EBSCN 电新研究：建立模型定量研究动力电池成本

本文来自微信公众号“EBSCN电子研究”。

投资要点

模型框架：

动力电池的成本是市场关注的焦点。新能源汽车行业仍处于拐点之前，传统燃油汽车与电动汽车的成本差异是新能源汽车渗透率增长的重要因素。为了定量研究动力电池的成本，我们结合电池成本和性能建立了自下而上的模型。该模型可静态计算各工序的材料成本、硬件成本和制造成本，并能动态区分材料价格变化、技术进步、工艺改进等因素带来的成本降低。

整车及电池设计：

（1）车辆设计：根据用户需求，设计自行车的电池充电/续驶里程以及Pack内电池/模块的数量和组合。 (2)材料层面：材料特性决定电池的电化学性能和物理参数。 (3)电芯设计：电芯是确定正负极材料涂层的厚度，然后设计电芯的整体尺寸。 (4)模块和Pack设计：由电池参数外推得出。

材料成本：

（1）材料用量：根据电芯容量、活性物质克容量等参数计算正负极材料、电解液、隔膜、铜箔、铝箔等部件的理论用量，并根据产量、材料进行计算利用率等调整。 (2) 材料价格：根据市场价格假设，包括主辅材料、硬件等。 (3)材料成本汇总：根据材料用量和价格计算。

生产成本：

（1）工厂设计：对动力电池年产能、成品率、人员工资、设备折旧率、费用假设等做出假设。 （2）生产工艺：主要是各工序的设备投资和人员配置。 (3)直接人工/制造费用计算：根据设备折旧、人员工资费用和间接费用计算结果。

成本汇总及验证：

将材料成本和生产成本汇总在一起，即可得到动力电池组的成本。根据计算结果，LFP//的成本分别为0.66/0.76/0.80元/Wh。 2018年宁德时代动力电池综合成本约为0.76元/Wh；动力电池组成本中，直接材料约占84%-89%，直接人工约占2.8%-3.8%，制造费用约占8.6%-11.8%，基本符合实际。

投资建议

根据模型，降低动力电池成本的路径包括：更具成本效益的材料系统；更精简的电池设计；较低的材料价格；流程改进；和设备改进。综合以上结论，建议关注：（1）宁德时代、比亚迪、国轩高科等优质电池企业； （2）当胜科技、容百科技、普提莱、贝特瑞、恩杰等材料龙头企业； （3）先锋智能、赢合科技等装备企业。

风险分析

政策风险、技术路线变化风险、竞争加剧风险、原材料价格波动风险。

投资重点

研究背景

动力电池是新能源汽车的核心零部件之一，直接决定整车性能和成本。电池成本的下降直接影响新能源汽车的推广应用。在这份研究报告中比亚迪电池组拆解，我们参考了一些学术资料和行业专业人士的意见，建立了成本模型，并对动力电池成本相关的诸多问题进行了一系列研究。

创新

目前市场对动力电池成本的研究还比较简单、静态。我们系统地建立了自下而上的成本模型，可以拆分直接材料、直接人工、制造费用三大项，可以动态区分材料价格变化、技术进步、工艺改进带来的成本降低。在后续的系列报告中，我们将对不同材料体系的动力电池进行对比研究，分析可能的成本降低路径。

投资视角

目前新能源汽车销售渗透率不足5%，用户体验（充电、续航、智能网联）仍需提升。更重要的是，电动汽车与燃油汽车之间仍然存在较大的成本差异。我们认为，随着动力电池成本下降，新能源汽车有望迎来快速增长的拐点。

基于成本模型，我们对动力电池的成本降低路径进行了初步分析，得出如下结论：

(1)不同的材料体系对应不同的电池成本。例如，LFP/LMO电池组成本比降低18%/22%，电芯成本比降低25%/29%；

(2)较低的材料价格可以降低成本。如果NCA和正极活性材料的价格从195元/公斤调整到150元/公斤（下降23%），那么电芯成本将从620元/kWh下降到548元。 /kWh（下降12%）；

