能源产业趋势深度研究：论能源革命的核心降本和提效（上）

能源产业趋势深度研究：论能源革命的核心，降本和提效（上）一.第三次能源革命正式开启能源领域的第一次革命是人类有意识地使用和掌握人工火。从自然火的利用到收集、保存和利用人工火标志着人类生产和生活的第一次实践。人类彻底摆脱了茹毛饮血的原始生活，迈向了文明社会。木材、秸秆等柴薪能源由于易获取、易燃烧、易运输等特点成为人类社会生产和生活的主要能源，人类从此迈进了植物能源时代。能源领域的第二次革命是化石能源替代植物能源成为新的主导能源。第二次能源革命受工业革命驱动，化石能源替代植物能源成为新的主导能源，人类社会正式步入化石能源时代。化石能源时代可以分为煤炭能源时代和油气能源时代两个阶段：煤炭能源时代以18世纪中期瓦特对蒸汽机的改良引发第一次工业革命为标志，蒸汽机的广泛使用一方面提高了煤炭开采的规模和效率，另一方面，煤炭的规模化开采和利用反过来为蒸汽机提供了源源不断的动力推动了工业化的发展；工业革命和能源革命交织在一起推动成就了英国的“日不落帝国”地位。内燃机的发明和电的发现将第二次能源革命推向高潮，开启油气资源时代。石油更高的热值和效能使得内燃机较蒸汽机更轻便，更高效，推动了汽车、飞机、轮船等交通运输工具的飞速发展，推动了石油产业和石油化工产业的发展。电器的广泛应用是第二次工业革命的最显著的特征，人类从一次能源利用转向二次能源的利用，电力成为新的能源，推动人类社会进入油气能源时代。率先进行的第二次工业革命和能源革命的美国经济得以快速发展，美国超过英国成为世界经济强国，随后又成为世界霸主。能源效率的提升和成本的降低是能源革命永恒的主题。回溯复盘人类历史所经历的历次能源革命，获取高效率和低成本的能源是能源升级的永恒主题。第三次能源革命的特点是以可再生能源代替不可再生能源，以低碳能源代替高碳能源，当下应对气候变化与能源低碳转型已成全球共识，中国能源利用已经进入高质量发展的新时代，建设多元清洁的能源供应体系，“四个革命、一个合作”能源安全新战略，为新时代中国能源发展指明了方向，开辟了中国特色能源发展新道路。煤电作为我国主导发电方式，碳排量极高，据电力部门统计，我国2020年煤电碳排量为40.3亿吨，占全国碳排的40%多，因此为实现双碳规划，能源升级转型是我国战略发展必经之路。2021年3月，我国“十四五”规划明确提出“推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系”，并强调“非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右，推进以电代煤”的发展方向。本报告将从煤炭，动力电池，储能，光伏，风电，氢能，核电七个核心题材回顾总结能源发展的历史，详细解析能源降本增效的路径，梳理相关产业链技术迭代升级的路线。二.煤炭1.煤炭中期占主导地位，实现绿色开采与应用煤炭是我国的主导能源，中期看占绝对份额。煤炭是我国一次能源中最经济、可靠的能源，长期以来，煤炭产量与消费量分别占我国一次能源生产和消费总量的70%和60%以上，我国能源结构的基本特征是“富煤、贫油、少气”，根据国家统计局，2020年我国煤炭消费量占能源消费总量的56.8%，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占比仅24.3%，虽然当前新能源快速发展，但中期看煤炭在我国能源结构中仍占据绝对份额。科技进步实现煤炭资源的清洁高效利用。通过科技进步实现煤炭安全、高效、智能、绿色开采和清洁高效利用是我国煤炭工业高质量发展的方向，在生产端，智能矿山技术提高了煤炭开采效率，减少了煤炭开采过程中的损耗；在应用端，煤制氢技术的进步降低了二氧化碳的排放，为煤炭清洁高效利用提供了有效的技术支撑。2.降本提效驱动因素：智能煤矿和煤制氢2.1.智能煤矿智能煤矿是大数据和工业互联网技术在煤炭生产端的应用。智能煤矿是基于最新的云计算、人工智能等技术实现矿山生产流程智能化管理的一整套解决方案。智能煤矿通过全面感知和分析矿山生产流程涉及的对象，包括各种机电设备及其状态、井下重大危险源（如水、火、瓦斯、顶板等）相关信息及工程技术与管理人员等，实现人与人、人与物和物与物之间无障碍互联互通，实现安全生产全流程的智能分析和远程管控，确保煤矿的安全生产和高产高效。国家高度重视煤矿智能化建设，政策顶层设计不断完善。我国采煤技术经历了人工炮采、普通机械化开采、综合机械化开采和目前的智能化开采4个主要阶段，煤矿智能化是新发展阶段煤炭行业高质量发展的必由之路。我国煤矿智能化发展可分为四个阶段：（1）20世纪90年代，单机自动化阶段；（2）21世纪初，综合自动化阶段；（3）2010年至今，局部智能化阶段；（4）未来，透明矿井4.0时代。2020年2月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，吹响了煤炭工业向智能化进军的冲锋号，标志着煤炭工业迈进了实现智能化的新阶段。国家首批示范建设煤矿70%以上将于年底前建成，预计2023年底前全部完成建设，以点带面带动全国近400座煤矿开展智能化升级改造，目前已建成智能化采掘工作面813个，减人增安提效的效果日益显现，并在去冬今春煤炭安全增产增供中发挥了重要作用。煤矿智能化要重点建设十大智能应用系统，分别为综合管控系统及大数据平台、地质保障及4D-GIS动态信息系统、5G高速通信网络及精准位置服务系统、巷道智能快速掘进系统、工作面智能协同控制系统、主煤流及辅助运输智能系统、井下环境感知及安全管控系统、固定场所无人值守智能管理系统、煤矿智能选煤系统、智慧园区与经营管理系统，其中前3个系统属于煤矿总体基础平台，第4、第5、第6个系统属于井下采掘运系统，第7、第8个系统属于井下安全系统，第9、第10个系统属于煤矿辅助保障系统。智能煤矿市场空间有望达到1200亿元。中国煤炭工业协会数据显示，截至2020年底，我国共有煤矿数量约4700处，其中年产120万吨以上的大型煤矿1200处左右（产量占全国的80%左右）。根据规划，“十四五”期间将淘汰一批落后煤矿（预计以小型煤矿为主），到“十四五”末全国煤矿数量将控制在4000处左右。根据产业链调研，假设煤矿智能化建设平均单矿投入1亿元以上（其中基础设施5000万元，智能化设备3000万元，智能化系统2000万元

