固態(tài)電池對特斯拉、寧德時代與比亞迪們有多重要？

電池對于手機,屬于有他沒他都能過年的那種。但對于電動車和光伏,卻是致命的約束,根本繞不過去的那一種。可以說,對電池的焦慮,落后的電池技術對各種前沿應用的制約,是新能源革命最大的障礙。

電池技術進步到什么程度,新能源革命就推進到哪一步,一通百通,是未來新能源革命的第一推動力。

01

為什么一定是固態(tài)電池?

電動車要實現(xiàn)對燃油車的取代,從根本上要實現(xiàn)兩個突破,第一個是擺脫對補貼的依賴,第二個是從經(jīng)濟性上追平燃油車。

中國對新能源汽車的補貼預計在最近兩年就會退出,目前看上半場戰(zhàn)役已經(jīng)結束,在特斯拉(NASDAQ:TSLA)的帶領下,各大廠商基本做好了斷奶的準備。

下半場核心的經(jīng)濟性問題就浮出水面,那就是制約電動車吊打燃油車的里程焦慮。而這個問題,歸根結底出在電池上。

我們以當前市場主流的兩款電動車為例,看看問題出在哪。

這是兩款今年上市的新車,一款是國內(nèi)的電動車龍頭,比亞迪的漢EV,另一款是世界電動車龍頭,特斯拉的model 3。

首先給大家普及幾個大體的概念。我們知道,一般家用的乘用車,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。電動車廠商為了實現(xiàn)對燃油車的無縫替代,基礎目標也是充一次電,跑600公里。

為了實現(xiàn)這個600公里的續(xù)航里程,電動車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實現(xiàn)這個目標,但我們知道,電池本身也有重量,而且還不輕,所以廠商就必須要在長里程、車重以及電池效率之間找一個平衡。這個平衡點,就是我們說的電池成組效率。

這是一個典型的動力電池系統(tǒng)的構成圖?？梢园l(fā)現(xiàn),電池片模塊(也就是我們常說的電芯)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來衡量,就是每公斤的電芯,能夠產(chǎn)生多大功率的能量,kwh是我們?nèi)粘Ｕf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,可以產(chǎn)生0．17度的能量。

我們用電池系統(tǒng)能量密度來衡量一輛電動車實際的能源效率。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,是衡量一個電池系統(tǒng)效率的核心指標。

比如我們上面的這兩款車:

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model 3 長續(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電池,相對比亞迪的刀片電池,更容易發(fā)熱,需要更多的散熱設備,電池管理系統(tǒng)也更復雜,因此組合起來的電池系統(tǒng)能量密度快速降到161wh/kg,成組效率只有53．67%。

這兩款車型,代表了當前電動車的主流配置,主要指標很接近。

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model 3 長續(xù)航版477kg,基本占到全車重量的四分之一。無論從節(jié)能還是從挖潛的角度出發(fā),電池技術都必須要有大的革新。

那么動力電池技術需要做到多大的改進,才能真正踏上替代燃油車的門檻呢?

目前市場公認的答案是,現(xiàn)有電動車的電池系統(tǒng)能量密度翻一倍半,從普遍的160wh/kg,到400wh/kg,才是電動車徹底取代燃油車的開始。這個指標意味著600km的續(xù)航,80度電,總重大約200kg?，F(xiàn)在這個重量大約是450-550kg之間。

400wh/kg,是一個非常剛性的指標。一個產(chǎn)品最終推廣開來必須要做到適者生存,核心就是成本,講再多的理想和未來,也比不過現(xiàn)實的便宜真香,電動車如果邁不過性價比經(jīng)濟性這條線,就永遠只能是個小眾的玩具。

如果奔著400wh/kg這個指標去,你就會發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在的動力電池市場,還遠遠談不上競爭格局已經(jīng)清晰,大家基本都在同一個起跑線上。

上圖是我們從光大的報告《固態(tài)電池:搶占下一代鋰電技術制高點》中截取的圖,勾勒了現(xiàn)在的電池技術發(fā)展路徑。

不管你是哪種方案,理論的最高能量密度就是天塹,天資如此,你再努力也沒用。

我們當下主流的電池,無論是磷酸鐵鋰電池,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,如果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,最后面對火槍還是被秒殺,無他,這是代際的碾壓。

故而,最終要解決電池的能量密度問題,消滅里程焦慮,最后的方案一定是固態(tài)電池。

固態(tài)電池,大家都還在研發(fā)的路上。那么我們能實現(xiàn)這個指標么?

