關(guān)于特斯拉“電池日”的幾個猜想

1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250007 降本增效，驅(qū)動行業(yè)發(fā)展 1 HYPERLINK l _TOC_250006 關(guān)于新技術(shù)的幾點猜想 1 HYPERLINK l _TOC_250005 猜想 1：采用大圓柱電池，對電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新 1 HYPERLINK l _TOC_250004 猜想 2：硅納米線負(fù)極材料 4 HYPERLINK l _TOC_250003 猜想 3：單晶三元正極材料與新型電解液 5 HYPERLINK l _TOC_250002 猜想 4：干電極涂層（DBE）技術(shù) 6 HYPERLINK l _TOC_250001 猜想 5：無鈷技術(shù) 8 HYPERLI

2、NK l _TOC_250000 特斯拉電池新技術(shù)對第三方企業(yè)有什么影響？ 9風(fēng)險因素 10投資策略 10插圖目錄圖 1：“RoadRunner”坐落于 Fermont 工廠附近，距 Fermont 工廠約 4 公里 1圖 2：特斯拉全新大尺寸圓柱電池 2圖 3：特斯拉電芯“亞模組”專利 2圖 4：特斯拉浸泡式散熱示意圖 3圖 5：特斯拉電池?zé)o極耳技術(shù)示意圖 3圖 6：石墨負(fù)極與硅納米線負(fù)極比較 4圖 7：硅納米線用于鋰電池中 4圖 8：Amprius 美國工廠選址 5圖 9：單晶 NCA 材料 6圖 10：不同正極材料循環(huán)壽命 6圖 11：電解液溶劑及添加劑 6圖 12：干電極涂層技術(shù)過程

3、7圖 13：干電極涂層技術(shù)示意圖 7圖 14：傳統(tǒng)溶劑漿料涂布方法 8圖 15：特斯拉采購電池包總成本估算（從圓柱三元，切換到磷酸鐵鋰 CTP） 8圖 16：循環(huán)后的 NCM811 材料 9圖 17：循環(huán)前的 NCM811 材料 9圖 18：特斯拉電池需求量預(yù)測 10表格目錄表 1：“RoadRunner”項目目標(biāo) 1表 2：特斯拉新電池技術(shù)總結(jié) 9表 3：新能源汽車板塊重點跟蹤公司盈利預(yù)測 10 降本增效，驅(qū)動行業(yè)發(fā)展特斯拉“Battery Day”將于北京時間 9 月 23 日凌晨 4:30 舉辦，在“Battery Day”上將要發(fā)布一系列特斯拉關(guān)于電池的新技術(shù)，考慮到特斯拉在電動車和儲

4、能上對能源革命的追求，此次發(fā)布的各項技術(shù)預(yù)計將以降成本為核心，通過對電池材料化學(xué)體系、電極體系結(jié)構(gòu)、電池制備技術(shù)等進(jìn)行創(chuàng)新，以提升電池的能量密度、循環(huán)壽命等，核心落腳點都在于降低成本。 關(guān)于新技術(shù)的幾點猜想猜想 1：采用大圓柱電池，對電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新自產(chǎn)項目“RoadRunner”有助于實現(xiàn) 100 美元/kWh 的電池成本。2020 年 2 月特斯拉公布了動力電池自產(chǎn)項目“RoadRunner”，旨在生產(chǎn)電芯密度更高、成本更低、續(xù)航里程更長、充放電壽命更長的動力電池。目前與松下合作生產(chǎn)的動力電池成本約為 111 美元/kWh，如果實現(xiàn) 100 美元/kWh 的電池成本（降幅 10%），可以實

5、現(xiàn)電動車在無補貼條件下與燃油車平價。表 1：“RoadRunner”項目目標(biāo)指標(biāo)目標(biāo)備注電芯密度3-4 年后電芯能量密度提高至 400Wh/kg使用 Jeff Dahn 以及 Maxwell 的技術(shù)電池成本降至 100 美元（677 元）/kWh目前與松下合作成本約 111 美元/kWh續(xù)航里程全生命周期超過 160 萬公里充放電壽命由 1500-2000 次提升至 4000 次左右資料來源：特斯拉官網(wǎng)，中信證券研究部圖 1：“RoadRunner”坐落于 Fermont 工廠附近，距 Fermont 工廠約 4 公里資料來源：electrek，中信證券研究部42700 型號電池可能性較大。據(jù)

