鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：790次 | 2021年06月21日
固態(tài)電池或是特斯拉、寧德時(shí)代與比亞迪們的最終戰(zhàn)場(chǎng)
電池關(guān)于手機(jī),屬于有他沒(méi)他都能過(guò)年的那種。但關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)和光伏,卻是致命的約束,根本繞不過(guò)去的那一種?？梢哉f(shuō),對(duì)電池的焦慮,落后的電池技術(shù)對(duì)各種前沿應(yīng)用的制約,是新能源革命最大的障礙。
電池技術(shù)進(jìn)步到什么程度,新能源革命就推進(jìn)到哪一步,一通百通,是未來(lái)新能源革命的第一推動(dòng)力。
01
為何一定是固態(tài)電池?
電動(dòng)汽車(chē)要實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油車(chē)的取代,從根本上要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)突破,第一個(gè)是擺脫對(duì)補(bǔ)貼的依賴(lài),第二個(gè)是從經(jīng)濟(jì)性上追平燃油車(chē)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我國(guó)對(duì)新能源汽車(chē)的補(bǔ)貼預(yù)計(jì)在最近兩年就會(huì)退出,目前看上半場(chǎng)戰(zhàn)役已經(jīng)結(jié)束,在特斯拉(NASDAQ:TSLA)的帶領(lǐng)下,各大廠商基本做好了斷奶的準(zhǔn)備。
下半場(chǎng)核心的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題就浮出水面,那就是制約電動(dòng)汽車(chē)吊打燃油車(chē)的里程焦慮。而這個(gè)問(wèn)題,歸根結(jié)底出在電池上。
我們以當(dāng)前市場(chǎng)主流的兩款電動(dòng)汽車(chē)為例,看看問(wèn)題出在哪。
這是兩款今年上市的新車(chē),一款是國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)龍頭,比亞迪的漢EV,另一款是世界電動(dòng)汽車(chē)龍頭,特斯拉的model3。
首先給大家普及幾個(gè)大體的概念。我們了解,一般家用的乘用車(chē),通常油箱容量在55L左右,按照百公里8L的耗油量,大概可以跑600公里出頭。電動(dòng)汽車(chē)廠商為了實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油車(chē)的無(wú)縫替代,基礎(chǔ)目標(biāo)也是充一次電,跑600公里。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)600公里的續(xù)航里程,電動(dòng)汽車(chē)廠商就必須在電池上下功夫。
理論上你可以堆足夠多的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),但我們了解,電池本身也有重量,而且還不輕,所以廠商就必須要在長(zhǎng)里程、車(chē)重以及電池效率之間找一個(gè)平衡。這個(gè)平衡點(diǎn),就是我們說(shuō)的電池成組效率。
這是一個(gè)典型的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。可以發(fā)現(xiàn),電池片模塊(也就是我們常說(shuō)的電芯)只占其中的一部分,除此之外,還有各種雜七雜八的配件,比如冷卻系統(tǒng)、絕緣層、接線盒、連接端子等等。
電池系統(tǒng)容量的核心是電芯,電芯的能量密度由wh/kg來(lái)衡量,就是每公斤的電芯,能夠出現(xiàn)多大功率的能量,kwh是我們?nèi)粘Ｕf(shuō)的度電,那么單體電芯能量密度170wh/kg代表的意義就是,每公斤的電芯,可以出現(xiàn)0．17度的能量。
我們用電池系統(tǒng)能量密度來(lái)衡量一輛電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際的能源效率。電池系統(tǒng)除了電芯之外,內(nèi)部包含的這些電池管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng),高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間,所以電池系統(tǒng)的能量密度都比單體電芯能量密度低。
電池系統(tǒng)能量密度與單體電芯能量密度的比值就是電池成組效率,是衡量一個(gè)電池系統(tǒng)效率的核心指標(biāo)。
比如我們上面的這兩款車(chē):
比亞迪的漢EV,電芯能量密度是170wh/kg,組成電池組之后電池的系統(tǒng)能量密度就降到了140wh/kg,成組效率為82．53%;特斯拉最新的model3長(zhǎng)續(xù)航版,電芯采用松下的21700電池,電芯能量密度比比亞迪漢EV采用的磷酸鐵鋰刀片電池近乎高一倍。
但特斯拉選擇的這種三元鋰離子電池,相比較亞迪的刀片電池,更容易發(fā)熱,要更多的散熱設(shè)備,電池管理系統(tǒng)也更復(fù)雜,因此組合起來(lái)的電池系統(tǒng)能量密度快速降到161wh/kg,成組效率只有53．67%。
這兩款車(chē)型,代表了當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的主流配置,重要指標(biāo)很接近。
他們的續(xù)航里程都在600公里以上,總功率大約在77kwh,也就是77度電,電池系統(tǒng)都很重,比亞迪漢EV549kg,半噸多,特斯拉model3長(zhǎng)續(xù)航版477kg,基本占到全車(chē)重量的四分之一。無(wú)論從節(jié)能還是從挖潛的角度出發(fā),電池技術(shù)都必須要有大的革新。
那么動(dòng)力鋰電池技術(shù)要做到多大的改進(jìn),才能真正踏上替代燃油車(chē)的門(mén)檻呢?