），以全国4000处煤矿计算，对应煤矿智能化总市场空间约4000亿元。根据

《

关于加快煤矿智能化发展的指导意见

》，到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，按照全国年产120万吨以上的煤矿1200处计算，“十四五”期间煤矿智能化市场空间约1200亿元。2.2.煤制氢煤制氢的主要技术路线是煤的气化，是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物，气化剂为水蒸气或氧气（空气），气体产物中含有氢气等成分，其含量随不同气化方法而异，利用变压吸附(PSA)技术可将其提纯到燃料电池用氢要求。传统的煤制氢过程会排放大量的二氧化碳，不符合低碳化要求，并且制取的氢气中还有硫磷等吸附性杂质，检测难度较高。煤制氢适合大规模集中制氢。煤制氢需要使用大型气化设备，前期设备投资成本较高，单位投资成本在1~1.7万元/(3Nmh/)，因此只有通过大规模集中制氢才能降低生产成本；此外，煤制氢成本还受煤炭价格影响，在煤炭价格为200~1000元/吨时，煤制氢成本约为6.77~12.14元/kg；因此煤制氢只适合中央工厂集中制氢，不适合分布式制氢。超临界水煤气化技术有望成为未来煤制氢技术路线。传统的煤制氢采用固定床、流化床、气流床等工艺，合成气体中一氧化碳，二氧化碳等体积分数高达45~70%。新型的煤制氢技术以超临界水煤气化技术为代表，利用超临界水

（温度374℃，压力22.1MPa）作为均相反应媒介，具有氢气组分高，气化效率高，污染少等优点，但是目前尚未实现产业化。三.动力电池1.动力电池装机量远超预期，行业景气度维持高位新能源汽车景气度远超预期，动力电池装机水涨船高。根据高工产业研究院（GGII）数据统计显示，2021年中国新能源汽车销售约302.9万辆，同比增长143%；动力电池装机量约139.98GWh，同比增长128%（数据不含整车及动力电池出口部分）。其中，乘用车领域装机122.74GWh，占总装机电量的比例87.7%，同比增长169%，涨幅高于整体；新能源客车领域装机10.01GWh，同比下降18%；新能源专用车领域装机7.24GWh，同比增长88%。动力电池企业装机市场高度集中，企业竞争进一步加剧。2021年动力电池装机电量TOP10企业装机总电量128.4GWh，占整体装机电量的比例为91%，与2020年基本持平，但装机排名发生了较大变更。2021动力电池装机量排名TOP10依次为宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、LG化学、时代上汽、孚能科技、蜂巢能源、亿纬锂能、瑞浦能源。相较2020年，2021年动力电池企业竞争加剧，除宁德时代、比亚迪稳居前二外，其余排名座次出现了较大波动。如中创新航在2020年第4的基础上更上一层楼，稳居第3，蜂巢能源由2020年第13蹿升至第8，LG化学则由2020年第4退居至第5等。2.降本提效驱动因素：材料升级，工艺升级，结构升级和模式升级能量密度、充放电倍率、循环寿命、安全性、一致性和可靠性等指标是动力电池的核心指标。通常情况下，动力电池的各种性能指标之间往往存在矛盾，例如提高电池能量密度往往会降低电池一致性，提高快速充电性能往往会降低电池寿命，提高功率往往会牺牲电池能量密度；因此，在技术升级过程中需要综合考虑多方面因素，平衡电池各项指标，做出系统最优化选择。安全性是动力电池最核心的指标，在电池各项指标中处于基石地位。安全性测试结果可以反应意外情况下动力电池自燃的可能性及破坏程度，现阶段针对动力电池的安全性测试包括针刺、过热、过充、短路等。能量密度是动力电池最重要的性能指标。在整车重量给定、正常工况行驶的情况下，电池的能量决定新能源汽车的续航里程，电池能量（Wh）等于能量密度（Wh/L）乘以电池体积（L），或者比能量（Wh/kg）乘以电池质量

