角力与共生——全球动力电池竞争格局分析

05全球动力电池企业竞争优势对比

这里主要通过核心技术、研发实力、工艺制造、客户资源、供应体系、成本管控等几个方面综合对比中日韩几家主流锂电池企业之间的竞争优势。

5.1核心技术：松下最为领先，LG材料优势明显

5.1.1. LG化学电池材料领先

材料是动力电池的性能的关键因素之一，LG化学作为唯一一家以化学品和材料为基础的电池公司，经过数十年的深入研究、建立配料和发展化学品的经验，在材料领域具备领先于其他企业的的显著优势。

在正极、负极、电解液、隔膜四大关键材料领域，LG化学都具备全面的技术储备。在实现规模化和降低材料成本的同时，LG化学还兼顾对材料特性的改善，使电芯具有更强的竞争力。

5.1.2. 三星SDI独创的方形电芯技术

为了提高锂离子电池领域的技术竞争力，三星SDI研发中心开发了锂离子电池的核心材料，并且根据研究成果获得了众多相关专利。三星SDI在方形电池针刺安全保护装置（NSD=Nail Safety Device）、过充安全保护装置（OSD=Overge Safety Device）、安全功能层（SFL=Safety Functional Layer）、泄压装置均拥有核心专利，是其超越同行企业的核心竞争优势。

针刺安全保护装置(NSD，Nail Safety Device)：这是在卷芯的最外面加上了金属层，例如铜薄片。当针刺发生时，在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低，这样可以防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。

过充安全保护装置(OSD，Overge Safety Device)：目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片，配合fuse使用，fuse可以设计到正极集流体上，过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流，从而使Fuse熔断，从而切断电池内部电流回路。

5.1.3. 松下NCA+硅碳技术全球领先

松下采用高镍硅碳，能量密度全球最高。特斯拉Model S和Model X采用的均为松下的18650型NCA电池，Model 3采用的是松下的21700型NCA电池。21700型NCA电池通过进一步提高NCA的镍含量、采用硅碳负极、加大单体尺寸，单体的能量密度可以达到300Wh/kg（目前Model 3电芯单体实测为260Wh/kg），比原来18650电池的250Wh/kg提高约20%以上。这一水平，不但远远高出国内使用率最高的NCM 523体系单体200Wh/kg的能量密度水平，而且也明显高出国内刚刚出现且最为领先的NCM 811体系单体250Wh/kg的能量密度水平，是世界上能量密度最高的量产锂离子电池。

三元材料主要分为NCM和NCA两种类型，随着人们对电动车续航里程的要求越来越高，容量更高的NCM 811和NCA材料的研发也越来越迫切。目前国内和韩国企业尚未大规模量产NCM 811体系动力锂电池，而且NCM 811体系主要应用在圆柱形电池，在方形和软包领域电池企业还处在内部安全测试阶段。

NCA技术松下全球领先，国内尚无相关产业链。NCA材料综合了LiNiO2和LiCoO2的优点，不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝后增强了材料的结构稳定性和安全性，进而提高了材料的循环稳定性，但是在制作过程中，由于Al为两性金属，不易沉淀，因此NCA材料制作工艺上存在门槛。其次，从电池生产过程来看，NCA电池的生产难度也更大。全球能够大规模生产NCA电池的主要是松下，松下从电池、NCA正极材料、到前驱体的开发都较早，技术更加成熟先进，并且上下游之间已经形成了相互配套的产业链和相对稳定成熟的供应链。而中国国内主要的电池厂家以NCM正极材料为主，在NCA方面整体上尚处于开发起步阶段，除了前驱体之外，全产业链技术上均存在一定的差距，产业链尚未真正形成，暂时生产不出一致性、稳定性高的NCA材料。

NCA产业化难点主要有以下几个方面：NCA制备技术难度较大、生产设备要求特殊、材料生产成本较高、NCA电池单体设计制造难度较高等。目前NCA材料的主要供应商有日本化学产业株式会社、户田化学（Toda）、住友金属（Sumitomo），韩国的Ecopro和GSEM也有产品销售。户田化学主要供应给韩国LG，住友金属主要供应给松下和PEVE，韩国的Ecopro主要供应给三星SDI，应用场合主要为电动工具和充电宝使用的圆柱形电池。

