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投资聚焦

研究背景

动力电池是新能源汽车的核心构成之一，直接决定车辆性能和成本，电 池成本下降的幅度直接影响新能源汽车的推广应用。在本篇研报中，我们参 考一些学术资料及产业人士的观点建立了成本模型，对动力电池成本的诸多 问题展开系列研究。

创新之处

目前市场对动力电池成本的研究相对简单而且偏静态。我们系统性地建 立了自下而上的成本模型，可以对直接材料、直接人工、制造费用三大项进 行拆分，并且可以动态区分材料价格变化、技术进步、工艺改进导致的成本 下降。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，并且对成本下降的可能路径进行分析。

投资观点

目前新能源汽车的销量渗透率不足 5%，用户体验（充电、续航、智能 网联）还有待改善，更重要的是，电动汽车与燃油汽车之间还存在较大的成 本差。我们相信，随着动力电池成本的下降，新能源汽车有望迎来高速增长 的拐点。

根据成本模型，我们对动力电池的降本路径进行了初步分析，结论如下：

 不同的材料体系对应不同的电池成本，例如 LFP/LMO 电池 Pack 的 成本比 NCM523 低 18%/22%，电芯成本低了 25%/29%；

 物料价格下降可以降低成本，如果将 NCA、NCM811 正极活性材料 的价格由 195 元/kg 调整至 150 元/kg（下降 23%），那么 NCM811 电芯的成本将由 620 元/kWh 下降至 548 元/kWh（下降 12%）；

 更精简的电池设计有助于降低成本，参考 CATL 提出的 CTP 技术， 假设模组硬件物料成本降低 80%，减掉相应的模组组装设备和人员， 那么 Pack 成本下降约 10%-15%；

 工艺改进也是动力电池降本的方式之一，在模型中，我们假设电芯良 品率为 95%，如果良品率提升至 98%，那么成本下降约 1.5%-2%。

 设备改进也能使得电池成本下降，在模型中，我们假设单 Gwh 设备 投资额为 3 亿元，如果降低 10%至 2.7 亿元，则动力电池 Pack 成本 降低不到 1%。

综上所述，动力电池成本的下降主要依赖：（1）更具性价比的材料体 系；（2）更精简的电池设计；（3）更低的物料价格；（4）工艺改进；（5） 设备改进。动力电池及材料、设备龙头企业在多个方面具备成本优势，高镍 三元、磷酸铁锂体系更具性价比。建议关注：（1）宁德时代、比亚迪、国 轩高科等优质电池企业；（2）当升科技、璞泰来、恩捷股份、容百科技、 贝特瑞等材料龙头企业；（3）先导智能、赢合科技等设备企业。

1、模型框架：自下而上建立动态成本模型

动力电池的成本一直是市场关注的重点。动力电池成本定量研究的意义 在于：（1）动力电池价格下降使得电动车的成本降低，从而推动新能源汽 车的广泛使用，研究动力电池成本下降空间有助于跟踪电动车销量拐点；（2） 动力电池成本下降节奏直接影响电池厂商盈利状况；（3）作为动力电池的 上游，电池材料厂商的量价趋势也与电池成本相关。

根据 Gartner 的数据，全球智能手机渗透率自 2009 年起迅速提升， 2009-2015 每年平均提升 9pcts，2007-2008 年均仅提升约 1pct。智能手机 的高增长依赖技术进步、移动网络速度提升、用户体验改善等因素，拐点之 后的手机产业链为投资者带来了巨大收益。

参考智能手机行业，几个关键要素取得突破后，行业进入高增长阶段。 新能源汽车行业目前仍在拐点之前，市场驱动下的高速增长主要依赖成本下 降、用户体验改善（充电、续航、智能网联）等，由于汽车消费占收入比重 较高，消费者对价格的敏感性更高，传统燃油车与电动汽车的成本差是新能 源汽车渗透率增长的重要因素。根据 BNEF 的数据，2018 年美国纯电动中 型车动力电池系统的成本占整车税前售价的 35%，随着动力电池价格的下 降，整车售价有望在 2023 年左右与传统燃油车持平。

近年来动力电池价格不断下调，以龙头公司宁德时代为例，2015 年其 动力电池系统价格为 2.27 元/Wh，2018 年降至 1.16 元/Wh，年均复合下降 约 20%；同时，动力电池业务的毛利率也不断下降，2015 年部分厂商的毛 利率在 40%以上，到 2018 年已降至约 30%。

