刀片电池及CTP方式驱动磷酸铁

著者：Iflowpower – Lieferant von tragbaren Kraftwerken

1、磷酸铁锂离子电池具备成本和安全优势1.1LFP在众多的正极材料中凭借其低廉的价格、较强的安全性，锂离子电池中正极材料占到了整个电池成本的40%以上，而在目前的技术条件下，决定整体电池能量密度的关键还是正极材料，所以正极材料是锂离子电池发展的核心。 目前成熟应用的材料有钴有机锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等。

锂。 （1）钴酸锂：有层状结构和尖晶石结构，一般为层状结构，理论容量为270mAh/g，锂层状结构对于手机、模型、车模、电子烟、智能穿戴数码产品有重要的应用。 20世纪90年代，索尼首次采用钴酸锂生产了第一块商用锂离子电池。

我国钴酸锂产品基本被日本莱斯化学、青美化学、比利时五千等国外厂家垄断。 在2003年推广时，国内第一个钴酸锂推广项目于2005年启动，2009年实现出口韩国、日本。 2010年成为国内第一家以主营业务登陆资本市场的公司。

2012年，北京大学率先、天津巴莫推出第一代4.35V高压钴酸锂产品。 2017年，湖南山诺、厦门钨业推出4个。

45V高压储能锂电。 钴酸锂的能量密度和压实密度基本已经到极限，比容量也与理论容量差不多，但由于目前整体化学体系限制，特别是高电压体系中的电解质。 其容易分解，因此通过提升充电截止电压的方法来进一步限制其提升，而一旦电解质技术被突破，能量密度还有提升空间。

（2）镍酸锂：一般具有绿色环保、成本低（成本仅为钴酸锂的2/3）、安全性好（安全工作温度可达170℃）、寿命长（延长45%）的优点。 2006年，深圳天骄、宁波金和率先推出333、442、523体系三方材料。 2007年至2008年，钴金属价格大幅上涨，带动了钴酸锂、镍钴锰酸锂材料的普及，促进了我国锂电市场的应用，并服务于第一产业。

突破期。 2007年，贵州振华推出了单晶523型体系镍酸锂材料。 2012年厦门钨业出口日本市场。

2015年，政府补贴政策引导锂镍水材料迎来第二次爆发期。 目前，单核细胞增生钴锰酸锂是提高产品能量密度的重要手段，这虽然提高了产品的能量密度，但这对电解液的相关配套材料以及锂离子电池生产厂家的能力提出了更高的要求。 （3）锰酸锂：有尖晶石结构和层状结构，一般常用尖晶石结构。

理论容量为148mAh/g，实际容量在100~120mAh/g之间，具有容量好，结构稳定，低温性能优良等特点。 但其晶体结构容易扭曲，造成容量衰减，循环寿命短。 重要的应用是对安全性要求高、成本要求高，但对能量密度和循环有要求的市场。

如小型通讯设备、充电宝、电动工具和电动自行车、特殊场景（如煤矿）。 2003年，国产锰酸盐开始实现工业化。 云南汇龙和乐高国利首先抢占了低端市场，济宁无界、青岛干运等厂家逐渐补充，产能、流通性强，产品多元化发展满足不同应用市场。

2008年，莱格利把锰酸锂离子电池成功应用于电动乘用车。 目前锰酸电池的低端市场主要应用于通讯电池、笔记本电池、数码相机电池。 以汽车市场为代表的高端市场，对电池的性能要求相较于三元材料技术的不断发展，其在车用市场的份额不断减少。

（4）磷酸铁锂：一般具有稳定的橄榄石骨架结构，放电容量可以达到理论放电容量的95%以上，安全性能优良，过充性很好，循环寿命长，价格低廉。 但其能量密度限制难以解决，电动汽车用户不断提高电池寿命。 1997年，橄榄石型磷酸铁锂作为正极材料首次被报道。

北美的A123、Phostech、Valence等虽然较早实现量产，但因为国际新能源汽车市场表现不及预期，不幸被收购破产，或者停产。 台湾力凯电气、大同销售等 2001年，我国启动磷酸铁锂材料开发。