能。恩格斯說過,“社會一旦有技術上的需要,則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進”。需求是最好的動力。電動車相比燃油車,有更大的空間和潛力。

我們看電池領域,過去10年發(fā)生了什么。

根據(jù)BloombergNEF的數(shù)據(jù),在過去的10年里,電芯的能量密度基本提高了兩倍。這也說明了,在強大的需求推動下,產(chǎn)業(yè)界的進步有多快。

數(shù)月前,特斯拉將model 3的入門版從29．18萬元一下降到了24．99萬元,降了4萬還多。我們看好電動車取代燃油車的過程,但是這款入門車型采用的是寧德時代的磷酸鐵鋰電池,電池系統(tǒng)能量密度不會比比亞迪的刀片電池好多少,也就是140-160wh/kg左右。

相對于原來降價前產(chǎn)品的三元鋰電池配置,model 3的電池安全性略有提升,但系統(tǒng)能量密度還有所下降,對現(xiàn)有的這些電動車廠商比亞迪、小鵬等等有沖擊,也會下探到傳統(tǒng)的B級車帕薩特、雅閣、凱美瑞的市場,對他們產(chǎn)生一定的壓制左右。

但總體來說,如果電池系統(tǒng)的能量密度沒有大的提升,不能突破400wh/kg這個門檻,還都屬于戰(zhàn)術性的改進,格局上不會有太大的變化。

02

光伏的第二約束

我們知道,光伏這個行業(yè)遵循摩爾定律,每年的發(fā)電成本都會成比例下降。2020年已經(jīng)實現(xiàn)了平價上網(wǎng),也就是價格跟煤電打平,后續(xù)發(fā)電成本還會繼續(xù)下降,最后極限就是能源價格接近為零。

用“傻瓜扯扯淡”的說法,光伏要想實現(xiàn)對傳統(tǒng)能源的平推,要突破兩個限制:一個是擺脫補貼約束,這一個伴隨著平價上網(wǎng),已經(jīng)基本實現(xiàn),第二個是擺脫并網(wǎng)約束,這個是將來要實現(xiàn)的。

光伏作為一種新的能源形式,優(yōu)點肉眼可見,節(jié)能環(huán)保資源可再生,取之不竭用之不盡,所以一開始各個國家都給了大量的補貼,但這種補貼不是長遠之計。

羊毛出在羊身上,新能源的成本還是需要全社會來承擔,如果不能擺脫這種補貼的約束,光伏只能作為一種時尚,偶爾出現(xiàn)在政績報告上,作為一種點綴。

要想擺脫補貼,光伏的價格必須下降到足以與傳統(tǒng)能源競爭。隨著中國制造在光伏技術上的快速迭代,成本下降很快,終于到2020年,成本已經(jīng)接近煤電,可以甩掉補貼直接上網(wǎng)了。第一個約束就這么解決了。

但是如果第二個約束,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)。為什么呢?這是由光伏發(fā)電的特點決定的。

上面這張圖就是著名的鴨子曲線,圖上標出了美國加利福尼亞州每年3月31日這一天的用電凈負荷。加利福利亞我們知道,陽光明媚,風景秀麗,光照時間長,特別適合光伏發(fā)電,加上又是硅谷所在地,對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,但是用電卻不多,所以電網(wǎng)負荷最低,而到了晚上,光伏歇菜,用電量卻飆升,電網(wǎng)負荷也快速躍升,就出現(xiàn)了圖中這根長長的鴨頸。

由于中國的加入,太陽能組件的價格逐年下降,加州光伏發(fā)電的占比也越來越高,從2012年以來,中間用電凈負荷的這個鴨肚腩也越來越大,整體像一只鴨子,所以叫鴨子曲線。

這條曲線反應了光伏發(fā)電面臨的第二個約束,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,發(fā)電就多,晚上就停擺,但我們用電卻反過來,白天少,晚上多。

要解決這個問題,現(xiàn)在我們采取的是煤電或者天然氣發(fā)電調(diào)峰的方式來補償。白天的時候這些調(diào)峰機組停機,晚上的時候才開機。

這就涉及到一個電網(wǎng)消納比例的問題,整個電網(wǎng)系統(tǒng),光伏發(fā)電的占比有一個極限,這個上限基本上在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約束么?能。

這個圖來自于興業(yè)證券電力設備研究員朱玥的報告:《成長鋒芒,中國力量》。光伏發(fā)電要想突破這個30%-40%的上限,就需要配置儲能設施,在中午發(fā)電高峰期把電力儲存起來,到晚上用電高峰期把電放出來,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電網(wǎng)的需求。

為了突破第二個約束,光伏發(fā)電需要達到配置了儲能設施之后的光伏+儲能發(fā)電的系統(tǒng)成本低于現(xiàn)有的煤電,才能甩開并網(wǎng)約束,真正進入哲學上說的“自由王國”,改變電網(wǎng),也徹底改變這個世界。

光伏并網(wǎng)對儲能的最核心的要求就是,絕對價格足夠低,這個價格指的是全成本。我們看興業(yè)證券整理的光伏儲能電站中標項目報價情況,如下圖:

