中金：新能源汽車續航可達800公里，新材料成長空間4年13倍
我們強調，鋰電池技術路徑是由技術本身的性價比與需求共同決定的，需求的分層會帶來不同路徑的落地。針對消費者最重要的兩個需求維度：1）價格、2）里程，我們認為高鎳鋰電是中長期推動無里程焦慮平價的重要路徑。快充作為電池與基礎設施以解決里程焦慮的另一維度，我們也將一併在本文中討論。
摘要：
嚴峻工況下，目前的新能源車裏程將大打折扣。真實工況下綜合平均里程僅為標稱里程的約70-80%，消除消費者真實的里程焦慮需要標稱里程進一步提升，帶來高鎳與快充技術的中長期發展確定性。在高速+冬天的最嚴峻工況下，新能源車真實里程平均僅有標稱里程的一半。由此我們認為中長期標稱里程達到600km以上，配合快充的基礎設施建設，才能較好的消除里程焦慮，而平價與真實里程需求的共同滿足需要高鎳鋰電進一步的發展。結構性的創新如CTP並不阻礙材料層面創新的發展，高度CTP短期內對考慮分散供應鏈的國際一線車企不完全適用，同時三元進一步的降本同樣依賴高鎳。
通過系統能量密度的進一步提升與自身降本，高鎳鋰電中長期有望從系統級成本上接近或低於鐵鋰。我們認為單Wh成本與價格上，高鎳鋰電高於鐵鋰，但通過系統能量密度的大幅提升，與進一步降本下Wh成本差的縮小，2025E高鎳鋰電可實現系統級成本中低里程與鐵鋰相近，高里程（>800km）低於鐵鋰。
快充是消費體驗優化的另一個重要維度，需要電池與基礎設施的共同進步。快充從電池維度需要解決鋰枝晶與温度問題，當前重點的解決路徑是在電解液環節提升電導率、鋰離子遷移率與耐熱性，在隔膜環節提升耐熱性，並提升正負極的能量密度與倍率性能。基礎設施方面設備難度並不困難，但電網容量將是較大困難。
當前鋰電體系下，我們認為高鎳與快充的需求將推動新型電解質LiFSI的應用。LiFSI作為新型鋰鹽的代表，相較於LiPF6，具備幾大優勢：1）低/高温穩定性更佳，2）更高鋰離子電導率與離子遷移率，大幅提升快充性能，3）與負極能形成更穩定的SEI膜，提升循環壽命。劣勢在於目前單價過高，綜合生產技術難度較大，良率較低。我們認為高鎳鋰電與快充需求將推動LiFSI使用比例進一步的提升，驅動進一步的規模化，帶來成本下降、良率提升。我們預測LiFSI2021年市場空間11.4億元，2025年市場空間超150億元，成長空間較大，具備LiFSI技術與產能儲備的企業，將在高鎳發展的路徑上更具備競爭優勢。（天賜材料、康鵬科技）
我們看好LFP與高鎳的雙路徑，本質上是需求分層與對應技術的適配。動力電池是一個多參數互耦的系統，高能量密度帶來基礎安全性的相對短板下，需求企業具備電化學基礎材料研發/製造/成組設計/供應鏈管理的全方位系統性領先性以保證產品性能與系統綜合安全的達標。由此，我們認為龍頭與對應優質供應鏈將繼續引領技術變革。同時高鎳三元對正極的要求形成的階段性加工技術壁壘，以及短期原料上漲帶來的業績彈性下，我們推薦優質正極企業。（科恆股份、璞泰來、當升科技、寶泰隆等）
風險
新能源汽車需求不及預期，高鎳鋰電技術發展不及預期。
正文
一、從需求看鋰電：高鎳與快充發展趨勢確定
1、真實里程需求驅動高鎳鋰電中長期發展
我們強調，鋰電技術路徑是由技術本身的性價比與需求共同決定的，需求的分層會帶來不同路徑的落地。簡單來説，我們可以把里程劃分為幾個區，分別對應不同的場景（圖1）。其中400km以下一般可滿足普通通勤；400-600km基本可滿足普通運營與跨城出行；600km以上可以滿足消費者更長距離的出行，且基本消除里程焦慮（很少有能一天開800km以上的情況）。
但在嚴峻工況下，目前的新能源車裏程將大打折扣。目前消費者所看到的新能源車裏程是以NEDC工況為基準的里程，在真實路況與使用上，存在一定的失真。同時工況嚴峻程度不同（也就是在什麼樣的環境裏開），真實里程的失真度也不一樣。根據EV-database所統計的海外在售車型在6個不同工況組合（區域與温度）下的真實里程，再考慮WLTP與NEDC里程的一定比例關係，我們測算得：