松下规模化应用硅碳负极，国内尚处于探索产业化阶段。特斯拉Model 3搭载的NCA21700圆柱电池，能量密度全球领先除了采用高镍正极材料的缘故，在负极上松下还使用了碳硅复合材料，在传统石墨负极材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。硅的克容量为4200mAh/g，而纯石墨负极克容量仅为372mAh/g，掺入了硅的碳硅负极材料克容量能够达到400-650mAh/g的水平，可以通过提升电池中活性物质含量来提升单体电芯的容量，从而进一步推高了电池的能量密度。

相比于石墨负极材料，硅碳负极材料目前在中国锂电池产业中应用案例还较少，国内大多数材料企业在硅基负极材料领域的应用还处于初级阶段，正在探索商业化之路。宁德时代的NCM 811配合碳硅负极动力锂电池预计2020年推出，预计能量密度可以达到300Wh/kg。总的来说，松下在高镍硅碳动力锂电池的产业化、规模化应用的节奏上，领先中国动力电池龙头企业至少2-3年，在技术层面上，仍然是公认的世界第一。

5.1.4. CATL快充技术独具特色，安全性媲美日韩

CATL凭借其丰富的研发资源、技术实力、智能制造、完善的测试认证体系，已取得多项先进的研究成果。

15分钟快充技术：在动力电池的快充方面，CATL遥遥领先，已经在开发出能量密度190Wh/kg，15分钟可以满充的快充三元电池，主要应用于乘用车领域。CATL研发的正极“超电子网”和负极“快离子环”技术双剑合璧，开发出来磷酸铁锂快充电芯成组后拥有最高5.2C的高倍率快充，12分钟内可完成纯电动客车100%充电。

超高能量密度以及持久寿命：公司E-car三元材料电芯能量密度最高可达270Wh/kg，并且推出了长寿命电芯，为电动乘用车电池包及系统承诺不低于5年或10万公里的质保，与整车同寿命；同时，E-bus磷酸铁锂电芯能量密度已提高至150Wh/kg以上，其在电动大巴上应用的标准使用寿命长达8年，长寿命电芯使用寿命长达15年15000次循环。

多重安全可靠：CATL电芯、模组、电池包均通过多项滥用测试，电池管理系统主动安全保护与被动安全保护相结合，充分保障其安全。电池包的防尘防水级别达到IP67超高水平，电芯的使用温度范围很广，可以在-30℃至60℃环境中使用，具有超强的环境适应能力。

5.2研发实力：日韩企业较强，CATL异军突起

5.2.1. 研发投入，LG全球领先

2017年CATL、LG、三星SDI、松下、SKI等日韩主要电池企业在锂电池方面的研发投入分别为16.3亿、35亿元、28亿元、20亿元、10亿元。LG研发费用最高，高额研发投入助推了企业发展。CATL也在高研发投入之下得到质的改变：强大的研发团队、国家重点实验室、雄厚的技术专利、丰富的科研项目和科学的研发体系。让CATL作为一家仅仅成立6年的本土企业创造了中国锂电行业的一个奇迹，成为国内唯一家可与松下、三星、LG等国际电池巨头直接竞争的动力电池制造商。

5.2.2. 以人为本，人才是核心竞争力

LG化学研发人员2013年-2017年人数逐年增多，2017年达到4800人，占全部员工29573人的16.23%，占比很高。LG化学的电池事业部员工相比其它企业也具有相当优势，2017年韩国梧仓工厂总共接近4000人，其中管理层2%，技术人员60%，办公室人员38%；韩国技术院总共近2800人，其中管理层2%，技术人员70%，办公室人员28%；南京工厂2016年近350人，2017年近520人，2018年预计870人，2019年预计达到1000人。

