當前磷酸鐵鋰及三元電池的技術發展已接近瓶頸，而下一代產品尚未做好商業化準備。
分析師 | 錢立濤
來源 | 元氣資本
冬日裡一輪寒潮的來襲，卻擋不住新能源汽車的「火熱」。
2020年新能源汽車的火熱行情前所未有：特斯拉（TSLA.US）一騎絕乘，繼續著2019年10月開啟的行情，市值已超七大傳統造車企業市值總和，到達了約6300億美元（約合人民幣41300億元）。
國內新能源汽車三家公司：小鵬汽車（XPEV.US）、蔚來汽車（NIO.US）、理想汽車（LI.US）帶來的新行情也如火如荼。小鵬、理想上市不到半年漲幅均超100%，蔚來汽車截止2020年12月29日更是實現了年內996%驚人漲幅。
乍眼一看遠超預期的絕對高估，其核心價值支撐在哪？
2020年12月21日，國新辦發布了《新時代的中國能源發展》白皮書，提出了2030年力爭二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和的戰略目標。中國對能源改革的快速推進，將給市場帶來巨大的挑戰與機遇。
中汽數據聯合世界汽車用鋼聯盟、英國諾丁漢大學、沙特阿美石油公司、生態環境部對外合作與交流中心等16家國內外機構開展的《中國汽車低碳行動計劃2020》研究表明，2019年中國量產乘用車生命周期碳排放總量為6.2億噸二氧化碳（15萬公裡)。
作為對比數據，2019年全國碳排放為106億噸，傳統燃油汽車的巨量碳排放必然成為我國碳中和戰略目標的重要改革對象。
另一方面，近日在北京順利召開了新能源汽車產業發展「工信沙龍」，會上提到了2020年全年新能源汽車銷量預計將達到130萬輛，年內市場雖然受到了新冠疫情、補貼退坡、和油價下跌的影響，但仍實現了接近8%的同比增長。
與此同時，工信部預測2021年市場表現會有極大提升，增速可能超過30%，全年銷量達到180萬輛。我們預測，隨著電動車裡程續航的不斷提升，清潔、環保且更經濟的電動車，滲透率無疑將繼續提升。
作為新能源汽車廠商最為關注的核心組件——新能源電池——一直是市場關注的焦點，然而，新能源電池的成本一直居高不下。
以蔚來汽車的ES6為例，ES6汽車在2019年採用的是84kWh電池，根據2019年蔚來汽車動力電池主要供應商寧德時代（300750.SZ）財報中披露的運營成本276億元以及總銷售電池系統40.96億瓦時，粗算得到其動力電池成本約為631元/千瓦時，蔚來汽車的ES6單車電池成本就超過了53,000元。
新能源電池作為電動汽車動力/續航的決定性部件，在近幾年電動汽車市場行情持續走高的背景下，其各大電動車品牌核心競爭力的地位也被不斷鞏固。
01 新能源電池：正極材料
電動汽車所使用的動力電池主要由正極材料、隔膜、負極材料以及有機電解液組成。正極材料作為電池系統中的核心部件，是影響到電池的綜合性能的關鍵。其成本也佔據了電池總成本的40%以上。
根據使用材料的不同，目前市場上的兩種主流正極材料分別是磷酸鐵鋰和鎳鈷錳，而使用後者構成的電池也就是三元聚合物電池，簡稱三元電池。
一、磷酸鐵鋰電池與三元電池
磷酸鐵鋰電池作為早期純電電動車的搭載電池，如比亞迪（002594.SZ）在2010年上市的首款純電電動車使用的就是其自主研發的磷酸鐵鋰電池，具有高安全性和成本較低的特點。
同時，磷酸鐵鋰電池的技術在純電汽車發展的早期已經較為成熟，由此迅速成為了各電動車品牌電池系統的首選方案。
而隨著純電汽車市場的迅速發展，各大廠商技術的不斷提升，市場對於純電汽車的續航能力也愈發重視。續航能力開始成為了衡量一個純電汽車品牌的首要指標之一。
