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（報告出品方/作者：東北證券，周穎）
國內(nèi)新能源汽車滲透率超 30%，為進一步提升滲透率，后續(xù)產(chǎn)品將圍繞解決早期產(chǎn) 品痛點。根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2022 年 1-11 月，我國新能車國內(nèi)新能車滲透率由 18.3% 逐步提升至 35.8%，其中純電車型滲透率由 13.38%提升至 27.73%，目前階段位于加 速滲透階段（5%-50%）中間點，根據(jù)創(chuàng)新擴散理論，新能源汽車作為新產(chǎn)品已經(jīng)被 國內(nèi)創(chuàng)新者和早期接受者（合計占人群比例約 16%）群體中廣泛接受，現(xiàn)階段需要 吸引 Early Majority 群體做出購買決策，跨越早期接受者和早期多數(shù)之間的“鴻溝”。 為進一步提升早期產(chǎn)品的實用性，車企應圍繞車輛基礎(chǔ)功能進行“非連續(xù)創(chuàng)新”。續(xù) 航里程和補能速度是早期產(chǎn)品面臨的兩大痛點，目前續(xù)航里程通過提高能量密度的問題已經(jīng)解決，通過快充功能提高補能速度的趨勢成為車企發(fā)力方向。1.2.車企近年陸續(xù)發(fā)布快充平臺快充車型自 2021 年以來陸續(xù)發(fā)布，2022-2023 年迎大規(guī)模量產(chǎn)。目前已搭載 800V 快充的車型超過 7 款，作為業(yè)內(nèi)最早采用 800V 高電壓平臺的車型，海外車企保時 捷早在 2019 年即推出 800V 車型 taycan,最大充電功率達 270kW，可在 22.5 分鐘將 93.4kWh 電池電量由 5%充至 80%；同年廣汽 Aion V Plus 上市，現(xiàn)代 Ioniq5 于 2021 年在海外首發(fā)上市，預計 2023 年在國內(nèi)量產(chǎn)交付，其他車企高壓快充車型發(fā)布及量 產(chǎn)主要集中在 2022-2023 年。極狐阿爾法 S Hi 版 2022 年 5 月上市，小鵬 G9 2022 年 9 月上市，小鵬 G9 配備三元鋰電池，續(xù)航里程超過 700km。在充電方面，采用 800V 高壓快充技術(shù)，充電 5 分鐘，續(xù)航 200km。路特斯基于 EPA 平臺打造的 800V 快充車型 eletre 于 2022 年 10 月正式上市，奧迪 GS e-tron GT 于 2022 年底上市。提高充電電壓可以大幅節(jié)省充電時間。同時有通過提升電流加快充電時間的大電流 方案，此方案對于充電槍、線纜以及電池核心部件等會產(chǎn)生較高的熱損失，目前主 流充電槍的最大電流限制 500A，所能達到的充電功率大約為 200kW，目前車企普 遍使用 400V 電壓系統(tǒng)，250A 電流，達到 100kW 的充電功率，按單車帶電量 50kWh 計算，電池由 30%SOC 充電至 80%SOC 需要 30 分鐘，800V 高壓可以達到 300- 500kW 的充電功率，僅需 6-10 分鐘就能迅速補能。依靠提升電流提高功率的路徑 存在上限，因此多數(shù)企業(yè)選擇通過提高電壓提高充電功率。海外高壓快充車型上市后次年銷量攀升明顯。根據(jù)保時捷 taycan 全球銷量數(shù)據(jù)，在 2019 年量產(chǎn)上市后 2020 年銷量逐季增加，2021 年，保時捷總銷量 301915 臺，同比 增長 11%，其中 Taycan 家族全球銷量 41296 輛，同比增長 106%，占整體銷量 13.7%。 現(xiàn)代 Ioniq5 在 2021 年 4 月上市后當年銷量約 65906 臺，截止 2022 年 11 月，此車 型全球銷量 89416 臺，在北美補貼法案之外仍保持正增長。國內(nèi)快充車型于 2022 年集中量產(chǎn)上市，預計 2023 年銷售開啟放量。廣汽埃安 V 是 國內(nèi)較早發(fā)布量產(chǎn) 800V 快充的車型，2020 年埃安 V 批發(fā)銷量 11173 輛，2021 年 15825 輛，同比增長 41.63%，2022 年截止 11 月批發(fā)銷量 30097 輛，同比增長 118%。 其他車型預計將于 2023 年開啟放量。預計 2023-2025 年國內(nèi)快充車型在整體新能源汽車滲透率達 7.34%/13.95%/16.22%。 根據(jù)創(chuàng)新擴散理論，30%滲透率后解決現(xiàn)有產(chǎn)品痛點的具備實用特性的產(chǎn)品有望進 一步提高電動化滲透率。根據(jù)現(xiàn)有車型及售價，預計國內(nèi)快充車型主要為 B/C 級車， 由于 B 級電動化滲透率加速時間點早于其他車型，C 級車型對性能指標要求更高， 因此配備快充功能的車型占比更高，預計 B 級快充車型 2023-2025 年占 B 級電動車 比例為 30%/60%/80%；C 級快充車型 2023-2025 年占 C 級電動車比例為 60%/100%/100%.據(jù)此 2023-2025 年快充車型銷量為 67.2/165/228 萬輛，在中國整體 新能車中滲透率分別為 7.34%/13.95%/16.22%。
2.2.液冷充電槍滲透率有望提升液冷是解決大功率充電的優(yōu)異方案。大功率充電樁電源的設(shè)計和生產(chǎn)國內(nèi)外已不存 在技術(shù)問題，需要解決由大功率充電樁電源到充電槍的線纜連接。國內(nèi)和歐洲標準 直流充電槍連接的電纜主要有 35 平方毫米軟體導線和 50 平方毫米軟體導線，分別 可承載 125A 及 160A 電流，若將充電功率提升至 240kW-360kW，在充電電壓 400V800V 條件下，需要承載的電流為 300A-600A，使用目前線徑電纜會出現(xiàn)溫度過高損害充電裝置的電子元件導致無法工作的問題，嚴重時會產(chǎn)生起火事故，而加大線纜 線徑理論可行，但實際中因為加大軟體導線截面，會導致體積過大而不符合人體工 程。現(xiàn)有《電動汽車傳導充電用連接裝置》（GB/T 20234—2015）定義的最大充電電 流等級為 250 A，主要原因在于超過 250A 后更大的截面積的導體重量無法在實際操 作中應用。液冷是一種解決此問題的優(yōu)異方案，通過對線纜的軟體導線和歐標直流 充電槍插孔式液冷段子通入循環(huán)流動的冷卻液，軟體導線和插孔式液冷端子在充電 過程中產(chǎn)生的熱即可由循環(huán)流動的冷卻液帶走，同時線纜的體積較干式電纜不會增 大，可以滿足人體工程的要求。我國高功率快充樁滲透率仍較低。2021 年充電樁運營商中特來電、星星充電、國家 電網(wǎng)分別以 23.9%、21.9%、21.3%市占率位居前三。從 2022 年國網(wǎng)快充樁招標結(jié)構(gòu) 來看，80kW 和 160kW 功率充電樁占主要份額，其中 240kW 及以上功率充電樁占 比僅為 5%，我國高功率快充樁滲透率仍較低。液冷充電槍線成本占比較高，快充電樁 2025 年迎千億市場空間。根據(jù)公開信息，充 電樁均價約為 0.4 元/W，推算 240kW 快充樁價格約 9.6 萬元，根據(jù)日豐股份發(fā)布會中的液冷充電槍線價格 2 萬元/套，推算液冷充電槍成本約占充電樁成本 21%，成為 僅次于充電模塊的成本最高組件。