为了定量研究动力电池成本，我们参考 ANL 等机构的研究成果，将电 池成本和性能结合起来，建立了一个自下而上的模型。在该模型中，可以设 定具体的参数（如功率、容量等），以此来静态地计算材料成本、硬件成本 以及各工序的生产制造成本，并且可以动态地区分材料价格变化、技术进步、 工艺改进以及规模效应导致的成本下降。成本模型的框架主要是两大部分：

一、 直接材料的测算

1. 车辆/Pack 设计：主要因素包括车辆续驶里程/带电量、功率、 Pack 设计（电芯数量、串并联方式等）

2. 电芯材料属性：主要是一些电化学性能及物理参数，比如正负 极材料的克容量、密度、孔隙率以及 ASI、OCV-SOC 曲线等

3. 约束条件：包括极片涂层厚度、电池组件及外形设计等

4. 计算电池参数：结合以上物理和化学参数，可以计算出电池的 材料用量、质量等

5. 直接材料成本计算：结合材料用量（考虑良品率、材料利用率 等）和材料价格，可以计算出直接材料成本

二、 直接人工/制造费用的测算

6. 工厂设计：包括产能、良品率以及人员工资、设备折旧率、间 接费用假设等

7. 生产工序：主要是各工序的设备投资额及人员配置

8. 直接人工/制造费用计算：结合以上两点可以计算出结果

2、车辆及电池设计

2.1、材料层面：电池的电化学属性

目前常见的电池体系包括 NCA、NCM（811/622/523/333）、LFP、LMO 等，下表列出了正极材料的基本参数和假设：（1）根据分子式可以计算出 对应正极活性材料的分子量；（2）参考各大正极材料企业的材料参数，列 出活性材料的克容量，同时列出真密度；（3）假设活性材料/导电剂/粘结剂 的质量比例为 89：6：5，溶剂通常采用 NMP，假设孔隙率为 32%。

负极材料采用石墨体系，下表是负极材料的基本参数和假设：（1）N/P 比，是指单位面积的负极容量和正极容量的比值，通常 N/P 比在 1-1.5 之间， 越接近 1，电池容量会越大，但充电时发生负极析锂的概率也越高，我们假 设三元体系的 N/P 比为 1.25，LFP、LMO 为 1.2；（2）石墨的克容量为 360mAh/g，同时列出真密度；（3）假设负极活性材料/粘结剂的质量比例为 95：5，溶剂为水，孔隙率 34%。

（1）假设正极集流体铝箔厚度为 12μm，负极集流体铜箔厚度为 8μm；

（2）隔膜厚度为 12μm，孔隙率 40%，则可以计算出隔膜密度为 0.368g/cm3;

（3）电解液密度为 1.2g/cm3。

根据分子式及分子量，可以计算出锂电池中重要金属元素的质量占比， 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/NCM811 中的钴含量大幅低于其他材料，NCM622 和 NCM523 的钴含量几乎相同。

SOC（state of charge，荷电状态）是指当前状态下实际所能提供的电 量与完全充满电所能提供的电量的比值，比如 50%SOC 可以理解为当前电 池电量还剩下 50%；OCV（open circuit voltage，开路电压）是指电池在开 路状态下的端电压。在一定的温度下，SOC 与 OCV 呈现一一对应的关系。 下表是几款锂电池的 OCV-SOC 曲线。

2.2、车辆设计：电动车性能决定 Pack 设计

动力电池的单车电量、电芯容量等基础参数由车辆需求决定。假设：（ 1） 纯电动车乘用车的单车带电量为 60kWh，单车 1 个电池包，采用液冷热管理 方案，电池包由 20 个模组串联，单个模组再由 12 个电芯串联，可计算出电 芯容量；（2）为防止电池过放设置电池可用容量为 90%，车辆能耗为约 131.7Wh/公里，则车辆实际续驶里程约 410 公里。

2.3、电芯设计：性能决定尺寸参数

为了便于计算，我们以方形叠片电池为例。假设：（1）端子和电池的 宽度一样，正极端子在电池的一端，负极端子在另一端；（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）采用液冷热管 理方式（乙二醇水溶液）。

对于电芯尺寸，最核心的是确定正负极材料涂层的厚度。涂层厚度越厚， 电池的空间利用率越高，但离子迁移的路径也就越长，导致内阻增加；而且 从工艺角度来看，涂层越厚，脱粉的几率也会增加。因此，考虑化学性能和 工艺，选择合适的涂层厚度都是非常重要的。在模型中，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 50-70μm）。

