1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250013 一、特斯拉動力電池技術(shù)布局：長壽命&無鈷愿景 1 HYPERLINK l _TOC_250012 1、特斯拉本體技術(shù)布局：電氣基本盤，電池占比低 1 HYPERLINK l _TOC_250011 2、高鎳無鈷正極：或臨倍率性能妥協(xié)？ 2 HYPERLINK l _TOC_250010 3、電解液添加劑：踏上電池長壽命征途 6 HYPERLINK l _TOC_250009 二、特斯拉收購電池相關(guān)技術(shù)：理想與探索 11 HYPERLINK l _TOC_250008 1、Maxwell 技術(shù)布局：干法電極向電池領(lǐng)域進(jìn)發(fā) 11 HYPERLI

2、NK l _TOC_250007 2、干法正極：三元迎倍率挑戰(zhàn)，硫系或奇兵出擊 13 HYPERLINK l _TOC_250006 3、干法負(fù)極：倍率同迎接挑戰(zhàn)，期待預(yù)鋰化硅碳突破 17 HYPERLINK l _TOC_250005 4、離子液體+富硅負(fù)極：瑕瑜互見，前方高能 19 HYPERLINK l _TOC_250004 三、特斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來 22 HYPERLINK l _TOC_250003 1、尚存差距，特斯拉已知電池技術(shù) pk 中國龍頭 22 HYPERLINK l _TOC_250002 2、雖已力尋蹊徑，仍需風(fēng)雨兼程 24 HYPERLINK l _TO

3、C_250001 投資評價和建議 27 HYPERLINK l _TOC_250000 風(fēng)險分析 27圖表目錄圖表 1： 特斯拉專利布局 1圖表 2： Jeffery Raymond Dahn 教授近期主要科研成果 2圖表 3： 鎳酸鋰的容量-循環(huán)性能和電性能 2圖表 4： 不同高鎳-摻雜體系下的正極材料熱行為和低倍率容量-循環(huán)性能 3圖表 5： 具備芯-殼結(jié)構(gòu)的無鈷高鎳前驅(qū)體及相應(yīng)元素分析 3圖表 6： LNO:NiAl83/17 正極材料低倍率容量-循環(huán)性能 4圖表 7： 鈷在高鎳材料中抑制鋰鎳混排的作用示意 5圖表 8： NAM90/05/05（LiNi0.9Al0.05Mg0.05O2

4、）正極形貌及其與對照組容量-循環(huán)性能 5圖表 9： 特斯拉電解液添加劑相關(guān)專利 6圖表 10： MDO、PDO、BS 等添加劑的結(jié)構(gòu)式與合成路徑 7圖表 11： 電池 4.3V、60oC 儲存 500h（上）和 4.3V 化成（下）的產(chǎn)氣量對比 7圖表 12： 不同電解液添加劑對應(yīng)的電池循環(huán)性能對比（上 622，下 532） 8圖表 13： 研究使用的電解液和添加劑結(jié)構(gòu)式 8圖表 14： 研究使用的電池單體性能參數(shù) 9圖表 15： 不同NMC532 樣品的測試電壓-溫度-倍率-時間對應(yīng)的容量與電壓變化 9圖表 16： 不同循環(huán)條件下電池容量變化；純電動乘用車的里程、容量和使用時間關(guān)系估計(jì) 10

5、圖表 17： Maxwell 專利布局 11圖表 18： Maxwell 干電極相關(guān)典型專利 11圖表 19： Maxwell 干電極制備工藝（并行流程） 12圖表 20： 常規(guī)鋰電池生產(chǎn)工藝流程 13圖表 21： 干法NMC111 正極容量-電壓曲線 13圖表 22： 干法NMC811 正極容量-電壓曲線 13圖表 23： 干法NMC111 樣品的容量-放電倍率 14圖表 24： 干法NMC111 樣品的循環(huán)壽命 14圖表 25： 干法NMC622-石墨厚電極基本參數(shù) 15圖表 26： 干法NMC622-石墨厚電極對應(yīng)電池的不同倍率充放行為 15圖表 27： 干法硫碳復(fù)合正極樣品的容量-電壓

6、曲線（Maxwell） 16圖表 28： 干法硫碳復(fù)合正極（后加以潤濕）的容量-電壓曲線、容量-循環(huán)壽命曲線（放電 0.2C） 16圖表 29： 干法石墨負(fù)極容量-電壓曲線 17圖表 30： 不同工藝流程干法石墨負(fù)極的強(qiáng)度和首次循環(huán)效率 17圖表 31： 不同硅含量的負(fù)極材料的理論容量 18圖表 32： 4.7%硅碳復(fù)合負(fù)極的充放行為 18圖表 33： 預(yù)鋰化負(fù)極容量 18圖表 34： 預(yù)鋰化負(fù)極循環(huán)效率 18圖表 35： 石墨基預(yù)鋰化薄膜的制備工藝流程和優(yōu)化手段 18圖表 36： 預(yù)鋰化對干法硅碳負(fù)極首周容量衰減的補(bǔ)償作用 19圖表 37： 可搭配高鎳正極的典型離子液體+富硅負(fù)極專利 19圖

7、表 38： C/5（上）和C/10（下）倍率，電池單體容量-溫度情況 20圖表 39： 包覆有聚丙烯氰的硅基負(fù)極 20圖表 40： NMC811 正極-離子液體-富硅負(fù)極紐扣電池性能 21圖表 41： NMC622 正極-離子液體-富硅負(fù)極紐扣電池性能 21圖表 42： 寧德時代專利布局 22圖表 43： 比亞迪專利布局 22圖表 44： 寧德時代單晶NMC532 電池正極材料電鏡照片 22圖表 45： 寧德時代單晶NMC532 電池正極材料循環(huán)性能 22圖表 46： 寧德時代新型電解液的部分添加劑化合物 23圖表 47： 寧德時代不同性能側(cè)重點(diǎn)的動力電池* 23圖表 48： 寧德時代方形、圓