三星SDI：2017年拥有2215名研发人员，其中硕士博士占比达到40%，研发人员占比整体员工比例高达24.2%。三星SDI有超过400名汽车电池研究人员和工程师正在开发新一代锂离子电池，为汽车制造商和他们的客户提供更好的动力驱动性能和更长的行车距离。三星材料研究所(Samsung Material Research Complex，SMRC)是韩国第一个电子材料研发机构，拥有超过530名科学家和研究人员进行合作研究，推进突破性材料的开发。其中，有380名研究人员特别关注未来电池材料，三星SDI希望通过这样的合作产生协同作用，取得了很多研究成果，专利数量遥遥领先。

松下公司：松下幸之助先生曾经说过：“没有人就没有企业”。松下公司2018年3月份拥有274,143名工作人员，连续3年增长，其中AIS业务员工占比高达37.7%，AP业务员工占比23.6%，ES业务员工占比18.8%，CNS员工占比11.6%，员工数量庞大，AIS员工占比最多，表明了公司侧重于AIS业务。

CATL：CATL已建立起一支涵盖产品研发、工程设计、测试验证、制造等领域的强大研发团队，共有来自全球各地著名高校及著名实验室的3700多名高端科研人员，其中包括2名国家“千人计划”专家、7名福建省百人计划专家及创新人才，博士逾130名，硕士近1000名，以及海归专家40余名。从事电动汽车电芯材料、机理、可靠性研究与仿真模拟等岗位的技术人才达720余人，专业从事材料研发人员200余人，仿真计算人员40余人。

5.2.3. 研发模式各具特色，松下最为先进

LG：作为唯一一家以化学品和材料为基础的电池公司，经过数十年的深入研究、建立配料和发展化学品的经验，在正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电材料、粘接剂等领域均有布局。LG化学在正极材料自供方面具有一定的成本优势，同时也与外部优质的供应商进行合作开发供应，保证原材料的稳定供应，降低成本，另外LG化学的材料也对外进行销售。

三星SDI：采用协同性的研发结构不但可以提升现有产品的性能，同时通过开发颠覆性的技术超越极限。三星综合技术研究院（SAIT）负责前沿研究，与国内外大学研究机构共同合作，一同设立重要技术课题，一道解决商品化开发，共同推进研究项目创造协同效应；Samsung Material R&D负责下一代材料、产品及技术平台开发；Samsung SDI R&D Teams进行短期的产品渐进改善，实现产品的商业化。

松下：研发智能化、数字化，缩短材料开发周期。在新一代锂电池的研发中，比如固态电池和新型电池，新材料的开发至关重要。同样，通过原子/分子水平的分析来了解锂电池在使用过程中锂离子的具体运动特性也及其重要。在开发新材料过程中，花费太多时间在强调经验的试错试验上一直是个有问题的开发方式。松下推广“材料信息技术”开发理念，这是一种基于人工智能和数据科学的全新材料搜索方法。松下努力发挥公司内部电池材料专家和信息技术专家的人才优势，利用AI对电池材料的合成过程进行合理预测，可以将电池新材料的开发周期缩短一半。“材料信息技术”至关重要的是人工智能所必需的信息数量以及其质量。松下与外部机构合作，正在构建一个包含文献报告、仿真数据和材料信息的庞大数据库。同时，松下最大限度地使用公司50多年来在电池研究上所积累的庞大技术数据。通过在原子水平上自己独特的先进材料分析方法和其“材料信息技术”，已经成功地全球首次可视化研究了固态电池的锂离子特性。所以，松下将在全球领导电池新材料及其下一代电池的开发。

CATL：CATL具有完整的动力电池研发体系，掌握包括：纳米级别材料开发、工艺研发、电芯研发、模组研发、电池管理系统（BMS）、电池包开发的核心技术，并遥遥领先于国内动力电池企业。CATL的研发链条环环相扣，在可靠性设计、寿命模型、产品安全等各方面都具备很强的实力，确保其能够打造出完美的安全产品。CATL的产品开发周期一般需要3年，分为A样、B样、C样、D样阶段。各阶段部件的工艺产线、研发投入、产能规划、研发阶段周期都需要在前期规划完整，并且能够顺利推进规划。同时在整个产品开发周期过程中，需要重复不断地对产品进行需求分析、设计完善、测试认证、优化方案、验证可行性。