預計隨著新能源快充車型保有量提升，2025 年我 國高功率快充樁市場空間約 1334 億元。從 400V 過渡到 800V 的高壓架構(gòu)，通常有 6 種不同方案。主要有兩種設(shè)計思路：第一種是將電池系統(tǒng)設(shè)計成能同時滿足 400V 和 800V 的電池系統(tǒng)，其他部件選擇 400V 或 800V；第二種使用升壓模塊外搭電氣電路進行升壓。通過串聯(lián) 400V 電池 進行升壓的方案，動力電池需要特殊設(shè)計，難點在于電池并環(huán)流的潛在問題。串聯(lián) 兩個 400V 電池，其余部件全系 800V，通過改變電池的設(shè)計，400V 和 800V 靈活輸 出，或通過新增切換繼電器靈活輸出 400V 和 800V。若新增升壓模塊外搭電氣電路， 即將電池設(shè)計為 800V，其余部件不改動，整車的交流充電、電驅(qū)、高壓部件均為 400V，新增 400V-800V 的 DCDC 兼容 400V 直流充電?；蛘咚懈邏翰考鶠?800V， 采用驅(qū)動復用方案，不需要增加額外的 DCDC。比亞迪和現(xiàn)代 E-GMP 平臺采用 Boost 升壓電路升壓，不需要額外的升壓模塊，車載部件全系 800V，電驅(qū)升壓兼容 400V。 由于充電過程中，不需要驅(qū)動，比亞迪采用復用后橋電機控制器中的功率器件的模 式，用在 400V-800 升壓 DCDC 中，可以在 300-750V 電壓范圍內(nèi)進行直流快充。目前車企主要采用增加 DCDC 升壓或驅(qū)動復用升壓方案。由于通過并聯(lián) 400V 電池 形成靈活輸出 400V 和 800V 需要對電池進行重新設(shè)計，新增繼電器等元器件，因此 車企主要采用新增 DCDC 升壓模塊或利用 Boost 電路升壓，通過外接 800V 儲能電 容，兼容 400V 充電設(shè)施。比亞迪和現(xiàn)代采用驅(qū)動升壓方案，現(xiàn)代高壓車型 Ioniq5 電氣架構(gòu)采用后驅(qū)五合一，將車載電源和永磁同步電機集成在一起，通過動力電機 逆變器將 400V 升壓至 800V。保時捷主要新增高壓轉(zhuǎn)換器，核心是充電泵，外部的 直流電壓輸入以后，進入主 EMI 的濾波器，然后連接直流電容，配合 IGBT 模塊（開 關(guān)和二極管）后可以進行升壓動作。從電氣架構(gòu)選擇角度，800V 電機匹配 800V 逆變器有助于提高電轉(zhuǎn)化效率。800V 電機可以提高電機功率密度，800V 逆變器搭配 800 V 電機效率最高。從電機角度 看，800V 電機存在強機械應力和設(shè)計復雜性增加的劣勢，但電磁性能得到改善， 800V 電機有利于提高電機功率密度。從逆變器的角度來看，在 800V 電池和 800V 電機之間使用的逆變器將具有更高的效率、更好的 THD、更低的直流支撐電容器尺 寸和成本。與之相對，運行 400 V 電機的 800 V 逆變器具有最高的總傳導損耗、 最高的開關(guān)損耗和最高的總功率損耗。由于相電流減半，運行 800V 電機的 800V 逆變器的最低傳導損耗。根據(jù)不同逆變器對輸入電容器的要求，驅(qū)動 800V 電機的 800V 逆變器需要最少的電容來執(zhí)行相同的濾波效果。
車載電源集成化趨勢和大功率高頻率趨勢疊加。車載電源供應商主要配合車企進行 產(chǎn)品配套研發(fā)，產(chǎn)品體積空間、設(shè)計、性能指標定制化屬性較強，近年來隨著車企 輕量化、大功率、高頻率要求的提升，車載電源逐步從分立器件向二合一、三合一 及與驅(qū)動集成為五合一的集成產(chǎn)品發(fā)展。集成產(chǎn)品較單獨車載電源單車價值量有所 下降，但車型電氣架構(gòu)提升至 800V 高壓后，集成產(chǎn)品的單車價值量較分立器件和 低壓集成產(chǎn)品均有所提高，按此前假設(shè) 800V 車型滲透率 2023-2025 年分別為 7.34%/13.95%/16.22%，預計 2023-2025 年車載電源市場空間為 263 億/337 億/460 億 元。半導體器件、電阻電容、磁性元件為影響車載電源性能的主要原材料。車載電源中 OBC 典型線路結(jié)構(gòu)是由 PFC 和 DC/DC 組成，其中半導體器件、五金結(jié)構(gòu)件、電阻 電容、磁性元件為主要的成本構(gòu)成，分別占比為 23%、18%、16%、13%。其前級 PFC 線 路 和 后 級 DC/DC 輸出線路均會使用碳化硅二極管（拓撲線路中 D1/D2/D3/D4/D5/D6），在 OBC 產(chǎn)品上使用碳化硅功率器件對于提升 OBC 產(chǎn)品的效率、功率密度和質(zhì)量密度提升上發(fā)揮了重要作用。車壓平臺提升后，車載電源的半 導體器件變化較大，配合目前 OBC 從單相 220V 到三相 380V 的發(fā)展趨勢，PFC 輸 出級的電壓會相應提高到 600V 以上，需選用 1200V 系列的 SiC MOS 材料，而傳統(tǒng) 硅基 IGBT，車壓平臺在 450V 時 IGBT 耐壓強度僅為 650V，若升級至 800V，DC/DC 次級器件會從目前的 650V 二極管轉(zhuǎn)變成 1200V 的相關(guān)產(chǎn)品。800V OBC 和 DC/DC 升壓模塊的變化主要體現(xiàn)在半導體功率器件。車載變壓模塊 初級側(cè)開關(guān)所需的最小額定電壓為 800 V，考慮 50%的安全裕度，應在初級側(cè)使用 具有 1.2-kV 額定電壓的開關(guān)，但阻斷電壓高于 900V 的硅 MOSFET 價格昂貴且導 通電阻高，會導致較高的傳導損耗，因此會選擇碳化硅 MOSFET 或 IGBT。根據(jù)高 功率密度的要求，開關(guān)頻率達 100kHz 以上可以降低無源元件如變壓器和電容器的 尺寸，而 IGBT 不適合在高于 20kHz 的頻率下運行，但 SiC MOSFET 具有較低的開 關(guān)損耗，且在使用 SiC MOSFET 的 DC/DC 輸出功率由 1.3 kW 增加到 2kW 時，與 400V APU 相比，800V APU 的總功率損耗更小。3.2.電子元器件耐壓強度及安全要求相應提升激勵熔斷器滲透率提升。熔斷器在新能源汽車中主要起電路過流保護作用，通常分 為低壓保護區(qū)域和高壓保護區(qū)，低壓保護區(qū)主要用在燈光、雨刷器、喇叭等線路中， 單車用量約 2-3 只，單只價值量較低；高壓保護區(qū)主要是車載電源及電機控制器、 空調(diào)、PTC 等回路，其中主回路用量 2-3 只，輔助回路用量 3-5 只，主要為電力熔 斷器，單只價值約 15-60 元。800V 電壓平臺車型的熔斷器在絕緣、耐壓等級等方面 需求均有提升，新型激勵熔斷器作為有主動斷開功能的熔斷器滲透率有望提升。激 勵熔斷器主要通過接收控制信號激發(fā)保護動作，不必須承載過電流，因此可以有效 提高整車安全性，激勵熔斷器單只價值量約為電力熔斷器的 1.5-5 倍，若單只替換 升級單車價值量提升約 46%。直流接觸器需要提升額定絕緣電壓及最高運行電壓。