确定涂层厚度之后，根据电芯的厚度（假设 20mm，宁德时代 42Ah 电 芯厚度 23mm），可以计算出 Bicell 的层数。通过电芯容量、材料克容量、 材料密度可以计算出极片有效面积，进而确定极片的宽度和长度，最终确定 电芯的长度和宽度。

Pack 总电量 60kWh，由 240 个电芯组成，则单电芯的电量为 250Wh， 根据电芯重量可计算出电芯能量密度，从表 7 可以看出，LFP、LMO 电池能 量密度显著低于三元体系，三元体系电池的镍含量越高能量密度越高。

2.4、模组及 Pack 设计：由电芯参数推导得出

因为模组由 12 个电芯串联组成，所以模组容量和电芯容量相等；模组 的尺寸由电芯尺寸决定；假设其外壳为铝制，厚度为 0.5mm。 Pack 可用电 量为 90%，有效电量为 54kWh；Pack 长度约 1.3m，宽度约 1.2m，厚度约 0.12m；Pack 由电芯/模组、冷却液、外壳及其他硬件、BMS 及连接器件等 组成，三元体系 Pack 总重量 320-370kg，LFP 及 LMO 体系 Pack 总重量高 于 400kg；电池系统能量密度也基本符合现实情况，成组效率 75%-80%之 间。

3、物料成本

3.1、物料用量：主/辅材+结构件

电芯主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、铜箔、铝箔、壳体及 正负极端子等组成。

正极材料主要由活性材料、导电剂和粘合剂组成，其中“活性材料的质 量=电芯容量/活性材料克容量”，这两个参数已经在第二章中给出。活性材 料/导电剂/粘合剂质量配比为 89/6/5，可以计算出单电芯中正极材料的总质 量，进而计算出导电剂、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合剂组成，其中“活性材 料的质量=电芯容量/负极活性材料克容量*N/P 比*（1+负极过量面积比例）”。 性材料/导电剂/粘合剂质量配比为 95/0/5，可计算出单电芯中负极材料的总 质量，进而计算出粘合剂的质量。

 单电芯正极铝箔的面积=正极极片的宽度*（正极极片的长度+未涂 覆的集流体长度）*Bicell 层数。

 假设负极铜箔比正极铝箔的长和宽大 2mm，负极铜箔的面积=（正 极极片宽度+2mm）*（正极极片长度+未涂覆的集流体长度+2mm） *（BiCell 层数+1）。

 假设隔膜的宽度比正极极片大 4mm，长度比正极极片大 6mm，则 单电芯隔膜的面积=（正极极片宽度+4mm） * （正极极片长度+6mm） *2*BiCell 层数。

 电解液填充在正负极、隔膜及其他孔隙中，单电芯电解液体积=（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+电芯厚度*正极极片宽度*正极极片长 度*2%）。

 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；负极组件质量=负极铜箔密度*端子材料长度*端子材料厚度 *端子材料宽度；电芯壳体质量=电芯表面积*壳体厚度*壳体密度。

为了更加直观地观察电池材料的数量关系，可计算出单 kWh 动力电池 对应的材料用量（前面假设动力电池单电芯电量 250Wh）。

3.2、物料价格：价格由市场决定

根据鑫椤资讯的报价数据：（1）近半年来 NCM333 的均价约 162.5 元 /kg；（ 2）近半年来 NCM523 的均价约 143.5 元/kg；（ 3）近半年来 NCM622 的均价约 146.5 元/kg；（4）近半年来 NCM811 的均价约 195 元/kg，NCA 的报价也取用 195 元/kg；（5）近半年来 LFP 的均价约 45.5 元/kg；（6） 今年以来 LMO 的均价约 45.5 元/kg。添加剂的价格相对稳定，我们假设导 电炭黑价格为 40 元/kg；粘合剂 PVDF 价格为 115 元/kg；粘合剂溶剂 NMP 价格为 20 元/kg。

假设负极活性材料价格为 50 元/kg，负极粘合剂价格为 45 元/kg。

假设 12μm 正极铝箔的价格为 1 元/m2；8μm 负极铜箔的价格为 6.41 元 /m2；隔膜价格为 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，串联电池组需要对每个电芯的电压 进行控制，因此 SOC 控制器的成本=串联电芯的数量*（16+0.07*容量）， 其中 16 是固定金额，0.07 是一个与容量相关的系数。端子、外壳、导热片 等的价格公司也类似，单价由一个固定金额+系数*单位质量组成。电池 Pack 端子的单价由一个固定金额+系数*总电流组成。