(3)更精简的电池设计有助于降低成本。参考宁德时代提出的CTP技术，假设模组硬件材料成本降低80%，并淘汰相应的模组组装设备和人员，Pack成本将降低约10%~15%；

（4）工艺改进也是降低动力电池成本的途径之一。在模型中，我们假设电芯良率为95%。如果良率提高到98%，成本将下降约1.5%-2%。

(5)设备改进还可以降低电池成本。模型中假设单台Gwh设备投资为3亿元。如果降低10%至2.7亿元，动力电池组成本将降低不到1%。

综上所述，动力电池成本的降低主要依靠：（1）更具性价比的材料体系； (2)更精简的电池设计； (3)降低材料价格； (4)工艺改进； (5)设备改进。建议关注：（1）宁德时代、比亚迪、国轩高科等优质电池企业； （2）当胜科技、容百科技、普提莱、贝特瑞、恩杰等材料龙头企业； （3）先锋智能、赢合科技等设备公司。

1.模型框架：建立自下而上的动态成本模型

动力电池的成本一直是市场关注的焦点。动力电池成本定量研究的意义在于：（1）动力电池价格下降降低了电动汽车成本，从而促进新能源汽车的广泛使用。研究动力电池成本下降空间，有助于追踪电动汽车销量拐点； （2）动力电池成本下降的速度直接影响电池厂商的盈利能力； （3）电池材料厂商作为动力电池的上游，其量价走势也与电池成本相关。

数据显示，2009年以来全球智能手机渗透率快速增长，2009年至2015年年均增长9%，2007年至2008年平均仅增长1%左右。智能手机的高增长依赖于技术进步等因素，提高移动网络速度，改善用户体验。拐点后的手机产业链给投资者带来了巨大的利益。

拿智能手机行业来说，在几个关键因素突破后，行业进入高速增长阶段。新能源汽车产业仍处于拐点前。市场拉动的快速增长主要依靠成本降低、用户体验提升（充电、续航、智能网联）等。由于汽车消费占收入比例较高，消费者对价格敏感。传统燃油汽车与电动汽车的成本差异是新能源汽车渗透率增长的重要因素。据BNEF数据显示，2018年美国纯电动中型车动力电池系统成本占车辆税前售价的35%。随着动力电池价格的下降，价格预计到2023年左右该车的保有量将与传统燃油车持平。

近年来，动力电池的价格不断下降。以龙头企业宁德时代为例，其动力电池系统价格2015年为2.27元/Wh，2018年降至1.16元/Wh，年均复合降幅约20%；与此同时，动力电池价格业务的毛利率也在不断下降。 2015年，部分厂家毛利率在40%以上，到2018年已经下降至30%左右。

为了定量研究动力电池的成本，我们参考了ANL等机构的研究成果，将电池成本与性能相结合，建立了自下而上的模型。在该模型中，可以设置特定的参数（如功率、容量等），静态计算各工序的材料成本、硬件成本、制造成本，并可以动态区分材料价格变化、技术进步、成本降低等因素。流程改进和规模经济。成本模型的框架主要由两部分组成：

1、直接材料的计算

1.整车/Pack设计：主要因素包括整车续驶里程/充电容量、功率、Pack设计（电芯数量、串并联方式等）

2、电池核心材料性能：主要是一些电化学性能和物理参数，如正负极材料的克容量、密度、孔隙率、ASI、OCV-SOC曲线等。

3、制约因素：包括极片涂层厚度、电池成分及外观设计等。

4、计算电池参数：结合以上理化参数，可以计算出电池的材料用量、质量等

5、直接材料成本计算：结合材料使用量（考虑良品率、材料利用率等）和材料价格，可以计算直接材料成本

2、直接人工/制造费用的计算

6、工厂设计：包括生产能力、良品率、人员工资、设备折旧率、间接费用假设等。

7、生产工艺：主要是各工序的设备投资和人员配置

8、直接人工/制造费用计算：结合以上两点即可计算出结果

2.整车及电池设计

2.1.材料级：电池电化学性能

目前常见的电池体系有NCA、NCM（811/622/523/333）、LFP、LMO等。下表列出了正极材料的基本参数及假设：（1）根据分子式，对应的正极活性物质可计算物质的分子量； （2）参考各大正极材料公司的材料参数，列出活性物质的克容量，并列出真密度； (3)假设活性材料/导电剂/粘结剂的质量比为89:6:5。溶剂通常使用NMP，假设孔隙率为32%。