6、外媒 electrek 披露，Roadrunner 系統(tǒng)將生產(chǎn)一種大尺寸圓柱電池，直徑可能是現(xiàn)在 21700 電池的兩倍，因此單個電池體積將是原來的四倍，推測型號為 42700。大電池突出的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：直徑增加一倍，每Wh 所需電池數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?1/4；外殼面積減少約 48%，降低外殼使用成本，減少零部件使用量，同時提升單體質(zhì)量能量密度，降本增效。由于每 Wh 電池數(shù)量減少 75%，因此在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，包括對注液、化成、分容等設(shè)備需求大幅減少，實現(xiàn)降本。電池數(shù)量減少，pack 工藝復(fù)雜度下降，同時也可降低 BMS 難度，實現(xiàn)降本。圖 2：特斯拉全新大尺寸圓柱電池資料來源：elect

7、rek大尺寸電池帶來的關(guān)鍵問題是散熱，因此特斯拉對電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)動力電池生產(chǎn)過程是由電芯廠商負(fù)責(zé)生產(chǎn)單個電芯，然后由汽車制造商進(jìn)行 pack 生產(chǎn)電池包，在特斯拉的專利描述中，將直接在電池廠生產(chǎn)出電芯平行排列的“亞模組”，而后通過簡單堆疊排列生產(chǎn)電池包。圖 3：特斯拉電芯“亞模組”專利資料來源：美國國家專利局網(wǎng)站（美國專利 US2019/0312251 A1）浸泡式散熱有助于解決傳統(tǒng)散熱存在死區(qū)的問題。結(jié)構(gòu)化的模組為解決散熱問題帶來了很大的便利，傳統(tǒng)電芯散熱采用風(fēng)冷式散熱或者蛇形散熱管來進(jìn)行，散熱管的死區(qū)問題極大地影響了散熱效率，特斯拉專利中利用模塊化電芯的優(yōu)勢，采用浸泡式散熱，雖然散

8、熱原理未發(fā)生變化，但有效地提高了電芯散熱的效率，解決了更換大電芯后帶來的散熱問題。圖 4：特斯拉浸泡式散熱示意圖資料來源：美國國家專利局網(wǎng)站（美國專利 US2019/0312251 A1）無極耳技術(shù)進(jìn)一步降低成本，提高電池效率。極耳是連接正負(fù)極材料到電池輸出端的關(guān)鍵零部件，但電流必須通過較長路徑（極耳-電極板-電極活性材料）進(jìn)行傳輸，會增加電芯的內(nèi)阻，使電池充電時熱量過高，影響電池壽命、安全性等。而采用無極耳的電芯，可以有效降低電池約 13%的內(nèi)阻，解決電池充電發(fā)熱問題，并縮短充電時間。據(jù)媒體 electrek 報道，無極耳電芯可以在 10 分鐘內(nèi)充滿 50%電量，比目前特斯拉超級充電樁快 2

9、0 分鐘。圖 5：特斯拉電池?zé)o極耳技術(shù)示意圖資料來源：美國國家專利局網(wǎng)站（美國專利 US2020/04144676 A1）猜想 2：硅納米線負(fù)極材料硅納米線材料有助于實現(xiàn)超高能量密度。負(fù)極材料的容量對整個電池的能量密度至關(guān)重要，目前常用的石墨材料理論容量為 372mAh/g，實際釋放容量約為 170mAh/g，大大限制了整體鋰電池能量密度的提升；相比較而言，硅負(fù)極理論容量可以達(dá)到 4200mAh/g，是非常有前景的負(fù)極材料，但由于鋰插層之后硅基材料 400%的體積膨脹率，導(dǎo)致實際過程中會發(fā)生破碎，結(jié)構(gòu)難以保持。圖 6：石墨負(fù)極與硅納米線負(fù)極比較資料來源：Cui Yis group in Sta