8、柱無模組電池包 23圖表 49： 比亞迪“刀片電池”對應(yīng)電池包的結(jié)構(gòu)和實(shí)施例性能表現(xiàn) 24圖表 50： 特斯拉動力電池相關(guān)技術(shù)布局綜合評估 25一、特斯拉動力電池技術(shù)布局：長壽命&無鈷愿景1、特斯拉本體技術(shù)布局：電氣基本盤，電池占比低“技術(shù)極客”是特斯拉公司的關(guān)鍵屬性。電子電氣架構(gòu)、用能充能系統(tǒng)等的先進(jìn)性奠定了其智能電動車產(chǎn)品的銷量和地位。特斯拉的主要技術(shù)專利主要包括自研、外部收購獲得這兩部分。特斯拉（Tesla Motors Inc/Tesla Inc）截至 2020 年初已有 2200 余項(xiàng)專利公開，其主要分布為電氣系統(tǒng)、動力電池結(jié)構(gòu)、溫控、連接等。動力電池子項(xiàng)總量和占比均不高。和傳統(tǒng)動力

9、電池龍頭相比，在動力電池相關(guān)專利數(shù)量上的差距巨大。圖表1： 特斯拉專利布局資料來源：patsnap，中信建投證券研究發(fā)展部特斯拉和動力電池相關(guān)的主要專利細(xì)項(xiàng)對應(yīng) IPC 小組 H01M10/0525，對應(yīng)的主要發(fā)明者為鋰電先驅(qū) Jeffery Raymond Dahn 教授。Dahn 教授的主要研究領(lǐng)域是高鎳正極（本征鎳酸鋰材料、高鎳復(fù)合金屬酸鋰材料）和電解液添加劑。其學(xué)術(shù)論文和專利一起可以作為特斯拉在動力電池領(lǐng)域的前瞻性技術(shù)儲備（學(xué)術(shù)論文發(fā)表于期刊 Journal of The Electrochemical Society，領(lǐng)域兼有二者；技術(shù)專利暫為長壽命電解液添加劑）?？梢?，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)

10、行細(xì)致比較研究，可以推斷相應(yīng)技術(shù)路線特斯拉已達(dá)到的水平；再深入進(jìn)行有關(guān)機(jī)理分析，又可對其實(shí)現(xiàn)可能性進(jìn)行一定程度的前瞻估計(jì)（電池的主要關(guān)注點(diǎn)為能量、倍率、壽命、成本、安全性；對于正負(fù)極，能量項(xiàng)等同于關(guān)注容量/對鋰電壓；充放倍率-充放深度-循環(huán)壽命同時提供時的數(shù)據(jù)信息量大；循環(huán)壽命/日歷壽命/能量和溫度關(guān)系也行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告較大；安全性可通過電池的熱行為進(jìn)行一定程度評估；紐扣電池/小容量軟包電池測試對應(yīng)的技術(shù)成熟度不及商用封裝手段電池）。圖表2： Jeffery Raymond Dahn 教授近期主要科研成果文獻(xiàn)標(biāo)題主要領(lǐng)域期刊和時間信息高鎳正極Journal of The Electrochem

11、ical Society, 165 (13)Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structureDioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additiv

12、es for Lithium-Ion CellsA2985-A2993 (2018)高鎳正極Journal of The Electrochemical Society, 166 (4) A429-A439 (2019)高鎳正極Chemistry of Materials, 31(24)A10150-A10160(2019)電解液Journal of The Electrochemical Society, 165 (13) A2961-A2967 (2018)A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Ch

13、emistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies資料來源：Web of Science, 中信建投證券研究發(fā)展部電解液和測試標(biāo)準(zhǔn)Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A3031-A3044 (2019)2、高鎳無鈷正極：或臨倍率性能妥協(xié)？Jeffery Raymond Dahn 教授團(tuán)隊(duì)在不同的論文中研究了鎳酸鋰及高鎳正極體系的相關(guān)內(nèi)容。在論文 Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for

14、0 x 1 中，J.R. Dahn 教授分析了鎳酸鋰（以氫氧化鋰為鋰源、氫氧化鎳為前驅(qū)體合成）的性能表現(xiàn)及其機(jī)理：充放循環(huán)過程中的材料相變是影響性能的關(guān)鍵因素。圖表3： 鎳酸鋰的容量-循環(huán)性能和電性能資料來源: Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1，中信建投證券研究發(fā)展部作為上述研究的拓展，J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)在論文 Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?中進(jìn)一步分析了

15、不同摻雜元素的作用：鎂、錳、鋁可以不同程度抑制熱失控；在 C/20、C/5的低倍率循環(huán)條件下，不同紐扣電池對應(yīng)的 NCA80/15/05（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）正極、NMg95/05（LiNi0.95Mg0.05O2）正極、NA95/05（LiNi0.95Al0.05O2）正極（前述正極鋰源均為氫氧化鋰）的名義容量/循環(huán)次數(shù)區(qū)別不大（后兩者行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告循環(huán)電壓有調(diào)整）, NMg95/05 的性能表現(xiàn)相對最好。故 J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，鎂、錳、鋁等元素的摻雜取代都可以阻礙鎳酸鋰基體在循環(huán)過程中的相變，而鈷并非必需；鎂、錳、鋁等元素同時可以抑制正極和電解液的副