新能車在電池系統(tǒng)和逆變器之 間配置直流接觸器，當系統(tǒng)運行時起連接作用，連接電源與負載，其技術(shù)指標為約定發(fā)熱電流；當系統(tǒng)停止運行后起到隔離作用，其重要技術(shù)指標為額定絕緣電壓； 當車輛關(guān)閉或發(fā)生故障時，能安全的將儲能系統(tǒng)從車輛電氣系統(tǒng)中分離，起到分斷 電路的作用，主要指標為最高運行電壓。高壓接觸器在新能源汽車上的應用根據(jù)車 型及動力系統(tǒng)的不同，單車用量有所差異，每臺新能源乘用車約 4-6 只，商用車 4- 8 只，一般包括 2 只主接觸器、1 只預充接觸器、2 只快充接觸器、2 只普通充電接 觸器和 1 只高壓系統(tǒng)輔助設(shè)備接觸器；高壓接觸器在充電樁中通常配備 2-4 只，包 括充電主線路切斷用接觸器與放電保護接觸器；根據(jù)國力股份招股書，新能源乘用 車用高壓接觸器單只均價約為 115 元，推算單車價值量為 460-700 元左右。800V 電 壓平臺接觸器的額定開關(guān)負載超過 400 安培，根據(jù)經(jīng)銷商調(diào)研數(shù)據(jù)，單只售價約為 400-700 元，若升級 2 只主回路接觸器，單車價值量約為 1145 元，較原來單車價值 量提升約 63.5%。
析鋰效應帶來電池熱失控，造成安全隱患。熱失控主要是由于負極表面堆積的鋰枝 晶持續(xù)生長可能會刺破隔膜，造成內(nèi)部短路或沉積在負極表面的鋰與電解液發(fā)生反 應，釋放大量熱量，當溫度持續(xù)升高，電解液分解產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)部壓力不斷 上升，最終引起電池放氣和金屬鋰融化。在該過程中，空氣中的水和氧氣與金屬鋰 發(fā)生劇烈的反應，導致燃燒甚至爆炸。4.2.負極可通過改變形貌或組分進行改性快充需要加強鋰離子在電極材料中的遷移和擴散速率，解決鋰離子在電解質(zhì)和相界 面處的傳輸問題。由于石墨是層狀排布的二維結(jié)構(gòu)材料，且石墨層間距較小 （0.335nm），因此鋰離子在垂直于石墨片層方向的遷移和擴散系數(shù)低于邊緣平面。 這個特性會影響電池的倍率性能，因此基于快充需求的負極材料需要調(diào)控鋰離子在 石墨晶格中的固相擴散。具體又分為兩種策略：強化單一相擴散和增強界面動力學， 旨在提高鋰離子和石墨顆粒內(nèi)部或電解液中的擴散能力和在 SEI 膜界面的遷移能力。 通過微觀形貌和結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計，可以增強石墨與鋰離子反應的活性位點，從而增 強電子傳輸，提高快充性能。單采用針狀焦制備的一次顆粒負極材料在電化學性能 方面仍存在一定缺陷，二次造?？蓛?yōu)化石墨形貌。容量較高的人造石墨負極主要使 用針狀焦為原材料，王鄧軍等以煤系針狀焦為原料,經(jīng)破碎、石墨化得到一次顆粒負 極材料,其首次庫倫效率為 84%。雖然以針狀焦為原料的一次顆粒負極材料具有較高 的容量,但由于針狀焦特有的流線型纖維結(jié)構(gòu)使其在各個方向上的取向度不同,單采 用針狀焦制備的一次顆粒負極材料在電化學性能方面仍存在一定缺陷,容易造成電 池膨脹,且倍率性能一般,存在首次庫倫效率較低等問題。為提高鋰離子在固體電解 質(zhì)界面（SEI）膜的遷移能力，從負極材料著手，通過造粒、二次造粒改變石墨本身 的形貌以優(yōu)化鋰離子在負極的擴散效率是比較主流的方法，粒徑大的石墨比表面積 小，因而較少與電解液形成副反應，但是大粒徑石墨對于鋰離子嵌入的活性位點和 擴散通道較少，倍率性能較差，Zhang 等將不同粒徑的石墨進行混合級配，發(fā)現(xiàn)加 入小顆粒石墨后電池的內(nèi)阻減小，比容量升高。對石墨的粒徑水平和粒徑分布進行 合理的設(shè)計，是獲得高性能石墨負極材料的關(guān)鍵。二次造粒可增加負極材料的各向 同性,從而改善電池的首次庫倫效率和倍率性能。球形化處理是目前工業(yè)上常用的改 性方式，片狀石墨的球形處理可以減輕石墨的各向異性，在不增大比表面積的同時 增加活性嵌入位點。和硬碳摻混合成材料能有效改善負極快充性能。美國密歇根大學的 Kuan-Hung Chen 等人通過石墨與硬碳混合的方式，顯著提升了負極的快速充電能力，在 4C 和 6C 倍 率下循環(huán) 500 次后，容量保持率仍然可達 87%和 82%。硬碳材料作為一種非石墨化 的碳材料，具有高度無序的碳層結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn) Li+的快速嵌入，但由于硬碳的真 密度較低，僅 1.6g /cm3，石墨為 2.2g/cm3，存在庫倫效率低等劣勢，因此將石墨 和硬碳摻混作為負極材料，可能會取得較好測試結(jié)果。Kuan-Hung Chen 等人發(fā)現(xiàn)純 硬碳在 4C 快充倍率下循環(huán)性能最佳，100 次循環(huán)后容量保持率約為 96%，純石墨 負極和含有 25%硬碳的負極在循環(huán)后都出現(xiàn)了顯著的析鋰現(xiàn)象，電極表面覆蓋了一 層銀白色的金屬鋰，但硬碳的摻混比例過高也會導致電池能量密度降低，KuanHung Chen 的研究表明通過在石墨負極中混入約 50%的硬碳能夠顯著降低過充條 件下石墨負極表面的電流密度，且在 500 次循環(huán)后 50%石墨+50%硬碳的負極能量 密度最高。硅基負極可以有效提高電池的快充性能。硅材料是目前已知的擁有最高理論比容量 的負極材料，相比目前主流的石墨負極材料，硅基負極材料有 2 大優(yōu)勢：單位容量 高，儲量豐富。硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在更適配快充負極。硅基負極 主要在負極中摻硅，但由于硅的體積膨脹容易導致電池發(fā)生形變爆炸，因此用硅的 氧化物 SiOx 取代 Si，是目前硅基負極材料的重要研究方向之一。SiOx 并非由單一 相組成，而是由許多均勻分布的納米級 Si 團簇、SiO2 團簇以及介于 Si/SiO2 兩相界 面之間的 SiOx 過渡相組成，通過提高 SiOx 中的 x 值，可增加在充放電時生成不可 逆 Li2O 相，同時動力學加快，體積膨脹產(chǎn)生的應力得到有效釋放，從而實現(xiàn)更小的 體積膨脹。硅體積易膨脹，氧化亞硅首效低。硅在充放電時，由于硅晶體是正四面體結(jié)構(gòu)（石 墨是層狀結(jié)構(gòu)），所以更容易膨脹，膨脹率可達到 300%。這會讓電池變得更加不穩(wěn) 定。硅充放電過程中體積膨脹收縮變化達 320%（石墨僅 12%），會產(chǎn)生較大的機械應力，多次循環(huán)后硅顆粒會發(fā)生斷裂和粉化，造成負極失效。相較于單質(zhì)硅顆粒， 氧化亞硅（SiOx）在鋰嵌入過程中發(fā)生的體積膨脹較小，因此相對純硅負極，其循 環(huán)穩(wěn)定性有較為明顯改善，但是氧化亞硅負極在充放電過程中會生產(chǎn) Li2O 等非活 性物質(zhì)，導致 SiOx 材料首次效率較低。
