限，相关人员可以通过在其中掺杂高价金属阳离子、表面包覆导电材料的方法来提升这种材料的电导率。经过一段时间的发展，磷酸铁锂正极材料逐渐发展成熟，被人们广泛的应用在多个领域，比如电动汽车领域、电动自行车领域、移动电源设备、储能电源领域等。 磷酸铁锂正极材料因其高安全性，加上循环寿命长、资源丰富、价格较低的独特优势电动汽车尤其是电动客车领域得到广泛应用。 但磷酸铁锂正极材料橄榄石晶体结构固有的缺陷，如电导率低、锂离子扩散系数小等造成其能量密度低、低温性能差和倍率性能差等缺点在一定应用领域将受到限制。改善其缺点的方式主要有表面包覆改性、体相掺杂改性等手段。 近几年我国动力电池市场经历了爆发式增长，电池技术是其核心竞争力。目前动力电池主要包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元锂电池等体系。表 2比较了各类锂离子电池的性能，其中DOD为放电深度（Depth-of-discharge）。 磷酸铁锂电池支撑着中国锂离子电池材料产业半壁江山，在各类电池中具有相当的优点：磷酸铁锂电池的循环寿命相对较长、发热量低、热稳定性好，同时磷酸铁锂电池还拥有良好的环境安全性。磷酸铁锂电池凭借着较低的价格和稳定的性能大量应用于电动客车，市场份额呈现增长态势。该材料具有安全性好、循环寿命长、成本低等优点，是动力和储能电池的主打正极材料。通过纳米化和表面碳包覆实现了可较大功率放电的性能，而且很好地进行碳包覆的样品不含酌-Fe2O3和Fe3+杂质，在中国实现了世界最大的规模化生产。 表2：锂离子电池性能比较 项目 磷酸铁锂 钴酸锂 锰酸锂 三元材料 电压（V） 3.2-3.3 3.6-3.7 3.6-3.7 3.6-3.7 比能量（Wh/KG） >70 >150 >100 >140 循环寿命（100%DOD） >800 >600 >600 >600 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 5 项目 磷酸铁锂 钴酸锂 锰酸锂 三元材料 安全性 高 低 较高 较高 热稳定性 稳定 不稳定 较稳定 较稳定 过渡金属资源 丰富 贫乏 较丰富 较丰富 原料成本 低 昂贵 较低 较低 数据来源：公开资料，西南证券整理 2 宁德时代和比亚迪引领 CTP方案，进一步降低成本 比亚迪董事长王传福先生在参加电动车百人会时透露，比亚迪已研发出新一代磷酸铁锂电池“刀片电池”，这款电池预计今年量产，“ 刀片电池”在体积比能量密度上比传统铁电池提升了 50%，具有高安全、长寿命等特点，整车寿命可达百万公里以上，能量密度可达180Wh/kg，相比此前提升大约 9%，这一数据已经不弱于 NCM811 的三元锂电池，并且能够解决磷酸铁锂电池能量密度低的短板问题。这款电池将搭载在新车比亚迪“汉”上，预计于今年 6 月上市。 图8：BYD刀片电池 图9：首款搭载“刀片电池”的比亚迪汉 EV 数据来源：公开资料，西南证券整理 数据来源：公开资料，西南证券整理 什么是刀片电池？其实就是长电芯方案（主要指方形铝壳）。通过增大电芯的长度（最大长度与电池包宽度相当），将电芯扁长化设计，来进一步改进电池包集成效率的技术。它不是某一个特定尺寸的电芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列电芯。 根据比亚迪专利中的描述，“刀片电池”是比亚迪新一代磷酸铁锂电池的一个名称，是比亚迪研发多年的“超级磷酸铁锂电池”。刀片电池实为比亚迪开发的长度大于等于 600mm小于等于2500mm的单体电池，通过阵列的方式排布在一起，就像“刀片”一样插入到电池包里面。相比于比亚迪此前的磷酸铁锂电池，“刀片电池”的升级重点在于可实现无模组，直接集成为电池包（即 CTP技术）。刀片电池包通过优化电池包结构，从而提高电池包之后的效率，但对单体能量密度提高没有太大影响。 磷酸铁锂专题报告 请务必阅读正文后的重要声明部分 6 图10：比亚迪“刀片电池”单体电池示意图 图11：比亚迪动力电池包剖视图和爆炸图 数据来源：比亚迪专利，西南证券整理 数据来源：比亚迪专利，西南证券整理 通过限定单体电池的在电池包中的排列方式以及单体电池的尺寸，可以使得电池包内布置更多的单体电池。直接放置在电池包外壳内的单体电池，由于优化了模组框架，一方面便于单体电池通过电池包外壳或其他散热部件散热，另一方面，可以在有效的空间内布置更多的单体电池，可以极大提高体积利用率，且电池包的制作工艺得到了简化，单体电池的组装复杂度降低，生产成本降低，使得电池包和整个电池包的重量减轻，实现了电池包的轻量化。 图12：比亚迪专利动力电池排布方式空间利用率更高 数据来源：比亚迪专利，西南证券整理 随着用户对电动车的续航能力的要求逐渐提升，而在车身底部空间有限的情况下，采用刀片电池包，一方面可以提高动力电池包的空间利用率、增加能量密度，另一方面能够保证单体电池具有足够大的散热面积，可将内部的热量传导至外部，从而匹配较高的能量密度。