10、nford University，Amprius 官網(wǎng)特斯拉可能通過與Amprius 公司合作，或?qū)⒐杓{米線作為負(fù)極材料應(yīng)用于鋰電池中。硅基原材料更容易獲得，更加便宜，可以有效降低成本，同時相比于體相硅基材料，硅納米線插鋰后不會造成結(jié)構(gòu)的破壞，因此可以極大地提高鋰電池的能量密度。Amprius 的創(chuàng)始人崔屹教授課題組曾發(fā)表科研文章，論述硅納米線用于鋰電池負(fù)極的可能性，從實驗結(jié)果來看，鋰插層后的硅納米線負(fù)極材料直接從 89nm 增加到 141nm（體積膨脹率400%），但結(jié)構(gòu)仍舊保持未發(fā)生明顯破壞， 經(jīng)過 10 次充放電后， 充/ 放電容量仍能保持在 3541/3193mAh/g 左右。圖 7：

11、硅納米線用于鋰電池中資料來源：High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires（Chan;CK; Peng;HL;Liu;G; McIlwrath;K;Zhang;XF;Huggins;RA;Cui;Y）鋰電池有望實現(xiàn)能量密度 400Wh/kg，續(xù)航超過 1000km。特斯拉 CEO 馬斯克曾在社交媒體上提到，3-4 年后實現(xiàn) 400Wh/kg 的能量密度，推測有可能源于此項技術(shù)，如果此項技術(shù)可以實現(xiàn)，以 Model 3 為例，按照目前 260Wh/kg 的 NEDC 續(xù)航 668km，新款電池可以實現(xiàn) 1028 公

12、里的 NEDC 續(xù)航。此外 Amprius 工廠的選址正好位于特斯拉電池工廠的南面，也是此次電池日的發(fā)布地點，因此本次 Battery Day 很有可能會帶來硅基負(fù)極材料的相關(guān)信息。圖 8：Amprius 美國工廠選址資料來源：NE 時代猜想 3：單晶三元正極材料與新型電解液三元正極材料一直存在著 NCM 和 NCA 兩種路線。相比于目前國內(nèi)主流的 NCM 三元材料，NCA 不僅可逆比容量高，材料成本較低，同時摻鋁（Al）后增強了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。不過 NCA 的主要問題在于生產(chǎn)工藝要求較為苛刻，對濕度敏感性強，在生產(chǎn)過程中濕度要一直保持 10%以下，加大了

13、生產(chǎn)成本。兩步燒結(jié)法制備單晶 NCA 材料。今年 4 月份，特斯拉的電池研發(fā)合作伙伴 Jeff Dahn團(tuán)隊發(fā)布專利，成功通過兩步燒結(jié)法制備了單晶 NCA 材料。此項研究中，通過尋找最佳燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、金屬前驅(qū)體比例，最終找到了合適的實驗條件。實驗結(jié)果表明，此種方法甚至可以合成出 9.2:0.5:0.3 的三元材料（Ni：Co：Al），進(jìn)一步降低 Co 的含量，提高電池成本優(yōu)勢。圖 9：單晶 NCA 材料資料來源：美國國家專利局網(wǎng)站(美國專利 US2020/0127280 A1)單晶 NCM532 電池配套新型電解液。此外，使用單晶 NCM532 電池，Jeff Dahn 團(tuán)隊又發(fā)現(xiàn)一系列

14、配套的新型電解液組合，其中單晶 NCM532 電池在 4000 次循環(huán)以后仍能保持 90%的容量，同時使用 DTD 作為電解液添加劑以提高性能。另外，Jeff Dahn 又發(fā)表一系列文章與專利，介紹其他新型電解液添加劑，如 ODTO（1,2,6-二噻烷-2,2,6,6-四氧）可以鈍化電池負(fù)極上的活性顆粒，生成保護(hù)膜，提高電池循環(huán)壽命。其他添加劑還有 PDO（3-苯基-1,4,2-二噁唑-5-噠嗪酮，專利 WO2019/241869 A1）等。圖 10：不同正極材料循環(huán)壽命圖 11：電解液溶劑及添加劑資料來源：A Wide Range of Testing Results on an Excel

