【银河电新周然团队】4680大圆柱专题报告之九:CTC结合一体化压
来源:未知 点击: 发布时间:2022-09-22 09:07

  CTC是“Cell to Chassis”的缩写,直译就是“将电池放到底盘之中”,CTC工艺一方面降低了电池电芯以外的部件体积,另一方面充分利用了电池对车身的结构支撑作用,减少了车身零件数量和整体重量,从而节省了成本。

  CTC是电池组装工艺发展的重要方向。对下游整车厂而言,CTC与传统车厂推崇的底盘平台化的核心逻辑是相通的,即通过强化底盘总成的集成度,来达到降本增效的目的。对中游电池厂而言,MTP到CTC是一个持续提高能量密度的过程,在强度可靠的前提下逐步减少机械件的占比,从而提高能量密度,降低单位电量的成本。另外,CTC技术对于热管理提出了更高要求,而掌握领先技术优势的电池厂商将从中受益。

  资料来源:电动势,《.CTC集成技术在电动汽车电池布置中的应用》,中国银河证券研究院

  4680 电池运用CTC工艺具有先天优势。首先,CTC对电池的结构强度有一定的要求,电池本身要承担相当的机械强度,相较于1865和2170,4680单体电池结构强度更高,且外壳一般采用不锈钢材质。其次,对比方壳电池,圆柱电池的布局会更灵活,能适应各种不同的底盘,再结合全极耳高能量密度高充放功率的优势,未来在HEV和PHEV领域的潜力也很大。

  特斯拉拥有CTC电池系统专利《INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM》。特斯拉CTC 4680系统将电池正极朝上、从车身横向布置,侧面冷却,最后进行胶粘剂填充。系统下箱体采用蜂窝状结构,一方面起到热阻隔功能,另一方面吸收并分散来自车辆底部的撞击能量,降低电芯损坏风险。蛇形冷却管为结构胶的交叉流通提供了通道,且起到了对于电芯的限位作用,以应对惯性冲击和震动载荷。包裹在电芯四周的结构胶也有定位和约束的作用。4680电芯的钢壳是不带电的,不需要额外增加绝缘材料。电子器件基本都集中在电芯侧面,与蛇形冷却板平行;而泄压阀布置在电池Pack纵向的外侧。

  CTC工艺是由特斯拉在2020年率先提出,目前主机厂商方面,特斯拉、零跑、比亚迪已经发布了应用CTC技术的最新车型,并且预计年内正式上线。宁德时代明确表示将配合特斯拉开发适合CTC的电池产品,此外,大众、一汽大众、LG化学及吉利、沃尔沃也有布局CTC的意向。

  一体化压铸是指通过大吨位压铸机,将多个单独、分散零部件高度集成,再一次成型压铸为1-2个大型铸件,从而替代多个零部件先冲压再焊接的传统汽车制造方式。一体化压铸的优势明显:1)减轻重量:有助于轻量化的实现,根据特斯拉电池日公布数据,Model Y后地板总成采用一体压铸后,重量降低了30%;2)提高效率:可以省掉大部分生产工序,采用该技术的Model Y后车架的制造时间从1-2小时缩短至不到2分钟;3)降低成本:可以降低生产、土地、人工等成本,特斯拉应用一体化压铸的后地板,制造成本下降了40%。

  特斯拉4680装载车型使用CTC一体化压铸技术生产汽车底盘。特斯拉的开创性在于将一体化压铸的应用范围从较小的零部件拓展到了体积超大的结构件,并且实现了规模化量产。Model Y是其首款使用CTC一体压铸结构件的车型,对后底板位置进行零件整合压铸:溶解状态的铝水被注入到模具中,在6000吨的压力下成型,直接变成一体式Model Y车身后底板,然后组装在整车上。在未来的车型中,特斯拉会将车身地板与电池上盖合二为一,铝合金减震将采用高压真空压铸。特斯拉的引领下,越来越多的主机厂采用压铸一体化技术。

  一体化压铸虽然在高压铸造形式上较为简单,但其工艺设计极为复杂,压铸件增大后,工艺难度呈指数型增长。难点主要体现在以下几个方面:1)冲型问题。流动通道越复杂,边角结构越多,造成紊流,导致在冲型过程中无法良好填充,会导致内部严重的缺陷,还包括有杂质和氧化皮的风险;2)排气问题。通过改良压铸设备设计(真空技术和使用惰性气体)可减少浇筑气体,但成本较高;3)热胀冷缩问题。大零件的冷缩过程可能导致没有足够的液态金属缩补而产生缺陷,另外要防止热孤岛问题;4)尺寸问题。冷却后有形变,形变量很难预测和控制。所以,一体化压铸使用的材料需要具备高强高韧、热固性质和均匀性良好的特性,目前铝合金材料是首选。