负极材料采用石墨系。下表为负极材料的基本参数及假设： (1)N/P比是指单位面积负极容量与正极容量的比值。通常N/P比在1-1.5之间。越接近1，电池容量越大，但充电时负极析出锂的概率也越高。我们假设三元体系的N/P比为1.25，LFP和LMO为1.2； (2)石墨的克容量为/g，同时列出真密度； (3)假设负极活性物质/粘结剂的质量比为95:5，溶剂为水，孔隙率为34%。

(1)假设正极集电体铝箔厚度为12μm，负极集电体铜箔厚度为8μm； (2)隔膜的厚度为12μm，孔隙率为40%，则可计算出隔膜的密度为0.368g/cm3； (3)电解 液体密度为1.2g/cm3。

根据分子式和分子量，可以计算出锂电池中重要金属元素的质量比例。如下表所示，正极材料和电解液是锂的来源；三元材料体系中，NCA/中的钴含量明显低于其他材料，且钴含量相差无几。

SOC（State of ）是指当前状态下实际能够提供的电量与充满电的电池能够提供的电量之比。比如50%SOC可以理解为当前电池剩余电量的50%； OCV（open（开路电压）是指电池在开路状态下的端电压。在一定温度下，SOC和OCV呈现一一对应关系。下表为几种电池的OCV-SOC曲线锂电池。

2.2.车辆设计：电动汽车性能决定电池组设计

动力电池的自行车功率、电芯容量等基本参数由车辆需求决定。假设：（1）一辆纯电动汽车乘用车电量为60kWh。该自行车配有电池组，并采用液体冷却和热管理解决方案。电池组由20个模块串联而成，单个模块由12个电芯串联而成。 ，可以计算出电池容量； （2）为了防止电池过度放电，将可用电池容量设置为90%，车辆能耗约为131.7Wh/km，因此车辆实际续驶里程约为410公里。

2.3.电芯设计：性能决定尺寸参数

为了计算方便，我们以方形叠层电池为例。假设：（1）端子与电池等宽，正极端子在电池的一端，负极端子在电池的另一端； (2)集流体双面涂覆，正负极材料由活性物质、导电剂和粘结剂组成； (3)采用液体冷却和热管理方法(乙二醇水溶液)。

对于电池片尺寸来说，最重要的是确定正负极材料涂层的厚度。涂层越厚，电池的空间利用率越高，但离子迁移路径越长，导致内阻增大；而且从工艺角度来看，涂层越厚，脱粉的概率也会增加。因此，考虑化学性能和工艺，选择合适的涂层厚度非常重要。模型中考虑离子迁移速率、充电极限、放电功率等因素后，可以计算出合适的涂层厚度（三元正极涂层厚度约为50-70μm）。

确定涂层厚度后，可以根据电芯厚度（假设20mm，宁德时代42Ah电芯厚度23mm）计算出层数。通过电芯容量、材料克容量、材料密度可以计算出极片的有效面积，进而确定极片的宽度和长度，最终得到电芯的长度和宽度可以确定。

Pack总功率为60kWh，由240块电芯组成。单个电芯的功率为250Wh。电池能量密度可以根据电池的重量计算。从表7可以看出，LFP和LMO电池的能量密度明显低于三种电池的能量密度。元系，三元系电池的镍含量越高，能量密度越高。

2.4.模块和Pack设计：源自电池核心参数

由于组件是由12块电芯串联而成，因此组件容量等于电芯容量；模块尺寸由电池尺寸决定；假设其外壳由铝制成，厚度为0.5mm。 Pack可用电量90%，有效功率54kWh； Pack长约1.3m，宽约1.2m，厚度约0.12m； Pack由电芯/模块、冷却剂、外壳等硬件、BMS和连接装置组成。 ，三元系统Pack总重量为320-370kg，LFP和LMO系统Pack总重量高于400kg；电池系统能量密度基本符合实际，成组效率在75%~80%之间。