硅負極主要采用摻雜的方式加入到人造石墨中，同時加入導電劑。納米化無法解決 導電率低的問題，主流技術(shù)路線為硅碳和硅氧，硅碳負極是指納米硅與石墨材料混 合，硅氧負極則采用氧化亞硅與石墨材料復合。瑞士保羅謝爾研究所電化學實驗室 Sigita Trabesinger 教授研究了不同充電倍率下石墨硅共混物的充電性能及行為，結(jié) 果表明，阻抗隨著硅含量的增加而顯著增加，活性材料共混物中硅組分所產(chǎn)生的附 加電阻會阻礙快速充電，而致密的電極涂層和較高的導電添加劑的含量可以改善硅 基負極的快充性能。應對硅基負極局限性的主要技術(shù)包括硅納米化，預補鋰及對粘結(jié)劑添加劑的改進。 SiOx 材料目前主要存在兩個問題：首次庫侖效率低和循環(huán)性能的衰減。前者目前較 為實際的解決辦法主要是通過向添加少量的 Li 源，在充電的過程中利用這部分額外 的 Li 補充首次充電過程中不可逆的 Li 消耗，以達到提升鋰離子電池首次效率的目 的；后者主要是通過碳包覆與 SiOx 納米化來緩沖體積膨脹，提升循環(huán)穩(wěn)定性。高比容量 4680 量產(chǎn)打開硅基負極應用空間。預計具備大電流快充功能的 4680 電池 采用了高鎳正極，需要使用比容量更高的硅負極與之匹配，最大限度的提升電池整 體能量密度，其次，4680 圓柱形的體積相較于方形和軟包結(jié)構(gòu)，更容易控制硅負極 的體積膨脹。特斯拉在 2022 年 2 月份宣布已生產(chǎn)了 100 萬塊 4680 電池，預計 4680 電池會在 2022 年出貨，在 2023 年迎來放量，帶動硅負極增長。據(jù) Electric Vehicle Database，一輛Model Y的電池容量是75kWh，一輛Cybertruck的電池容量是250kWh， 一輛 Semi 的電池容量是 500kWh。2022 年 4680 電池產(chǎn)量的需求約 75GWh，2030 年 4680 電池產(chǎn)量的需求約 3160GWh（3.16TWh），較 2022 年增長約 4113%。預計 2023 年 4680 電池硅基負極需求約 5.3 萬噸。隨著快充電池及高能量密度電池 的發(fā)展要求，硅碳負極（SiOx-C）的摻混量預計從 10%提升到 15%，保守按 10%摻 硅比例計算，1GWh 的電池消耗約 750 噸的硅基負極材料，預計 2023 年硅基負極需 求量約 5.3 萬噸，2025 年硅基負極需求量約 15 萬噸。4.3.電解液體系影響快充電池及負極性能電解液影響負極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及 SEI 膜等結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)電解液體系是提高電池快充性能 的有效策略。在低濃電解液中，鋰離子被大量溶劑溶解，形成鋰離子溶劑化鞘層， 在鋰離子嵌入負極時易形成溶劑分子共嵌入，石墨層間微弱的范德華力難以在溶劑 分子共嵌入后維持石墨片層結(jié)構(gòu)；同時電解液中的添加劑和鋰鹽同鋰離子形成 SEI 膜，不同的添加劑及鋰鹽體系影響 SEI 膜的成膜，從而影響電池的循環(huán)壽命和倍率 性能，因此調(diào)節(jié)電解液是提高電池快充性能的有效策略。 溶劑和鋰鹽選擇對快充性能影響較大。溶劑的選擇是影響去溶劑化動力學速率的關(guān) 鍵因素，Okoshi 等計算了鋰、鈉、鉀和鎂等離子在 27 種不同溶劑中的去溶劑化能 壘，發(fā)現(xiàn)鋰離子在不同溶劑中的去溶劑化勢壘磷酸三甲酯和二腈最高；在鋰鹽選擇 中，含雙氟磺酰亞胺鋰鹽(LiFSI)的電解液具有比含其他鋰鹽電解液更高的電導率， 在 LiPF6 基電解液中添加少量雙草酸硼酸鋰(LiBOB)，可以建立更為穩(wěn)定的 SEI 膜， 研究為產(chǎn)業(yè)化配方提供了重要參考。添加劑體系中適當含量 FEC 有助于負極成膜。Son 等對比了氟代乙酸酯(FEC)和碳 酸亞乙烯酯(VC)添加劑對全電池體系中石墨負極大電流充放電時析鋰情況的影響， 發(fā)現(xiàn)適當含量 FEC 的加入有助于在石墨陽極上形成理想的 SEI 膜，從而有助與提升 石墨的快充性能。（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息，請參閱報告原文。）精選報告來源：【未來智庫】「鏈接」
1.快充技術(shù)成為新能車發(fā)展的方向
1.1.從創(chuàng)新擴散理論出發(fā)，快充是國內(nèi)市場新能車產(chǎn)品迭代重要方向功能穩(wěn)定的實用型產(chǎn)品是吸引早期多數(shù)消費群體提高滲透率的重要方向。1962 年， 美國社會學家羅杰斯發(fā)表報告《創(chuàng)新與普及》，提出創(chuàng)新擴散理論，解釋新事物的傳 播規(guī)律，他把社會上的消費者分為五類：創(chuàng)新者 innovator；早期接受者 early adopter； 早期多數(shù) early majority；晚期多數(shù) late majority；落后者 laggards。創(chuàng)新者愿意花很 多錢和時間主動積極探索嘗試新產(chǎn)品，通常為最早期接納新產(chǎn)品或新觀點的人群， 這些人占市場總?cè)丝诘?2.5%-3%；早期接受者不如創(chuàng)新者激進，但對新科技新產(chǎn)品 心態(tài)開放，決策基礎(chǔ)在于新產(chǎn)品是否帶來利益，并依據(jù)自己的情況做出獨立判斷， 此類人群占消費者群體的 13.5%-14%；早期多數(shù)較保守，通常在看到市場中已有一 定人群購買新產(chǎn)品并證明實用性后才會選擇購買，他們對產(chǎn)品早期的存在的功能瑕 疵容忍度較差，這類群體占比約 34%；晚期多數(shù)和早期多數(shù)相比更加保守，他們要 等到技術(shù)標準非常明確建立，生態(tài)應用，技術(shù)支持，基礎(chǔ)設(shè)施都成熟后，才會購買 新產(chǎn)品，他們占消費群體的比例大約 34%左右；落后者消費習慣極端保守，厭惡改 變，通常最晚接受新產(chǎn)品，這類人群占比約 16%。Geoffrey A. Moore 在 1991 年提出 由于創(chuàng)新者和早期接受者的決策基礎(chǔ)完全不同，因此這兩類群體之間存在較大的鴻 溝“the Chasm”，跨越此鴻溝后的企業(yè)將會成為行業(yè)標準，進而加速產(chǎn)品的非線性 傳播擴散，他認為早期接受者認為產(chǎn)品將會是具備技術(shù)顛覆性的，而早期多數(shù)則認 為產(chǎn)品應該是改進式的，即對自己的習慣影響不大。因此不同于早期對新技術(shù)的追 求，功能穩(wěn)定的實用型產(chǎn)品會成為新產(chǎn)品進一步提高市占率的重要發(fā)展方向。國內(nèi)新能源汽車滲透率超 30%，為進一步提升滲透率，后續(xù)產(chǎn)品將圍繞解決早期產(chǎn) 品痛點。根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2022 年 1-11 月，我國新能車國內(nèi)新能車滲透率由 18.3% 逐步提升至 35.8%，其中純電車型滲透率由 13.38%提升至 27.73%，目前階段位于加 速滲透階段（5%-50%）中間點，根據(jù)創(chuàng)新擴散理論，新能源汽車作為新產(chǎn)品已經(jīng)被 國內(nèi)創(chuàng)新者和早期接受者（合計占人群比例約 16%）群體中廣泛接受，現(xiàn)階段需要 吸引 Early Majority 群體做出購買決策，跨越早期接受者和早期多數(shù)之間的“鴻溝”。 