16、反應(yīng)，提升安全性；他們同時樂觀地認(rèn)為（We are optimistic that原文如此）低含量摻雜/化學(xué)包覆改性可以對抗電池循環(huán)過程中的容量退降，使 LiNi1-xMxO2 型正極材料擺脫鈷元素。圖表4： 不同高鎳-摻雜體系下的正極材料熱行為和低倍率容量-循環(huán)性能資料來源: Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?，中信建投證券研究發(fā)展部進(jìn)一步的研究工作體現(xiàn)在論文Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials

17、 with a core-shell structure 中。J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)制備了以 Ni(OH)2 為芯、Ni0.83M0.17(OH)2 為殼（M=Mg、Al、Mn）的正極前驅(qū)體，平均化學(xué)組成保持在 Ni0.95M0.05(OH)2；后續(xù)和氫氧化鋰煅燒成正極材料。圖表5： 具備芯-殼結(jié)構(gòu)的無鈷高鎳前驅(qū)體及相應(yīng)元素分析資料來源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure，中信建投證券研究發(fā)展部煅燒過程結(jié)束后，鎂均勻分布于顆粒中，鋁和錳留存于顆粒表面；含錳材料在

18、鋰層顯示出大量鎳，說明了行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告鋰鎳混排現(xiàn)象加劇，含鋁、含鎂材料也有部分鋰鎳混排。長時間低倍率循環(huán)（C/5）過程中，J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為阻抗增加、活性物質(zhì)流失等因素導(dǎo)致了正極容量衰減。相對表現(xiàn)最好的 LNO:NiAl83/17 樣品在 400 次循環(huán)后僅剩余 69.4%容量。圖表6： LNO:NiAl83/17 正極材料低倍率容量-循環(huán)性能資料來源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure，中信建投證券研究發(fā)展部動力電池的材料體系內(nèi)涵豐富，不同基體-摻雜

19、元素的作用已被學(xué)術(shù)界進(jìn)行了廣泛而深入的研究。發(fā)表于 Advanced Energy Materials 上的論文 Nickel-Rich and Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes: Progress and Perspectives 歸納了高鎳體系下不同元素的作用：鈷對于降低鋰鎳混排有顯著作用（Co substitution was highly effective in lowering the cation mixing between the Li and TM layers，原文如此）；錳降低成本、改善熱穩(wěn)定性，但是會一定程度增加鋰鎳混排；鎂可以改

20、善熱穩(wěn)定性、抑制相變與正極釋氧；鋁抑制相變，提升比重量容量。發(fā)表于 Nature Energy 上的論文 High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries 歸納：在保持可接受的功率、壽命和安全指標(biāo)的同時，繼續(xù)推動提高能量密度、減少鈷等昂貴原材料的使用，需要一套戰(zhàn)略性的成分、形貌和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及高效的材料生產(chǎn)工藝；NCA 材料的無鈷化比 NCM 的無鈷化相對可行。發(fā)表于 Sicence 上的論文 Cobalt in lithium-ion batteries（2020 年 2 月 28 日刊出）深

21、入地分析了鈷摻雜的機(jī)理。研究者認(rèn)為：對一個高鎳正極層狀材料體系而言，除物相本身的不穩(wěn)定性和雜相生成的可能性外，Ni 具有相對強(qiáng)的磁矩，三個呈三角排布的鎳導(dǎo)致“磁挫”（magnetic frustration，原文如此），材料體系處于高能量不穩(wěn)定狀態(tài)。鋰無磁矩，故有傾向進(jìn)入鎳位使整個材料體系穩(wěn)定化，但同時缺鋰的鋰氧層狀結(jié)構(gòu)層間距減小，阻礙鋰的傳輸，導(dǎo)致正極的容量不可逆衰減。鈷的摻雜作用同樣是因?yàn)槠錈o磁矩，可穩(wěn)定材料體系，抑制不需要的鋰鎳混排。作者同時分析了“無鈷化”的路徑：其一，用其他有類似作用的元素替代鈷，但可能影響正極體系容量，并在動力學(xué)上不利于倍率性能發(fā)揮；多個材料體系耦合，但可能有嚴(yán)重的

22、相變存在；使用陰離子氧化還原對，但循環(huán)壽命可能有限；精細(xì)調(diào)控高鎳材料的組成、煅燒溫度、時間和氣氛，也許需要機(jī)器學(xué)習(xí)手段進(jìn)行輔助，最終可能將鈷含量壓縮到摻雜水平（1%）。作者也表示，鈷的作用也許不如先前假定的那么重要（the roleof cobalt may not have been as critical to performance as initially presumed，原文如此）。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表7： 鈷在高鎳材料中抑制鋰鎳混排的作用示意資料來源: Cobalt in lithium-ion batteries，中信建投證券研究發(fā)展部發(fā)表于Journal of power s

23、ources 上的論文Effect of (Al, Mg) substitution in LiNiO2 electrode for lithium batteries顯示，采用 NAM90/05/05（LiNi0.9Al0.05Mg0.05O2）正極的紐扣電池樣品在 1.6cm2，0.2mA/cm2 的倍率條件下可實(shí)現(xiàn)良好的循環(huán)性能并兼具約 175mAh/g 高容量。該論文接收于 2005 年、發(fā)表于 2006 年，彼時即認(rèn)識到了無鈷電池的潛在優(yōu)點(diǎn)（Although LiCoO2 is the predominant cathode material used in lithium batt

