2019年11月6日 14:45:17
光大證券本文來自 微信公眾號「EBSCN電新研究」。
投資要點
模型框架：
動力電池的成本是市場關注的重點。新能源汽車行業仍在拐點之前，傳統燃油車與電動汽車的成本差是新能源汽車滲透率增長的重要因素。為了定量研究動力電池成本，我們將電池成本和性能結合起來，建立了一個自下而上的模型。利用該模型可以靜態地計算材料成本、硬體成本以及各工序的生產製造成本，並且可以動態地區分材料價格變化、技術進步、工藝改進等因素導致的成本下降。
車輛及電池設計：
(1)車輛設計：從用戶需求出發，設計單車帶電量/續駛裡程及Pack內電芯/模組的數量和組合方式。(2)材料層面：材料屬性決定電池的電化學性能及物理參數。(3)電芯設計：核心是確定正負極材料塗層的厚度，進而設計電芯的外形尺寸。(4)模組及Pack設計：由電芯參數外推得出。
物料成本：
(1)物料用量：由電芯容量、活性材料克容量等參數計算出正/負極材料、電解液、隔膜、銅箔、鋁箔及其他組件的理論用量，並根據良品率、材料利用率等進行調整。(2)物料價格：根據市場價格做出假設，包括主/輔材及硬體。(3)物料成本匯總：由物料用量和價格計算得出。
生產成本：
(1)工廠設計：對動力電池年產能、良品率、人員工資、設備折舊率、間接費用假設等做出假設。(2)生產工序：主要是各工序的設備投資額及人員配置。(3)直接人工/製造費用計算：根據設備折舊、人員工資費用及間接費用計算出結果。
成本匯總及驗證：
將物料成本和生產成本匯總到一起，得到動力電池Pack的成本。根據計算結果，LFP/NCM622/NCM523Pack的成本分別為0.66/0.76/0.80元/Wh，寧德時代2018年動力電池綜合成本約0.76元/Wh;動力電池Pack成本中，直接材料佔比約84%-89%，直接人工佔比約2.8%-3.8%，製造費用佔比約8.6%-11.8%，基本符合現實。
投資建議
根據模型，降低動力電池成本的路徑包括：更具性價比的材料體系;更精簡的電池設計;更低的物料價格;工藝改進;設備改進。根據以上結論，建議關注：(1)寧德時代、比亞迪、國軒高科等優質電池企業;(2)當升科技、容百科技、璞泰來、貝特瑞、恩捷股份等材料龍頭企業;(3)先導智能、贏合科技等設備企業。
風險分析
政策風險、技術路線變更風險、競爭加劇風險、原材料價格波動風險。
投資聚焦
研究背景
動力電池是新能源汽車的核心構成之一，直接決定車輛性能和成本，電池成本下降的幅度直接影響新能源汽車的推廣應用。在本篇研報中，我們參考一些學術資料及產業人士的觀點建立了成本模型，對動力電池成本的諸多問題展開系列研究。
創新之處
目前市場對動力電池成本的研究相對簡單而且偏靜態。我們系統性地建立了自下而上的成本模型，可以對直接材料、直接人工、製造費用三大項進行拆分，並且可以動態區分材料價格變化、技術進步、工藝改進導致的成本下降。在後續的系列報告中，我們將對不同材料體系的動力電池進行對比研究，並且對成本下降的可能路徑進行分析。
投資觀點
目前新能源汽車的銷量滲透率不足5%，用戶體驗(充電、續航、智能網聯)還有待改善，更重要的是，電動汽車與燃油汽車之間還存在較大的成本差。我們相信，隨著動力電池成本的下降，新能源汽車有望迎來高速增長的拐點。
根據成本模型，我們對動力電池的降本路徑進行了初步分析，結論如下：
(1)不同的材料體系對應不同的電池成本，例如LFP/LMO電池Pack的成本比NCM523低18%/22%，電芯成本低了25%/29%;
(2)物料價格下降可以降低成本，如果將NCA、NCM811正極活性材料的價格由195元/kg調整至150元/kg(下降23%)，那麼NCM811電芯的成本將由620元/kWh下降至548元/kWh(下降12%);
(3)更精簡的電池設計有助於降低成本，參考CATL提出的CTP技術，假設模組硬體物料成本降低80%，減掉相應的模組組裝設備和人員，那麼Pack成本下降約10%-15%;