為進一步提升早期產(chǎn)品的實用性，車企應圍繞車輛基礎(chǔ)功能進行“非連續(xù)創(chuàng)新”。續(xù) 航里程和補能速度是早期產(chǎn)品面臨的兩大痛點，目前續(xù)航里程通過提高能量密度的問題已經(jīng)解決，通過快充功能提高補能速度的趨勢成為車企發(fā)力方向。1.2.車企近年陸續(xù)發(fā)布快充平臺快充車型自 2021 年以來陸續(xù)發(fā)布，2022-2023 年迎大規(guī)模量產(chǎn)。目前已搭載 800V 快充的車型超過 7 款，作為業(yè)內(nèi)最早采用 800V 高電壓平臺的車型，海外車企保時 捷早在 2019 年即推出 800V 車型 taycan,最大充電功率達 270kW，可在 22.5 分鐘將 93.4kWh 電池電量由 5%充至 80%；同年廣汽 Aion V Plus 上市，現(xiàn)代 Ioniq5 于 2021 年在海外首發(fā)上市，預計 2023 年在國內(nèi)量產(chǎn)交付，其他車企高壓快充車型發(fā)布及量 產(chǎn)主要集中在 2022-2023 年。極狐阿爾法 S Hi 版 2022 年 5 月上市，小鵬 G9 2022 年 9 月上市，小鵬 G9 配備三元鋰電池，續(xù)航里程超過 700km。在充電方面，采用 800V 高壓快充技術(shù)，充電 5 分鐘，續(xù)航 200km。路特斯基于 EPA 平臺打造的 800V 快充車型 eletre 于 2022 年 10 月正式上市，奧迪 GS e-tron GT 于 2022 年底上市。提高充電電壓可以大幅節(jié)省充電時間。同時有通過提升電流加快充電時間的大電流 方案，此方案對于充電槍、線纜以及電池核心部件等會產(chǎn)生較高的熱損失，目前主 流充電槍的最大電流限制 500A，所能達到的充電功率大約為 200kW，目前車企普 遍使用 400V 電壓系統(tǒng)，250A 電流，達到 100kW 的充電功率，按單車帶電量 50kWh 計算，電池由 30%SOC 充電至 80%SOC 需要 30 分鐘，800V 高壓可以達到 300- 500kW 的充電功率，僅需 6-10 分鐘就能迅速補能。依靠提升電流提高功率的路徑 存在上限，因此多數(shù)企業(yè)選擇通過提高電壓提高充電功率。海外高壓快充車型上市后次年銷量攀升明顯。根據(jù)保時捷 taycan 全球銷量數(shù)據(jù)，在 2019 年量產(chǎn)上市后 2020 年銷量逐季增加，2021 年，保時捷總銷量 301915 臺，同比 增長 11%，其中 Taycan 家族全球銷量 41296 輛，同比增長 106%，占整體銷量 13.7%。 現(xiàn)代 Ioniq5 在 2021 年 4 月上市后當年銷量約 65906 臺，截止 2022 年 11 月，此車 型全球銷量 89416 臺，在北美補貼法案之外仍保持正增長。國內(nèi)快充車型于 2022 年集中量產(chǎn)上市，預計 2023 年銷售開啟放量。廣汽埃安 V 是 國內(nèi)較早發(fā)布量產(chǎn) 800V 快充的車型，2020 年埃安 V 批發(fā)銷量 11173 輛，2021 年 15825 輛，同比增長 41.63%，2022 年截止 11 月批發(fā)銷量 30097 輛，同比增長 118%。 其他車型預計將于 2023 年開啟放量。預計 2023-2025 年國內(nèi)快充車型在整體新能源汽車滲透率達 7.34%/13.95%/16.22%。 根據(jù)創(chuàng)新擴散理論，30%滲透率后解決現(xiàn)有產(chǎn)品痛點的具備實用特性的產(chǎn)品有望進 一步提高電動化滲透率。根據(jù)現(xiàn)有車型及售價，預計國內(nèi)快充車型主要為 B/C 級車， 由于 B 級電動化滲透率加速時間點早于其他車型，C 級車型對性能指標要求更高， 因此配備快充功能的車型占比更高，預計 B 級快充車型 2023-2025 年占 B 級電動車 比例為 30%/60%/80%；C 級快充車型 2023-2025 年占 C 級電動車比例為 60%/100%/100%.據(jù)此 2023-2025 年快充車型銷量為 67.2/165/228 萬輛，在中國整體 新能車中滲透率分別為 7.34%/13.95%/16.22%。2.基礎(chǔ)設(shè)施充電樁先行
2.1.車企為推快充車型率先自建充電樁國內(nèi)車樁比提升但公共直流充電樁保有量仍較低。跟據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，新能源 汽車充電車樁比達到3：1 時可以基本滿足新能源車充電需求。截至 2022 年 H1，我 國公共充電樁保有量152.8萬臺，其中直流充電樁 66.5 萬臺、交流充電樁 86.3 萬 臺。到 2022 年中預計新能源車保有量約1001萬輛，公樁車樁比為 6：1，截止 2022H1 中國私樁保有量為 239 萬臺，私樁車樁比為4.18：1，隨著新能車滲透率快速提升， 2022H1 整體車樁比為 2.46：1。車企選擇自建快充樁以支持旗下快充車型銷售。支持快充的車型充電峰值功率基本 在 200kW 以上，目前國內(nèi)公共直流充電樁的最大功率基本僅支持 120kW，快充車 輛在使用現(xiàn)有公共直流快充樁充電也僅能將充電樁功率發(fā)揮至最大，無法發(fā)揮快充 車型的充電速率優(yōu)勢。針對充電布局，2022 年 Q3，小鵬針對 G9 訂單前 10 名城市， 集中建設(shè) S4 超快充站點，到 2023 年，將在重點城市，核心高速沿線上用 S4 場站 提供補能，預計到 2025 年，除當前的 1000 座自營充電站之外，有望再建設(shè) 2000 個 小鵬超快充站，目前單個站點配備 4 個快充樁，功率 480kW 在不同樁之間進行智能 分配。廣汽埃安 2021 年發(fā)布最高充電功率為 480kW 的快充樁，預計到 2025 年，將 會在全國 300 個城市建設(shè) 2000 座超充站。蔚來在 12 月正式發(fā)布了 500kW 超快充 樁，最大電流 660A，支持大功率充電，400V 車型最快僅 20 分鐘，800V 車型最快 12 分鐘從 10%充至 80%。2.2.液冷充電槍滲透率有望提升液冷是解決大功率充電的優(yōu)異方案。大功率充電樁電源的設(shè)計和生產(chǎn)國內(nèi)外已不存 在技術(shù)問題，需要解決由大功率充電樁電源到充電槍的線纜連接。國內(nèi)和歐洲標準 直流充電槍連接的電纜主要有 35 平方毫米軟體導線和 50 平方毫米軟體導線，分別 可承載 125A 及 160A 電流，若將充電功率提升至 240kW-360kW，在充電電壓 400V800V 條件下，需要承載的電流為 300A-600A，使用目前線徑電纜會出現(xiàn)溫度過高損害充電裝置的電子元件導致無法工作的問題，嚴重時會產(chǎn)生起火事故，而加大線纜 線徑理論可行，但實際中因為加大軟體導線截面，會導致體積過大而不符合人體工 程。現(xiàn)有《電動汽車傳導充電用連接裝置》（GB/T 20234—2015）定義的最大充電電 流等級為 250 A，主要原因在于超過 250A 后更大的截面積的導體重量無法在實際操 作中應用。