目前市場(chǎng)公認(rèn)的答案是,現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)能量密度翻一倍半,從普遍的160wh/kg,到400wh/kg,才是電動(dòng)汽車(chē)徹底取代燃油車(chē)的開(kāi)始。這個(gè)指標(biāo)意味著600km的續(xù)航,80度電,總重大約200kg。現(xiàn)在這個(gè)重量大約是450-550kg之間。
400wh/kg,是一個(gè)非常剛性的指標(biāo)。一個(gè)產(chǎn)品最終推廣開(kāi)來(lái)必須要做到適者生存,核心就是成本,講再多的理想和未來(lái),也比不過(guò)現(xiàn)實(shí)的便宜真香,電動(dòng)汽車(chē)假如邁不過(guò)性?xún)r(jià)比經(jīng)濟(jì)性這條線,就永遠(yuǎn)只能是個(gè)小眾的玩具。
假如奔著400wh/kg這個(gè)指標(biāo)去,你就會(huì)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在的動(dòng)力鋰電池市場(chǎng),還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上競(jìng)爭(zhēng)格局已經(jīng)清晰,大家基本都在同一個(gè)起跑線上。
上圖是我們從光大的報(bào)告《固態(tài)電池:搶占下一代鋰電技術(shù)制高點(diǎn)》中截取的圖,勾勒了現(xiàn)在的電池技術(shù)發(fā)展路徑。
不管你是哪種方法,理論的最高能量密度就是天塹,天資如此,你再努力也沒(méi)用。
我們當(dāng)下主流的電池,無(wú)論是磷酸鐵鋰離子電池,還是三元鋰離子電池,都是液態(tài)電解液的鋰離子電池,理論的最高能量密度就是350wh/kg,假如再加上各種電池管理系統(tǒng),能夠做到全系統(tǒng)300wh/kg,基本上就是極限。
這就好比你把弓箭做到了極致,最后面對(duì)火槍還是被秒殺,無(wú)他,這是代際的碾壓。
故而,最終要解決電池的能量密度問(wèn)題,消滅里程焦慮,最后的方法一定是固態(tài)電池。
固態(tài)電池,大家都還在研發(fā)的路上。那么我們能實(shí)現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)么?