(4)工藝改進也是動力電池降本的方式之一，在模型中，我們假設電芯良品率為95%，如果良品率提升至98%，那麼成本下降約1.5%-2%。
(5)設備改進也能使得電池成本下降，在模型中，我們假設單Gwh設備投資額為3億元，如果降低10%至2.7億元，則動力電池Pack成本降低不到1%。
綜上所述，動力電池成本的下降主要依賴：(1)更具性價比的材料體系;(2)更精簡的電池設計;(3)更低的物料價格;(4)工藝改進;(5)設備改進。建議關注：(1)寧德時代、比亞迪、國軒高科等優質電池企業;(2)當升科技、容百科技、璞泰來、貝特瑞、恩捷股份等材料龍頭企業;(3)先導智能、贏合科技等設備企業。
1、模型框架：自下而上建立動態成本模型
動力電池的成本一直是市場關注的重點。動力電池成本定量研究的意義在於：(1)動力電池價格下降使得電動車的成本降低，從而推動新能源汽車的廣泛使用，研究動力電池成本下降空間有助於跟蹤電動車銷量拐點;(2)動力電池成本下降節奏直接影響電池廠商盈利狀況;(3)作為動力電池的上遊，電池材料廠商的量價趨勢也與電池成本相關。
根據Gartner的數據，全球智慧型手機滲透率自2009年起迅速提升，2009-2015每年平均提升9pcts，2007-2008年均僅提升約1pct。智慧型手機的高增長依賴技術進步、行動網路速度提升、用戶體驗改善等因素，拐點之後的手機產業鏈為投資者帶來了巨大收益。
參考智慧型手機行業，幾個關鍵要素取得突破後，行業進入高增長階段。新能源汽車行業目前仍在拐點之前，市場驅動下的高速增長主要依賴成本下降、用戶體驗改善(充電、續航、智能網聯)等，由於汽車消費佔收入比重較高，消費者對價格的敏感性更高，傳統燃油車與電動汽車的成本差是新能源汽車滲透率增長的重要因素。根據BNEF的數據，2018年美國純電動中型車動力電池系統的成本佔整車稅前售價的35%，隨著動力電池價格的下降，整車售價有望在2023年左右與傳統燃油車持平。
近年來動力電池價格不斷下調，以龍頭公司寧德時代為例，2015年其動力電池系統價格為2.27元/Wh，2018年降至1.16元/Wh，年均複合下降約20%;同時，動力電池業務的毛利率也不斷下降，2015年部分廠商的毛利率在40%以上，到2018年已降至約30%。
為了定量研究動力電池成本，我們參考ANL等機構的研究成果，將電池成本和性能結合起來，建立了一個自下而上的模型。在該模型中，可以設定具體的參數(如功率、容量等)，以此來靜態地計算材料成本、硬體成本以及各工序的生產製造成本，並且可以動態地區分材料價格變化、技術進步、工藝改進以及規模效應導致的成本下降。成本模型的框架主要是兩大部分：
一、 直接材料的測算
1. 車輛/Pack設計：主要因素包括車輛續駛裡程/帶電量、功率、Pack設計(電芯數量、串並聯方式等)
2. 電芯材料屬性：主要是一些電化學性能及物理參數，比如正負極材料的克容量、密度、孔隙率以及ASI、OCV-SOC曲線等
3. 約束條件：包括極片塗層厚度、電池組件及外形設計等
4. 計算電池參數：結合以上物理和化學參數，可以計算出電池的材料用量、質量等
5. 直接材料成本計算：結合材料用量(考慮良品率、材料利用率等)和材料價格，可以計算出直接材料成本
二、 直接人工/製造費用的測算
6. 工廠設計：包括產能、良品率以及人員工資、設備折舊率、間接費用假設等
7. 生產工序：主要是各工序的設備投資額及人員配置
8. 直接人工/製造費用計算：結合以上兩點可以計算出結果
2、車輛及電池設計
2.1、材料層面：電池的電化學屬性
目前常見的電池體系包括NCA、NCM(811/622/523/333)、LFP、LMO等，下表列出了正極材料的基本參數和假設：(1)根據分子式可以計算出對應正極活性材料的分子量;(2)參考各大正極材料企業的材料參數，列出活性材料的克容量，同時列出真密度;(3)假設活性材料/導電劑/粘結劑的質量比例為89：6：5，溶劑通常採用NMP，假設孔隙率為32%。