  除此之外,一体化压铸还面临诸多挑战:1)前期投入及定制化问题。在工厂里布置大吨位压铸机,需要重新规划产线。由于是一体成型,导致通用性较差,只能应用于特定车型。如果对应的车型销量不佳,配套设备的高昂成本就无法分摊;2)综合成本问题。除了压铸机,还有压铸模具、熔炼炉、喷涂设备、拾取设备、冷却设备、修边机、输送带、油温机、高真空设备等。这些周边设备和压铸机组成一个压铸岛,维持整个压铸岛运转的成本较高;3)后期维修问题。一体成型的车架一旦遭遇碰撞后很难维修,可能直接报废。

  压铸机是一体化压铸制造过程中最重要的生产设备。特斯拉使用的巨型压铸机长19.5米、高5.3米、重达410吨,合模力达6000吨,用于压铸特斯拉model Y组件。该设备来自IDRA公司,其为全球有色金属压铸机历史最悠久的制造商之一,是中国力劲集团的全资子公司。

  资料来源:各公司官网,有色资讯网,铸造头条,新京报,爱卡汽车,中国银河证券研究院

  消费电池业务多点开花。多重因素推动消费电池高增长:1)电子烟领域,公司为国内外知名电子雾化器企业提供小型软包电池,参股电子雾化设备龙头思摩尔国际。2021年政府强化了对电子烟市场的管控,小企业或将逐步出清,有利于公司发挥头部企业优势;2)TWS耳机市场正高速增长,公司研发的豆式电池体积小,能量密度高;3)电动工具无绳化趋势明显,公司在制造和规模上均有优势;4)物联网设备数量快速增加。

  动力电池业务盈利改善。公司今年动力电池放量较快,主要客户有小鹏、东风、广汽、现代起亚及戴姆勒、宝马、捷豹路虎、博世等国内外头部车企。公司动力电池市场份额由2021年的1.6%提升至2022年7月的2%。随着哪吒和广汽销量快速增长,动力电池有望快速放量。今年一季度公司与客户达成了成本加成的价格联动机制,盈利能力在持续改善中。战略性率先布局储能市场。公司已经与国内主要电信运营商、通讯设施龙头、多地电网公司在通信储能或电网侧配套等领域开展业务合作,并在家庭储能、工商业储能细分领域积累了一批国内外知名品牌客户。目前,公司是储能市场最主要的参与者之一。

  4680电池年底试产。公司在2018年获得戴姆勒九年长单,2020年拿下宝马方形电池订单,而宝马和戴姆勒均有应用4680趋势。2021年公司宣布与StoreDot联合开发4680和4695两大圆柱电池路线。StoreDot为以色列一家专注于快充的初创公司,对硅负极有独到理解,被戴姆勒6,000万美金投资。公司在荆门规划20GW在建产能,预计2022年四季度建成试产,2023年下半年实现出货,2024年产能将达到40GWh。

  多方位布局保障供应链安全。公司获得大柴旦盐湖(储备29万吨氯化锂资源)37.4%面积的采矿权,将与金昆仑投资建设远期3万吨碳酸锂和氢氧化锂项目。公司分别与川能动力、紫金锂业等设立锂盐合资厂,锁定2024年以后每年91GWh产能供应。子公司亿纬亚洲与永瑞控股、华友钴业等联合在印尼建设红土镍矿湿法冶炼项目。另外,在电池材料方面,亿纬亚洲与贝瑞特、SKI设立合资公司投建约5万吨高镍三元正极材料项目;与德方纳米成立合资公司,计划建设10万吨磷酸铁锂项目;与新宙邦成立合资公司,布局电解液供应。

  产品定位高端。公司是国内锂电正极材料的龙头企业,主要从事钴酸锂、多元材料及锰酸锂等小型锂电、动力锂电正极材料的研发、生产和销售。公司集自主创新、成果转化、产业运营于一体。公司在今年7月召开的新品全球发布会上重磅公布了六款产品。其中,双相复合固态锂电正极材料、固态电解质解决了正极与电解质固固界面难题;新型富锂锰基产品开发进展顺利;新一代钠电正极材料已向国内主流电池生产商送样,客户给予高度评价,产品性能指标优于市场同类产品。

  高镍产品匹配4680圆柱。公司目前主推的NCM、8系、9系产品均已实现批量销售,主要面向海外市场,部分运用在4680圆柱电池上。公司高镍产品出货量大幅增长,占比不断提升。年报显示,公司Ni95产品已完成国际客户验证,超高镍产品Ni98正在开展客户认证工作。高镍及超高镍产品广泛应用于欧美客户的各类动力电池,为特斯拉、宝马、大众、日产、三菱等一批海外高端车企提供配套。