3、材料成本

3.1.材料用途：主/辅材料+结构件

电池芯主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、铜箔、铝箔、外壳及正负极端子等组成。

正极材料主要由活性材料、导电剂和粘结剂组成，其中活性材料的质量=电池容量/活性材料克容量，这两个参数已在第2章中给出。活性材料/导电剂的质量比/活页夹是89/6/5。可以计算出单个电池中正极材料的总质量，然后可以计算出导电剂和粘合剂的质量。

负极材料采用石墨体系，主要由活性材料和粘结剂组成。活性物质的质量=电池容量/负极活性物质克容量*N/P比*（1+负极剩余面积比）。柔性材料/导电剂/粘合剂的质量比为95/0/5。可以计算出单个电池中负极材料的总质量，然后可以计算出粘合剂的质量。

（1）单体电池正极铝箔面积=正极片宽度*（正极片长度+未涂覆集流体长度）*层数。

（2）假设负极铜箔比正极铝箔长、宽2mm，则负极铜箔的面积=（正极片宽度+2mm）*（正极片长度+未涂覆电流集电极长度+2mm)*(层数+1)。

（3）假设隔板的宽度比正极片大4mm，长度比正极片大6mm，那么单电池隔板的面积=（正极片宽度+4mm）* （正极片长度+6mm）*2*层数。

(4)将电解液填充在正负极、隔膜等孔隙中。单节电解液体积=（正极材料质量/正极材料密度*孔隙率+负极材料质量/负极材料密度*孔隙率+隔膜面积*厚度*孔隙率+电池厚度*正极片数宽度*正极片长度*2%）。

(5)正极组件质量=正极铝箔密度*端子材料长度*端子材料厚度*端子材料宽度；负极元件质量=负极铜箔密度*端子材料长度*端子材料厚度*端子材料宽度；电池壳质量=电芯表面积*壳厚度*壳密度。

为了更直观地观察电池材料的数量关系，可以计算出单个kWh动力电池对应的材料使用量（之前假设动力电池的单电芯容量为250Wh）。

3.2.材料价格：价格由市场决定

据新晨资讯报价数据显示：（1）近六个月均价约为162.5元/公斤； （2）近六个月平均价格约为143.5元/公斤； （3）近六个月平均价格约为146.5元/公斤/公斤； （4）近六个月均价约为195元/公斤，NCA的报价也是以195元/公斤为基准； （5）磷酸铁锂近六个月均价约为45.5元/公斤； （6）今年以来改性活生物体平均价格约为45.5元/公斤。添加剂价格相对稳定。我们假设导电炭黑的价格为40元/公斤；粘结剂PVDF价格115元/公斤；粘结剂溶剂NMP价格为20元/公斤。

假设负极活性材料价格为50元/公斤，负极粘结剂价格为45元/公斤。

假设12μm正极铝箔价格为1元/m2； 8μm负极铜箔价格为6.41元/m2；隔板价格3元/m2；电解液价格为55.8元/L。

并联电池组对应一个SOC控制器，串联电池组需要控制每节电芯的电压。因此，SOC控制器的成本=串联电池数量*（16+0.07*容量），其中16是固定量，0.07是与容量相关的系数。端子、外壳、散热器等价格公司也类似。单价由固定金额+系数*单位质量组成。电池组终端单价由定额+系数*总电流组成。

3.3.材料成本汇总：根据材料用量和价格计算

下面列出了制造单个 A 级电池所消耗的材料。材料的理论用量已按3.1计算。通过理论使用量/电芯良率/材料利用率可以计算出A级电池消耗的材料量，进而可以计算出每年消耗的材料和硬件总量。

动力电池材料及硬件价格如表14-17所示。结合材料使用情况，可以计算出单个Pack的成本构成。如果单个Pack的功率为60kWh，则可以计算出单个Wh对应的材料成本结构。如表21所示，磷酸铁锂/电芯成本为0.362/0.513元/Wh，电池组成本为0.562/0.703元/Wh（不含BMS和热管理外部组件），NCA/电池高价 对于其他三元电池来说，主要是由于目前NCA和正极材料价格较高。