能。恩格斯說(shuō)過(guò),“社會(huì)一旦有技術(shù)上的要,則這種要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)”。需求是最好的動(dòng)力。電動(dòng)汽車(chē)相比燃油車(chē),有更大的空間和潛力。
我們看電池領(lǐng)域,過(guò)去10年發(fā)生了什么。
根據(jù)BloombergNEF的數(shù)據(jù),在過(guò)去的10年里,電芯的能量密度基本提高了兩倍。這也說(shuō)明了,在強(qiáng)大的需求推動(dòng)下,產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)步有多快。
數(shù)月前,特斯拉將model3的入門(mén)版從29．18萬(wàn)元一下降到了24．99萬(wàn)元,降了4萬(wàn)還多。我們看好電動(dòng)汽車(chē)取代燃油車(chē)的過(guò)程,但是這款入門(mén)車(chē)型采用的是寧德時(shí)代的磷酸鐵鋰離子電池,電池系統(tǒng)能量密度不會(huì)比比亞迪的刀片電池好多少,也就是140-160wh/kg左右。
相關(guān)于原來(lái)降價(jià)前產(chǎn)品的三元鋰離子電池配置,model3的電池安全性略有提升,但系統(tǒng)能量密度還有所下降,對(duì)現(xiàn)有的這些電動(dòng)汽車(chē)廠商比亞迪、小鵬等等有沖擊,也會(huì)下探到傳統(tǒng)的B級(jí)車(chē)帕薩特、雅閣、凱美瑞的市場(chǎng),對(duì)他們出現(xiàn)一定的壓制左右。
但總體來(lái)說(shuō),假如電池系統(tǒng)的能量密度沒(méi)有大的提升,不能突破400wh/kg這個(gè)門(mén)檻,還都屬于戰(zhàn)術(shù)性的改進(jìn),格局上不會(huì)有太大的變化。
02
光伏的第二約束
我們了解,光伏這個(gè)行業(yè)遵循摩爾定律,每年的發(fā)電成本都會(huì)成比例下降。2020年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了平價(jià)上網(wǎng),也就是價(jià)格跟煤電打平,后續(xù)發(fā)電成本還會(huì)繼續(xù)下降,最后極限就是能源價(jià)格接近為零。
用“傻瓜扯扯淡”的說(shuō)法,光伏要想實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)能源的平推,要突破兩個(gè)限制:一個(gè)是擺脫補(bǔ)貼約束,這一個(gè)伴隨著平價(jià)上網(wǎng),已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn),第二個(gè)是擺脫并網(wǎng)約束,這個(gè)是將來(lái)要實(shí)現(xiàn)的。
光伏作為一種新的能源形式,優(yōu)點(diǎn)肉眼可見(jiàn),節(jié)能環(huán)保資源可再生,取之不竭用之不盡,所以一開(kāi)始各個(gè)國(guó)家都給了大量的補(bǔ)貼,但這種補(bǔ)貼不是長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。
羊毛出在羊身上,新能源的成本還是要全社會(huì)來(lái)承擔(dān),假如不能擺脫這種補(bǔ)貼的約束,光伏只能作為一種時(shí)尚,偶爾出現(xiàn)在政績(jī)報(bào)告上,作為一種點(diǎn)綴。
要想擺脫補(bǔ)貼,光伏的價(jià)格必須下降到足以與傳統(tǒng)能源競(jìng)爭(zhēng)。隨著我國(guó)制造在光伏技術(shù)上的快速迭代,成本下降很快,終于到2020年,成本已經(jīng)接近煤電,可以甩掉補(bǔ)貼直接上網(wǎng)了。第一個(gè)約束就這么解決了。
但是假如第二個(gè)約束,也就是并網(wǎng)約束不能突破,光伏的推廣還是要被限制在一定范圍內(nèi)。為何呢?這是由光伏發(fā)電的特點(diǎn)決定的。
上面這張圖就是著名的鴨子曲線,圖上標(biāo)出了美國(guó)加利福尼亞州每年三月三十一日這一天的用電凈負(fù)荷。加利福利亞我們了解,陽(yáng)光明媚,風(fēng)景秀麗,光照時(shí)間長(zhǎng),特別適合光伏發(fā)電,加上又是硅谷所在地,對(duì)新能源的接受程度高,光伏發(fā)電的占比接近30%。