目前，我国磷酸盐正极材料研究和产业发展居于世界前列。 1.2磷酸铁锂离子电池工作机理橄榄石型结构材料，六方致密堆积排列，在磷酸铁锂正极材料的晶格中，P占据八面体的位置，八面体的空隙位置被Li+和FE+填充，晶格八面体和四面体构成一个整体的空间架构，各点紧密接触形成锯齿状平面结构。

磷酸离子电池正极由橄榄石结构的LiFePO4组成，负极由石墨组成，中间是聚烯烃PP/PE/PP隔膜，用于隔离正负极，阻止电子，允许锂离子通过。 在充放电过程中，磷酸铁锂离子电池的离子为正极，电子丢失的顺序为：充电：LIFEPO4-XE-XLI+→XFEPO4+（1-x）LifePO4放电：FePO4+XLI+XE→XLifePO4+（1-x）FePO4充电时，锂离子从正极脱出到负极，电子从外电路从正极移动到负极，保证正负极的电荷平衡，锂离子从负极脱出，被电解液嵌入正极。 这种微结构使得磷酸铁锂离子电池具有良好的电压平台和更长的寿命：在电池充放电过程中，其正极处于斜坡状的LiFePO4和六方晶FEPO4之间。

转变，由于FEPO4与LifePO4在200℃以下以固熔体形式共存，在充放电过程中没有出现明显的两相转折点，因此，锂铁离子电池的充放电电压平台长；另外，在充电过程完成后，正极FEPO4的体积只减少了6.81%，而碳负极在充电过程中略有膨胀，利用体积变化，支撑内部结构，因此，锂铁离子电池在充放电过程中表现出。 循环稳定性好，循环寿命较长。

磷酸铁锂正极材料的理论容量为每克170mA。 实际容量为每克140mA。 振动密度为0。

每立方厘米9～1.5个，电压为3.4V。

磷酸铁锂正极材料体现出良好的热稳定性、安全可靠性、低碳环保，是大电池模块的首选正极材料。 但是磷酸铁锂正极材料的堆积密度较低，且体积能量密度不高，应用范围受到限制。 针对磷酸铁锂正极材料的应用局限性，相关人员可以通过在锂离子电池中掺杂高价金属阳离子的方法来提高该类材料的导电性。

经过一段时间的发展，磷酸铁锂逐渐被开发出来，并被广泛应用于电动汽车领域、电动自行车领域、移动电源设备、储能电源领域等多个领域。 磷酸铁锂正极材料在电动汽车领域有着广泛的应用，特别是纯电动乘用车、纯电动客车、纯电动乘用车等领域具有独特的优势，特别是循环寿命低的资源占用少，资源丰富，价格低廉。 但橄榄石晶体结构的磷酸铁锂正极材料存在电导率低、锂离子扩散系数小等缺点。

导致能量密度低、耐温性能差、误差性能差等问题。 在应用领域上会受到限制。 改进其缺点重要表面类改性、活相掺杂改性等。

近年来，我国动力锂离子电池市场呈现爆发式上升，电池技术是其核心竞争力。 目前，动力锂离子电池主要包括磷酸铁锂离子电池、锰酸锂离子电池、三维离子电池等。 表2比较了各类锂离子电池的性能，其中DOD是放电深度（Discharge）。

磷酸铁锂离子电池撑起了我国锂离子电池材料产业半座万江山，其在各类电池中有着相当的优势：磷酸铁锂离子电池寿命相对较长，发热量低，热稳定性好，同时磷酸铁锂离子电池还具有良好的环境安全性。 磷酸锂离子电池以其价格较低、性能稳定等特点应用于电动乘用车，市场占有率呈现上升态势。 该材料具有安全性好、循环寿命长、成本低等优点。

，是主要的正极材料。 通过纳米化学及表面碳包覆，实现了更大功率放电的性能，并且碳包覆样品无损检测良好，我国已实现全球最大规模生产。 2、宁德时代与比亚迪牵头实施CTP方式，进一步降低成本比亚迪董事长王传福在参与电动车研发时表示，比亚迪已经研发出新一代磷酸离子电池“刀片电池”，这款电池预计今年量产，“刀片电池”比传统铁电池能量密度提升50%，具有高安全性、长寿命的特点，续航里程可以达到数百万公里，能量密度可以达到180Wh/kg，相比之前提升了大约9%，不比NCM811的三元锂离子电池弱，可以解决磷酸铁锂离子电池能量密度低的问题。