液冷是一種解決此問題的優(yōu)異方案，通過對線纜的軟體導線和歐標直流 充電槍插孔式液冷段子通入循環(huán)流動的冷卻液，軟體導線和插孔式液冷端子在充電 過程中產(chǎn)生的熱即可由循環(huán)流動的冷卻液帶走，同時線纜的體積較干式電纜不會增 大，可以滿足人體工程的要求。我國高功率快充樁滲透率仍較低。2021 年充電樁運營商中特來電、星星充電、國家 電網(wǎng)分別以 23.9%、21.9%、21.3%市占率位居前三。從 2022 年國網(wǎng)快充樁招標結(jié)構(gòu) 來看，80kW 和 160kW 功率充電樁占主要份額，其中 240kW 及以上功率充電樁占 比僅為 5%，我國高功率快充樁滲透率仍較低。液冷充電槍線成本占比較高，快充電樁 2025 年迎千億市場空間。根據(jù)公開信息，充 電樁均價約為 0.4 元/W，推算 240kW 快充樁價格約 9.6 萬元，根據(jù)日豐股份發(fā)布會中的液冷充電槍線價格 2 萬元/套，推算液冷充電槍成本約占充電樁成本 21%，成為 僅次于充電模塊的成本最高組件。預計隨著新能源快充車型保有量提升，2025 年我 國高功率快充樁市場空間約 1334 億元。3.不同車企升壓方案下三電系統(tǒng)變化存在差異
3.1.全車800V方案成技術(shù)趨勢，目前升壓方案各有差異汽車電氣架構(gòu)主要涉及包括電驅(qū)、電控、電池在內(nèi)的三電系統(tǒng)。通過充電接口，交 流電經(jīng)過車載充電機（OBC）轉(zhuǎn)化為直流電，通過電源分配單元（PDU）將電分配 給電池或通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓給其他車身電器設(shè)備用電，電池電源進一步通過 電機控制器（MCU）驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化成機械能。從 400V 過渡到 800V 的高壓架構(gòu)，通常有 6 種不同方案。主要有兩種設(shè)計思路：第一種是將電池系統(tǒng)設(shè)計成能同時滿足 400V 和 800V 的電池系統(tǒng)，其他部件選擇 400V 或 800V；第二種使用升壓模塊外搭電氣電路進行升壓。通過串聯(lián) 400V 電池 進行升壓的方案，動力電池需要特殊設(shè)計，難點在于電池并環(huán)流的潛在問題。串聯(lián) 兩個 400V 電池，其余部件全系 800V，通過改變電池的設(shè)計，400V 和 800V 靈活輸 出，或通過新增切換繼電器靈活輸出 400V 和 800V。若新增升壓模塊外搭電氣電路， 即將電池設(shè)計為 800V，其余部件不改動，整車的交流充電、電驅(qū)、高壓部件均為 400V，新增 400V-800V 的 DCDC 兼容 400V 直流充電?；蛘咚懈邏翰考鶠?800V， 采用驅(qū)動復用方案，不需要增加額外的 DCDC。比亞迪和現(xiàn)代 E-GMP 平臺采用 Boost 升壓電路升壓，不需要額外的升壓模塊，車載部件全系 800V，電驅(qū)升壓兼容 400V。 由于充電過程中，不需要驅(qū)動，比亞迪采用復用后橋電機控制器中的功率器件的模 式，用在 400V-800 升壓 DCDC 中，可以在 300-750V 電壓范圍內(nèi)進行直流快充。目前車企主要采用增加 DCDC 升壓或驅(qū)動復用升壓方案。由于通過并聯(lián) 400V 電池 形成靈活輸出 400V 和 800V 需要對電池進行重新設(shè)計，新增繼電器等元器件，因此 車企主要采用新增 DCDC 升壓模塊或利用 Boost 電路升壓，通過外接 800V 儲能電 容，兼容 400V 充電設(shè)施。比亞迪和現(xiàn)代采用驅(qū)動升壓方案，現(xiàn)代高壓車型 Ioniq5 電氣架構(gòu)采用后驅(qū)五合一，將車載電源和永磁同步電機集成在一起，通過動力電機 逆變器將 400V 升壓至 800V。保時捷主要新增高壓轉(zhuǎn)換器，核心是充電泵，外部的 直流電壓輸入以后，進入主 EMI 的濾波器，然后連接直流電容，配合 IGBT 模塊（開 關(guān)和二極管）后可以進行升壓動作。從電氣架構(gòu)選擇角度，800V 電機匹配 800V 逆變器有助于提高電轉(zhuǎn)化效率。800V 電機可以提高電機功率密度，800V 逆變器搭配 800 V 電機效率最高。從電機角度 看，800V 電機存在強機械應力和設(shè)計復雜性增加的劣勢，但電磁性能得到改善， 800V 電機有利于提高電機功率密度。從逆變器的角度來看，在 800V 電池和 800V 電機之間使用的逆變器將具有更高的效率、更好的 THD、更低的直流支撐電容器尺 寸和成本。與之相對，運行 400 V 電機的 800 V 逆變器具有最高的總傳導損耗、 最高的開關(guān)損耗和最高的總功率損耗。由于相電流減半，運行 800V 電機的 800V 逆變器的最低傳導損耗。根據(jù)不同逆變器對輸入電容器的要求，驅(qū)動 800V 電機的 800V 逆變器需要最少的電容來執(zhí)行相同的濾波效果。車載電源集成化趨勢和大功率高頻率趨勢疊加。車載電源供應商主要配合車企進行 產(chǎn)品配套研發(fā)，產(chǎn)品體積空間、設(shè)計、性能指標定制化屬性較強，近年來隨著車企 輕量化、大功率、高頻率要求的提升，車載電源逐步從分立器件向二合一、三合一 及與驅(qū)動集成為五合一的集成產(chǎn)品發(fā)展。集成產(chǎn)品較單獨車載電源單車價值量有所 下降，但車型電氣架構(gòu)提升至 800V 高壓后，集成產(chǎn)品的單車價值量較分立器件和 低壓集成產(chǎn)品均有所提高，按此前假設(shè) 800V 車型滲透率 2023-2025 年分別為 7.34%/13.95%/16.22%，預計 2023-2025 年車載電源市場空間為 263 億/337 億/460 億 元。半導體器件、電阻電容、磁性元件為影響車載電源性能的主要原材料。車載電源中 OBC 典型線路結(jié)構(gòu)是由 PFC 和 DC/DC 組成，其中半導體器件、五金結(jié)構(gòu)件、電阻 電容、磁性元件為主要的成本構(gòu)成，分別占比為 23%、18%、16%、13%。其前級 PFC 線 路 和 后 級 DC/DC 輸出線路均會使用碳化硅二極管（拓撲線路中 D1/D2/D3/D4/D5/D6），在 OBC 產(chǎn)品上使用碳化硅功率器件對于提升 OBC 產(chǎn)品的效率、功率密度和質(zhì)量密度提升上發(fā)揮了重要作用。車壓平臺提升后，車載電源的半 導體器件變化較大，配合目前 OBC 從單相 220V 到三相 380V 的發(fā)展趨勢，PFC 輸 出級的電壓會相應提高到 600V 以上，需選用 1200V 系列的 SiC MOS 材料，而傳統(tǒng) 硅基 IGBT，車壓平臺在 450V 時 IGBT 耐壓強度僅為 650V，若升級至 800V，DC/DC 次級器件會從目前的 650V 二極管轉(zhuǎn)變成 1200V 的相關(guān)產(chǎn)品。800V OBC 和 DC/DC 升壓模塊的變化主要體現(xiàn)在半導體功率器件。