15、lent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies(Jeff Dahn)資料來源：A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies（Jeff Dahn）猜想 4：干電極涂層（DBE）技術(shù)特斯拉收購的 Maxwell 有一個非常重要的是非溶劑干電極涂層技術(shù)(DBE)，原文稱

16、solvent less dry battery electrode (DBE) coating technology。什么是干電極涂層工藝？該過程從電極粉末開始，比如說特斯拉的 NCA 正極的鋰鎳鈷氧化鋁粉末，將少量（約 5-8%）細(xì)粉狀 PTFE 粘合劑與正極粉末混合，然后將混合的正極+粘合劑粉末通過擠壓機形成薄的電極材料帶，將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。Maxwell 的工藝皆適用于正極和負(fù)極。用正極材料（NCA、NCM、LFP 等皆可）粉末和鋁箔制作正極，用石墨粉和銅箔制作負(fù)極。另外，還可添加了一些不同的聚合物，獲得了更好的強度和離子傳輸，添加一些其他材料可以提高

17、導(dǎo)電性。通過將電極膜卷繞成卷，然后送入層壓機。但這個過程比較簡單。圖 12：干電極涂層技術(shù)過程資料來源：Dry Electrode Coating Technology（Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi）圖 13：干電極涂層技術(shù)示意圖資料來源：高工鋰電工藝核心特點：原纖維化（Fibrilization）：特斯拉收購 Maxwell 的一項重要技術(shù)理由可以歸結(jié)為“原纖維化（Fibrilization）”。Maxwell 的干電極工藝通過將混入活躍的負(fù)極或正極材料顆粒的 PTFE（Teflon）原纖維化，形成負(fù)極或正極材料的自支撐膜（self supporting

18、 film）。Maxwell 的工藝使電池的負(fù)極和正極不使用溶劑：傳統(tǒng)的鋰電池制造使用有粘合劑材料的溶劑，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone）是其中一種常見溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負(fù)極或正極粉末混合后，把漿料涂在電極集電體上并干燥。溶劑有毒，必須小心回收，進(jìn)行純化和再利用。而且需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機。由于不使用溶劑，往往可以涂得更厚。圖 14：傳統(tǒng)溶劑漿料涂布方法資料來源：高工鋰電猜想 5：無鈷技術(shù)長期來看，穩(wěn)定降低電池成本勢在必行。目前主流電池技術(shù)三元電池中的鈷原料由于全球儲備量有限，且價格波動較大，不利于特斯拉全球電動化的推廣，因此，低鈷電池/無鈷電池一直是特

19、斯拉努力的方向。磷酸鐵鋰電池是無鈷技術(shù)一個實現(xiàn)方向。一方面，特斯拉已經(jīng)與寧德時代達(dá)成協(xié)議，我們預(yù)計采用寧德時代提供的磷酸鐵鋰CTP 電池，極大地降低成本；同時今年 6 月 16 日，特斯拉與嘉能可（Glencore）達(dá)成協(xié)議，每年將從后者采購 6000 噸鈷，用于上海工廠以及計劃中的柏林工廠。這說明短期內(nèi)仍需要鈷，無法完全實現(xiàn)無鈷。單晶材料在充放電穩(wěn)定性中具有絕佳的優(yōu)勢，因此本次電池日中可能會涉及使用單晶NCM 三元正極材料降低鈷用量的技術(shù)。圖 15：特斯拉采購電池包總成本估算（從圓柱三元，切換到磷酸鐵鋰 CTP）萬元/個電池包76.2萬元77kWh6543210 成本降 0.5 萬元4.2萬