（kg）。由于新能源汽车生产商在某特定车型中要严格控制电池在车身中所占空间，因此在动力电池体积一定的情况下，采用能量密度越高的电芯，电池的能量越高，续航里程也就越长。电芯的能量密度称为单体能量密度，在电芯PACK成组后，整体的能量密度会有明显下降，该能量密度称为系统能量密度，我国从2017年开始将动力电池系统能量密度指标纳入补贴考核范围，用以推动动力新能源汽车及动力电池行业技术发展。一致性是动力电池规模化生产以及稳定运行的重要指标。由于电池系统中串并联的单体电芯个数很多（18650圆柱电池的电芯多达5000~7000只），假如众多单体电芯在内阻等方面不能保持高度一致，在相同电流流过时，内阻大的电芯就会发热，进而发生爆炸等安全事故。另一方面，由于电池系统的能量和寿命存在短板效应，即由系统中能量最小、寿命最短的电池决定。因此在动力电池研发生产过程中，不仅要在实验室生产出高能量密度的电池，还要保证生产电池的一致性较强，才能满足车企对电池的要求。动力电池技术升级是指在保证安全性的前提下，向高能量密度，高安全性和低成本方向发展。升级的主要模式包括材料升级，工艺升级，结构升级和模式升级四种：材料升级是指通过深入研究动力电池材料的内禀性质及其界面性质，实现动力电池材料的根本性创新，代表路径包括高镍三元正极和磷酸锰铁锂正极；工艺升级是指通过不断优化动力电池材料生产工艺，降低能耗和原材料用量，代表路径是负极材料石墨化的箱式法和连续法；结构升级主要是通过优化动力电池系统结构，实现系统能耗降低、效率提高、成本降低的目标，代表路径包括特斯拉的4680大圆柱电池和比亚迪的刀片电池；模式升级则是通过新的模式创新克服新能源汽车充电时间过长以及里程焦虑等劣势，代表路径包括换电模式和快充模式。除此之外，固态电池虽然短期时间内因为成本高昂不具备大规模商业化的可能性，但因为其能量密度高，安全新高等优势，将会成为动力电池长期技术升级的另一个可行路径。2.1材料升级：高镍三元正极和磷酸锰铁锂正极正极材料升级是提升动力电池能量密度的突破口。动力电池电芯的能量密度取决于正极克容量、负极克容量、以及正负极电势差，通过提升正负极克容量、电势差可直接提升能量密度；由于正极材料克容量普遍低于负极，所以改变正极材料性能对于电池能量密度提升作用显著。当前阶段，高镍三元正极和磷酸锰铁锂正极是动力电池正极材料升级的方向。2.1.1三元正极:正极材料高镍化，低钴化和单晶化降本提效优势三元正极电池（NCM）具有能量密度高、成本低的优势。三元正极包含镍钴锰三种金属元素，根据三种元素比例的不同，三元正极电池可以分为NCM333、NCM523、NCM622和NCM811型。镍钴锰三种金属元素自身的属性决定了三元正极电池的不同性能指标：（1）镍是电池活性元素，可以提高新增材料的体积能量密度，是电池能量密度的关键指标，但镍含量高的三元材料会导致锂镍混排，从而造成锂的析出；（2）锰有良好的电化学惰性，能够使材料始终保持稳定的结构，可以降低材料成本、提高材料安全性和结构稳定性，是电池热稳定性的关键指标，但过高的锰含量会破坏材料的层状结构，使材料的比容量降低；（3）钴可以稳定材料的层状结构，同时可以提高材料的循环和倍率性能，是电池性价比与可循环性的关键指标；但过高的钴含量会导致实际容量降低，而且钴价格昂贵并对环境造成污染。高镍化，低钴化和单晶化是三元正极的升级方向。动力电池的设计需同时兼顾电池容量和材料成本，高能量密度和低成本的动力电池是最理想化的产品，也是未来动力电池长期技术升级的方向。镍作为三元正极材料中是活性物质，增加镍含量可增多可反应电子数、增强正极材料活性与放电比容量，从而有效提升电池能量密度；钴有助于提高电导率和倍率性能，高镍低钴化使得电池比容量提升，但安全性和倍率性能减弱；单晶因为内部排列取向一致，不存在晶界，因此结构稳定性更强，是提升电池稳定性的重要路径，同时通过提升充电电压，迫使更多的锂离子脱嵌，提高参与反应的锂离子的数目，从而提升电池能量密度。