24、eries at present, its high cost and toxicity have led to much enormous interest in developing alternative cathode materials，原文如此），對高鎳材料進(jìn)行了多元素?fù)诫s與復(fù)合材料體系構(gòu)建，取得了較好的正極性能，卻仍未有類似產(chǎn)品的工程化消息，這也說明了無鈷電池存在很高的技術(shù)難度。圖表8： NAM90/05/05（LiNi0.9Al0.05Mg0.05O2）正極形貌及其與對照組容量-循環(huán)性能資料來源：Effect of (Al, Mg) substitution in LiNiO2

25、 electrode for lithium batteries，中信建投證券研究發(fā)展部行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告綜合上述有效信息，我們估計(jì)：特斯拉的無鈷電池產(chǎn)品可能依托鎳酸鋰正極基材出發(fā)，Ni 以外以采用 Al/Mg/Mn 之一或共摻雜構(gòu)建材料體系的概率最大；鑒于目前學(xué)術(shù)論文對應(yīng)樣品存在的低倍率（C/5）循環(huán)壽命測試結(jié)果較短（400 次循環(huán)容量保持率不足 70%）、容量不高（200 次循環(huán)衰減至不足 180mAh/g，400 次循環(huán)衰減至不足 160mAh/g）、紐扣電池可參考性不夠大等問題，以及考慮到鈷在改善鎳鋰混排、提升倍率性能方面的關(guān)鍵性作用，形成無鈷電池產(chǎn)品，尤其是高容量、長壽命、滿足快充和快

26、放需求的高性能無鈷電池產(chǎn)品，仍需相當(dāng)程度的科學(xué)-技術(shù)-工程層面努力；鈷大概率仍是高鎳動力鋰離子電池的必需元素。3、電解液添加劑：踏上電池長壽命征途公司電解液添加劑方面的技術(shù)布局同樣由 Jeffery Raymond Dahn 教授領(lǐng)銜。除前述學(xué)術(shù)文章外，還有若干技術(shù)專利，見下表（同一技術(shù)或有多地申請專利現(xiàn)象，不重復(fù)列入，下同）。相關(guān)專利所指應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋儲能和新能源汽車；測試電池多為容量 1Ah 以內(nèi)的軟包電池，電解液采用 NMC532/622 正極搭配天然/人造石墨負(fù)極的經(jīng)典組合；采取 C/3 充放倍率，若干循環(huán)后輔以一次準(zhǔn)靜態(tài)充放；循環(huán)容量保持率從 95%以上到不足 80%不等。公開號專利題

27、名測試條件參考*申請日公開日NOVEL BATTERY SYSTEMS BASED ON TWO-ADDITIVESWO2019/173891A1ELECTROLYTE SYSTEMS INCLUDING1000 次循環(huán)2018.08.312019.09.191,2,6-OX-ODITHIANE-2,2,6,6-TETRAOXIDEUS2019/0393546A1DIOXAZOLONES AND NITRILE SULFITES AS ELECTROLYTE500 次循環(huán)2018.07.252019.12.26ADDITIVES FOR LITHIUM-ION BATTERIES500h 存儲

28、WO2019/173892A1ELECTROLYTE SYSTEMS INCLUDING 2-FURA-NONE, AND600 次循環(huán)METHOD OF FORMATION PROCESS OF SAME2018.08.312019.09.19NOVEL BATTERY SYSTEMS BASED ON LITHIUMWO2019/025980A1600 次循環(huán)DIFLUOROPHOSPHATE2017.07.312019.02.17NOVEL BATTERY SYSTEMSBASED ON TWO ADDITIVECA2992224600 次循環(huán)2018.01.172019.01.31圖表

29、9： 特斯拉電解液添加劑相關(guān)專利NOVEL BATTERY SYSTEMS BASED ON TWO-ADDITIVEELECTROLYTE SYSTEMS資料來源：patsnap，中信建投證券研究發(fā)展部；*放電深度或有部分不同J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)論文對電解液添加劑相關(guān)工作進(jìn)行了闡釋。發(fā)表于 Journal of The Electrochemical Society 上的論文 Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells（和專利 DIOXAZOLONES AND NITRI

30、LE SULFITES AS ELECTROLYTE ADDITIVES FORLITHIUM-ION BATTERIES 同體系）以高單體電壓、高環(huán)境溫度存儲穩(wěn)定性為目標(biāo)，關(guān)注電解液添加劑在抑制石墨負(fù)極剝落、優(yōu)化正極壽命表現(xiàn)方面的積極作用，測試了 MDO、PDO、BS 等可于室溫合成的電解液添加劑在鎳鈷錳三元正極-石墨負(fù)極軟包電池中的多項(xiàng)性能表現(xiàn)。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表10： MDO、PDO、BS 等添加劑的結(jié)構(gòu)式與合成路徑資料來源: Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells，中信建投

31、證券研究發(fā)展部電池儲存過程中的產(chǎn)氣量和電池日歷壽命有較高相關(guān)性。J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為，添加劑 PDO 的性能優(yōu)勢明顯。同時也可以看出，NMC532 樣品的產(chǎn)氣量低于 NMC622 樣品，這也從側(cè)面證明，高鎳含量電池的化學(xué)活性高于低鎳電池；高鎳無鈷電池的實(shí)現(xiàn)確有技術(shù)難度。圖表11： 電池 4.3V、60oC 儲存 500h（上）和 4.3V 化成（下）的產(chǎn)氣量對比資料來源: Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells，中信建投證券研究發(fā)展部進(jìn)一步的分析表明，PDO 協(xié)同 V