一天里,中午光照最強(qiáng),但是用電卻不多,所以電網(wǎng)負(fù)荷最低,而到了晚上,光伏歇菜,用電量卻飆升,電網(wǎng)負(fù)荷也快速躍升,就出現(xiàn)了圖中這根長(zhǎng)長(zhǎng)的鴨頸。
由于我國(guó)的加入,太陽(yáng)能組件的價(jià)格逐年下降,加州光伏發(fā)電的占比也越來(lái)越高,從2012年以來(lái),中間用電凈負(fù)荷的這個(gè)鴨肚腩也越來(lái)越大,整體像一只鴨子,所以叫鴨子曲線。
這條曲線反應(yīng)了光伏發(fā)電面對(duì)的第二個(gè)約束,并網(wǎng)發(fā)電。光伏發(fā)電畢竟受自然條件約束,白天有太陽(yáng),發(fā)電就多,晚上就停擺,但我們用電卻反過(guò)來(lái),白天少,晚上多。
要解決這個(gè)問(wèn)題,現(xiàn)在我們采取的是煤電或者天然氣發(fā)電調(diào)峰的方式來(lái)補(bǔ)償。白天的時(shí)候這些調(diào)峰機(jī)組停機(jī),晚上的時(shí)候才開(kāi)機(jī)。
這就涉及到一個(gè)電網(wǎng)消納比例的問(wèn)題,整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng),光伏發(fā)電的占比有一個(gè)極限,這個(gè)上限基本上在30%-40%左右,具體取決于電網(wǎng)的調(diào)峰水平和日常的光照條件。
那么我們能完全突破這個(gè)約束么?能。
這個(gè)圖來(lái)自于興業(yè)證券電力設(shè)備研究員朱玥的報(bào)告:《成長(zhǎng)鋒芒,我國(guó)力量》。光伏發(fā)電要想突破這個(gè)30%-40%的上限,就要配置儲(chǔ)能設(shè)施,在中午發(fā)電高峰期把電力儲(chǔ)存起來(lái),到晚上用電高峰期把電放出來(lái),這樣就可以徹底淘汰掉煤和天然氣,只用光伏全天候滿足整個(gè)電網(wǎng)的需求。
為了突破第二個(gè)約束,光伏發(fā)電要達(dá)到配置了儲(chǔ)能設(shè)施之后的光伏+儲(chǔ)能發(fā)電的系統(tǒng)成本低于現(xiàn)有的煤電,才能甩開(kāi)并網(wǎng)約束,真正進(jìn)入哲學(xué)上說(shuō)的“自由王國(guó)”,改變電網(wǎng),也徹底改變這個(gè)世界。
光伏并網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的最核心的要求就是,絕對(duì)價(jià)格足夠低,這個(gè)價(jià)格指的是全成本。我們看興業(yè)證券整理的光伏儲(chǔ)能電站中標(biāo)項(xiàng)目報(bào)價(jià)情況,如下圖:
現(xiàn)在光伏儲(chǔ)能電池最低的中標(biāo)價(jià)格為0．86元/wh,加上電池管理系統(tǒng)(BMS),逆變器(PCS)之后的電池系統(tǒng)最低中標(biāo)價(jià)為1．49元/wh,包括土建、系統(tǒng)集成在內(nèi)的全光伏儲(chǔ)能電站,最低為1．94元/wh。
而這個(gè)1．94元,就是光伏儲(chǔ)能的全成本。1．94元/wh,一度電是kwh,換算成度電建設(shè)成本就是1940元/kwh,假設(shè)可以實(shí)現(xiàn)10000次的充放電循環(huán),不考慮資金成本,攤到每度電上的儲(chǔ)能成本就是0．194元。
但是實(shí)際上,我們現(xiàn)有的儲(chǔ)能電站,很難做到1萬(wàn)次的充放電循環(huán)壽命,普遍在5000次左右,那攤到每度電上的成本就是將近0．4元,這個(gè)價(jià)格大約相當(dāng)于現(xiàn)有火電的價(jià)格,長(zhǎng)期看要有下降的空間。
那么儲(chǔ)能的成本要降到什么的價(jià)格才會(huì)實(shí)現(xiàn)突破呢?目前市場(chǎng)普遍的共識(shí)是,10000次的循環(huán)壽命,1元/wh的全建設(shè)成本。
按照這個(gè)指標(biāo)計(jì)算,單度電的儲(chǔ)能成本就是0．1元,在這個(gè)價(jià)格下,儲(chǔ)能電站可以脫離任何的補(bǔ)貼或者峰谷電價(jià)差價(jià)而獨(dú)立生存。在這個(gè)價(jià)格下,要光伏發(fā)電成本從0．4元/kwh降到0．3元/kwh。這樣光伏+儲(chǔ)能的度電成本將為0．3+0．1=0．4元/kwh,價(jià)格約等于現(xiàn)有的煤電,從而徹底擺脫并網(wǎng)約束。
儲(chǔ)能的成本還有繼續(xù)下降的空間么?有,而且可能比動(dòng)力鋰電池下降的速度還快。