高镍化提高电池能量密度，有效提升续航。镍元素可以有效提高电池能量密度，目前市场主流的磷酸铁锂电池单体电芯能量密度大多在160Wh/kg左右，三元正极电池单体能量密度普遍在200Wh/kg以上，主流产品已经达到250Wh/kg；宁德时代第一代NCM811电池采用石墨负极，单体电芯能量密度达到250-280Wh/kg；第二代NCM811电池采用石墨与少量硅混合制成的负极，单体电芯能量密度可达300-350Wh/kg，超高镍电池未来有希望冲击400Wh/kg的单体电芯能量密度。单晶化提高电池稳定性和安全性。三元正极材料的合成方式主要分为一次颗粒大单晶技术体系和二次颗粒团聚体技术体系，常规的二次颗粒团聚体三元正极材料由许多小单晶一次颗粒构成。采用大单晶技术生产的产品可有效解决二次颗粒团聚体技术生产容易导致二次球开裂、破碎引发的电池电化学环境剧烈变化、循环寿命缩短、性能恶化等问题，在产品高温循环稳定性、结构稳定性、安全性能等方面具有一定优势，目前单晶三元材料市场占比率整体呈上升态势，2021年前三季度占比约为40%。市场规模三元正极出货量大幅增长，CAGR高达41.3%。研究机构EVTank数据显示，2021年全球三元正极出货量达到71.8万吨，同比增长70.9%，中国三元正极出货量达到42.2万吨，同比增长79.6%；2017年至2021年期间，中国三元正极出货量从10.6万吨增长至42.2万吨，CAGR高达41.3%。三元正极高镍化趋势明确，渗透率已达40%。根据华经产业研究院数据显示，2021年我国高镍三元产量为15.1万吨，同比增长328.3%，高镍三元出货量为17万吨，同比增长283.3%。在高端乘用车和海外市场对高能量密度电池需求的带动下，高镍三元在元正极中的占比显著提升，2017年我国高镍三元占三元正极的比重仅为5%，2018-2020年分别为8%、15%、24%，截至2021年，我国高镍三元正极渗透率已达40%。从各国动力电池长期技术路径规划来看，动力电池电芯能量密度普遍将达到300Wh/kg以上，高镍三元电池是现有技术体系中必然选择，高镍三元材料的市场占比将有进一步提升的空间。动力电池厂商加快布局高镍电池，实现大规模量产。2020年是高镍电池元年，国内动力电池龙头宁德时代开始规模化量产高镍电池，随着高镍技术不断趋于成熟，截至2021年，高镍电池装机量已经占宁德时代动力电池装机总量的30%。亿纬锂能、蜂巢、比亚迪等陆续有高镍电池出货，且高镍三元材料占比提升至40%+，且二线厂商开始突破，实现大规模量产。2.1.2.磷酸铁锂正极：锰基材料的高电压平台降本提效优势磷酸锰铁锂正极打破磷酸铁锂能量密度瓶颈。磷酸锰铁锂较高的电压平台对理论能量密度的提升较为显著（接近20%），理论上可以接近现在的5系三元正极电池。应用在储能端时可有效减少储能系统的质量及所需要的电池数量，不但能够降低成本，而且能够减少检修数量。同时在技术路线方面与现有磷酸铁锂的生产体系区别不大。独特的双电压平台，方便BMS监测。磷酸锰铁锂材料的一次性颗粒分布在20-100nm之间，相较磷酸铁锂的10-200nm分布更加均匀。正极材料颗粒的大小直接影响到锂离子的脱嵌，从而影响到电池性能，更小的粒径和更均匀的粒度分布具有更高的电池容量。磷酸锰铁锂的脱嵌机理主要遵循先进行Fe2+到Fe3+的反应，再进行Mn2+到Mn3+的反应。在没有充电的时候是磷酸铁锂和磷酸锰锂的固溶体，铁参加反应的过程中，形成的是磷酸铁锂、磷酸铁和磷酸锰锂的固溶体；锰参加反应的过程中，形成的是磷酸铁、磷酸锰锂和磷酸锰的固溶体。充电完全结束时，形成的是磷酸铁和磷酸锰的固溶体。因此，磷酸锰铁锂具有两个电压平台（4.1V、3.4V