32、C，在 4.3V、60oC、500h 的儲存過程中優(yōu)勢明顯，電壓降相比于其他組合最低；532 正極電池的電壓降低于 622 電池。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告3/C 倍率、2.8-4.3V、40oC 的電池循環(huán)壽命測試中，添加劑 PDO 也體現(xiàn)出了性能優(yōu)勢，在和 DTD、LFO 協(xié)同的條件下性能最好。圖表12： 不同電解液添加劑對應(yīng)的電池循環(huán)性能對比（上 622，下 532）資料來源: Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells，中信建投證券研究發(fā)展部研究最后肯定了 PDO 在負(fù)極成膜方面的積極作用

33、，并認(rèn)為添加劑的相互作用和性能優(yōu)化是工作重點(diǎn)。我們估計(jì)，如上述結(jié)果可以線性外推，則添加劑組合對應(yīng)的中等鎳含量 NMC 電池在較溫和的深充深放條件下有可能獲得循環(huán)壽命超過 4000 次的表現(xiàn)；以單車帶電量對應(yīng)續(xù)航 500km 計(jì)，則生命周期續(xù)航或可超過百萬英里。作為上述研究的部分深化，J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì) 2019 年發(fā)表了論文 A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies，認(rèn)為

34、 20、40 和 55oC的長周期充放、長時間儲存測試可以作為電池壽命的參考基準(zhǔn)，而且給出了基于單晶 NMC532 電池的測試結(jié)果。圖表13： 研究使用的電解液和添加劑結(jié)構(gòu)式資料來源：A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies，中信建投證券研究發(fā)展部測試使用的單晶 NMC532 軟包電池正極可逆容量 175mAh/g，負(fù)極可逆容量 350mAh/g，隨正負(fù)極活性物質(zhì)載量增加體積能量密

35、度提升。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表14： 研究使用的電池單體性能參數(shù)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，中信建投證券研究發(fā)展部研究工作顯示了出色的電池壽命：深度充放的測試時長甚至達(dá) 1000 天以上；多組樣品的循環(huán)壽命高達(dá) 4000次以上，還保留著超過 90%的容量。另外，高溫使得電極-電解液反應(yīng)劇烈化，影響循環(huán)壽命。圖表15： 不同 NMC532 樣品的測試電壓-溫度

36、-倍率-時間對應(yīng)的容量與電壓變化資料來源: A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies，中信建投證券研究發(fā)展部對于電池而言，高倍率的充放電一定會影響有效容量；但是部分樣品顯示，有效容量基本未隨倍率的提高、循環(huán)次數(shù)的增加而逐步衰減。這意味著高倍率導(dǎo)致的極化現(xiàn)象雖然影響了電池有效容量的發(fā)揮，但電池和電解液的副反應(yīng)有可能是可控、可抑制甚至是一定條件下（圖示中截止電壓降低，意味著充電深度降低

37、）可阻止的。我們認(rèn)為，這一方面有賴于電解液配方的調(diào)節(jié)、電解液-電極作用機(jī)理的研究（如作者團(tuán)隊(duì)分析認(rèn)為低倍率下長時間循環(huán)電池容量的衰減源于相對低壓條件下的存量鋰損失），一方面也有賴于優(yōu)質(zhì)單晶正極的使用及電池整體的性能優(yōu)化。圖表16： 不同循環(huán)條件下電池容量變化；純電動乘用車的里程、容量和使用時間關(guān)系估計(jì)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，中信建投證券研究發(fā)展部最后，

38、J.R. Dahn 教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，40oC 條件下整車使用 10 年電池容量衰減至 70%，行駛里程超過 100 萬公里；20oC 條件下整車在 25 年的使用后電池容量還可以保留約 90%。綜合上述有效信息，我們認(rèn)為：動力電池的長壽命化是新能源車產(chǎn)品競爭力增強(qiáng)、保值率提升、消費(fèi)者認(rèn)可的關(guān)鍵內(nèi)容之一；包括電解液添加劑在內(nèi)的底層材料領(lǐng)域的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)上述目的的核心路徑。特斯拉在相關(guān)方面的研究初步體現(xiàn)出了較強(qiáng)的競爭力（4000 次以上深充深放），而主要動力電池企業(yè)同樣在此領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行研發(fā)投入與成果轉(zhuǎn)化。在不太遠(yuǎn)的將來，新能源汽車有望實(shí)現(xiàn)和燃油汽車的“同壽同權(quán)”。另外，長壽命電池和高鎳的兼容性相對較差

39、，適當(dāng)?shù)拟捄縿t大有裨益，這也說明動力電池對鈷仍將有相當(dāng)程度有效需求。二、特斯拉收購電池相關(guān)技術(shù)：理想與探索1、Maxwell 技術(shù)布局：干法電極向電池領(lǐng)域進(jìn)發(fā)2017 年以來，特斯拉先后收購自動化生產(chǎn)設(shè)計(jì)商 Grohmann、超級電容器和干法電極技術(shù)商 Maxwell、鋰電池制造系統(tǒng)供應(yīng)商 Hibar、嵌入式計(jì)算視覺解決方案供應(yīng)商 DeepScale 等。Maxwell（Maxwell Technologies/Maxwell Laboratories 等）截至 2020 年初已有近 1100 項(xiàng)專利公開，主要分布為電容器相關(guān)內(nèi)容；電極、添加劑也有部分內(nèi)容。干法電極技術(shù)可為超級電容器和動力電