車載變壓模塊 初級側(cè)開關(guān)所需的最小額定電壓為 800 V，考慮 50%的安全裕度，應在初級側(cè)使用 具有 1.2-kV 額定電壓的開關(guān)，但阻斷電壓高于 900V 的硅 MOSFET 價格昂貴且導 通電阻高，會導致較高的傳導損耗，因此會選擇碳化硅 MOSFET 或 IGBT。根據(jù)高 功率密度的要求，開關(guān)頻率達 100kHz 以上可以降低無源元件如變壓器和電容器的 尺寸，而 IGBT 不適合在高于 20kHz 的頻率下運行，但 SiC MOSFET 具有較低的開 關(guān)損耗，且在使用 SiC MOSFET 的 DC/DC 輸出功率由 1.3 kW 增加到 2kW 時，與 400V APU 相比，800V APU 的總功率損耗更小。3.2.電子元器件耐壓強度及安全要求相應提升激勵熔斷器滲透率提升。熔斷器在新能源汽車中主要起電路過流保護作用，通常分 為低壓保護區(qū)域和高壓保護區(qū)，低壓保護區(qū)主要用在燈光、雨刷器、喇叭等線路中， 單車用量約 2-3 只，單只價值量較低；高壓保護區(qū)主要是車載電源及電機控制器、 空調(diào)、PTC 等回路，其中主回路用量 2-3 只，輔助回路用量 3-5 只，主要為電力熔 斷器，單只價值約 15-60 元。800V 電壓平臺車型的熔斷器在絕緣、耐壓等級等方面 需求均有提升，新型激勵熔斷器作為有主動斷開功能的熔斷器滲透率有望提升。激 勵熔斷器主要通過接收控制信號激發(fā)保護動作，不必須承載過電流，因此可以有效 提高整車安全性，激勵熔斷器單只價值量約為電力熔斷器的 1.5-5 倍，若單只替換 升級單車價值量提升約 46%。直流接觸器需要提升額定絕緣電壓及最高運行電壓。新能車在電池系統(tǒng)和逆變器之 間配置直流接觸器，當系統(tǒng)運行時起連接作用，連接電源與負載，其技術(shù)指標為約定發(fā)熱電流；當系統(tǒng)停止運行后起到隔離作用，其重要技術(shù)指標為額定絕緣電壓； 當車輛關(guān)閉或發(fā)生故障時，能安全的將儲能系統(tǒng)從車輛電氣系統(tǒng)中分離，起到分斷 電路的作用，主要指標為最高運行電壓。高壓接觸器在新能源汽車上的應用根據(jù)車 型及動力系統(tǒng)的不同，單車用量有所差異，每臺新能源乘用車約 4-6 只，商用車 4- 8 只，一般包括 2 只主接觸器、1 只預充接觸器、2 只快充接觸器、2 只普通充電接 觸器和 1 只高壓系統(tǒng)輔助設(shè)備接觸器；高壓接觸器在充電樁中通常配備 2-4 只，包 括充電主線路切斷用接觸器與放電保護接觸器；根據(jù)國力股份招股書，新能源乘用 車用高壓接觸器單只均價約為 115 元，推算單車價值量為 460-700 元左右。800V 電 壓平臺接觸器的額定開關(guān)負載超過 400 安培，根據(jù)經(jīng)銷商調(diào)研數(shù)據(jù)，單只售價約為 400-700 元，若升級 2 只主回路接觸器，單車價值量約為 1145 元，較原來單車價值 量提升約 63.5%。4.快充功能給電池壽命和安全帶來挑戰(zhàn)
4.1.快充對電池負極提出挑戰(zhàn)由于充電電壓提升至 800V-1000V，充電功率和充電倍率提升可能會造成負極產(chǎn)生 析鋰效應。通常 800V 車型的電池充電倍率為 4C-6C，充電倍率提升后，快充電池 可能會出現(xiàn)析鋰效應，主要短板在負極。根據(jù) Thomas Waldmann 等人的研究，當荷 電狀態(tài)（SOC）和充電電流密度越大，測試溫度越低，石墨負極的電位就會越負， 負極表面的鋰沉積副反應也越容易發(fā)生。析鋰效應的主要誘因是負極嵌鋰空間不足、 Li+嵌入負極阻力太大、Li+過快的從正極脫嵌但無法等量的嵌入負極等。鋰離子在 負極內(nèi)的擴散速率、負極界面處電解質(zhì)的濃度梯度、電極/電解質(zhì)界面的副反應等因 素均會影響電池的析鋰效應。當鋰離子電池在更高溫度下（＞45 ℃），以較高電流 倍率（≥1 C）進行充放電循環(huán)時，常常觀察到金屬鋰僅沉積在負極表面局部區(qū)域。析鋰反應會造成電池容量衰減，由此帶來電池壽命縮短。由于負極嵌鋰空間不足、 Li+嵌入負極阻力太大、Li+過快的從正極脫嵌但無法等量的嵌入負極，形成的金屬 鋰隨機分布在負極和隔膜表面，并與電解液反應生成較厚的 SEI 膜。Ansean 等研究 發(fā)現(xiàn)， SEI 膜的生長堵塞了負極活性材料之間的孔隙，使負極嵌鋰過程的動力學變 慢，加快了鋰沉積副反應。在這個過程中，電解液不斷被消耗，束縛在 SEI 膜中的 鋰和沉積在負極表面的金屬鋰越來越多，使容量衰減速率越來越快。析鋰效應帶來電池熱失控，造成安全隱患。熱失控主要是由于負極表面堆積的鋰枝 晶持續(xù)生長可能會刺破隔膜，造成內(nèi)部短路或沉積在負極表面的鋰與電解液發(fā)生反 應，釋放大量熱量，當溫度持續(xù)升高，電解液分解產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)部壓力不斷 上升，最終引起電池放氣和金屬鋰融化。在該過程中，空氣中的水和氧氣與金屬鋰 發(fā)生劇烈的反應，導致燃燒甚至爆炸。4.2.負極可通過改變形貌或組分進行改性快充需要加強鋰離子在電極材料中的遷移和擴散速率，解決鋰離子在電解質(zhì)和相界 面處的傳輸問題。由于石墨是層狀排布的二維結(jié)構(gòu)材料，且石墨層間距較小 （0.335nm），因此鋰離子在垂直于石墨片層方向的遷移和擴散系數(shù)低于邊緣平面。 這個特性會影響電池的倍率性能，因此基于快充需求的負極材料需要調(diào)控鋰離子在 石墨晶格中的固相擴散。具體又分為兩種策略：強化單一相擴散和增強界面動力學， 旨在提高鋰離子和石墨顆粒內(nèi)部或電解液中的擴散能力和在 SEI 膜界面的遷移能力。 通過微觀形貌和結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計，可以增強石墨與鋰離子反應的活性位點，從而增 強電子傳輸，提高快充性能。單采用針狀焦制備的一次顆粒負極材料在電化學性能 方面仍存在一定缺陷，二次造?？蓛?yōu)化石墨形貌。容量較高的人造石墨負極主要使 用針狀焦為原材料，王鄧軍等以煤系針狀焦為原料,經(jīng)破碎、石墨化得到一次顆粒負 極材料,其首次庫倫效率為 84%。雖然以針狀焦為原料的一次顆粒負極材料具有較高 的容量,但由于針狀焦特有的流線型纖維結(jié)構(gòu)使其在各個方向上的取向度不同,單采 用針狀焦制備的一次顆粒負極材料在電化學性能方面仍存在一定缺陷,容易造成電 池膨脹,且倍率性能一般,存在首次庫倫效率較低等問題。為提高鋰離子在固體電解 質(zhì)界面（SEI）膜的遷移能力，從負極材料著手，通過造粒、二次造粒改變石墨本身 的形貌以優(yōu)化鋰離子在負極的擴散效率是比較主流的方法，粒徑大的石墨比表面積 小，因而較少與電解液形成副反應，但是大粒徑石墨對于鋰離子嵌入的活性位點和 擴散通道較少，倍率性能較差，Zhang 等將不同粒徑的石墨進行混合級配，發(fā)現(xiàn)加 入小顆粒石墨后電池的內(nèi)阻減小，比容量升高。對石墨的粒徑水平和粒徑分布進行 合理的設(shè)計，是獲得高性能石墨負極材料的關(guān)鍵。二次造粒可增加負極材料的各向 同性,從而改善電池的首次庫倫效率和倍率性能。球形化處理是目前工業(yè)上常用的改 性方式，片狀石墨的球形處理可以減輕石墨的各向異性，在不增大比表面積的同時 增加活性嵌入位點。和硬碳摻混合成材料能有效改善負極快充性能。