）分别对应Mn与Fe的氧化还原，4.1V平台可以提高电池的电压，3.4V低电压平台可以判断电池的剩余容量。相对于磷酸铁锂平坦的放电曲线而言，磷酸锰铁锂的两段式放电曲线有可能为BMS提供较为方便的监测依据。市场规模国内外厂商相继推出磷酸锰铁锂产品，部分公司已开始产业化尝试。中国台湾地区的宏濑科技于2014年是全球第一家量产磷酸锰铁锂的公司，已成功推出第三代磷酸锰铁锂产品G3。而宁德时代、比亚迪、国轩高科、天能股份等电池公司均有相关的技术专利布局，其中天能股份生产的磷酸锰铁锂18650电池成功应用在小牛的最新款F0系列电动车中，声称其低温性能提升超过25%。鹏欣资源参股的江苏力泰锂能自主研发的纳米级磷酸锰铁锂材料，基于纳米晶立体网状多孔磷酸铁锂正极材料技术，据称实现了一次粒子纳米化、二次粒子具有立体网状导电功能，有效降低传统磷酸锰铁锂的电阻问题，有具有良好的倍率性能。国内新能源企业加快磷酸锰铁锂量产。磷酸锰铁锂过去受限于其较低的导电性能与倍率性能，而随着碳包覆、纳米化、补锂技术等改性技术的进步，磷酸锰铁锂产业化进程开始加速。内正极厂商德方纳米、当升科技等均公布了其在磷酸锰铁锂方面最新布局情况，德方纳米最新公布的10万吨新型磷酸盐系正极材料项目。2.2工艺升级：箱式法和连续法石墨化石墨化碳材料是最主要的负极材料。负极材料作为作为动力电池四大关键材料之一，占动力电池成本比例约为5%-15%（不同类型电池占比略有所差异），其技术最为成熟。负极材料按其原材料种类和制造工艺可大致分为碳材料和非碳材料，由于碳材料对锂的电位比较低（一般小于1V），导电性良好，结晶度高并且具有较好的层状结构，适合锂的嵌入脱嵌，是比较理想的负极材料。碳材料中的石墨化碳材料是最主要的负极材料，天然石墨、人造石墨和中间相炭微球已实现较大规模的产业化应用。人造石墨是当前主流的负极材料，在高端领域具有不可替代性。目前负极材料中应用最广的是人造石墨与天然石墨两类材料，其中，人造石墨渗透率逐年提升，为当前主流材料，2020年中国负极材料出货达36.5万吨，人造石墨占比达到84%，天然石墨占比16%，2021H1人造石墨出货量占比为85%。在生产工艺上，人造石墨成本较高，天然石墨为从天然石墨矿产提炼出来的产品，人造石墨为焦炭类原料经过高温石墨化处理后转化成石墨的产品，工序流程较长，相应的同档次的人造石墨的成本和销售价格较天然石墨要高；在产品用途上，天然石墨难以替代人造石墨在动力电池领域的应用，天然石墨性价比较高，容量、压实、低温性能较好，主要应用于消费类电池领域；人造石墨由于其价格区间和容量区间较宽，且具备长循环、高温存储、高倍率等天然石墨所不具备的优势，主要应用于动力电池和中高端电子产品，目前为止，天然石墨难以代替人造石墨在动力电池以及高端电子领域的应用。石墨化工艺按照装炉方式可分为坩埚法和箱式法，坩埚法是先将前料放入圆柱形的石墨坩埚中，再放入石墨化炉里，坩埚间有缝隙需添加保温料形成导电回路；箱式法是直接将整个炉芯空间用石墨板材分成若干个等容积腔室，再放入负极材料，石墨板材具有导电性，通电后在作为容器的同时也能够加热材料。石墨化工艺按照运行方式可分为间歇式和连续式，间歇石墨化是指石墨化过程中物料装炉后不移动，经过升温、石墨化、降温等过程后断电出炉，坩埚法和箱式法都是间歇式工艺；连续石墨化一般是指生产中没有断电的过程，石墨化的产品需要经过一系列的温区，从而实现连续石墨化。连续石墨化大幅降低电耗，提高产品质量，缩短生产周期。连续石墨法在上世纪70年代就已经开始研发，采用电阻或感应加热，可实现高温下连续式进料和出料。其优势在于：（1）将间歇式的清炉、装炉、通电、冷却、卸出等多道工序整合为一，从而大大缩短了生产周期，提高了单位产量，且容易实现自动化；（2）通过采用新的炉型结构和快速冷却装置，便于加排料及快速冷却，在连续生产的状态下不存在间歇式的炉体蓄热损失，热效率大幅提高，电耗较间歇式石墨化炉低30-50%；（3）连续式生产出的产品石墨化度比较均匀，一致性好，而间歇式生产从装炉到出炉受外界影响较多，因此生产的散状石墨质量不稳定；（4）间歇式装炉和出炉过程中需要人工操作，现场飞灰量大，存在环保问题；连续式简化了生产工序，且设置了排硫孔和排烟孔，避免污染物直接排放，因此环境友好度更佳。箱式法和连续法有望成为未来石墨化工艺主流方向。与传统坩埚法相比，箱式法和连续法单耗更低且出货量更高，根据璞泰来、山河智能公告，以及产业反馈，相比传统石墨化坩埚炉加工工艺，箱式法和和连续法工艺的单位电分别降低20-30%、40-50%。同时，箱式法与连续法工艺在单位面积上的日产出也更高，以单炉占地面积计算，箱式法和连续法单日产出是传统坩埚炉工艺的2倍和5-6倍。2.3结构升级：大圆柱电池和刀片电池动力电池的结构升级是动力电池技术进步的另一个重要方向，根据动力电池电芯的封装方式，动力电池的结构主要可以分为圆柱电池，方形电池和软包电池三类。圆柱电池圆柱电池历史悠久，海外市场普及率高。圆柱电池最早是由日本SONY公司于1992年发明，型号诸多，常见的型号有17490、14650、18650、26650、21700等，其中，18650圆柱电池历史最为悠久，市场普及率极高。圆柱电池是日本和韩国电池企业的主要技术路线，代表企业是日本松下：2008年，松下与特斯拉首次展开合作，18650钴酸锂电池被特斯拉首款车型Roadster采纳，2014年，松下宣布与特斯拉合资共建超级电池工厂Gigafactory，两者关系更进一步，松下认为电动汽车应该使用18650圆柱电池，这样即使某个电池出现不一致发生故障也不会影响整个系统的运作。中国也有一批动力电池企业生产圆柱电池，比克电池、江苏智航、天津力神、上海德朗能等企业处于行业领先地位，此外沃特玛客车的磷酸铁锂电池和银隆快充客车的钛酸锂电池也采用圆柱封装形式。圆柱电池具有卷绕工艺成熟、自动化程度高、生产效率高、一致性好、成本相对较低的优点，同时也存在圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布等问题。圆柱电池的径向导热性能不佳限制了卷绕圈数，18650圆柱电池电池的卷绕圈数一般在20圈左右，因此单体容量较小，应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和管理复杂度都大大增加。2021年前三季度我国圆柱动力电池装机量约6.63GWh，同比增长14%，排名前十企业合计约6.6GWh，其中，LG化学凭借配套特斯拉