40、池制備電極。圖表17： Maxwell 專利布局資料來源: patsnap，中信建投證券研究發(fā)展部Maxwell 干電極技術(shù)有多項(xiàng)專利公開，細(xì)分內(nèi)容涵蓋粘結(jié)劑、設(shè)備、正極、負(fù)極和相應(yīng)工藝。代表性成果歸納如下：圖表18： Maxwell 干電極相關(guān)典型專利公開號專利題名核心內(nèi)容申請日公開日COMPOSITIONS AND METHODS FOR DRY ELECTRODE FILMSUS2019/0305316A1INCLUDING MICROPARTICULATE NON-FIBRILLIZABLE粘結(jié)劑2019.03.272019.10.03BINDERSELECTRODE FOR AN E

41、NERGY STORAGE DEVICE AND METHODWO2017/151518A1FOR FABRICATING A DRY ENERGY STORAGE DEVICE粘結(jié)劑、設(shè)備2017.02.272017.09.08ELECTRODE FILMUS2019/0131626A1COMPOSITIONS AND METHODS FOR PARALLEL PROCESSING OF工藝2018.10.312019.05.02公開號專利題名核心內(nèi)容申請日公開日ELECTRODE FILM MIXTURESCOMPOSITIONS AND METHODS FOR DRY ELECTRODE

42、 FILMSWO2019/222110A1US2019/0237748A1HAVING REDUCED BINDER CONTENTCOMPOSITIONS AND METHODS FOR ENERGY STORAGE DEVICES HAVING IMPROVED PERFORMANCE粘結(jié)劑、干法正極2019.05.132019.11.21干法正極2018.11.082019.08.01干法負(fù)極（預(yù)鋰US2018/0241079A1PRELITHIATED HYBRIDIZED ENERGY STORAGE DEVICE化）COMPOSITIONS AND METHODS FOR SILI

43、CON CONTAINING DRY2018.02.202018.08.23WO2019/213068A1ANODE FILMS干法負(fù)極（含硅）2018.04.302019.11.07資料來源：patsnap，中信建投證券研究發(fā)展部干電極的主要制備工藝（亦稱“干法涂布”）為：選擇非纖維化粘結(jié)劑；球磨非纖維化粘結(jié)劑造粒；混合非纖維化粘結(jié)劑、纖維化粘結(jié)劑和電極活性材料（正極/負(fù)極）等；壓延成膜。為保證物料的塑性，成型過程中多需要加熱混合物至 100oC 以上。Maxwell 使用的非纖維化粘結(jié)劑包括聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素等；使用的纖維化粘結(jié)劑主要是聚四氟乙烯；工藝多采用并行流程。圖表19： Ma

44、xwell 干電極制備工藝（并行流程）資料來源:US20190305316A1，中信建投證券研究發(fā)展部相比于傳統(tǒng)濕法電極工藝，干法以球磨替代攪拌，以壓延替代涂布，并省去了濕法涂布后的烘干過程，可節(jié)約溶劑、縮短工時、避免溶劑殘留、降低設(shè)備復(fù)雜度。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表20： 常規(guī)鋰電池生產(chǎn)工藝流程資料來源:贏合科技，中信建投證券研究發(fā)展部但是干法工藝也存在弱點(diǎn)，即難于實(shí)現(xiàn)活性材料的均勻分散，對鋰電池而非超級電容電極材料而言尤其如此。良好的分散效果與材料導(dǎo)電性要求使得粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑的減量、活性物質(zhì)占比的提升具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性（且厚電極或?yàn)楸粍舆x擇，見 WO2017/151518A1 原文：Increas

45、ing fibrillization of the binder material may facilitate formation of thinner electrode films, such as dry electrode films）。2、干法正極：三元迎倍率挑戰(zhàn)，硫系或奇兵出擊專利 WO2019/222110A1 對多種正極材料干法工藝的適用性進(jìn)行了權(quán)利要求，包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、NMC、NCA、鎳錳酸鋰、鈦酸鋰（考慮對鋰電壓，鈦酸鋰事實(shí)上是負(fù)極材料）、硫系正極等。實(shí)施例小軟包電池采用的正極以三元材料為主。三元正極樣品的首次循環(huán)容量保持率多在 90%以上。圖表21： 干法

46、 NMC111 正極容量-電壓曲線圖表22： 干法 NMC811 正極容量-電壓曲線資料來源：WO2019/222110A1，中信建投證券研究發(fā)展部資料來源：WO2019/222110A1，中信建投證券研究發(fā)展部行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告后續(xù)實(shí)施例的循環(huán)性能分析僅依托 NMC111 樣品展開，或說明干法正極對高鎳的兼容性有待提高。在容量-放電倍率的分析中，相關(guān)樣品在 2C 放電倍率下取得了超過 90%的容量保持率。但是并無配套的充電倍率-循環(huán)壽命研究，數(shù)據(jù)完備性相比于本報(bào)告第一部分介紹的公司在無鈷正極、電解液添加劑方面的研究差距較大。圖表23： 干法 NMC111 樣品的容量-放電倍率資料來源: WO2

47、019/222110A1，中信建投證券研究發(fā)展部在循環(huán)壽命的分析中，相關(guān)樣品在經(jīng)受 0.5C 充電-1C 放電，2.7V-4.3V 的深充深放循環(huán) 2000 次后，剩余容量還在 85%以上。圖表24： 干法 NMC111 樣品的循環(huán)壽命資料來源: WO2019/222110A1，中信建投證券研究發(fā)展部行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告我們認(rèn)為，專利中的采用干法 NMC111 正極的小軟包電池實(shí)施例初步體現(xiàn)了干法制備正極三元材料的能力，在較低倍率充放下有一定循環(huán)壽命。但是，其元素配置比例相對保守，正極容量較低；循環(huán)壽命相比于當(dāng)前商業(yè)化的濕法產(chǎn)品（如寧德時代 NMC532-石墨產(chǎn)品）仍有相當(dāng)差距。專利 US2019