負極材料採用石墨體系，下表是負極材料的基本參數和假設：(1)N/P比，是指單位面積的負極容量和正極容量的比值，通常N/P比在1-1.5之間，越接近1，電池容量會越大，但充電時發生負極析鋰的概率也越高，我們假設三元體系的N/P比為1.25，LFP、LMO為1.2;(2)石墨的克容量為360mAh/g，同時列出真密度;(3)假設負極活性材料/粘結劑的質量比例為95：5，溶劑為水，孔隙率34%。
(1)假設正極集流體鋁箔厚度為12μm，負極集流體銅箔厚度為8μm;(2)隔膜厚度為12μm，孔隙率40%，則可以計算出隔膜密度為0.368g/cm3;(3)電解液密度為1.2g/cm3。
根據分子式及分子量，可以計算出鋰電池中重要金屬元素的質量佔比，如下表所示，正極材料和電解液是鋰的來源;三元材料體系中，NCA/NCM811中的鈷含量大幅低於其他材料，NCM622和NCM523的鈷含量幾乎相同。
SOC(state of charge，荷電狀態)是指當前狀態下實際所能提供的電量與完全充滿電所能提供的電量的比值，比如50%SOC可以理解為當前電池電量還剩下50%;OCV(open circuit voltage，開路電壓)是指電池在開路狀態下的端電壓。在一定的溫度下，SOC與OCV呈現一一對應的關係。下表是幾款鋰電池的OCV-SOC曲線。
2.2、車輛設計：電動車性能決定Pack設計
動力電池的單車電量、電芯容量等基礎參數由車輛需求決定。假設：(1)純電動車乘用車的單車帶電量為60kWh，單車1個電池包，採用液冷熱管理方案，電池包由20個模組串聯，單個模組再由12個電芯串聯，可計算出電芯容量;(2)為防止電池過放設置電池可用容量為90%，車輛能耗為約131.7Wh/公裡，則車輛實際續駛裡程約410公裡。
2.3、電芯設計：性能決定尺寸參數
為了便於計算，我們以方形疊片電池為例。假設：(1)端子和電池的寬度一樣，正極端子在電池的一端，負極端子在另一端;(2)集流體雙面塗覆，正負極材料由活性物質、導電劑和粘結劑組成;(3)採用液冷熱管理方式(乙二醇水溶液)。
對於電芯尺寸，最核心的是確定正負極材料塗層的厚度。塗層厚度越厚，電池的空間利用率越高，但離子遷移的路徑也就越長，導致內阻增加;而且從工藝角度來看，塗層越厚，脫粉的機率也會增加。因此，考慮化學性能和工藝，選擇合適的塗層厚度都是非常重要的。在模型中，考慮離子遷移速率、充電極限、放電功率等因素後，可以計算出合適的塗層厚度(三元正極塗層厚度約50-70μm)。
確定塗層厚度之後，根據電芯的厚度(假設20mm，寧德時代42Ah電芯厚度23mm)，可以計算出Bicell的層數。通過電芯容量、材料克容量、材料密度可以計算出極片有效面積，進而確定極片的寬度和長度，最終確定電芯的長度和寬度。
Pack總電量60kWh，由240個電芯組成，則單電芯的電量為250Wh，根據電芯重量可計算出電芯能量密度，從表7可以看出，LFP、LMO電池能量密度顯著低於三元體系，三元體系電池的鎳含量越高能量密度越高。
2.4、模組及Pack設計：由電芯參數推導得出
因為模組由12個電芯串聯組成，所以模組容量和電芯容量相等;模組的尺寸由電芯尺寸決定;假設其外殼為鋁製，厚度為0.5mm。Pack可用電量為90%，有效電量為54kWh;Pack長度約1.3m，寬度約1.2m，厚度約0.12m;Pack由電芯/模組、冷卻液、外殼及其他硬體、BMS及連接器件等組成，三元體系Pack總重量320-370kg，LFP及LMO體系Pack總重量高於400kg;電池系統能量密度也基本符合現實情況，成組效率75%-80%之間。
3、物料成本
3.1、物料用量：主/輔材+結構件