  拥有多项自主知识产权。公司研发投入大,高投入助力专利成果。公司开发了具有自主知识产权的多元素球形前驱体共沉淀技术、正极材料均匀锂化与结晶技术、多元素掺杂协同改性技术、掺杂-包覆改性一步合成技术、微粉级颗粒表(界)面多层次协同修饰技术、前驱体废水梯次利用与综合回收再利用技术等40多项关键技术。

  客户开拓出色,海外基因深远。公司目前是全球唯一一家同时向中、日、韩、欧美高端锂电客户提供高品质锂电正极材料的供应商。全球前十大锂电巨头均是公司客户。公司与核心客户三星SDI、LG化学、SKI等的合作持续深入,动力方面的出货逐渐放量,海外业务占比不断提升。22H1公司锂电材料实现销售收入31.39亿元,占锂电锂电材料总收入的45%。公司海外客户的渗透率远高于其他正极材料企业。随着海外新能源车销量的爆发成为全球主力市场,未来公司海外业务收入的占比有望持续提升,带来超预期的业绩增量。

  产能利用率高,盈利能力强。公司产能利用率连续多年行业领先,均达到94%以上。公司2021年利用率约110%(通过技改和外协实现),远高于可比公司。产能利用率高有利于公司摊薄折旧、人工等刚性成本,维持单吨毛利水平。在全行业受到疫情影响的情况下,公司2021年锂电材料的单吨毛利润达到约3万元/吨,处于行业领先水平。

  天然石墨龙头。公司深耕负极领域20多年。2013年以来,公司负极材料出货量连续7年位列全球第一。22H1公司负极材料销量超过14万吨,实现销售收入63.6亿元,同比增长166%,根据鑫椤资讯统计,中国市场占有率为26%。公司在天然石墨领域具备绝对领先优势,深度绑定松下、LG、三星等海外电池企业。公司加快人造石墨布局,2021年人造石墨市占率达到14%,国内排名第三(江西紫宸20%,杉杉股份17%)。2022年5月,云南大理20万吨负极材料一体化基地项目开工,一期建设5万吨石墨化及10万吨负极成品产能,预计于2023年7月开始投产。印尼“年产8万吨新能源锂电池负极材料一体化项目”正在推进中。此外,公司还在通过合资或自建的方式,不断提升石墨化自给率。

  硅基负极先行者,4680电池技术及超高镍技术进步带来增量。作为国内最早量产硅基负极的企业之一,公司硅基负极配合三星、松下较早实现量产,目前已实现第三代产品迭代。比容量从第一代的650mAh/g提升至第三代的1500mAh/g。公司正在开发更高容量的第四代硅碳负极材料产品。产能方面,公司现有3000吨硅基负极产能,新扩产2000吨/年,预计今年下半年投产,未来将继续扩产4.5万吨硅基负极产品。“高镍+高硅”是最适合4680电池方案,公司在布局硅基和高镍方面全面领先,预计将率先从中受益。

  正极聚焦高镍三元,打造第二增长极。公司完成磷酸铁锂资产及业务转让,坚定聚焦NCA、NCM811为代表的高镍三元正极。公司正极业务增长势头良好。22H1正极材料销量超过1.2万吨,实现营业收入35.3亿元,同比增长123%,占总收入的比例达到约35%。根据鑫椤资讯统计,22H1国内高镍三元材料产量为11.41万吨,公司市占率为12%。公司现有高镍正极材料产能为3.3万吨,与SKI、亿纬锂能合资5万吨三元产线%)。产品配套SKI、松下等大客户,出货确定性高,高镍业务进入收获期。

  研发水平位居行业前列。2017年以来公司研发费用持续增长,累计已达19.07亿元,22H1为5.14亿元,同比增长113%。公司组建了院士、博士后工作站、广州海关化验中心合作实验室,获得了国家企业技术中心等认证,形成了行业领先的自主创新能力。同时,公司也在积极布局前沿技术,包括钠离子电池材料、全固态电解质、锂金属负极、燃料电池材料、石墨烯高导热材料及电池材料回收技术等,寻求在产品及技术开发上的不断突破。