4、生产成本

4.1.工厂设计：产能6Gwh，良品率高

为了研究生产成本比亚迪电池组拆解，我们假设工厂年Pack产能为10万台，每个Pack的功率为60kWh，则工厂年产能为6Gwh；单包Pack电芯数量为240颗，则年产A级电芯数量为2400万颗，A级及不良品总数约为2526万颗。

下表列出了电池产量和材料利用率的假设。其中：（1）电芯良率95%，行业普遍在90%~95%之间； （2）正负极材料整体利用率为92.2%，搅拌、涂布、分切、层压等过程中存在损耗； （3）铝箔、铜箔整体利用率为90.2%，在涂布、分切、层压等工序中存在损耗； (4)隔膜整体利用率98%，层压过程中存在损耗。损失; (5)电解液整体利用率94%，注液过程中无损失； (6)粘合剂溶剂回收率为99.5%。

4.2.生产流程：极片准备+电池组装+模组/Pack组装

动力电池的生产工艺有多种，主要包括以下工艺流程：

（1）来料的接收和储存：该过程需要运输设备、干燥设备和储存场所等，还需要人员进行设备操作和储存管理。

(2)材料准备/混合/投料：该过程需要活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂的混合和搅拌。主要设备是搅拌机。

(3)极片涂覆和溶剂干燥：该过程是将搅拌好的浆料涂覆在集流体的两面，并烘烤以排出溶剂。主要设备是涂布机和干燥设备。

(4)压延：通过此工序，可以将正负极材料压制成合适的孔隙率。该设备为辊压机。

(5)极片分切：将极片切成设计尺寸。该设备为分切机。

(6)真空干燥：后续工序需要保持干燥。过度潮湿可能会影响电池寿命。

(7)层压：将切割好的极片堆叠起来，设备为层压机。

(8)集流体焊接：将集流体焊接到端子上，设备为焊接机。

(9)放入电池盒：将加工好的极片放入电池盒内。

(10)注液及包装：注入电解液并密封。

(11)化学成分检测：对电池进行充放电，测试电芯性能。

(12)模块组装：将合格的电池组装成模块。

(13)Pack组装及测试：将模块组装成Pack并进行测试。

4.3.厂房、设备及人员：单线设备投资约3亿元。

表24列出了电池生产工艺对应的设备价值、生产人员数量和占地面积。单条1Gwh生产线设备价值约3亿元，6Gwh产能对应价值18亿元；单条线配置的生产人员数量约为400人，6Gwh产能对应2400人。假设每年有效生产天数为300天，每天3班（8小时工作制），直接人工为576万小时/年； 6Gwh生产线总占地面积26750平方米。

4.4.生产成本汇总：直接人工+制造费用

我们假设：（1）工厂土建支出为15000元/平方米； （2）直接人工费25元/小时； （3）间接成本由40%直接人工+20%折旧组成； （4）民用建筑折旧年限为20年，年折旧率为5%。设备折旧年限为6年，年折旧率为16.7%。

由表24和表25可以计算出动力电池的生产成本。下表列出了单个 Pack 的生产成本。直接人工合计1440元/包，制造费用合计4417元/包。

5、成本汇总、验证及降低成本路径

5.1.成本汇总：材料成本+生产成本

总结物质成本和生产成本在一起，以获取电池组的成本故障表（表28）。单包的功率为60kWh，可以计算出电力成本（表29）。根据计算结果，LFP电池电池和包装千瓦时成本分别为449元/千瓦时和660元/千瓦时，而电源电池电池和包装电池和包装千瓦时成本分别为600元/千瓦时和859元/千瓦时。

5.2.结果验证：总成本和拆分结果基本上与现实一致

我们从两个方面验证模型的结果：

1。电池的总成本：根据CATL的公告，CATL的电池电池业务包括LFP和NCM电池，包括模块和包装。其2018年电池的全面成本为0.76元/WH；根据模型的假设，材料价格是2019年的平均价格，略低于2018年的价格。LFP //的成本分别为0.66/0.76/0.76/0.80 yuan/wh，上限为接近0.76元/WH。

