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研究报告丨道阻且长锂离子电池终获诺奖 行而将至新能源汽车厚积薄发

   日期:2019-10-11     来源:中信证券    浏览:3099    评论:0    
2019 年诺贝尔化学奖授予 Goodenough 等锂电池开拓者北京时间 10 月 9 日下午 5 点 45 分,瑞典皇家科学院宣布将 2019 年诺贝尔化学奖授予美国德州大学奥斯汀分校的 John B. Goodenough 教授,纽约州立大学 Binghamton 分校的 M. Stanley Whittingham 教授,以及日本旭化成公司化学家 Akira Yoshino,以表彰其在锂电池研究开发的卓越贡献。97 岁的 Goodenough 成为史上最年长的诺奖得主。

John B Goodenough,美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授,锂电池之父,美国科学院和工程院两院院士,曾获 2001 年 Japan Prize,2009 年 Fermi Award,2011年美国国家科学奖章和 2014 年 Charles Stark Draper Prize。

Goodenough 1922 年 7 月 25 日出生,二战老兵,本科毕业于耶鲁大学数学系,芝加哥大学物理博士,杨振宁先生的同学。 M. Stanley Whittingham,纽约州立大学 Binghamton 分校化学和材料科学与工程教授,锂电池研究先驱。

Whittingham 1941 年出生,本科、硕士和博士均毕业于牛津大学。加入 Binghamton 之前,长期在石油公司 Exxon 工作,从事电池研发。吉野彰 (Akira Yoshino),1948 年生于日本。

1972 年吉野彰毕业于京都大学大学院工学研究专业。智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员,旭化成株式会社吉野研究室室长,京都大学大学院工学研究专业特命教授。锂电池是继 LED 后又一个对人类文明作出突出贡献并使其研究开拓者获得诺贝尔奖的工业产品,是截至目前移动供电的最佳物质载体,催生/优化了新能源汽车、笔记本电脑、功能/智能手机、电动工具、无人机等多个行业,是一系列里程碑式应用创新的底层支持者。

图表1: 锂电池基本组成


资料来源:公开资料整理,中信建投证券研究发展部

道阻且长,锂电池研究半世纪不言放弃自上世纪下半叶以来,锂离子电池的主要组成部分正极、负极、电解液、隔膜持续取得技术突破。

商业化的锂离子电池以石墨或硅碳复合材料为负极,以含锂的化合物如钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂(三元材料)、磷酸铁锂等作正极,以有机溶剂溶解锂盐并掺杂不同类型添加剂形成耐正极氧化、耐负极还原的电解液作为锂离子传输介质,以多孔的聚乙烯、聚丙烯薄膜本身或辅以涂覆改性手段物理隔离正负极、绝缘电子而又允许锂离子通过。锂离子在正负极材料中嵌入、脱嵌从而实现充放电过程;在锂离子嵌入或脱嵌的过程中,会同时伴随与锂离子等物质的量的电子通过外电路在正负极传导,由此完成闭路循环,并实现电池充电或对外电路做功的效果。

另外,富锂材料、硫、氧气等强氧化剂,锂金属/合金等强还原剂,聚合物、氧化物、硫化物等固体电解质及多种锂盐等分别/耦合成为新型锂离子电池的关键组元。在下一代电池(广义涵盖富锂锰基电池、锂硫电池、锂空气电池、铝等其他金属空气电池等)中,以锂离子为载流子的各种新型锂离子电池仍然占据着主要的研究方向。

图表2: 锂离子电池关键材料发明时间段

资料来源:第三届国际电池安全研讨会(IBSW),中信建投证券研究发展部
 
自 1990 年索尼推出商用的高安全性钴酸锂-石墨电池至今,以单体能量密度(比能量)提升情况作为评价标准,锂离子电池技术的进步幅度约为每年 3%。但和其他二次电池技术相比,锂离子电池体现了更快的进步幅度,超过铅酸、镍镉、镍氢等电池。锂离子电池也体现了更好的倍率、循环性能,且成本下降幅度较快,同性能安全性也在持续改进。