校企合作，全球智库。2015年CATL设立宁德博士后工作站，并成立院士工作站，以陈立泉院士为学术委员会主席，主要成员包括欧阳明高教授、吴峰教授等世界级专家学者二十余人，为CATL的成功提供了巨大的支持和帮助。除了中科院、清华、中国电子技术标准化研究院、中汽研、台湾工业技术研究院，CATL还与德国MEET国家实验室、美国汽车工业协会、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、美国Argonne实验室、美国AVL、法国国家研究中心等国际知名研究中心建立了合作伙伴关系。全面构建多领域、多层次的动力电池研发体系，相继在上海、美国、德国、日本建立研发院，加强与先进技术的融合，强化产品优势。

5.2.4. 日韩企业专利积累深厚，国内落后差距较大

日韩企业由于进入锂电池领域较早，因此在专利方面较国内占有一定的优势。截止2017年12月31日，CATL及其子公司共拥有907项专利及17项境外专利，正在申请的境内和境外专利合计1440项。在智慧牙全球专利库数据库中检索Lithium Battery关键字，截止2018年11月，CATL共拥有专利达1900项。LG化学检索的结果为8134项，三星SDI检索的结果为8792项，丰田检索结果为7551项，松下检索结果为5361项，BYD检索结果为1209项。

在全固态电池领域，相关专利申请量排名靠前的均为日韩企业，其中绝大多数为日本企业，韩国公司有1家，排名第一的丰田专利申请数达218件，占据总数的20.15%，松下34件，LG 18件，充分说明日本和韩国，尤其是日本公司在全固态锂电池方面具有较雄厚的实力。

丰田在全固态锂电池方面，投入了大量研发精力，推出了原型固态锂离子电池：正极、负极和固体电解质层分别采用钴酸锂、石墨和硫化物类电解质，开发的电池组平均电压为14.40V，充电后输出电压高达16.26V，这种电池预计在2020年可小批量实现商业化示范应用，到2025年得到实质性改善。

全球全固态聚合物电解质专利申请量排名前12位的专利权人排名前4名的专利数量较多，均达到了30件。前10名专利权人全部来自日本与韩国，并且都为全球知名企业，可见日本、韩国在全固态聚合物电解质这一领域处于国际领先优势，国内锂电企业尚存在巨大差距。

5.3工艺制造：全程可视化制造，CPK值尚存差距

LG化学电芯层压工艺，优化模组PACK热管理。

电芯层面：LG化学的动力电池电芯目前生产工艺主要为Stack&Folding堆叠工艺，复合电极材料置于一张隔膜上以折叠的工序完成组装，可以减少了电极开裂的可能性，并有助于制作更加轻薄的电池，另外拥有高容量和高密度，发热面积较大可以调节最适当的温度，有利于保持长寿命与高性能。下一代电芯将采用新型的生产工艺：层压工艺。能够更适于生产高能量密度和电芯，同时通过简化生产工艺，缩短电芯的单产时间。LG在这种工艺方面具有独家专利，层压工艺能够将Cell内部的死角空间最小化，保障电芯的长循环寿命，同时通过LG高可靠性隔膜让电芯具有较好的热稳定性。

模组层面：鉴于软包电芯的导热性较差，硬度较软的缺点，LG化学的电芯传统的成组工艺需要一片薄铝板来进行导热以及固定结构，导致软包电池的模组能量密度转换率比方形电芯低。为了提高电芯的能量密度转化率，在模组成组工艺方面LG采用灌封胶通过电芯边缘来散热的方式，能够提高模组的空间利用率，删除薄铝板后减少了零部件数量，提高模组的能量密度，整体的模组散热效率也得到相当提升，从而保障了电池的安全性和使用寿命。

三星100%自动化生产，质量管控严格：通过生产自动化等技术的变革，可以从整体上降低电池的生产成本，增加产量和生产速度。三星SDI有15年锂离子电池大规模生产的经验，在过去的15年间售出70亿块电池, 目前每年销售超过10亿块电池。三星SDI的生产线自动化程度达到100%。此外，三星SDI供应的汽车用方形锂离子电池的生产准备时间相对较短，工艺稳定性高，相比其他类型的电池生产效率更高，成本更低。此外，IT产品电池使用的原材料大约80%可以用于汽车电池，通过大量采购形成规模经济效应，利用综合价值链的优势。