Model3、ModelY圆柱21700电池占据高达77%的装机份额。2020年，圆柱电池在国内市场份额提升，主要由于国产特斯拉的放量，带动LG化学圆柱电池(21700)装机提升；2021H1圆柱电池在国内市场份额稳定在10%+。2020年，海外圆柱电池出货量下降，整体份额下降约20%。方形电池方形电池是国内普及率最高的技术路线。纯电汽车的兴起使得续航里程与电池容量之间的矛盾日渐突显，国内动力电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池。国内外以方形为封装工艺企业主要有三星SDI（封装形式以方形为主，正极材料采用三元NCM和NCA材料。正在积极跟进21700电池的生产）、比亚迪（动力电池以方形铝壳为主，正极材料以磷酸铁锂为主，也一直在进行三元电池的研发及技术储备）、CATL（产品以方形铝壳电池为主，正极材料包含磷酸铁锂和三元。磷酸铁锂技术路线主要应用于储能和大巴，宁德时代

2015年开始全面转向三元材料，为宝马、吉利等企业的乘用车提供三元电池组）、国轩高科（封装形式以方形为主，正极材料包含磷酸铁锂和三元材料）、天津力神等。软包电池软包电池与圆柱电池和方形电池的最大不同在于采用铝塑复合膜为外壳材料。外壳材料是软包电池最关键、技术难度最高的材料，通常分为三层，即外阻层(一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。国际一流动力电池厂商韩国的LG和日本的ASEC已经大规模量产软包动力电池，应用在日产、雪佛兰、福特等大型车企的电动车型和插电混合动力车型上，包括全球三大产销车型中的Leaf和Volt。我国电池巨头万向集团以及后来居上者孚能科技、亿纬锂能、多氟多、捷威动力等也开始大规模量产软包电池，供应北汽和上汽等大型车企。2.3.1.特斯拉

