动力电池行业深度报告：解决续航焦虑最后一棒，快充进程加快催生材料新变化

解决续航焦虑最后一棒，快充进程加快催生材料新变化 动力电池行业深度报告 电力设备及新能源 投资评级：推荐（维持） 投资要点 新能源汽车发展进入高压快充加速发展时期，高压快充成为主流。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 2023年08月17日 证券研究报告|产业专题报告 分析师：胡鸿宇 分析师登记编码：S0890521090003电话：021-20321074 邮箱：huhongyu@cnhbstock.com 销售服务电话： 021-20515355 行业走势图（2023年8月16日） 资料来源：wind，华宝证券研究创新部 1、《产业资本偏爱制取用，关键环节国产化蓄势待发—2023年氢能产业投融资点评》2023-07-272、《【产业研究】边际盈利改善，充电桩运营商有望迎来黎明前的曙光—充电桩行业深度报告（二）》2023-06-023、《充电桩迎来加速期，出海认证+渠道+技术构建α壁垒—充电桩行业深度报告》2023-05-17 相关研究报告 径。2023年上半年我国新能源汽车渗透率已经超过30%，后续跨越电动车渗透率鸿沟，推广快充是必然之路。快充可通过高电压或大电流实现，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。 负极材料改进及车企纷纷布局，推进快充产业化进程加速。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，究其背后原理是，极化造成电池产热、负极析锂和容量损失。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。目前头部车企纷纷加速布局，快充市场空间广阔，根据测算我们预计到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。 对传统石墨负极材料进行改性具有不同方面应用。负极是快充的核心环节，二次造粒、表面碳包覆、硅碳负极是提高倍率性的三条路径；导电剂可以提升电池倍率性，目前导电炭黑国产替代加速，碳纳米管渗透率不断提升；新型锂盐LiFSI增加导电性适配快充体系，用量有望提升；硅基负极易膨胀的特性使得新型粘结剂PAA迎来发展机遇；此外，快充对性能的要求推动芳纶涂覆需求提升。 风险提示：新能源汽车销量增速不及预期；高压快充电池量产不及预期；大功率充电桩等配套基础设施的普及不及预期；此外文中提及的上市公司旨在说明行业发展情况，不构成推荐覆盖。 内容目录 1.新能源汽车发展进入高压快充加速发展时期4 1.1.跨越电动车渗透率鸿沟，推广快充是必然之路4 1.2.快充可通过高电压或大电流实现，高压快充成为主流5 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7 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7 2.2.头部车企纷纷加速布局，快充市场空间广阔10 3.快充对材料性能的影响12 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12 3.2.导电剂：导电炭黑国产替代加速，碳纳米管渗透率不断提升15 3.3.电解液：快充体系下新型锂盐LiFSI用量有望提升18 3.4.粘结剂：硅基负极带动PAA粘结剂渗透率提升18 3.5.隔膜：快充对性能的要求推动有机涂覆需求提升19 4.相关上市公司21 5.风险提示22 图表目录 图1：新能源汽车渗透率4 图2：消费者购买新能源车的主要原因4 图3：消费者不购买新能源车的主要原因4 图4：历年上市车型最大标称续航5 图5：历年新上市车型平均及最小快充时长5 图6：快充实现路径7 图7：充放电过程电池极化示意8 图8：负极析锂现象及其危害9 图9：不同充电倍率下人造石墨负极可用比容量9 图10：一次颗粒人造石墨颗粒SEM照片12 图11：二次颗粒人造石墨SEM照片12 图12：锂离子在无包覆/有包覆石墨材料中嵌入模式对比13 图13：不同软化点沥青包覆天然石墨的倍率性能13 图14：不同包覆比例石墨的倍率性能，高倍率下碳包覆含量高，倍率性能更强13 图15：经过涂覆的颗粒表面更粗糙，可以减少负极与电解液的直接接触13 图16：负极比容量与倍率性能对比14 图17：中国硅基负极出货量14 图18：不同导电剂分类15 图19：传统导电剂仍占据主流地位17 图20：炭黑在电极中的作用17 图21：添加单壁碳纳米管可以提升硅基负极循环性能17 图22：PAA与负极活性材料间粘结的作用机理19 图23：PAA粘结剂能够更好地限制活性材料体积膨胀问题19 图24：勃姆石隔膜热稳定性测试20 图25：PVDF涂覆前后对比20 图26：不同隔膜的表面扫描电镜图20 表1：充电效率对照5 表2：纯电动车快充动力电池参数对照7 表3：各家车企800V布局情况10 表4：快充2023-2025年市场空间测算（万辆）11 表5：不同类型负极材料性能对比13 表6：国内企业硅碳负极产业化现状14 表7：不同导电剂性能对比15 表8：LiFSI和六氟磷酸理对比18 表9：不同负极粘结剂性能对比19 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。 图1：新能源汽车渗透率 资料来源：乘联会，华宝证券研究创新部 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。 图2：消费者购买新能源车的主要原因图3：消费者不购买新能源车的主要原因 资料来源：腾讯，华宝证券研究创新部资料来源：麦肯锡，华宝证券研究创新部 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。 图4：历年上市车型最大标称续航（km）图5：历年新上市车型平均及最小快充时长（h） 资料来源：乘联会，华宝证券研究创新部资料来源：懂车帝，华宝证券研究创新部 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。 表1：充电效率对照 充电模式 充电倍率 充电时间 快充 30C 2分钟 20C 3分钟 10C 6分钟 充电模式 充电倍率 充电时间 5C 12分钟 2C 30分钟 1C 1小时 慢充 0.5C0.2C 2小时 0.1C 10小时 0.05C 20小时 资料来源：Power-Sonic，华宝证券研究创新部 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。 图6：快充实现路径 资料来源：华宝证券研究创新部 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。 表2：纯电动车快充动力电池参数