► 新能源車平均的綜合可用里程（可以簡單看成真實里程）只有標稱NEDC里程的約80%。
►在高速+冬天（-10攝氏度）的嚴峻工況下，新能源車的有效里程將折損一半。其中若是鐵鋰電池，我們認為折損幅度將更高。
圖表: 動力電池技術路線與需求的分層（基於NEDC里程）
資料來源：GGII，中金公司研究部
消除里程焦慮是建立在真實可用的里程之上，中長期600km以上的標稱里程有進一步普及的需求（對應嚴酷工況下的可用里程約300-350km）。
► 高鎳鋰電是驅動新能源車裏程普遍提升至600km以上的重要技術路徑。
► 整車的能源管理系統、綜合熱管理系統、不同工況的能耗優化，也是進一步提升真實里程的重要因素（整車輕量化，熱泵+PTC系統，SiC的使用等）。
► 快充是從能源補給角度，進一步優化消費者長距離出行體驗的重要補充。
CTP(Cell-to-PACK)技術可同樣帶來里程優化，但與高鎳路徑的發展並不衝突。
► CTP對一線國際車企不一定完全適用。CTP程度的不同意味着電芯定製化程度，以及電芯企業介入車型週期的起點不同，高度的CTP往往需求電芯企業從底盤階段就同車企形成合作，聯合定製電芯，以形成由電芯到系統的最優效率，並滿足電芯與整車底盤的物理結構特性（受力、散熱等）的匹配。由於底盤設計的重要性，以及供應鏈安全下的供應商分散性，車企需要在效率與供應綁定中做出一定權衡。
► 結構創新並不阻礙材料創新的前進，中長期性價比依舊需要高鎳推動。5系材料成本下降已經逐步面臨一定瓶頸，高鎳材料的發展與規模化有望帶動進一步的降本，推動三元體系中長期實現油電平價。
圖表: 真實工況與NEDC標稱里程的差異（測算行業平均值）
資料來源：EV-database，中金公司研究部
2、高鎳：中長期有望實現裝車成本接近鐵鋰，平價可期
我們認為不能僵化的只看單kWh成本，而需要從車企的角度看待裝車成本。裝車成本受兩大因素影響：1）電池的單kWh成本，2）能量密度對整車能耗的影響。
►通過系統能量密度的進一步提升，高鎳鋰電中長期有望從系統級成本上接近或低於鐵鋰。
鐵鋰當前市場價格已低於700元/kWh，較三元低20%以上，在當前時點具備一定里程範圍內的強競爭力。
圖表: 市場平均三元與鐵鋰不含税價格趨勢
資料來源：GGII，中金公司研究部
中長期來看，我們假設：
► 高鎳三元與鐵鋰的kWh價格差將縮小。我們預期至2025年，高鎳三元與鐵鋰的單kWh價格可下降至650元/kWh與530元/kWh，價格差將由目前的近30%，縮小至20%左右。
► 成本能量密度的絕對值差距將進一步拉大。我們預期至2025年，乘用車領域高鎳三元與鐵鋰的系統能量密度可達到220Wh/kg與160Wh/kg。其中高鎳三元若使用CTP，則能量密度有進一步提升的空間，鐵鋰提升的空間則已較有限。
圖表: 2020E與2025E對比情景假設
資料來源：GGII，中金公司研究部；注：2020年三元電池價格基準價格較市場平均實際價格更高的原因為此處假設為高鎳三元，普通三元目前價格更低，系統約800-900元/kWh
能量密度優勢有望驅動高鎳三元在中低里程裝車成本上與鐵鋰相近，在長里程下實現成本更優。
► 當前時點，鐵鋰在中低里程上具備顯著的成本優勢，但體積能量密度限制其普及應用於500km以上車型中。
►2025E，能量密度帶來的能耗優勢將驅動高鎳三元在單kWh價格依舊高於鐵鋰的情景下，實現綜合系統成本接近鐵鋰，並在長里程上低於鐵鋰。
圖表: 2025年鐵鋰與高鎳三元系統成本對比
資料來源：GGII，CIAPS，中金公司研究部
圖表: 2020年鐵鋰與高鎳三元系統成本對比
資料來源：CIAPS，公司公告，中金公司研究部
高鎳路徑通過減少材料用量，與核心金屬用量，規模化下可推動三元進一步降本。高鎳材料的使用可以帶來四大材料各環節用量的進一步下降（原理方面來説，由於正極克容量的提升，使得正極塗布面積下降，對應使得極片面積、隔膜面積及電解液量下降），同時高鎳材料鈷含量較小，具備從正極本身進一步較NCM523降本的潛力。此外，由於高鎳鋰電中鎳佔比的快速提升，中長期硫酸鎳的資源重要性將得到進一步的強化。