4680大圆柱电池大圆柱电池是未来高端电动车的最优解。基于动力电池高安全、性价比、长续航、长寿命、快充等需求金字塔判断，大圆柱电池是未来5-10年内中高端电动车的最优解。据高工锂电数据，到2025年大圆柱电芯预计会占30%以上的份额（约480GW·h），超过2021年全球动力电池的总需求量。国内新能源企业积极布局大圆柱电池。目前，有很多大型新能源车企，在未来5-10年计划经济型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池，中高端采用三元+硅大圆柱电池的布局。在应用端，特斯拉、保时捷、江淮、东风岚图等乘用车企相继释放出明确的大圆柱电池应用信号。在供应端，LG、松下、比克、宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、蜂巢能源、力神等电池企业积极跟进包括4680在内的大圆柱电池。随着全极耳技术的突破，三元/铁锂技术并行等技术的成熟，大圆柱电池在性能、成本、安全方面优势愈发明显。在国内外电池企业及供应链环节合力助推下，大圆柱电池有望迎来产业化临界点，即于2023年启动规模化量产。降本增效优势4680电池结构简化，系统能量密度高。4680电池和之前的21700电池相比，4680电池单体电芯重量增加了5倍，单体电芯容量更高，4680电池单体电芯的能量密度可以达到300W/kg，高于21700电池。除此之外，21700电池需要两大两小共四个模组，4680电池则不需要模组，4680电池配套的结构件、冷却系统和线缆等重量一共12kg，仅是21700电池配套重量的四分之一。大圆柱结构增加负极硅含量，提高电池能量密度。在负极中掺杂硅或氧化亚硅可显著提高电池容量，但硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化，从而引发SEI膜破损副反应，导致电池容量衰减。4680电池的不锈钢壳体机械强度大，可充分吸收负极的膨胀力；同时4680电池极片卷绕的特点可以使极片各个位置膨胀力均匀，减少破损和褶皱的出现，而方型和软包电池在R角处易出现应力集中而导致的破损和褶皱。对比宁德时代、LG和特斯拉

2022年的主推产品，4680电池优势显著：

既提高了能量密度（22年量产电池中的最高能量密度），又提高了功率密度（15分钟充70%电量），同时兼顾了充电速度和续航量。无极耳结构提升快充性能。大圆柱电池面临的最大挑战是快充速度，由于体积变大，在超级快充的情况下电芯内部散热问题难以解决，4680大圆柱电池创新性地采用了无极耳结构，电流可以从底部向各个方向传输降低电流距离，实现内阻下降，解决发热问题；4680大圆柱电池能够在15分钟内完成从10%到80%SOC的快充，相较于21700电池的30分钟，充电时间更短。4680电池推动三元电池体系持续降本。从特斯拉电池日公布的路径来看，相比于21700，特斯拉有信心在续航里程上提升54%（电芯设计、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献提升16%、20%、4%、14%）；单位成本下降56%

（电芯设计、电芯工厂、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献下降14%、18%、5%、12%、7%）；单位设备投资额下降69%。4680电池高度匹配CTC结构。CTC结构是未来电池整车匹配的方向，从特斯拉