图表3: 二次电池技术进展(以能量密度提升计)

资料来源:Web of Science,中信建投证券研究发展部

图表4: 锂离子电池技术进展(以能量密度提升计)

资料来源:中国科学院,清华大学,中信建投证券研究发展部
 
锂电助力,新能源汽车产品力持续提升

纯电动/插电混动汽车是新能源汽车的主要组成部分,锂离子电池技术的进步直接驱动了优质新能源汽车产品的诞生,关键的评价指标是工况续航里程。以纯电动乘用车为例,问世于 2008 年,采用钴酸锂-石墨电池的特斯拉 roadster 1 代证实了电动车的较高动力性。近 10 年后,采用镍钴铝-硅碳电池的特斯拉 Model 3 证实了高性能电动车的可量产性和用户接受度。

我国新能源汽车也有较多优质产品。比亚迪、上汽、广汽等等自主品牌都推出了有技术竞争力的车型,具备超过 400km 的工况续航,且辅之以较低的百公里电耗、较高的功率/扭矩,具备较高的电池系统能量密度。比亚迪、广汽等车企还向国际汽车龙头丰田输出新能源汽车相关技术;北汽新能源 EX3 通过多重碰撞测试。另外,我国新能源汽车产业链也有相当国际竞争力。

图表7: 国内外典型纯电动乘用车技术指标

资料来源:公开资料整理,中信建投证券研究发展部

行而将至,由锂电诺奖看新能源汽车征程

Goodenough 教授以 97 岁高龄见证锂离子电池的半个世纪发展历程并获诺贝尔奖,充分说明了技术进步对时间可能存在的高需求。锂电池诞生初期,锂金属-液体电解质体系危险性极高,几乎导致电池技术路线夭折,但(立足于锂离子本征优势的)持续研发使得其后来居上,成为最广泛应用的二次电池;对新能源汽车而言,其(配合高效燃煤机组/可再生能源电力的)节能减排作用已较显著,相比于燃油车型的主要不足在于续航、快充难兼顾,成本仍偏高,有效使用寿命偏低,安全性仍有问题待解决。我们认为,新能源汽车虽然在系统能量密度方面不及燃油车型,但具备电驱、电控、电力系统的本征优势,具备和智能驾驶更好协同的潜力。续航里程、充电便捷性可以通过技术研发、基础设施建设和用户习惯培养加以相当程度解决;成本可以通过提高直通率、规模效应和优化电池包带电量等方式加以相当程度解决;使用寿命也可以通过电池材料、单体、系统集成等多方面的研发加以相当程度解决;安全性问题可以在科学、技术、工程等多角度着手,从电池材料、单体、系统集成、整车设计、数据回溯与整车使用优化等方面持续发力加以相当程度解决。我们中性预期纯电动乘用车有望在 2025 年附近实现对燃油乘用车的全生命周期成本优势,且产品力进一步提升;插混乘用车平价时间点可能更早;对电价较低、油价较高的国家或地区而言,营运车型相比于家用车型的平价时间点更早。
 
图表8: 汽车产业全面电动化驱动力
资料来源:宁德时代,中信建投证券研究发展部

当前,以中国、欧洲、美国(加州等区域)为代表的主要经济体,大众、戴姆勒、宝马、丰田、本田等为代表的主要传统车企,对新能源汽车均有宏大的车型、销量规划及平台开发实践。大众 MEB 平台的首款车型 ID.3 已发布;丰田将其新能源汽车销量 100 万辆目标的实现时间自 2030 年提早至 2025 年。特斯拉、中国主要车企等对纯电动轿车/SUV 的开发也在持续进行。我们认为,当前补贴退坡对新能源汽车销量的影响是暂时的,高性价比路权产品、10-20 万元区间性能-性价比兼顾产品、30 万元左右/以上高性能体验产品均有有效的用户需求。随着相关技术的进步、产品力的提升、基础设施建设的推进和用户习惯的培养,以纯电动技术路线为代表的新能源汽车具备和燃油汽车分庭抗礼、长期共存、各具优势场景的能力。

 
 

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