圖表: 高鎳應用有望直接帶來各環節材料用量的下降，以推動成本下降
資料來源：GGII，中金公司研究部；注：正極假設約2%損耗率，極片假設160g/m2的單面塗布面密度，塗布隔膜考慮60%的較極片面積冗餘。
3、快充：電池與基礎設施共同推動消費者體驗提升
理想的快充是在15分鐘內充滿80%的電量（5C充電），但對於電池與基礎設施均有較大挑戰。
► 電池：快充對循環壽命與熱穩定性都有較大挑戰。循環壽命方面，將大幅提升負極鋰沉積與鋰枝晶的出現，一方面消耗活性鋰離子使得容量下降，另一方面也會形成顯著的安全風險。温度方面，快充過程中電池中心的温度將快速提升，因此對於電解液與隔膜的熱穩定性提出更高的要求。也對電池系統的熱管理有更嚴格的要求。
► 基礎設施：快充一般需要300kW以上的充電樁，電網的容量是最大的限制。從充電樁設備來看，超高功率快充的設備問題相對好解決，包括1）液冷線纜，2）更準確的充電中通信以防止過充，3）綜合設備的更高功率穩定性。但大規模建設超高功率的快充，對電網的壓力較大，目前審核方面有較大的難度，未來需要配網容量擴容與儲能的配合，來保障超高功率快充的推廣。
圖表: 不同級別充電功率與充電時間
資料來源：Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials，中金公司研究部；注：左圖縱軸為充電功率，橫軸為不同的充電等級，XFC表示超級5C快充。右圖橫軸為充電功率，左縱軸為充到80%所需要的時間，右縱軸為充電倍率。
圖表: 快充下，電池温度提升將更迅速，且中心温度高於周邊温度
資料來源：Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials，中金公司研究部；注：左圖為不同倍率下，充電量與温度的關係，中間圖為電池發熱的示意圖，右圖為充電温度與電流強度的示意圖。
4、針對快充，四大材料均有其對應的優化方向
► 電解液：通過先進添加劑，提升電導率與鋰離子遷移數，同時需要提升電解液的耐熱性
► 隔膜：降低隔膜對綜合電解液電導率的影響，同時提升隔膜的耐熱性。
► 正負極：正極提升倍率性能（鈷與鋁的含量），負極提升能量密度以及負極補鋰。
二、LiFSI：優化快充與高鎳性能的重要電解液添加劑
LiFSI作為新型鋰鹽的代表，相較於LiPF6，具備幾大優勢：1）低/高温穩定性更佳，2）更高電導率與離子遷移率，大幅提升快充性能，3）與負極能形成更穩定的SEI膜，提升循環壽命。劣勢在於目前單價過高，綜合生產技術難度較大，良率較低。
我們認為高鎳鋰電與快充需求將推動LiFSI使用比例進一步的提升，驅動進一步的規模化，帶來成本下降、良率提升。具備LiFSI技術與產能儲備的企業，將在高鎳發展的路徑上更具備競爭優勢。
1、LiFSI相比LiPF6優勢眾多，國內廠商加快建設
目前六氟磷酸鋰仍為最主要鋰鹽，新型鋰鹽僅作為添加劑使用。電解液由電解質鋰鹽、有機溶劑、添加劑按比例配置而成，其中電解質鋰鹽是電解液的核心組成部分。六氟磷酸鋰擁有電導率較高、電化學穩定性好等優點，同時製備成本及售價低（價格約10萬元/噸），目前為最主要鋰鹽，在電解液額成本中佔比約44%。而LiFSI、LiTFSI等新型鋰鹽因價格較高（>40萬元/噸），目前僅作為添加劑在部分電解液配方中與LiPF6混合使用。
圖表: 電解液當前在三元動力電池中成本佔比約7%
資料來源：GGII，CIAPS，中金公司研究部
圖表: 六氟在電解液中成本佔比約44%（2019年）
資料來源：CIAPS，公司公告，中金公司研究部
圖表: 電解液產業鏈
資料來源：康鵬科技招股書，中金公司研究部