首先,因?yàn)閯?dòng)力鋰電池的價(jià)格下降的很快,而儲(chǔ)能電池可以完全借鑒動(dòng)力鋰電池的技術(shù),實(shí)際上很多的光伏儲(chǔ)能裝置,直接用的就是二手的汽車(chē)動(dòng)力鋰電池。如上圖BloombergNEF的數(shù)據(jù),動(dòng)力鋰電池從2010年的每千瓦時(shí)1160美元,已經(jīng)下降到2019年的156美元,9年時(shí)間,價(jià)格下降了將近87%。
其次,光伏儲(chǔ)能要的電池比動(dòng)力鋰電池要求要低,選擇范圍廣。相對(duì)動(dòng)力鋰電池對(duì)重量體積價(jià)格效率的極致追求,光伏儲(chǔ)能電池只要滿足循環(huán)壽命足夠長(zhǎng),度電全成本低就可以了,關(guān)于動(dòng)力鋰電池要求的體積小,重量輕,儲(chǔ)能電站并沒(méi)有嚴(yán)格的約束,因此選擇范圍更大,實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的概率也越大。
光伏行業(yè)有自己的摩爾定律,那就是發(fā)電容量每新增一倍,新增裝機(jī)的電價(jià)減少16%。從儲(chǔ)能技術(shù)的角度上來(lái)講,隨著電池技術(shù)的進(jìn)步,光伏儲(chǔ)能的總?cè)萘棵啃略鲆槐?單次充放電循環(huán)的成本也會(huì)按照一定的比例下降。在未來(lái)的十年,我們大概率上會(huì)看到儲(chǔ)能成本的快速下降。
03
各領(lǐng)風(fēng)騷三五年
后面我們會(huì)看到一個(gè)互相促進(jìn)螺旋上升的過(guò)程,而電池的需求量將會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性的上升。
根據(jù)牛頓第一定律,“任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止”,在這個(gè)循環(huán)中,外力或者說(shuō)第一驅(qū)動(dòng)力就是光伏技術(shù)進(jìn)步所帶來(lái)的光伏發(fā)電成本的快速下降。
光伏發(fā)電成本快速下降,倒逼電價(jià)穩(wěn)步降低,電力需求提升,電動(dòng)汽車(chē)性?xún)r(jià)比持續(xù)提升,倒逼動(dòng)力鋰電池進(jìn)步,動(dòng)力鋰電池降本增效,儲(chǔ)能電池性?xún)r(jià)比提升,各種應(yīng)用場(chǎng)景紛紛進(jìn)入盈虧平衡點(diǎn),又提升了電力的需求。這是一個(gè)正向的完整的循環(huán)。
作為投資者,最希望見(jiàn)到的場(chǎng)景當(dāng)然是量?jī)r(jià)齊升,我看到很多電力設(shè)備研究員,都在講電價(jià)提升的邏輯,對(duì)未來(lái)的電價(jià)、補(bǔ)貼做了非常樂(lè)觀的估計(jì),但這種假設(shè)本質(zhì)上都是站不住腳的,我們并不認(rèn)可。
因?yàn)榇蠊I(yè)生產(chǎn)的核心就是降本提效,規(guī)模效應(yīng)之下,成本降低,價(jià)格下降,利潤(rùn)雖薄,可餅攤得大。
在工業(yè)上,任何講長(zhǎng)期漲價(jià)的邏輯都是有瑕疵的。比如我們對(duì)贛鋒鋰業(yè)(SZ:002460)這類(lèi)資源性的公司的長(zhǎng)期成長(zhǎng)性是有懷疑的,因?yàn)橐粋€(gè)行業(yè)要想長(zhǎng)期持久的上升,原材料一定不能成為一個(gè)約束。為何半導(dǎo)體行業(yè)是在硅的基礎(chǔ)上做大的,就是因?yàn)樯匙拥教幎加?不存在任何稀缺的可能。
我們花了這么多時(shí)間來(lái)思考未來(lái)能源革命的路徑,但是預(yù)言歸預(yù)言,投資歸投資,即使你看對(duì)了方向,也不一定選對(duì)了股票,選對(duì)了股票也不一定能從一而終。
確實(shí),光伏帶來(lái)的新能源革命會(huì)徹底改變這個(gè)社會(huì),但這種高技術(shù)行業(yè),按照易方達(dá)的基金經(jīng)理蕭楠的說(shuō)法,商業(yè)模式非常不友好。
這種商業(yè)模式屬于“自我燃燒,燃燒自己,照亮別人。這樣的公司很累,他們要花很多錢(qián)去投固定資產(chǎn),去投研發(fā),他們把所有節(jié)省出來(lái)的效率都送給了自己的客戶(hù),因?yàn)榧偃绮贿@樣做,自己就面對(duì)著淘汰,被客戶(hù)拋棄?！?/p>
新技術(shù)方向的競(jìng)爭(zhēng)的異乎的殘酷,往往是各領(lǐng)風(fēng)騷三五年。