3.3、物料成本汇总：由物料用量和价格计算得出

下面列出了制造单个 A 品电芯消耗的材料。在 3.1 中已经计算出材料的 理论用量，理论用量/电芯良品率/材料利用率可以计算得出 A 品电芯消耗的 材料用量，进而可以计算出每年消耗的材料和硬件合计数量。

表 14-17 列出了动力电池材料和硬件的价格，结合物料用量，可以计算 出单个 Pack 的成本构成。单个 Pack 电量为 60kWh，则可以计算出单 Wh 对应的物料成本构成。如表 21 所示，磷酸铁锂/NCM523 电芯的成本为 0.362/0.513 元/Wh，电池 Pack 的成本为 0.562/0.703 元/Wh（不含 BMS 和 热管理外接组件），NCA/NCM811 电池的成本高于其他三元电池，主要是 因为目前 NCA、NCM811 正极材料的价格较高导致的。

4、生产成本

4.1、工厂设计：产能 6Gwh，良品率较高

为了对生产成本进行研究，我们假设工厂的 Pack 年产能为 10 万个，每 个 Pack 的电量为 60kWh，则工厂年产能为 6Gwh；单个 Pack 电芯数量为 240个，则每年生产的A品电芯数量为2400万个， A品和不良品合计约2526 万个。

下表列出了电芯良品率及材料利用率假设。其中：（1）电芯良品率为 95%，行业一般为 90%-95%之间；（2）正极材料、负极材料的整体利用率 为 92.2%，搅拌、涂布、分切及叠片过程中均有损耗；（3）铝箔、铜箔的 整体利用率为 90.2%，涂布、分切和叠片过程中有损耗；（4）隔膜整体利 用率为 98%，叠片过程中有损耗；（5）电解液整体利用率为 94%，注液过 程有损耗；（6）粘结剂溶剂回收率为 99.5%。

4.2、生产工序：极片制备+电芯装配+模组/Pack 组装

动力电池的生产工序较多，主要包括以下流程：

 来料接收及储存：该流程需要运输设备、干燥设备及储存场地等， 也需要配备人员进行设备操作及储存管理。

 材料准备/搅拌/送料：该流程需要将活性材料、导电剂、粘合剂及 溶剂进行混合搅拌，主要的设备是搅拌机。

 极片涂布及溶剂烘干：该流程是将搅拌好的浆料涂布在集流体的两 侧，并烘烤排出溶剂，主要的设备是涂布机和烘干设备。

 辊压：通过该工序可以将正负极材料压至合适的孔隙率，设备是辊 压机。  极片分切：将极片切至设计好的尺寸，设备是分切机。

 真空干燥：后续的流程需要保持干燥，水分过高可能会影响电池寿 命。

 叠片：将切好的极片堆叠起来，设备是叠片机。

 集流体焊接：将集流体焊接到端子上，设备是焊接机。

 入壳：将处理好的极片放入电池壳中。

 注液及封装：注入电解液并密封。

 化成分容检测：对电池进行充放电并测试电芯性能。

 模组装配：将合格的电池组装成模组。

 Pack 组装和测试：将模组组装成 Pack 并进行测试。

4.3、厂房、设备及人员：单线设备投资额约 3 亿元

表 24 列出了电池生产工序对应的设备价值、生产人员数量及占地面积。 单条 1Gwh 的生产线设备价值约 3 亿元，6Gwh 产能对应价值为 18 亿元； 单线配置的生产人员数量约 400 人，6Gwh 产能对应 2400 人，假设每年有 效生产天数为 300 天，每天轮班 3 次（8 小时工作制），则直接人工为 5760000 小时/年；6Gwh 产线占地面积合计 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 1.5 万元/平方米；（2）直接人工成本为 25 元/小时；（3）间接费用由 40%直接人工+20%折旧组成；（4）土建折 旧年限为 20 年，年折旧率 5%，设备折旧年限为 6 年，年折旧率 16.7%。

由表 24 和表 25，可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/Pack，制造费用合计 4417 元/Pack。

5、成本汇总、验证及降本路径

5.1、成本汇总：物料成本+生产成本

将物料成本和生产成本汇总到一起，得到动力电池 Pack 的成本拆分表 （表 28），单个 Pack 的电量为 60kWh，可计算出度电成本（表 29）。根 据计算结果，LFP 动力电池电芯、Pack 度电成本分别为 449 元/kWh、660 元/kWh，而 NCM523 动力电池电芯、Pack 度电成本分别为 600 元/kWh、 859 元/kWh。