这款电池将搭载于比亚迪“汉”新车，预计今年6月上市。 什么是刀片电池?其实就是长电池法(重要的手指状铝壳)。 通过增加电池的长度（最大长度相当于电池包宽度）进一步提高电池包装配效率。

它不是一个特定尺寸的电池，而是可以根据不同的需求形成一系列不同尺寸的批次。 根据比亚迪专利描述，“刀片电池”是比亚迪新一代磷酸离子电池的名称。 这是比亚迪研发多年的“过磷酸钙离子电池”。

比亚迪的刀片电池其实就是将长度大于等于600mm、小于等于2500mm，以阵列形式插入电池组的“刀片”。 “刀片电池”的升级重点是电池组（即CTP技术），将电池组直接集成到电池包中（即CTP技术）。 刀片电池组是通过优化电池包结构，从而提高电池包组后的效率，但对单体能量密度没有太大影响。

通过定义电池组中的排列方式以及电芯的尺寸大小，就可以将电池组排列在电池组中。 将单体电池直接安装在电池组外壳内，通过模块框架进行优化。 一方面易于通过电池包外壳或者其他散热部件将热量散发出去，另一方面可以在有效空间内安排更多的阶数。

体电池，可以大大提高体积利用率，并且简化了电池组的生产工序，降低了单体电池的装配复杂度，降低了生产成本，从而减小了电池组及整个电池组的重量，实现了电池组的节能减排。 轻的。 随着用户对于电动汽车续航能力的需求逐渐提升，在空间有限的情况下，刀片电池组可以得到提升，一方面可以提高动力锂离子电池组的空间利用率、新能源密度，另一方面可以保证单体电池有足够大的散热面积，将热量传导至外部，以匹配更高的能量密度。

据专业技术人员描述，由于某些因素，如周边元器件会占用电池内部空间，包括底部防冲击空间、液冷系统、绝缘材料、绝缘防护、热安全附件、通风通道、高压配电模块等，空间利用率的峰值通常约为80%，而市场上平均空间利用率约为50%，有的甚至低至40%。 如下图所示，通过优化模块，减少组件空间利用率（电池包的电芯体积与壁纸体积）得到有效提升，对比实施例1的空间利用率为55%，实施例1-3的空间利用率分别为57%/60%/62%；对比实施例2的空间利用率为53%，实施例4-5的空间利用率分别为59%/61%。

不同程度的优化，但距离空间利用率峰值还有一定的距离。 在电池模块中，比亚迪通过设置导热板来控制散热性能（图左下图）。 218)及热交换板，保证单体电池的散热，并保证多个单体电池之间的温差不至于太大。

导热板可由导热性能良好的材料制成，例如导热系数较高的铜或铝。 热交换板（图右下图）。 219)内设有冷却剂，通过冷却剂实现单体电池的冷却，使单体电池处于适宜的工作温度。

由于传热板上设有导热板，当用冷却剂对单体电池进行冷却时，可以通过导热板来平衡传热板间的温差，从而阻断多个单体电池的散热。 温差控制在1℃以内。 对比例4及实施例7-11的单体电池，以2C进行快速充电，测量快速充电过程中，单体电池的温升。

从表中数据可以看出。 专利技术的单体电池，在同等条件下的快充下，温升都有不同程度的降低，配合优越的散热效果，将电芯模组装入电池组时，电池组的温升有下降的趋势。 与“刀片电池”和CTP技术同样实用的还有。

CTP(CELLTOPACK)技术是实现电池免组化，直接集成电池组。 2019年宁德时代率先采用全新CTP技术免维护电池包。 据称，CTP电池包体积利用率提高15%-20%，零件数量减少40%。

生产效率提高50%。 投入应用后将大大降低动力锂离子电池的制造成本。 比亚迪计划到2020年，其磷酸铁锂电池单体能量密度将达到180Wh/kg以上，而系统能量密度也将提高到160Wh/kg以上。