美國密歇根大學的 Kuan-Hung Chen 等人通過石墨與硬碳混合的方式，顯著提升了負極的快速充電能力，在 4C 和 6C 倍 率下循環(huán) 500 次后，容量保持率仍然可達 87%和 82%。硬碳材料作為一種非石墨化 的碳材料，具有高度無序的碳層結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn) Li+的快速嵌入，但由于硬碳的真 密度較低，僅 1.6g /cm3，石墨為 2.2g/cm3，存在庫倫效率低等劣勢，因此將石墨 和硬碳摻混作為負極材料，可能會取得較好測試結(jié)果。Kuan-Hung Chen 等人發(fā)現(xiàn)純 硬碳在 4C 快充倍率下循環(huán)性能最佳，100 次循環(huán)后容量保持率約為 96%，純石墨 負極和含有 25%硬碳的負極在循環(huán)后都出現(xiàn)了顯著的析鋰現(xiàn)象，電極表面覆蓋了一 層銀白色的金屬鋰，但硬碳的摻混比例過高也會導致電池能量密度降低，KuanHung Chen 的研究表明通過在石墨負極中混入約 50%的硬碳能夠顯著降低過充條 件下石墨負極表面的電流密度，且在 500 次循環(huán)后 50%石墨+50%硬碳的負極能量 密度最高。硅基負極可以有效提高電池的快充性能。硅材料是目前已知的擁有最高理論比容量 的負極材料，相比目前主流的石墨負極材料，硅基負極材料有 2 大優(yōu)勢：單位容量 高，儲量豐富。硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在更適配快充負極。硅基負極 主要在負極中摻硅，但由于硅的體積膨脹容易導致電池發(fā)生形變爆炸，因此用硅的 氧化物 SiOx 取代 Si，是目前硅基負極材料的重要研究方向之一。SiOx 并非由單一 相組成，而是由許多均勻分布的納米級 Si 團簇、SiO2 團簇以及介于 Si/SiO2 兩相界 面之間的 SiOx 過渡相組成，通過提高 SiOx 中的 x 值，可增加在充放電時生成不可 逆 Li2O 相，同時動力學加快，體積膨脹產(chǎn)生的應力得到有效釋放，從而實現(xiàn)更小的 體積膨脹。硅體積易膨脹，氧化亞硅首效低。硅在充放電時，由于硅晶體是正四面體結(jié)構(gòu)（石 墨是層狀結(jié)構(gòu)），所以更容易膨脹，膨脹率可達到 300%。這會讓電池變得更加不穩(wěn) 定。硅充放電過程中體積膨脹收縮變化達 320%（石墨僅 12%），會產(chǎn)生較大的機械應力，多次循環(huán)后硅顆粒會發(fā)生斷裂和粉化，造成負極失效。相較于單質(zhì)硅顆粒， 氧化亞硅（SiOx）在鋰嵌入過程中發(fā)生的體積膨脹較小，因此相對純硅負極，其循 環(huán)穩(wěn)定性有較為明顯改善，但是氧化亞硅負極在充放電過程中會生產(chǎn) Li2O 等非活 性物質(zhì)，導致 SiOx 材料首次效率較低。硅負極主要采用摻雜的方式加入到人造石墨中，同時加入導電劑。納米化無法解決 導電率低的問題，主流技術(shù)路線為硅碳和硅氧，硅碳負極是指納米硅與石墨材料混 合，硅氧負極則采用氧化亞硅與石墨材料復合。瑞士保羅謝爾研究所電化學實驗室 Sigita Trabesinger 教授研究了不同充電倍率下石墨硅共混物的充電性能及行為，結(jié) 果表明，阻抗隨著硅含量的增加而顯著增加，活性材料共混物中硅組分所產(chǎn)生的附 加電阻會阻礙快速充電，而致密的電極涂層和較高的導電添加劑的含量可以改善硅 基負極的快充性能。應對硅基負極局限性的主要技術(shù)包括硅納米化，預補鋰及對粘結(jié)劑添加劑的改進。 SiOx 材料目前主要存在兩個問題：首次庫侖效率低和循環(huán)性能的衰減。前者目前較 為實際的解決辦法主要是通過向添加少量的 Li 源，在充電的過程中利用這部分額外 的 Li 補充首次充電過程中不可逆的 Li 消耗，以達到提升鋰離子電池首次效率的目 的；后者主要是通過碳包覆與 SiOx 納米化來緩沖體積膨脹，提升循環(huán)穩(wěn)定性。高比容量 4680 量產(chǎn)打開硅基負極應用空間。預計具備大電流快充功能的 4680 電池 采用了高鎳正極，需要使用比容量更高的硅負極與之匹配，最大限度的提升電池整 體能量密度，其次，4680 圓柱形的體積相較于方形和軟包結(jié)構(gòu)，更容易控制硅負極 的體積膨脹。特斯拉在 2022 年 2 月份宣布已生產(chǎn)了 100 萬塊 4680 電池，預計 4680 電池會在 2022 年出貨，在 2023 年迎來放量，帶動硅負極增長。據(jù) Electric Vehicle Database，一輛Model Y的電池容量是75kWh，一輛Cybertruck的電池容量是250kWh， 一輛 Semi 的電池容量是 500kWh。2022 年 4680 電池產(chǎn)量的需求約 75GWh，2030 年 4680 電池產(chǎn)量的需求約 3160GWh（3.16TWh），較 2022 年增長約 4113%。預計 2023 年 4680 電池硅基負極需求約 5.3 萬噸。隨著快充電池及高能量密度電池 的發(fā)展要求，硅碳負極（SiOx-C）的摻混量預計從 10%提升到 15%，保守按 10%摻 硅比例計算，1GWh 的電池消耗約 750 噸的硅基負極材料，預計 2023 年硅基負極需 求量約 5.3 萬噸，2025 年硅基負極需求量約 15 萬噸。4.3.電解液體系影響快充電池及負極性能電解液影響負極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及 SEI 膜等結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)電解液體系是提高電池快充性能 的有效策略。在低濃電解液中，鋰離子被大量溶劑溶解，形成鋰離子溶劑化鞘層， 在鋰離子嵌入負極時易形成溶劑分子共嵌入，石墨層間微弱的范德華力難以在溶劑 分子共嵌入后維持石墨片層結(jié)構(gòu)；同時電解液中的添加劑和鋰鹽同鋰離子形成 SEI 膜，不同的添加劑及鋰鹽體系影響 SEI 膜的成膜，從而影響電池的循環(huán)壽命和倍率 性能，因此調(diào)節(jié)電解液是提高電池快充性能的有效策略。 溶劑和鋰鹽選擇對快充性能影響較大。溶劑的選擇是影響去溶劑化動力學速率的關(guān) 鍵因素，Okoshi 等計算了鋰、鈉、鉀和鎂等離子在 27 種不同溶劑中的去溶劑化能 壘，發(fā)現(xiàn)鋰離子在不同溶劑中的去溶劑化勢壘磷酸三甲酯和二腈最高；在鋰鹽選擇 中，含雙氟磺酰亞胺鋰鹽(LiFSI)的電解液具有比含其他鋰鹽電解液更高的電導率， 在 LiPF6 基電解液中添加少量雙草酸硼酸鋰(LiBOB)，可以建立更為穩(wěn)定的 SEI 膜， 研究為產(chǎn)業(yè)化配方提供了重要參考。添加劑體系中適當含量 FEC 有助于負極成膜。Son 等對比了氟代乙酸酯(FEC)和碳 酸亞乙烯酯(VC)添加劑對全電池體系中石墨負極大電流充放電時析鋰情況的影響， 發(fā)現(xiàn)適當含量 FEC 的加入有助于在石墨陽極上形成理想的 SEI 膜，從而有助與提升 石墨的快充性能。（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息，請參閱報告原文。）精選報告來源：【未來智庫】「鏈接」