5.2、结果验证：总成本和拆分结果基本符合现实

我们从两个方面来验证模型的结果：

1、 动力电池总成本：根据宁德时代的公告，宁德时代动力电池业务包 括 LFP 和 NCM 电池，既有模组也有 Pack，2018 年其动力电池的 综合成本为 0.76 元/Wh；根据模型的假设，材料价格是 2019 年的 均价，略低于 2018 年的价格，LFP/NCM622/NCM523Pack 的成本 分别为 0.66/0.76/0.80 元/Wh，上限与 0.76 元/Wh接近。

2、 动力电池成本拆分：宁德时代 2017 年主营业务成本中，直接材料/ 直接人工/制造费用占比分别为 83.75%/4.26%/11.99%；孚能科技 2018 年动力电池系统中，直接材料/直接人工/制造费用占比分别为 88.28%/6.40%/5.32%。根据模型的计算结果，动力电池 Pack 成本 中，直接材料占比约 84%-89%，直接人工占比约 2.8%-3.8%，制 造费用占比约 8.6%-11.8%。总体来看，也基本符合现实。

5.3、降本路径：技术+工艺改进等

根据建立的成本模型，动力电池成本的下降主要依赖：（1）更具性价 比的材料体系（高镍三元、磷酸铁锂等）；（2）更低的物料价格；（3）更 精简的电池设计（如宁德时代 Cell to Pack 技术）；（4）工艺改进（提升材 料利用率、良品率）；（5）设备改进（提升自动化水平、减少设备投入、 降低故障率等）。

材料体系不同，对应的动力电池成本也不一样。根据模型的测算，LFP 和 LMO 电池成本显著低于三元电池，如图 30 所示，LFP/LMO 电池 Pack 的成本比 NCM523 低 18%/22%，电芯成本低了 25%/29%；三元电池中， 理论上高镍电池的度电成本更低，我们测算出 NCM333/NCM523/NCM622 的度电成本依次降低，但 NCA 和 NCM811 电池的成本仍然较高，主要是因 为目前高镍三元材料应用不多，材料价格仍然较高所致。

材料价格是影响动力电池成本的重要因素。如果将 NCA、NCM811 正 极活性材料的价格由195元/kg调整至150元/kg（下降23%），那么NCM811 电芯的成本将由 620 元/kWh下降至 548 元/kWh（下降 12%），Pack 的成 本将由 817 元/kWh 下降至 746 元/kWh（下降 9%）；NCA 电芯、Pack 的 成本也会相应下降。

精简电池设计也会使得电池成本下降。我们参考 CATL 提出的 CTP 技 术（Cell To Pack），假设模组硬件物料成本降低 80%，减掉相应的模组组 装设备和人员，那么与 Pack 成本原值相比，结构精简后的 Pack 成本下降 约 10%-15%。

工艺改进也是动力电池降本的方式之一。在模型中，我们假设电芯良品 率为 95%，如果良品率提升至 98%，那么成本下降约 1.5%-2%。

设备改进包括自动化提升及设备投资减少等。在模型中，我们假设单 Gwh 设备投资额为 3 亿元，如果降低 10%至 2.7 亿元，则动力电池 Pack 成 本降低不到 1%。

6、投资建议

目前新能源汽车的销量渗透率不足 5%，用户体验（充电、续航、智能 网联）还有待改善，更重要的是，电动汽车与燃油汽车之间还存在较大的成 本差。我们相信，随着动力电池成本的下降，新能源汽车有望迎来高速增长 的拐点。

根据我们建立的成本模型，动力电池成本的下降主要依赖：（1）更具 性价比的材料体系（高镍三元、磷酸铁锂等）；（2）更精简的电池设计（如 宁德时代 Cell to Pack 技术）；（3）更低的物料价格；（4）工艺改进（提 升材料利用率、良品率）；（5）设备改进（提升自动化水平、减少设备投 入、降低故障率等）。

动力电池及材料、设备龙头企业在多个方面具备成本优势，高镍三元、 磷酸铁锂体系更具性价比。建议关注：（1）宁德时代、比亚迪、国轩高科 等优质电池企业；（2）当升科技、璞泰来、恩捷股份、容百科技、贝特瑞 等材料龙头企业；（3）先导智能、赢合科技等设备企业。

（报告来源：光大证券）

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