  碳纳米管龙头,单壁碳纳米管量产在即。公司是一家生产销售碳纳米管粉体以及导电浆料的高新技术企业,2021年市占率高达43.4%。自2007年成立以来,在获得清华大学专利授权的基础上,一直专注于CNT碳纳米管在电池材料中的研发和应用。碳纳米管的结构特性决定,相较导电炭黑和石墨烯等材料,具有更加优异的导电性,有助于提高电池的倍率性能和循环寿命。公司拥有多壁碳纳米管、单壁纳米碳管制备的国际专利,是全球一系列碳纳米管材料标准的制定者。公司掌握的纳米聚团流化床宏量制备碳纳米管技术解决了碳纳米管无法连续化宏量制备生成的难题。公司也是最早成功将碳纳米管通过浆料形式导入锂电池的企业之一,推动了碳纳米管在锂电池领域的广泛应用。同时,公司掌握的碳纳米管催化剂制备技术,对未来产品的升级以及顺利投产和量产打下了坚实的基础。2022年7月,公司拟新建产能450吨,生产更加适配4680电池硅基负极的单壁碳纳米管粉体,其中一期项目150吨最早将于2024年建成投产。

  技术储备深厚,产销快速增长。公司覆盖了粉体制造和浆料制造两个环节,通过催化热解法自主生产CNT分体,并且攻克了粉体分散的技术难题,成为了掌握CNT浆料全链条核心技术的公司,其中CNT制备催化剂体系的自主研发又成为公司灵活开发各种不同结构CNT的前提,实现了公司三代产品的开发。通过大量研发分散技术,制备CNT浆料提供给锂电池厂,实现了CNT材料性能的有效利用。根据公司公告,22H1公司实现CNT浆料销售额达9.52亿元,同比增长83.4%,公司拟建CNT导电浆料项目超过11000吨,单壁碳纳米管项目450吨,有望在4680电池中实现添加。以上项目将有效保障公司面对下游需求的供应能力。

  集中服务优质客户,海外市场有望放量。公司客户涵盖CATL、ATL比亚迪、中航锂电、孚能科技、欣旺达等国内一流锂电池生产企业。2019年以来,公司前五大客户销售金额占当期收入的比例约60%左右,集中度相对较高。在海外市场方面,目前公司已经和日韩知名动力锂电池企业共同开发碳纳米管导电浆料在硅基负极中的应用,并且测试情况良好,预计未来将实现大批量供货。在海外市场逐步打开,销售有望放量的情况下,未来公司营收增速预计将会继续提高。

  各元素作用不一,配比是关键。镍用于提高材料的能量密度,但镍含量过高会发生锂镍混排(Ni2+与Li+的半径接近,Ni2+很容易占据Li+的位点),导致锂的析出,而直接影响材料的首次效率和循环寿命。同时,随着镍含量提高,三元材料的热分解温度降低,热稳定性变差,电池发生爆炸的风险提高;钴可以稳定材料的层状结构,降低锂镍混排的负面影响,降低阻抗值,提高电导率、循环性能和倍率性能,但钴价昂贵;锰或铝作为基础金属,用于降低成本,提高安全性和结构稳定性,但含量过多会破坏层状结构,降低电池的比容量。

  集流体边缘弯折工艺:预折弯再卷绕。在卷绕工艺过程中,对留白区先预弯折,然后卷绕成卷芯,最后卷芯边缘进一步弯折到位。

  本文摘自报告:《【银河电新周然团队】4680大圆柱专题:极致设计、极致安全、极致制造》

  工商管理学硕士。2010年11月加盟银河证券研究部,先后从事电力、环保、燃气、电力设备及新能源行业分析师工作,目前担任电新团队负责人以及大能源组组长。2020年、2019年获金融界量化评选最佳分析师第2名;2019年、2016年新财富最佳分析师第9名;2014年卖方分析师水晶球奖第4名;2013年团队获新财富第5名,水晶球奖第5名;2012年新财富第6名。曾任职于美国汇思讯(Christensen)的亚利桑纳州总部及北京分部,从事金融咨询(IR)和市场营销的客户主任工作。

  北京大学光华管理学院工商管理硕士,社会学与经济学双学士。2022年7月加入银河证券,目前担任电力设备与新能源行业分析师助理。曾任职于中国联通,从事5G行业营销。

  北京大学理学本硕。2022年8月加盟银河证券研究部,目前担任电力设备与新能源行业分析师助理。曾任职于网易有道、字节跳动,从事互联网教育产品的研发工作。

  未来6-12个月,行业指数(或分析师团队所覆盖公司组成的行业指数)相对于基准指数(交易所指数或市场中主要的指数)

  推荐:指未来6-12个月,公司股价超越分析师(或分析师团队)所覆盖股票平均回报20%及以上。

  谨慎推荐:指未来6-12个月,公司股价超越分析师(或分析师团队)所覆盖股票平均回报10%-20%。

  中性:指未来6-12个月,公司股价与分析师(或分析师团队)所覆盖股票平均回报相当。

  回避:指未来6-12个月,公司股价低于分析师(或分析师团队)所覆盖股票平均回报10%及以上。

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