電芯主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液、銅箔、鋁箔、殼體及正負極端子等組成。
正極材料主要由活性材料、導電劑和粘合劑組成，其中活性材料的質量=電芯容量/活性材料克容量，這兩個參數已經在第二章中給出。活性材料/導電劑/粘合劑質量配比為89/6/5，可以計算出單電芯中正極材料的總質量，進而計算出導電劑、粘合劑的質量。
負極材料採用石墨體系，主要由活性材料和粘合劑組成，其中活性材料的質量=電芯容量/負極活性材料克容量*N/P比*(1+負極過量面積比例)。性材料/導電劑/粘合劑質量配比為95/0/5，可計算出單電芯中負極材料的總質量，進而計算出粘合劑的質量。
(1)單電芯正極鋁箔的面積=正極極片的寬度*(正極極片的長度+未塗覆的集流體長度)*Bicell層數。
(2)假設負極銅箔比正極鋁箔的長和寬大2mm，負極銅箔的面積=(正極極片寬度+2mm)*(正極極片長度+未塗覆的集流體長度+2mm)*(BiCell層數+1)。
(3)假設隔膜的寬度比正極極片大4mm，長度比正極極片大6mm，則單電芯隔膜的面積=(正極極片寬度+4mm)*(正極極片長度+6mm)*2*BiCell層數。
(4)電解液填充在正負極、隔膜及其他孔隙中，單電芯電解液體積=(正極材料質量/正極材料密度*孔隙率+負極材料質量/負極材料密度*孔隙率+隔膜面積*厚度*孔隙率+電芯厚度*正極極片寬度*正極極片長度*2%)。
(5)正極組件質量=正極鋁箔密度*端子材料長度*端子材料厚度*端子材料寬度;負極組件質量=負極銅箔密度*端子材料長度*端子材料厚度*端子材料寬度;電芯殼體質量=電芯表面積*殼體厚度*殼體密度。
為了更加直觀地觀察電池材料的數量關係，可計算出單kWh動力電池對應的材料用量(前面假設動力電池單電芯電量250Wh)。
3.2、物料價格：價格由市場決定
根據鑫欏資訊的報價數據：(1)近半年來NCM333的均價約162.5元/kg;(2)近半年來NCM523的均價約143.5元/kg;(3)近半年來NCM622的均價約146.5元/kg;(4)近半年來NCM811的均價約195元/kg，NCA的報價也取用195元/kg;(5)近半年來LFP的均價約45.5元/kg;(6)今年以來LMO的均價約45.5元/kg。添加劑的價格相對穩定，我們假設導電炭黑價格為40元/kg;粘合劑PVDF價格為115元/kg;粘合劑溶劑NMP價格為20元/kg。
假設負極活性材料價格為50元/kg，負極粘合劑價格為45元/kg。
假設12μm正極鋁箔的價格為1元/m2;8μm負極銅箔的價格為6.41元/m2;隔膜價格為3元/m2;電解液價格為55.8元/L。
並聯電池組對應一個SOC控制器，串聯電池組需要對每個電芯的電壓進行控制，因此SOC控制器的成本=串聯電芯的數量*(16+0.07*容量)，其中16是固定金額，0.07是一個與容量相關的係數。端子、外殼、導熱片等的價格公司也類似，單價由一個固定金額+係數*單位質量組成。電池Pack端子的單價由由一個固定金額+係數*總電流組成。
3.3、物料成本匯總：由物料用量和價格計算得出
下面列出了製造單個A品電芯消耗的材料。在3.1中已經計算出材料的理論用量，理論用量/電芯良品率/材料利用率可以計算得出A品電芯消耗的材料用量，進而可以計算出每年消耗的材料和硬體合計數量。
表14-17列出了動力電池材料和硬體的價格，結合物料用量，可以計算出單個Pack的成本構成。單個Pack電量為60kWh，則可以計算出單Wh對應的物料成本構成。如表21所示，磷酸鐵鋰/NCM523電芯的成本為0.362/0.513元/Wh，電池Pack的成本為0.562/0.703元/Wh(不含BMS和熱管理外接組件)，NCA/NCM811電池的成本高於其他三元電池，主要是因為目前NCA、NCM811正極材料的價格較高導致的。
4、生產成本
4.1、工廠設計：產能6Gwh，良品率較高