現(xiàn)在光伏儲能電池最低的中標價格為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)最低中標價為1．49元/wh,包括土建、系統(tǒng)集成在內(nèi)的全光伏儲能電站,最低為1．94元/wh。

而這個1．94元,就是光伏儲能的全成本。1．94元/wh,一度電是kwh,換算成度電建設成本就是1940元/kwh,假設可以實現(xiàn)10000次的充放電循環(huán),不考慮資金成本,攤到每度電上的儲能成本就是0．194元。

但是實際上,我們現(xiàn)有的儲能電站,很難做到1萬次的充放電循環(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,這個價格大約相當于現(xiàn)有火電的價格,長期看需要有下降的空間。

那么儲能的成本需要降到什么的價格才會實現(xiàn)突破呢?目前市場普遍的共識是,10000次的循環(huán)壽命,1元/wh的全建設成本。

按照這個指標計算,單度電的儲能成本就是0．1元,在這個價格下,儲能電站可以脫離任何的補貼或者峰谷電價差價而獨立生存。在這個價格下,需要光伏發(fā)電成本從0．4元/kwh降到0．3元/kwh。這樣光伏+儲能的度電成本將為0．3+0．1=0．4元/kwh,價格約等于現(xiàn)有的煤電,從而徹底擺脫并網(wǎng)約束。

儲能的成本還有繼續(xù)下降的空間么?有,而且可能比動力電池下降的速度還快。

首先,因為動力電池的價格下降的很快,而儲能電池可以完全借鑒動力電池的技術,實際上很多的光伏儲能裝置,直接用的就是二手的汽車動力電池。如上圖BloombergNEF的數(shù)據(jù),動力電池從2010年的每千瓦時1160美元,已經(jīng)下降到2019年的156美元,9年時間,價格下降了將近87%。

其次,光伏儲能需要的電池比動力電池要求要低,選擇范圍廣。相對動力電池對重量體積價格效率的極致追求,光伏儲能電池只需要滿足循環(huán)壽命足夠長,度電全成本低就可以了,對于動力電池要求的體積小,重量輕,儲能電站并沒有嚴格的約束,因此選擇范圍更大,實現(xiàn)技術突破的概率也越大。

光伏行業(yè)有自己的摩爾定律,那就是發(fā)電容量每增加一倍,新增裝機的電價減少16%。從儲能技術的角度上來講,隨著電池技術的進步,光伏儲能的總容量每增加一倍,單次充放電循環(huán)的成本也會按照一定的比例下降。在未來的十年,我們大概率上會看到儲能成本的快速下降。

03

各領風騷三五年

后面我們會看到一個互相促進螺旋上升的過程,而電池的需求量將會呈現(xiàn)指數(shù)性的增長。

根據(jù)牛頓第一定律,“任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態(tài),直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止”,在這個循環(huán)中,外力或者說第一驅動力就是光伏技術進步所帶來的光伏發(fā)電成本的快速下降。

光伏發(fā)電成本快速下降,倒逼電價穩(wěn)步降低,電力需求提升,電動車性價比持續(xù)提升,倒逼動力電池進步,動力電池降本增效,儲能電池性價比提升,各種應用場景紛紛進入盈虧平衡點,又提升了電力的需求。這是一個正向的完整的循環(huán)。

作為投資者,最希望見到的場景當然是量價齊升,我看到很多電力設備研究員,都在講電價提升的邏輯,對未來的電價、補貼做了非常樂觀的估計,但這種假設本質上都是站不住腳的,我們并不認可。

因為大工業(yè)生產(chǎn)的核心就是降本提效,規(guī)模效應之下,成本降低,價格下降,利潤雖薄,可餅攤得大。

在工業(yè)上,任何講長期漲價的邏輯都是有瑕疵的。比如我們對贛鋒鋰業(yè)(SZ:002460)這類資源性的公司的長期成長性是有懷疑的,因為一個行業(yè)要想長期持久的增長,原材料一定不能成為一個約束。為什么半導體行業(yè)是在硅的基礎上做大的,就是因為沙子到處都有,不存在任何稀缺的可能。

我們花了這么多時間來思考未來能源革命的路徑,但是預言歸預言,投資歸投資,即使你看對了方向,也不一定選對了股票,選對了股票也不一定能從一而終。

確實,光伏帶來的新能源革命會徹底改變這個社會,但這種高技術行業(yè),按照易方達的基金經(jīng)理蕭楠的說法,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,他們要花很多錢去投固定資產(chǎn),去投研發(fā),他們把所有節(jié)省出來的效率都送給了自己的客戶,因為如果不這樣做,自己就面臨著淘汰,被客戶拋棄?！?/p>

新技術方向的競爭的異乎的殘酷,往往是各領風騷三五年。