48、/0237748A1 對干法 NMC622 正極及配套小軟包電池的性能表現(xiàn)進(jìn)行了探討。正極首次放電容量在約 180mAh/g，首次效率 90%，厚度 117 微米；配套石墨負(fù)極首次放電容量在約 354mAh/g，厚度 137 微米。圖表25： 干法 NMC622-石墨厚電極基本參數(shù)資料來源: US2019/0237748A1，中信建投證券研究發(fā)展部樣品的不同倍率充放曲線見下兩圖。不論充電放電，高倍率表現(xiàn)都較差，在 1C 以上的容量保持率即不足 80%且專利未給出循環(huán)壽命（對照組濕法電池?cái)?shù)據(jù)更差，但圖表 13 所示數(shù)據(jù)的性能出色，和優(yōu)質(zhì)樣品比較更有意義），樣品體現(xiàn)的性能對特斯拉超級快充（最大倍率

49、約 3C）兼容性差，故可以認(rèn)為干法 NMC622 正極的實(shí)用性仍不足。圖表26： 干法 NMC622-石墨厚電極對應(yīng)電池的不同倍率充放行為資料來源: US2019/0237748A1，中信建投證券研究發(fā)展部除常規(guī) NMC 正極外，特斯拉專利 WO2019/222110A1 還涉及了少許硫碳復(fù)合正極材料的研究。實(shí)施例中的硫碳復(fù)合正極雖然除一張容量圖外沒有其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是硫系正極材料用于鋰硫電池可能是下一代高能量密度動力電池（300Wh/kg 以上）的值得探索的路徑。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表27： 干法硫碳復(fù)合正極樣品的容量-電壓曲線（Maxwell）資料來源: WO2019/222110A1，中信

50、建投證券研究發(fā)展部鋰硫電池的研究工作是學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)工作之一。如發(fā)表于 Journal of Materials Chemistry 上的論文 High-performance all-solid-state lithiumsulfur batteries with sulfur/carbon nano-hybrids in a composite cathode 即采用硫-碳納米管、硫-介孔碳等復(fù)合材料正極，初步獲得了較高的電池性能表現(xiàn)。同時有研究者認(rèn)為，干法工藝對抑制循環(huán)過程中的正極體積膨脹有一定作用：發(fā)表于Science Advance 上的論文Expansion-tolerant arc

51、hitectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries 采用膠質(zhì)硫、導(dǎo)電碳材料、羧甲基纖維素（特斯拉也使用此粘結(jié)劑）干法混合后潤濕制得厚電極，在實(shí)驗(yàn)室層面兼顧了電池的電化學(xué)性能和力學(xué)性能，依托小軟包電池測試的容量、循環(huán)壽命等有了相當(dāng)程度提高。圖表28： 干法硫碳復(fù)合正極（后加以潤濕）的容量-電壓曲線、容量-循環(huán)壽命曲線（放電 0.2C）資料來源： Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ult

52、rahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries，中信建投證券研究發(fā)展部綜合上述有效信息，我們認(rèn)為：干法正極材料（三元）的主要難點(diǎn)在于材料均勻性不足導(dǎo)致的電池倍率性能劣勢，中鎳性能指標(biāo)尚難言優(yōu)秀（1:1:1 對應(yīng) 0.5C/1C，2000 次循環(huán)容量保持率 85%），后續(xù)性能提升需要大量工作。同時我們對前瞻性的干法硫系正極材料及對應(yīng)鋰硫電池表現(xiàn)出較大興趣；“無鈷電池”也可能指代使用干法硫系正極材料的鋰硫電池。鋰硫電池的技術(shù)難度非常大，倍率不高、壽命不足、自放電較明顯、體積能量行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告密度有待提高等問題仍需解決，所以材料

53、體系構(gòu)建、機(jī)理分析與性能測試等更多的理論有待完善、實(shí)驗(yàn)有待完成、數(shù)據(jù)有待披露。3、干法負(fù)極：倍率同迎接挑戰(zhàn)，期待預(yù)鋰化硅碳突破專利 US2019/0131626A1 給出了首次效率約 90%的石墨負(fù)極的容量-電壓曲線。石墨負(fù)極容量在約 360Wh/kg以上，且標(biāo)注出了混料工藝的溫度為 185oC。圖表29： 干法石墨負(fù)極容量-電壓曲線資料來源: US2019/0131626A1，中信建投證券研究發(fā)展部專利同時認(rèn)為，在同等粘結(jié)劑用量條件下，并行工藝流程比串行工藝流程獲得樣品的力學(xué)性能、首次循環(huán)壽命更好。圖表30： 不同工藝流程干法石墨負(fù)極的強(qiáng)度和首次循環(huán)效率資料來源：US2019/0131626

54、A1，中信建投證券研究發(fā)展部專利 WO2019/213068A1 分析了石墨和硅材料復(fù)合后的負(fù)極-半電池表現(xiàn)。石墨-硅復(fù)合樣品的測試充電容量接近于理論容量，但是充電至負(fù)極容量 350mAh/g 附近即開始出現(xiàn)明顯的電壓抬升，對應(yīng)全電池的能量密度預(yù)計(jì)會受到較大不利影響。沒有循環(huán)壽命測試數(shù)據(jù)提供。石墨-氧化亞硅復(fù)合樣品體現(xiàn)出了相近的容量。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表31： 不同硅含量的負(fù)極材料的理論容量圖表32： 4.7%硅碳復(fù)合負(fù)極的充放行為資料來源：WO2019/213068A1，中信建投證券研究發(fā)展部資料來源：WO2019/213068A1，中信建投證券研究發(fā)展部干法球磨預(yù)鋰化石墨-氧化亞硅化樣品在