三星SDI在设计及生产阶段由于严格遵守规范，没有出现过任何质量相关事故。除了标准的汽车质量管理工具，如FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)和次级供应商管理系统等以外，三星SDI已经开发并设置了先进的内部流程，如Manufacturing Executing System (MES)等，以保证生产出最高品质的产品和100%的可追溯性。因此, 由三星SDI生产的每一块电池，通过数以百计的测量检查点进行检查，可以分别跟踪。以此确保客户在汽车的整个使用寿命期间，电池有最为稳定的高性能表现。

松下可视化制造，全过程保证质量：在新一代可充电电池的研发中，除了开发新材料外，追求新的制造工艺和客户的满意度同样极其重要的。通过与制造工程部门合作推进产品的快速原型设计，松下相信自己能够通过下一代可充电电池的开发来领导锂电池这个行业。不管在前期开发阶段，还是在质量生产阶段，确保质量对电池来说都是至关重要的，松下积极地监控整个生产过程中材料的物理特性以及加工状态。除了材料的加工外，松下还致力于自己开发设备和生产线，以保证设备的百分之百质量，从而避免发生任何大规模的生产缺陷。这方面，松下还制造了能够感知其物理特性和性能的设备。另外，松下努力通过可视化所有工厂信息来确保质量的可追溯性，所有的现场信息被数字化，相关的数据被快速地处理和积累，以便可以在数据库中进行处理，必要的信息也会被提取出来，整个过程质量是可以进行实时可视化分析的。松下的目标是从简单的“控制质量”转变为“保证零缺陷”。

CATL制造智能化，人机互动性强。目前，CATL投资数十亿元建立智能化、自动化产线，该产线在“智慧工厂”和工业4.0信息物理融合系统CPS的指导下，实现了高度的自动化。厂区内使用了大量的高科技机器人、中控系统、在线检测设备和信息追溯系统，以做到“生产数据可视化”、“生产过程透明化”、“生产现场无人化”。而且CATL根据离散型制造的特点，将其组织结构设计、经营管理流程、生产制造、仓储物流设计、产线设备自动化都采用系统化管理。所建成的智能化车间，具有较强的技术成果可复制性和可扩展性。

CATL通过物联系统，对人、机、料、法、环等生产数据进行监控、采集、分析、处理，实现对突发事件的快速反应和产品全制成可追溯性；并在大数据基础上，实现统计、测评、管理、考核以及报表自动生成等活动。制造执行系统（MES）对产线上每台设备的进行数据自动采集，通过中央专家系统与分布式控制系统对设备异常进行预警，并对产品制造信息进行数据挖掘分析，实现产品制造全过程管控。保证只有正确的物料、有资质的人员、正确的机器设备和正确的工艺参数被用来生产产品。

颠覆传统任重道远，电池CPK提升为关键。对于动力电池而言，单体能量密度仅仅是性能优越的一方面，更重要的是所有单体电池的高度一致性，然而锂电池的工艺非常复杂，工序非常繁多，每道工序对电池的性能都会有很大影响，因此整个制造过程都需要对环境进行控制。采取高精度和稳定性高的自动化设备，可以减少电池的差异性，从而提升电池的质量。据统计，LG化学、三星SDI、松下采用的多是日韩先进设备，电芯及模组的自动化率大于85%，对电池产品的一致性和良品率有一定的保障，而国内的CATL在83%左右。

全球的动力电池之争是中日韩之争，而中日韩各有特色，虽然使用的化学体系以及材料等大同小异，但由于制造能力和管理水平的差距，产品合格率及一致性存在较大差异，传统汽车要求核心零部件企业的CPK值为1.67，而我国动力电池企业大部分在1.5以下。CPK值反映的是电池的品质，直接影响的是电池的安全和成本。目前CATL的CPK值最高可达1.67，三星、LG、松下的CPK值则以1.67为基础的，甚至可达2.0，意味着100万只电池里面几乎没有次品，电池性能几乎完全一致的。