為了對生產成本進行研究，我們假設工廠的Pack年產能為10萬個，每個Pack的電量為60kWh，則工廠年產能為6Gwh;單個Pack電芯數量為240個，則每年生產的A品電芯數量為2400萬個，A品和不良品合計約2526萬個。
下表列出了電芯良品率及材料利用率假設。其中：(1)電芯良品率為95%，行業一般為90%-95%之間;(2)正極材料、負極材料的整體利用率為92.2%，攪拌、塗布、分切及疊片過程中均有損耗;(3)鋁箔、銅箔的整體利用率為90.2%，塗布、分切和疊片過程中有損耗;(4)隔膜整體利用率為98%，疊片過程中有損耗;(5)電解液整體利用率為94%，注液過程有損耗;(6)粘結劑溶劑回收率為99.5%。
4.2、生產工序：極片製備+電芯裝配+模組/Pack組裝
動力電池的生產工序較多，主要包括以下流程：
(1)來料接收及儲存：該流程需要運輸設備、乾燥設備及儲存場地等，也需要配備人員進行設備操作及儲存管理。
(2)材料準備/攪拌/送料：該流程需要將活性材料、導電劑、粘合劑及溶劑進行混合攪拌，主要的設備是攪拌機。
(3)極片塗布及溶劑烘乾：該流程是將攪拌好的漿料塗布在集流體的兩側，並烘烤排出溶劑，主要的設備是塗布機和烘乾設備。
(4)輥壓：通過該工序可以將正負極材料壓至合適的孔隙率，設備是輥壓機。
(5)極片分切：將極片切至設計好的尺寸，設備是分切機。
(6)真空乾燥：後續的流程需要保持乾燥，水分過高可能會影響電池壽命。
(7)疊片：將切好的極片堆疊起來，設備是疊片機。
(8)集流體焊接：將集流體焊接到端子上，設備是焊接機。
(9)入殼：將處理好的極片放入電池殼中。
(10)注液及封裝：注入電解液並密封。
(11)化成分容檢測：對電池進行充放電並測試電芯性能。
(12)模組裝配：將合格的電池組裝成模組。
(13)Pack組裝和測試：將模組組裝成Pack並進行測試。
4.3、廠房、設備及人員：單線設備投資額約3億元
表24列出了電池生產工序對應的設備價值、生產人員數量及佔地面積。單條1Gwh的生產線設備價值約3億元，6Gwh產能對應價值為18億元;單線配置的生產人員數量約400人，6Gwh產能對應2400人，假設每年有效生產天數為300天，每天輪班3次(8小時工作制)，則直接人工為5,760,000小時/年;6Gwh產線佔地面積合計26,750平方米。
4.4、生產成本匯總：直接人工+製造費用
我們假設：(1)工廠土建支出1.5萬元/平方米;(2)直接人工成本為25元/小時;(3)間接費用由40%直接人工+20%折舊組成;(4)土建折舊年限為20年，年折舊率5%，設備折舊年限為6年，年折舊率16.7%。
由表24和表25，可計算出動力電池的生產成本。下表列出了單個Pack的生產成本，直接人工合計1440元/Pack，製造費用合計4417元/Pack。
5、成本匯總、驗證及降本路徑
5.1、成本匯總：物料成本+生產成本
將物料成本和生產成本匯總到一起，得到動力電池Pack的成本拆分表(表28)，單個Pack的電量為60kWh，可計算出度電成本(表29)。根據計算結果，LFP動力電池電芯、Pack度電成本分別為449元/kWh、660元/kWh，而NCM523動力電池電芯、Pack度電成本分別為600元/kWh、859元/kWh。
5.2、結果驗證：總成本和拆分結果基本符合現實
我們從兩個方面來驗證模型的結果：
1、 動力電池總成本：根據寧德時代的公告，寧德時代動力電池業務包括LFP和NCM電池，既有模組也有Pack，2018年其動力電池的綜合成本為0.76元/Wh;根據模型的假設，材料價格是2019年的均價，略低於2018年的價格，LFP/NCM622/NCM523Pack的成本分別為0.66/0.76/0.80元/Wh，上限與0.76元/Wh接近。