與此同時，國家四部委於2017年出臺的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》提出了2020年前實現300Wh/kg的指導要求也推高了新能源車補貼標準。
在這樣的環境下，由於物理限制，能量密度已經接近研發極限的磷酸鐵鋰電池出現頹勢，三元電池開始佔據市場主流。
市場開始追求三元電池的開發主要有兩個原因：第一，政策補貼對能量密度的要求磷酸鐵鋰電池難以達到；第二， 電車廠商開始將電動車的高續航作為賣點開發新車型。
在三元電池的發展過程中發現，三元電池中鎳的佔比提升可以顯著提高電池的能量密度。
同時，鈷作為主流三元電池的成分之一，新能源汽車市場的全球火熱大大提升了鈷需求，精煉鈷的產能也無法短時間內提升，最終導致了鈷價的迅速飛漲。
即使在經歷了2018年市場飽和後的迅速降溫，目前99.8%純度的電解鈷仍然高達每噸270,000元。對比之下，99.5%純度電解鎳每噸只需要132,750元。
鈷價走勢圖（單位：美元/噸）（來源：TRADING ECONOMICS）
鎳價走勢圖（單位：美元/噸）（來源：TRADING ECONOMICS）
當這些因素相結合，三元電池研發思路中提升鎳比例，降低鈷比例就成為了市場所普遍認同的研發路線。
然而，伴隨著高鎳電池的熱度不斷提升，研發過程中鎳比例的提升所帶來的負面影響也逐漸暴露出來。
如下圖所示，以鎳錳鈷（NCM）三元電池為例，當鎳的比重從33%（鎳、錳、鈷比例為1：1：1）上升到60%（鎳、錳、鈷比例6：2：2）時，能量密度有了15%的顯著提升，但同時熱穩定性和容量保持性能也有了明顯下滑。
而當鎳比例提升到80%——即「811電池」時，熱穩定性和容量保持性能繼續下滑。這主要是來源於高鎳環境下高倍率充放電時「枝晶」產生的概率更大，從而影響了電池的整體性能。最近幾年，高鎳電池引起的自燃和爆炸事故也是頻頻發生。
僅今年5月，搭載寧德時代「811電池」的廣汽新能源Aion S在廣東、海南發生了多起自燃事故。電池的安全問題逐漸引起業界的關注。
鑑於上述原因，高鎳電池繼續開發受阻，低鈷/無鈷電池的全面量產也一拖再拖，三元電池最大的成本問題難以解決。更另新能源汽車感到壓力的是，新能源市場補貼開始退坡，這種壓力同時傳導至了對成本的控制上。
隨著2018年年底政策取消了300Wh/Kg的補貼指導方向，原本因為能量密度瓶頸而受冷落的磷酸鐵鋰電池重新受到了市場的重視。
截至2020年11月工信部公示的新能源汽車推廣應用推薦車型目錄（2020年12批)文件所示，上榜純電轎車車型數量為24輛，其中實裝三元電池的轎車14輛，佔比58%；實裝磷酸鐵鋰電池的轎車9輛，佔比37.5%；其他種類電池轎車1輛，佔比4%。
而如果對比2018年的同期數據，2018年第12批車型目錄上所公示的45個純電轎車車型之中，當時搭載三元電池的汽車佔比73%，相比之下，磷酸鐵鋰汽車僅有17%。相比2018年的懸殊差距，磷酸鐵鋰電池的佔比已經在迅速回復。
而在客車領域，國內行業龍頭製造商宇通客車2019年全年6米長以上新能源客車銷量為4007輛，市場佔有率達24.75%。
而根據工信部公開資料披露，2020年11月宇通客車（600066.SH）最新申報新產品中共有純電動客車19輛，其中採用磷酸鐵鋰作為電池的17輛，佔比89.47%，其他兩輛均為氫氣電池。客車市場出於對安全性與成本問題的考慮，一邊倒地傾向了更具穩定性與性價比磷酸鐵鋰電池。