20、元53kWh3.7萬元53kWh長續(xù)航電池(松下、LG化學(xué)圓柱三元)標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級版電池(松下、LG化學(xué)圓柱三元)標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級版電池(寧德時代LFP CTP)資料來源：特斯拉財報，LG 化學(xué)財報，寧德時代財報，中信證券研究部測算注：電池成本均為估計值，可能與實際存在差異圖 16：循環(huán)后的 NCM811 材料圖 17：循環(huán)前的 NCM811 材料資料來源：Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-s

21、ection Scanning Electron Microscopy（Y. Liu, J. Harlow, J. Dahn）資料來源：Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning Electron Microscopy（Y. Liu, J. Harlow, J. Dahn ）總結(jié)來說，新的電池技術(shù)核心都是為了提升能量密度、提升壽命、降低成本，加快能源變革的普及。表

22、 2：特斯拉新電池技術(shù)總結(jié)提升能量密度提升壽命降低成本大體積電池硅納米線負(fù)極單晶正極及電解液干電池技術(shù)無鈷技術(shù)資料來源：中信證券研究部 特斯拉電池新技術(shù)對第三方企業(yè)有什么影響？1、特斯拉為什么要自己做電池？特斯拉一直試圖推動能源變革，包括光伏發(fā)電、儲能裝置、電動車等，無論哪個環(huán)節(jié)，電池都是很重要的一環(huán)，因此特斯拉對電池研發(fā)、生產(chǎn)投入力度很大，試圖掌握最先進(jìn)的核心技術(shù)，引領(lǐng)行業(yè)向前發(fā)展。2、如果特斯拉自己做電池，對產(chǎn)業(yè)鏈電池企業(yè)是利空么？考慮特斯拉自身的電池需求規(guī)模（預(yù)計 2020 年接近 35GWh，后續(xù)很快接近百萬 GWh），以及電池生產(chǎn)的馬太效應(yīng)（規(guī)模、成本、性能曲線）等，加上電池屬于重資

23、產(chǎn)業(yè)務(wù)，預(yù)計特斯拉的大部分電池仍是由外部獨立第三方供應(yīng)商提供，所以對于寧德、松下、LG 而言，都沒有實質(zhì)性的影響。另一方面，特斯拉造電動車、動力電池，推動能源變革，主要的競爭對手是燃油車，所以我們推斷特斯拉更愿意聯(lián)合電池企業(yè)一起推動技術(shù)進(jìn)步、成本降低，以推動汽車產(chǎn)業(yè)電動化發(fā)展。圖 18：特斯拉電池需求量預(yù)測預(yù)計超過110GWh預(yù)計超過90預(yù)計超過60322534172026 0.1 4798120100806040Cybertruck-美國產(chǎn) Model 3/Y-歐洲產(chǎn) Model 3/Y-中國產(chǎn) Model 3/Y-美國產(chǎn) Model S/X-美國產(chǎn)2002015201620172018201920E21E22E23E資料來源：特斯拉財報，中信證券研究部預(yù)測 風(fēng)險因素銷量不及預(yù)期，項目投產(chǎn)進(jìn)度不及預(yù)期，技術(shù)路線更迭。 投資策略特斯拉未來有望推動電池技術(shù)進(jìn)步、成本下降，進(jìn)而推動電動車普及，加速汽車產(chǎn)業(yè)乃至能源行業(yè)的變革。中國電動車供應(yīng)鏈、鋰電行業(yè)各環(huán)節(jié)龍頭具備全球競爭力，有望受益全球電動車放量，尤其是特斯拉供應(yīng)鏈的相關(guān)投資機會更加明確：1）鋰電環(huán)節(jié)：寧德時代（電池），比亞迪(A+H)、恩捷股份（隔膜）、德方納米（LFP 材料）、璞泰來（負(fù)極）、新宙邦（電解液），天賜材料（電解液），建議關(guān)注科達(dá)利（殼體）等；2）上游設(shè)備及資源：先導(dǎo)智能（設(shè)備）、杭可科技（設(shè)備）、贛鋒鋰