宁德时代CTP技术配备电池组，满足电池组需求。 重量轻，提高整车电池组的连接强度。 它的优点主要有两点：1）CTP电池组由于没有标准模块的限制，可以使用于不同的车型。

2）、减少内部结构，CTP电池包可以提高体积利用率，系统能量密度也间接提高，其散热效果也高于目前小模块电池包。 在CTP技术上，宁德时代注重电池模组拆卸的便捷性，比亚迪则更关注单体电池如何更多的装载以及空间利用率。 3、刀片电池与CTP方式可减量15%。

我们选取国轩高科的锂离子电池作为研究对象。 电池成本将与LFP电池有较大参考。 据《2019年9月17日全国高新技术成果交易评审委员会关于印发《关于印发国轩高科2016-2017年度单片磷酸锂离子电池项目的函》的函件显示，国轩高科2016-2017年度单片磷酸锂离子电池项目自2016年9月17日起暂停使用。

06元/wH、1.69元/wH、1.12%/wH、1.

00元/WH，对应毛利率分别为48.7%、39.8%、28。

分别为 8% 和 30.4%。 因此，根据以上两组数据，我们可以推算出LFP电池的制造成本。

2016年为1.058元/WH，而2019年上半年已经不足0.7元/WH。

这很重要，因为原材料成本从2016年的0.871元/WH下降到2019年上半年的0.574元/WH，绝对下降了0。

3元/WH，同比上涨34%。 从分类来看，在制造业总成本中，原材料成本自2016年以来保持稳定，而能源成本、劳动力成本和制造成本占比约为6%。 我们继续对原材料成本进行拆分，发现原材料里面正极和隔膜的占比很大，大约占10%左右，负极、电解液、铜箔、铝壳盖板、BMS成本、BMS。

大概在7%~8%之间，电池盒和甲基各占5%左右，剩下的就是Pack和其他费用，大约占到成本的30%左右。 可以看出，原材料成本在LFP电池中可以分为三大块，其中四大原材料（正极、负极、隔膜、电解液），总成本占比大约为35%，Pack占据30%，剩余的35%为其他原材料及部件。 根据以上信息，我们给出以下成本测算假设：1）刀片电池体积比能量密度高50%左右。

当电荷量一定时，体积减小约三分之一以上，从而带动铝壳盖板转动。 Pack成本，假设下降33%2）能源、人工、制造成本，以及BMS因工艺优化和零部件减少而下降，假设下降20%3）进一步假设原材料（包括正极、负极、隔膜、电解液、铜箔、甲基、电池外壳）价格下降20%，LFP制造总成本可从0.696元/WH下降到24.

3%为0.527元/WH。 4）进一步考虑公司的毛利率可以得出实际销售价格，如图35所示，刀片电池和CTP方式只会在商用车上率先应用，虽然比亚迪宣布，刀片电池方式将在汉能商业化应用，但商用车仍然会是一种使用方式。

我们认为比亚迪在自己的乘用车上进行商用，就是要突破一般的产业逻辑：新技术往往在商用车上先行，而乘用车上会更加谨慎。 比亚迪将刀片电池运用在自主轿车上，无疑在加速乘用车的推广。 其实，刀片电池与CTP做法是一样的，都是为了进一步降低成本，而单体电池较大，优先采用磷酸铁锂。

基于2019年已经有多家一线机厂使用CTP方式进行测试，因此此项技术预计在2020年将会采用此项技术。 按照上面的假设我们计算10米以上，电池成本降低30%，电池成本从22.5万降低到15.8万。 当没有补贴的时候，毛利率还能维持。

我们预计2020年磷酸铁锂电池在商用车领域的应用将得到进一步提升。 从投资情况来看，上游亚磷酸盐投放力度加大，下游企业盈利能力边际改善。 由于整个磷酸铁锂上游经过了三年的洗牌，行业集中度较高。

在产业链上，如果达到10家供应商，那么集中度已经非常高了，稳定的航运第三方供应商也就3-4家。 因此我们相信 leadload 会带来好处。 建议：德国纳米、国轩高科、比亚迪、宇通客车。

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