六氟磷酸鋰仍存在一定缺陷。六氟磷酸鋰雖為目前主要鋰鹽，但仍存在以下幾大缺陷：1）熱穩定性差，温度過高時易分解產生PF5氣體，影響動力電池安全性能。2）低温環境下，LiPF6在電解液中易結晶，導致電導率下降，使得電池內阻增加，影響電池放電性能。
LiFSI為最有潛力的新型鋰鹽之一，市場推廣應用情況較好。LiFSI全名雙氟磺酰亞胺鋰，化學式為Li[N(SO2F)2]或LiFSI，在目前研發的眾多新型鋰鹽中被認為是最有潛力的新型鋰鹽之一，市場推廣應用情況較好，已被寧德時代、LG化學等廠商用於部分電解液配方中。
圖表: 各新型電解質優劣勢及應用情況
資料來源：康鵬科技招股書，中金公司研究部
我們對比LiFSI和六氟磷酸鋰，添加LiFSI的電解液相比於僅含LiPF6的電解液具有如下幾點優勢：
► 熱穩定性好，安全性更高。當温度大於200℃時，LiFSI仍然能夠穩定存在，耐熱性好。同時，LiFSI混合電解液的阻抗更低，在遇到特殊情況下產生的熱量較少，不容易發生爆炸。且受熱時LiFSI可抑制HF氣體的產生，改善電池氣脹問題。
► 更好的低温放電和高温性能保持能力。以LiFSI為電解質的電解液，與正負極材料之間保持着良好的相容性，提升鋰電池在極端温度條件下的性能。
► 電導率更高，高倍率放電性能好。加入LiFSI的電解液具有更高的電導率和更低的粘度，放電容量更高，提升動力電池的瞬時輸出功率。
► 提升SEI膜的熱穩定性，延長電池循環壽命。相比於LiPF6，LiFSI能與石墨負極形成更具熱穩定性的SEI膜，減小電極與電解液之間副反應發生的可能性，提高電池的循環性能和使用壽命。
圖表: LiFSI與LiPF6優劣彙總對比
注：氧化電壓指在電解液不被氧化分解的最高可承受充電電壓，粘度、電導率為25℃時1.0M濃度鋰鹽測試所得參數 資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，康鵬科技招股書，中金公司研究部
圖表: LiFSI電導率比LiPF6更高
資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部；注：圖表橫軸表示鋰鹽的摩爾數，縱軸表示電導率
圖表: LiFSI總容量衰減率比LiPF6更低，循環性能更好
資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部；注：圖表橫軸表示循環次數，縱軸表示容量衰減
LiFSI最早由日韓企業實現量產，產能推進緩慢。LiFSI最早由日本觸媒株式會社在2013年實現量產，產能300噸，其在2020.10宣佈擴產2000噸產能，並計劃2023年初投產；韓國天寶則於2016年實現量產300噸。
2016年後我國企業推進量產，產量提升速度加快。LiFSI最早由日韓企業實現量產，2016年後我國企業推進量產，產能建設逐步提速。根據康鵬科技招股書與天賜公告，2016年，我國康鵬科技、天賜材料、新宙邦、永太科技紛紛投建LiFSI產能。但因LiFSI技術壁壘較高，截至2020年年底，全球僅有少數幾家企業可實現商業化量產：康鵬科技擁有LiFSI產能1700噸；天賜材料擁有產能2300噸，並計劃2021年新投產4000噸；而新宙邦和永太科技產能仍處於小批量生產狀態。
2、LiFSI技術壁壘較高，仍處於量產化初期，生產成本高
LiFSI的生產製備主要包括三個步驟。目前天賜材料、康鵬科技等主流企業均採用如下合成方法：
► 雙氯磺酰亞胺（HClSI）合成：將氨基磺酸、氯磺酸、二氯亞碸在100℃~150℃下反應，通過重結晶或蒸餾純化得到雙氯磺酰亞胺。
► 氟化反應生成雙氟磺酰亞胺（HFSI）：由雙氯磺酰亞胺（HClSI）與氟化氫（HF）在催化劑作用下合成中間體雙氟磺酰亞胺。
► 鋰化生成雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）：將所得雙氟磺酰亞胺（HFSI）與鹼性鋰（碳酸鋰/氫氧化鋰等）溶劑體系反應，重結晶後得到LiFSI，最後加入有機溶劑和金屬離子除去劑進行純化。