ModelS的小模组，到Model3的大模组，再到4680推出的CTC，模组的概念逐渐弱化和取消，电池包的集成效率不断提高。国外车企电池系统集成向CTC倾斜。相比于方形和软包电池，4680电池更适用于CTC结构，主要原因有以下几点：（1）软包电池无法做到CTC。CTC对电池的结构强度有一定要求，取消了模组设计，需要电池本身承担更多的机械强度；（2）CTC对电池高度有限制。CTC将电池安装在底盘上面，电池高度会影响车辆的人机工程，方形电池的高度为100~110mm，只有80mm的4680更有优势；（3）4680电池体积较小，可以匹配不同平台的底盘。（4）CTC对电池的一致性要求高。由于CTC是将电池通过结构胶固定在底盘上面，不能对单个电池进行维修和替换，对电池的一致性提出了较高的要求，而一致性也是圆柱电池最大的优势。（5）4680+CTC+一体化压铸车身。一体化压铸车身与4680+CTC适配性高，原来通过零部件冲压、焊接的方式，现在可一次压铸成型，相比原来可减少79个部件，制造成本下降40%。市场规模新能源车企积极布局大圆柱电池。目前，有很多大型新能源车企，在未来5-10年计划经济型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池，中高端采用三元+硅大圆柱电池的布局。在应用端，特斯拉、保时捷、江淮、东风岚图等乘用车企相继释放出明确的大圆柱电池应用信号。在供应端，LG、松下、比克、宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、蜂巢能源、力神等电池企业积极跟进包括4680在内的大圆柱电池。随着全极耳技术的突破，三元/铁锂技术并行等技术的成熟，大圆柱电池在性能、成本、安全方面优势愈发明显。在国内外电池企业及供应链环节合力助推下，大圆柱电池有望迎来产业化临界点，即于2023年启动规模化量产。特斯拉早在2020年就已官宣大圆柱电池为其主要技术路线，并将4680作为标准尺寸。2022年2月，特斯拉4680电池产量已突破百万。据TroyTeslike预测，2023年特斯拉全球产量达161.3万辆，2025年全球产量达380.3万辆。根据特斯拉21Q4电话会和电池日中的信息，中高端车型ModelS、ModelX、Cybertruck、ModelY和Model3长里程搭载4680电池，标准续航的ModelY和Model3搭载磷酸铁锂电池。4680电池在22年开始生产，ModelY车型将率先使用，随着2023年产能提升，Model3、ModelS和ModelX会切换4680电池。2.3.1.比亚迪刀片电池刀片电池是经过改良优化的磷酸铁锂正极电池。2020年3月，比亚迪正式推出刀片电池，进一步改良了磷酸铁锂正极电池的性能。比亚迪刀片电池采用自家研发的长度大于0.6米，形状更加扁平、窄小（长边可以定制变化，单体最大稳定长度可以达到2100mm）的大电芯，通过堆栈式摆放，像“刀片”一样将电芯插入到电池包中。与传统电池包相比，比亚迪刀片电池的体积利用率提升了60%，能量密度提升了50%，在能量密度这一关键性能指标上达到了高能量密度三元正极电池的同等水平。降本增效优势磷酸铁锂能量密度稍低，但性能稳定安全。目前常见的电池正极材料主要有钴酸锂（LCO）、磷酸铁锂（LFP）和三元（NCM）。钴酸锂是最先商用的电池正极材料，其电压高、振实密度高、结构稳定、安全性好，缺点是成本高且克容量低。三元材料根据镍钴锰的含量不同，容量和成本有所差异，整体能量密度高于磷酸铁锂和钴酸锂。镍含量越高、钴含量越低，克容量越高，初始原材料成本越低。磷酸铁锂克容量介于两者中间，循环性能好，安全性好。刀片电池突破磷酸铁锂电池发展瓶颈。相较三元锂电池，磷酸铁锂电池安全性更高、循环寿命更长、制作成本更低，但由于能量密度低带来的汽车续航里程低等问题，在过去的很长一段时间里磷酸铁锂电池市占率不及三元电池。相较以往的磷酸铁锂电池，刀片电池的技术创新主要在于：（1）创新的长单体设计。单体电池长96厘米、宽9厘米、高1.35厘米，形似刀片，通过列阵的方式排布，提升体积利率用。（2）无模组组装方式。电池单体组装成电池包的过程中省去电池模组这一结构，减少冗余零部件，进一步提高电池包空间利用率，同时减少组装复杂度，带来更高稳定性和更低故障率。（3）坚硬的单体电池外壳。单体电池外壳为铝壳或钢壳，且尺寸长，外加巧妙的排布方式，电池包安全性能大幅提升。刀片电池内部空间利用提升60%，电池能量密度提升50%。传统的电池包是由电芯和金属盖板端板、线束、粘合剂、导电胶、模组控制单元等部件组合形成一个电池模组，再由模组构成电池包（Pack）。在这样的三层结构里面，模组起到了保护支撑并集成电芯的作用，也有助于温度控制和便于维修。但模组的存在使得整个电池包空间利用率下降，导致了成组效率较低。刀片电池将电芯的宽度拉长、厚度降低，再通过少数几个大模块组合成电池包。将电芯进行扁平化设计，并采用无模组技术（CTP）组成电池包，可以极大提升电芯的成组效率，将内部空间的利用率提升到了60%左右。与传统磷酸铁锂电相比，刀片电池的放电倍率大幅提升，充电循环寿命超4500次，寿命长达8年120万公里，成本可以降低约25%，电池体积比能量密度提升50%，系统能量密度达到160Wh/kg。比亚迪正加速第二代刀片电池技术开发，规划2025年实现能量密度达到或超过180wh/kg、体积能量密度达300wh/L。补贴效应弱化，磷酸铁锂正极Pack成本低于三元正极。新能源汽车补贴政策对于能量密度和续航里程有明确的要求，即能量密度越高，续航里程越长，相应补贴越高。此前在补贴政策的引导下，高能量密度的三元电池渗透率迅速提升，压