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21700电池:能否刮起型号变更的大风?

2017.05.21

1.圆柱电池变革临近——大型化趋势显现
1.1. 18650符合阶段性需求,身负动力锂电初级应用阶段的历史使命

回顾动力锂电发展之初,特斯拉采用18650的成功极大的引导了国内18650电池在电动汽车领域的应用,18650电池具备高度成熟的工艺,自动化程度高,作为标准化产品良品率及一致性有保障(国外三星等企业良品率98%以上,国内普遍在90%以上),且成本较低(2Ah单体价格为5~6元),在动力锂电池初期应用车辆上达到了尽量压制成本的作用,目前我国主流动力锂电池主要以18650圆柱为主,如福斯特、比克动力、智航新能源、德朗能、天鹏电源、亿纬锂能等公司都采用圆柱18650的产品技术路线。但18650受限于体积限制,普遍在2.2-3.6Ah之间,在当前对动力电池能量包能量持续提升要求下,单体容量提升空间有限,未来提升进度也将趋缓。

1.2. 型号升级:“加粗加长”是趋势
动力锂电池能量密度的提升依靠两种方式:一是锂电池材料体系机理性能提升,对材料研发及匹配性要求非常高,进步较慢。二是对型号及工艺的生产控制。
动力锂电能量密度目标会倒逼产品型号变革提升。当前制定的2020年前新能源汽车补贴标准与动力锂电池能量密度正比例相关,因此在电池材料体系没有巨大突破的情况下,从产品型号设计入手,适当增大电池“直径和长度”获得更高的有效容量成为必然趋势,18650已初步完成了动力锂电池初级应用阶段的历史使命,未来“加大码”锂电池型号将会兴起。
远期看,从国家对动力锂电池能量密度的指引目标来看,我国明确提出要在2020年动力电池单体能量密度突破300Wh/kg,动力电池系统能量密度达到260Wh/kg;2025年动力电池系统能量密度要达到350Wh/kg。以比克公司的18650型号电池为例,三元锂电单体能量密度为215wh/kg,要达到2020年单体电池目标,需提升39.5%幅度较大。大方向上国家补贴推动企业内生动力去提升电池能量密度,而产品型号改进远比材料(NCA,811)进步更加快速,通过增加体积来提高能量密度的21700电池无疑会成为企业重点考虑的对象。动力锂电池持续提升的能量密度要求势必持续助推动力锂电池型号的变革。
2.“加粗加长”的21700电池从性能及成本上全面碾压18650
2.1. 电池能量密度提升20%以上

 

21700电池的能量密度要优于18650电池。根据目前特斯拉披露的信息,在现有条件下,其生产的21700电池系统的能量密度在300Wh/kg左右,比其原来18650电池系统的250Wh/kg约提高20%。同时我们根据松下的动力锂电池单体的测试数据来看,其21700电池的体积能量密度远高于18650型电池单体。单体电芯能量密度的提升要远高于成组后提升的20%幅度。

表1:21700电池和18650电池参数对比

表1:21700电池和18650电池参数对比

2.2. 电池系统成本下降9%左右
21700成本下降9%左右。根据Tesla披露的电池价格信息,预计21700的动力锂电池系统售价为170美元/Wh,相比18650的售价185美元/Wh,价格下降幅度可达8.1%左右。18650的系统的成本约为171美元/Wh,改用21700后,系统成本约能实现9%左右的降幅,达到155美元/Wh。

图2:21700电池比18650电池能量容量提升35%

单体容量提升后,PACK所需配件数同比例减少带动PACK成本下降。从18650型号切换至21700型号后,电池单体电池容量可以达到3~4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需电池的数量可减少约1/3,Tesla Models电动汽车使用7104节18650电池串并联成电池组,预计在新款MODEL3电池节数将大幅减少。在降低系统管理难度的同时将同比例的减少电池包采用的金属结构件及导电连接件等配件数量,特斯拉的Pack成本占总系统成本约24%,预计电池包成本降幅较为可观。
轻量化的贡献。三星提到在其改用新型21700电池之后,系统相比目前的电池能减少了10%的组件和重量。从而进一步降低电池Pack的重量,整车的能量密度将得到部分提升。
2.3. 为什么是21700?
21700不是绝对性能优于其他型号,是物理性与经济性综合均衡的结果。圆柱电芯的物理尺寸增加不止提升能量密度,同时会负相关影响到循环寿命和倍率等性能。据测算,容量每提升10%,循环寿命大约会降低20%;充放电倍率降低30~40%;同时电芯会有20%左右的温升。如持续增大SIZE,会加大牺牲掉安全性风险。
经济性方面,圆柱电芯在18650成熟工艺上进行适当幅度的提升,在保障良品率和一致性的前提性对成本进行控制。若SIZE过大,安全性和适配性均将降低,导致更大的圆柱26500、32650等未能规模化占据主流市场的原因。
产线通用生产变更成本较低。首先从国内锂电生产企业来看,目前正处于规模化的产线建设投资期,预计今年年内的有效产能预计在60-70GWh左右,短期锂电的产能供给端建设基本完成,未来新增投资增速将趋缓,福斯特、比克动力、智航新能源、德朗能、天鹏电源、亿纬锂能等近两年大幅扩产的企业产线均以18650为主。从存量产线的角度来看,基本以18650圆柱为主,电池厂商由原来的主流18650转型到21700较为便利,产线设备可以通用切换到21700较为容易,不会投入太高的设备技改费用及新增设备投资。所以我们预计未来21700电池将会有可观的增长。产线改造主要涉及中后段的分切、卷绕、装配、化成等环节,针对半自动线的模具调整费用较低。

图3:圆柱厂商转型21700电池只需调整部分产线

3.抢滩登陆战—先行者已加速21700布局
国内部分18650电池企业表示了对特斯拉21700路线的认可,并且也在进行相关布局。如果企业自身通过研发对材料性能改进的实力不强,能量密度的提升最直接的方式就是通过物理方式可以做大型号提升能量密度。
比克、福斯特、猛狮、天鹏等圆柱电池企业都宣称将在未来产能扩充中投产21700电池。比克电池研发副总裁林建表示,比克18650电池量产后能量达到3.5Ah,下一步将开发21700电池,通过结合高镍与硅碳,实现21700电池量产能量达6.0Ah,更为快速的是天鹏、福斯特等公司,天鹏二号生产基地已配置的设备生产21700型产品,产品能量密度可达200-240Wh/Kg。

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