圖表: LiFSI主流合成方法
資料來源：中國知網，國家知識產權局，康鵬科技招股書，天賜材料公司公告，中金公司研究部
成本高、價格高，LiFSI企業維持高毛利率。2020上半年，康鵬科技LiFSI成本約25萬元/噸，而其平均售價高達45萬元/噸，遠高於LiPF6的10萬元/噸的售價，維持康鵬科技約45%高毛利率水平。
LiFSI仍處於產業化初期，生產成本及價格不斷下降。康鵬科技LiFSI生產成本中直接材料成本不斷下降，從2017年的13.8萬元/噸下降至1H20的9.0萬元/噸。1H20康鵬科技因安全事故停工停產導致銷量同比下降54%，導致其單位制造費用和人工費用小幅增加，若剔除安全事故影響，我們預計目前康鵬科技LiFSI生產成本約20-22萬元/噸。
圖表: 康鵬科技LiFSI成本拆分及售價
資料來源：康鵬科技招股書，中金公司研究部
圖表: 康鵬科技LiFSI毛利率維持高位
資料來源：康鵬科技招股書，中金公司研究部
LiFSI製造工藝難度較高。其生產製造難點主要包括：
► LiFSI具有潮解性，需嚴格控制與水分的接觸。LiFSI可以從空氣中吸收足夠的水蒸氣以形成液體溶液，且難以去除，同時LiFSI與水的混合物在高温下不穩定（如50%的LiFSI與水的混合物在120℃以上會劇烈分解），因而生產過程需在嚴格的密閉系統中進行。
► 用於電解液的LiFSI對於水分、金屬離子、遊離酸等指標有嚴格限定。而由於目前尚無有效的純化方法去除LiFSI中的雜質，故只能通過採用合適的生產工藝避免水、酸和其他金屬離子引入。
► LiFSI生產收率較低，影響生產成本。LiPF6原材料理論消耗量/實際消耗量可達90%，生產成本約4.5萬元/噸。而生產LiFSI的原材料理論成本僅約4萬元/噸（假設100%收率），若未來LiFSI收率可提升至80%，則原材料成本可降低至約5萬元/噸，相比於目前的9萬元/噸仍有較大提升空間。同時收率的提升也將相應降低人工及折舊等生產成本。
圖表: 六氟磷酸鋰的原材料轉化率可達90%
資料來源：永太高新公司公告，萬得資訊，中金公司研究部
圖表: LiFSI理論材料成本僅約4萬元/噸（未考慮催化劑）
資料來源：康鵬科技招股書，萬得資訊，中金公司研究部
3、LiFSI未來需求展望：2025年市場空間或超150億元
我們認為高鎳與快充的發展將加快LiFSI的滲透，提升需求。
圖表: 使用不同的電解質時，60Ah電池的充電參數
資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部
LiFSI目前僅作為少量添加劑使用，對電解液成本影響可控。目前LiFSI價格約為43萬元/噸，若在電解液中添加2%，對應電解液生產成本上升23%，添加4%，對應成本上升46%。若2021年LiFSI價格可降至35萬元/噸，則添加4%的LiFSI僅增加成本35%，對電解液成本影響可控。
圖表: 添加LiFSI對電解液成本影響
注：假設LiFSI與LiPF6等量替代；資料來源：中金公司研究部
2021年市場空間11.4億元，2025年市場空間超150億元。我們對LiFSI未來量價做出一定判斷：
1） 價：具備持續下降的路徑與空間。目前國內廠商快速推進LiFSI產能建設，供給將出現快速增長，同時考慮到LiFSI仍處於量產化發展初期，良率優化，規模提升原料成本下降下，我認為LiFSI具備較大的降本與降價的空間。
2） 量：有望加快增長。我們假設LiFSI僅用於高端三元動力電池的電解液中（NCM8系以上），同時得益於價格的持續下降，其在高端動力電池中的使用量逐年上升，到2024年提升至8%，對應替換約62%的LiPF6。據此計算，2021年LiFSI市場空間約11.4億元，2025年市場空間提升至154億元，對應2021-2025年CAGR 88%。
圖表: LiFSI未來市場空間測算
注：假設LiFSI與LiPF6等量替代；資料來源：中金公司研究部；注：全球鋰電池包含動力、消費、儲能及通信