能量密度的短板也因為客車空間的充裕而被一定程度地抵消了，宇通最新上報的純電動磷酸鐵鋰客車平均續航達到了462公裡。
相比較佔據絕對優勢的客車市場，磷酸鐵鋰在乘用車領域的市場份額雖然開始出現明顯提升，但是它與三元電池的主要劣勢仍沒有得到解決，在2020年這同一文件中，9個選擇了磷酸鐵鋰作為電池的車型平均單次續航能力為333公裡，平均能量密度為130Wh/Kg。與此同時,14個三元電池車型的平均續航能力則達到了445公裡，平均能量密度為163WH/Kg。
各大新舊造車勢力並沒有嘗試繼續提升磷酸鐵鋰的能量密度和續航能力，而是選擇將磷酸鐵鋰裝配在強調性價比的車型上，將三元電池裝配在強調性能的車型上，讓消費者自己選擇不同的電池車型。
以特斯拉為例，特斯拉中國在今年新推出了Model 3的長續航版，通過進一步降低鈷佔比以及能量密度，續航達到了668公裡。
另一方面，今年10月特斯拉發布了磷酸鐵鋰版的Model 3，官方標註的續航能力高達468公裡，雖然依舊存在著冬天低溫環境下電池容量劇烈縮水的問題，但其性價比仍是特斯拉目前產品線中數一數二的。
隨著市場開始重新重視磷酸鐵鋰電池，電池製造商方面也開始重新規劃。寧德時代作為國內乃至全球範圍的新能源電池領軍企業，在今年6月份加大了磷酸鐵鋰電池的出貨量。
根據真鋰研究統計數據披露，寧德時代今年6月所有電池裝機裡，磷酸鐵鋰電池佔比達到了44.76%，相較5月份增長近14%。寧德時代在繼續保持其高鎳三元電池行業領先地位的同時，加大了磷酸鐵鋰電池投入。前文提到的磷酸鐵鋰版Model 3所使用電池組就是由寧德時代提供的。
二、刀片電池，一枝獨秀
與此同時，國內另一大電池研發巨頭比亞迪（002594.SZ）把更多注意力放在了磷酸鐵鋰電池繼續開發上，並於今年3月正式發布了其自研的新一代磷酸鐵鋰電池——刀片電池。
比亞迪以一種「彎道超車」的姿態將傳統磷酸鐵鋰電池包進行了重塑，通過省去模組和大部分結構件，使得刀片電池的空間利用率大大提升。
雖然沒有從本質上解決磷酸鐵鋰作為正極材料能量密度的短板，但從體積能量密度的角度上大大提升了刀片電池的性能，使得刀片電池在具備傳統磷酸鐵鋰電池高安全性和低成本的同時，很大程度上解決了低能量密度導致的續航問題。
2020年7月，首個搭載了刀片電池的純電車比亞迪「漢」正式上市，截至2020年11月底，累計銷量已達28467輛，11月單月銷量便已破萬，頗有成為爆款的趨勢。
截至2020年12月25日，比亞迪收盤價為185.21元每股，充分反映了市場對於一定程度上解決磷酸鐵鋰電池能量密度瓶頸的同時、繼續發揮了低成本高穩定性優勢的刀片電池的認可。
結合2020年12月21日比亞迪接待機構投資者調研活動時透露「刀片電池或將獨立對外銷售的信息」，相信比亞迪能藉此再次挑戰寧德時代的行業地位。
02 新技術：選顛覆的還是選改進的？
當下新能源電池發展陷入瓶頸，除了比亞迪刀片電池另闢蹊徑的研究路徑外，電池廠商們還在探索著別的可能，如固態電池與四元電池。
固態電池本質上當然還是鋰電池，但與目前的動力電池在正極材料上尋求突破的思路不同的是——固態電池的進化更體現在電解質。傳統電解質為液態電解質，也就是電解液，固態電池即固態電解質。
固態電池由正負活性物質，集流體，導電劑以及固態電解質五個主要部分組成，目前固態電池技術路線差異主要體現在三種不同的固態電解質：氧化物、硫化物以及聚合物。
聚化物與氧化物的研究尚處於概念階段，硫化物雖然已較為成熟，但成本的居高不下以及能量密度提升幅度較低導致了商業化的可能較低。而聚化物與氧化物的商業化,市場普遍預計會在2030年左右。