2。电池电池成本拆分：在2017年CATL的主要业务成本中，直接材料/直接人工/制造费用分别占83.75％/4.26％/11.99％；在2018年 的电池系统中，直接材料的材料/直接人工/制造费用的比例分别为88.28％/6.40％/5.32％。根据模型的计算结果，直接材料约占电池组成本的84％-89％，直接劳动力占2.8％-3.8％，制造费用约为8.6％-11.8％ 。总体而言，这基本上与现实一致。

5.3.降低成本路径：技术 +流程改进等等。

根据既定的成本模型，电池成本的降低主要依赖于：（1）更具成本效益的材料系统（高尼克三元，磷酸锂等）； （2）较低的材料价格； （3）更简化的电池设计（例如CATL电池到包装技术）； （4）过程改进（改善材料利用率，收益率）； （5）设备改进（提高自动化水平，降低设备投资，降低故障率等）。

不同的材料系统具有不同的相应电池成本。根据模型的计算，LFP和LMO电池的成本明显低于三元电池。如图30所示，LFP/LMO电池组的成本比率低18％/22％，电池电池的成本降低了25％/29％；在三元电池中，高尼克电池的理论成本较低。我们计算得出的千瓦小时成本逐渐下降，但是NCA和电池的成本仍然很高，主要是因为目前高尼克三元材料的应用并不多。 ，由于材料价格仍然很高。

材料价格是影响电池成本的重要因素。如果将NCA和阴极活动材料的价格从195元/千克调整为150元/千克（降低23％），则电池芯的成本将从620元/千瓦时下降到548元/kWh（a减少12％）。成本将从817元/千瓦时下降到746元/千瓦时（减少9％）； NCA细胞和包装的成本也将相应下降。

简化电池设计还将降低电池成本。我们指的是CATL提出的CTP技术（细胞到包装）。假设模块硬件材料成本减少了80％，并且减去相应的模块组件设备和人员。然后与包装成本的原始值相比，简化结构后的包成本降低。约10％-15％。

过程改进也是降低电池成本的方法之一。在模型中，我们假设电池电池的产量率为95％。如果收益率增加到98％，成本将下降约1.5％-2％。

设备改进包括自动化改进和设备投资减少。在模型中，我们假设单一GWH设备的投资为3亿元。如果将其降低10％至2.7亿元，则电池组成本将减少不到1％。

6。投资建议

目前，新能源车辆的销售渗透率不到5％，用户体验（充电，电池寿命，智能网络连接）仍然需要改善。更重要的是，电动汽车和燃料汽车之间仍然存在很大的成本差异。我们认为，随着电池的成本下降，预计新的能源车辆将引入快速增长的拐点。

根据我们确定的成本模型，电池成本的降低主要取决于：（1）更具成本效益的材料系统（高镍三元，磷酸锂等）； （2）更简化的电池设计（例如CATL电池到包装技术）； （3）较低的材料价格； （4）过程改进（改善材料利用率，收益率）； （5）设备改进（提高自动化水平，降低设备投资，降低故障率等）。

建议注意：（1）Catl，Byd和 Hi-Tech等高质量的电池公司； （2）诸如 ， ，，和Enjie等领先的物质公司； （3）先锋智能，技术和其他设备公司。

7。风险分析

（1）影响行业发展的政策变化风险：新能源车产业的发展仍处于早期阶段，政策将对该行业产生更大的影响。如果监管机构颁布相关政策，则可能会影响行业的发展。

（2）技术路线变化的风险：技术进步是发展新能源汽车行业的驱动力之一。新产品的工业化可能会影响上一代产品，从而取代了原始技术路线。

（3）加强市场竞争的风险：新的能源车辆行业有很大的开发空间，许多公司正在参加比赛。在短期内行业生产能力可能会超过需求，从而导致产能过剩的风险。

（4）原材料价格明显波动的风险：钴和锂是电池的重要原材料。如果价格显着波动，它将影响电池材料的价格，这将导致电池成本的意外变化。