55、 0.05C 倍率的循環(huán)效率大于 80%。低倍率仍然是問題。圖表33： 預(yù)鋰化負(fù)極容量圖表34： 預(yù)鋰化負(fù)極循環(huán)效率資料來源：WO2019/213068A1，中信建投證券研究發(fā)展部資料來源：WO2019/213068A1，中信建投證券研究發(fā)展部專利 US2018/0241079A1 對預(yù)鋰化工藝及效果進(jìn)行了更詳盡的敘述。多步混合、控制鋰金屬顆粒粒徑在 75微米以內(nèi)、延長混料時間等措施共同采用，才可獲得外觀均勻的石墨基預(yù)鋰化薄膜。圖表35： 石墨基預(yù)鋰化薄膜的制備工藝流程和優(yōu)化手段資料來源: US2018/0241079A1，中信建投證券研究發(fā)展部行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告由 24.6g 石墨、8.2g

56、氧化亞硅、0.383g 鋰金屬制成的干法負(fù)極材料相比于對照組，體現(xiàn)了 6.5 個百分點(diǎn)的首周效率提升。圖表36： 預(yù)鋰化對干法硅碳負(fù)極首周容量衰減的補(bǔ)償作用資料來源: US2018/0241079A1，中信建投證券研究發(fā)展部綜合上述有效信息，我們認(rèn)為：干法負(fù)極材料的主要難點(diǎn)同樣在于材料均勻性不足導(dǎo)致的電池倍率性能劣勢；但是干法預(yù)鋰化在硅碳負(fù)極本身的性能進(jìn)一步完善過程中或有相對較好表現(xiàn)。4、離子液體+富硅負(fù)極：瑕瑜互見，前方高能除上述干法工藝外，對材料體系進(jìn)行較大調(diào)整的離子液體（電解質(zhì)）-富硅負(fù)極技術(shù)或也進(jìn)入了特斯拉視野。相應(yīng)專利見下表。圖表37： 可搭配高鎳正極的典型離子液體+富硅負(fù)極專利公開

57、號專利題名申請日公開日ADDITIVE ENHANCEMENTS FOR IONIC LIQUID ELECTROLYTESWO2018/094101A1IN LI-ION BATTERIES2017.11.162018.05.24WO2019/113406A1VISCOSITY REDUCTION FOR IONIC LIQUID ELECTROLYTES2018.12.072019.06.13 LARGE-FORMAT BATTERY ANODES COMPRISING SILICONUS2019/0267617A1PARTICLES2017.10.132019.08.29資料來源：pat

58、snap，中信建投證券研究發(fā)展部對 NMC811-離子液體-高硅含量電池而言，稍高的循環(huán)倍率會使得容量保持受溫度影響的問題凸顯，這是因?yàn)榈蜏貤l件下離子液體的粘度增加所致。行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告圖表38： C/5（上）和 C/10（下）倍率，電池單體容量-溫度情況資料來源: WO2019/113406A1，中信建投證券研究發(fā)展部硅材料體積和表面積改變問題通過化學(xué)包覆聚丙烯氰膜加以抑制。圖表39： 包覆有聚丙烯氰的硅基負(fù)極資料來源：US2019/0267617A1，中信建投證券研究發(fā)展部采用 NMC811 正極-離子液體-富硅負(fù)極材料體系的紐扣電池可以實(shí)現(xiàn)特定溫度范圍內(nèi)的相對高能量密度，C/5 倍率、2

59、.5-4.3V 充放、100 次循環(huán)后能量密度大于 300Wh/kg，容量保持率 90%。圖表40： NMC811 正極-離子液體-富硅負(fù)極紐扣電池性能資料來源: WO2019/113406A1，中信建投證券研究發(fā)展部更長時間的循環(huán)證實(shí)，富硅（30%+）、中高鎳（NMC622）電池在稍高倍率條件下的循環(huán)效率仍然有待提高。最新的研究成果是 C/4 倍率、450 次循環(huán)容量保持率 80%。圖表41： NMC622 正極-離子液體-富硅負(fù)極紐扣電池性能資料來源: US2019/0267617A1，中信建投證券研究發(fā)展部綜合上述有效信息，我們認(rèn)為：“離子液體+富硅負(fù)極”電池技術(shù)的主要難點(diǎn)在于離子液體的

60、高昂成本、低溫電導(dǎo)差，高溫電池容量衰減大，硅基負(fù)極材料循環(huán)過程中的體積和表面狀態(tài)改變顯著；最終體現(xiàn)為電池的循環(huán)壽命偏低、倍率性能較差、使用溫度范圍受限。但是我們也同時認(rèn)為，硅表面包覆、離子液體改性等手段使電池性能有進(jìn)一步優(yōu)化空間，依托此技術(shù)路線的高能量密度電池（300Wh/kg 以上，維持倍率，循環(huán)壽命從 100次到可接受程度）實(shí)現(xiàn)前景相對較高。三、特斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來1、尚存差距，特斯拉已知電池技術(shù) pk 中國龍頭和我國動力電池龍頭寧德時代、電池&整車龍頭比亞迪相比，特斯拉在電池領(lǐng)域的專利數(shù)量差距較大。寧德時代、比亞迪在動力電池材料、單體和系統(tǒng)等細(xì)分領(lǐng)域均有相當(dāng)程度布局，且研究也