固態電池在能量密度潛力大幅度上升的同時，由於其固態電解質不可燃不漏液的性質，穩定性也大大提升。在保障電池穩定性的前提下，目前對於固態電池能量密度的預估潛力值已經高達900Wh/Kg，足足是三元電池預估能量密度的三倍，電池容量保持性能及充電速度都將得到大幅提高。
此前元氣資本的研究《固態電池：解決「裡程焦慮」的未來答案？》已做詳細闡述，在此不做過多展開。
比爾蓋茨入股的美國固態電池研發企業Quantum Scape Corp自2020年11月上市以來，截至2020年12月25日，已上漲388%，幅度驚人。A股市場目前共有12隻固態電池概念股，近期市場表現也很亮眼，當升科技（300073.SZ）、杉杉股份（600884.SH）等公司僅2020年12月上漲幅度已超20%。
此指數上線時間為2020年12月11日
固態電池雖然展現出了極大潛力，但研發難度高、距離大規模量產及商業化應用尚有較長時間的客觀事實也應當注意。豐田公司作為整車廠，雖然計劃明年展出首款固態電池原型電車，但是實際量產預計最早將會在2025年展開。
豐田公司目前的能量密度計劃是2025年實現400Wh/Kg，2030年實現500Wh/Kg，距離市場主流宣傳的900Wh/Kg能量密度潛力相去甚遠。更可以預見的是，固態電池早期投入市場的高成本將無法迴避，由於技術開發難度相對相對較大，核心能力將更集中於市場頭部企業。
除固態電池外，四元電池的開發情況也備受矚目。四元電池作為三元電池的升級改良產品，實質是用鋁元素部分取代鈷元素，在降低鈷成本同時並不會像三元電池因為鈷比重下降而失去穩定性和續航能力，性能也將得到保持。
根據最新的LG新能源公告，其最早的一批鎳鈷錳鋁四元電池將於2021年下半年交貨，該款四元電池鎳含量將超過90%，鈷含量下降到5%以下，單次續航能力超過600公裡。
雖然四元電池作為一種承接三元電池的升級品還未像固態電池一樣出現顛覆行業的潛質，但考慮到「遠水解不了近渴」，四元電池的市場空間仍然很大。如果四元電池能從真正意義上解決三元電池的鈷元素佔比下降引起一系列隱患，那麼刀片電池這類升級產品所獲得的成功同樣適用於四元電池。
隨著技術研發不斷完善，哪怕原本只是作為填補固態電池空檔期的升級產品，四元電池也具備著快速佔據市場的潛力，並能憑藉完善技術帶來的成本優勢與固態電池相抗衡。
除了LG新能源外，中國廠商蜂巢能源早在2019年就公布了其自主研發的四元正極材料電池。
今年12月2日，公司在蜂巢電池日上也表示研發中並做好量產準備的四元電池和目前80%鎳濃度三元電池具有相同能量密度的同時，安全穩定性得到了提升，並由於降低了鈷元素比例，成本也得到了很大改善。
03 結語
新能源汽車電池在經過了多年發展後，再次來到了一個重要節點。本世代磷酸鐵鋰以及三元電池的技術研究已接近瓶頸，下一代產品尚未做好商業化準備。造車新舊勢力的產品側重點已開始分化——選性價比還是性能，取決於消費者。
關於新能源電池相關公司的研究，請繼續關注元氣資本「新能源產業鏈」系列研究。
參考文獻：
《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄(第314批，338批)》，工信部
《Tesla Model 3 greater range from better batteries》， Carrie Hampel
《高鎳電池的發展狀況》，鉅大電池
《2020年中國固態電池行業研究報告》，前瞻產業研究院
真鋰研究院
www.Tradingeconomics.com