2、動力電池成本拆分：寧德時代2017年主營業務成本中，直接材料/直接人工/製造費用佔比分別為83.75%/4.26%/11.99%;孚能科技2018年動力電池系統中，直接材料/直接人工/製造費用佔比分別為88.28%/6.40%/5.32%。根據模型的計算結果，動力電池Pack成本中，直接材料佔比約84%-89%，直接人工佔比約2.8%-3.8%，製造費用佔比約8.6%-11.8%。總體來看，也基本符合現實。
5.3、降本路徑：技術+工藝改進等
根據建立的成本模型，動力電池成本的下降主要依賴：(1)更具性價比的材料體系(高鎳三元、磷酸鐵鋰等);(2)更低的物料價格;(3)更精簡的電池設計(如寧德時代Cell to Pack技術);(4)工藝改進(提升材料利用率、良品率);(5)設備改進(提升自動化水平、減少設備投入、降低故障率等)。
材料體系不同，對應的動力電池成本也不一樣。根據模型的測算，LFP和LMO電池成本顯著低於三元電池，如圖30所示，LFP/LMO電池Pack的成本比NCM523低18%/22%，電芯成本低了25%/29%;三元電池中，理論上高鎳電池的度電成本更低，我們測算出NCM333/NCM523/NCM622的度電成本依次降低，但NCA和NCM811電池的成本仍然較高，主要是因為目前高鎳三元材料應用不多，材料價格仍然較高所致。
材料價格是影響動力電池成本的重要因素。如果將NCA、NCM811正極活性材料的價格由195元/kg調整至150元/kg(下降23%)，那麼NCM811電芯的成本將由620元/kWh下降至548元/kWh(下降12%)，Pack的成本將由817元/kWh下降至746元/kWh(下降9%);NCA電芯、Pack的成本也會相應下降。
精簡電池設計也會使得電池成本下降。我們參考CATL提出的CTP技術(Cell To Pack)，假設模組硬體物料成本降低80%，減掉相應的模組組裝設備和人員，那麼與Pack成本原值相比，結構精簡後的Pack成本下降約10%-15%。
工藝改進也是動力電池降本的方式之一。在模型中，我們假設電芯良品率為95%，如果良品率提升至98%，那麼成本下降約1.5%-2%。
設備改進包括自動化提升及設備投資減少等。在模型中，我們假設單Gwh設備投資額為3億元，如果降低10%至2.7億元，則動力電池Pack成本降低不到1%。
6、投資建議
目前新能源汽車的銷量滲透率不足5%，用戶體驗(充電、續航、智能網聯)還有待改善，更重要的是，電動汽車與燃油汽車之間還存在較大的成本差。我們相信，隨著動力電池成本的下降，新能源汽車有望迎來高速增長的拐點。
根據我們建立的成本模型，動力電池成本的下降主要依賴：(1)更具性價比的材料體系(高鎳三元、磷酸鐵鋰等);(2)更精簡的電池設計(如寧德時代Cell to Pack技術);(3)更低的物料價格;(4)工藝改進(提升材料利用率、良品率);(5)設備改進(提升自動化水平、減少設備投入、降低故障率等)。
建議關注：(1)寧德時代、比亞迪、國軒高科等優質電池企業;(2)當升科技、容百科技、璞泰來、貝特瑞、恩捷股份等材料龍頭企業;(3)先導智能、贏合科技等設備企業。
7、風險分析
(1)政策變化影響行業發展的風險：新能源汽車行業的發展仍屬於早期階段，政策會對行業產生較大影響，若監管部門發布相關政策，可能會衝擊行業發展。
(2)技術路線變更的風險：技術進步是新能源汽車行業發展的驅動力之一，新產品的產業化可能會對上一代產品產生衝擊，進而替代原有的技術路線。
(3)市場競爭加劇的風險：新能源汽車行業擁有很大發展空間，有大量企業參與競爭，行業產能可能在短期內超過需求，從而出現產能過剩的風險。
(4)原材料價格大幅波動的風險：鈷、鋰是動力電池的重要原材料，如果價格大幅波動，會影響電池材料的價格，進而導致動力電池成本發生預期之外的變動。
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