特斯拉電池深度分析報告2020年7月目錄HYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINK\l"br0"HYPERLINK\l"br0"HYPERLINK\l"br0"添加劑的電芯循環(huán)壽命綜合表現(xiàn)最好HYPERLINK\l"br0"............................18HYPERLINK\l"br0"一線車企HYPERLINK\l"br0"/HYPERLINK\l"br0"電池廠的動力電池投入方向HYPERLINK\l"br0"HYPERLINK\l"br0"..................................................................19HYPERLINK\l"br0"國內(nèi)一線電池材料企業(yè)的研發(fā)投入方向HYPERLINK\l"br0"................................................................19HYPERLINK\l"br0"主要上市公司盈利預測及投資評級HYPERLINK\l"br0".......................................................................204/21一、特斯拉打造百萬英里電池1.1百萬英里電池是什么？2019年4月，馬斯克宣布預計將于2020年投產(chǎn)一種新型電池，這種電池能夠驅(qū)動特斯拉汽車行駛百萬英里，是普通電池包壽命的2-3倍。2019年9月，特斯拉電池合作伙伴Dahn和他的研究小組在《電化學學會雜志》上發(fā)表的一篇開創(chuàng)性論文指出，特斯拉可能很快就會擁有使他們的機器人出租車和長途電動卡車具有可行性的電池，這種類型的電池應該能夠為一輛電動汽車提供累計超過100萬英里的動力。這種電池使用單個大晶體替代大量的小晶體，這種單晶體的納米結(jié)構(gòu)更不容易在電池充電的過程中產(chǎn)生破裂（破裂導1000-2000次的放電循環(huán)，百萬英里電池放電1000次后，還有95%的壽命，放電4000次后還有。試驗中采用的電池為體系，無法達到特斯拉去鈷基礎(chǔ)上進一步降低鈷的含量。圖表1百萬英里電池在4000次循環(huán)后仍然有的容量資料來源：電化學學會雜志，互聯(lián)網(wǎng)，市場部2020年5其生命周期內(nèi)的續(xù)航里程將提升到100的水平；新型電池將由特斯拉與中國廠商寧德時代合作研發(fā)生產(chǎn)。至此，特斯拉的百萬英里長壽命電池由試驗階段逐步進入量產(chǎn)階段。5/21圖表2特斯拉百萬英里電池開發(fā)進程2020年月，特斯拉計劃在今年年底或明年年初首先在中國市場推出百萬英里電池，將與寧德時代合作研發(fā)生產(chǎn)2019年月，Jeff團隊發(fā)表論文公開百萬英里電池的部分情況和試驗結(jié)果2019年月，馬斯克宣布預計將于2020年投產(chǎn)百萬英里電池資料來源：高工鋰電，路透社，互聯(lián)網(wǎng)，市場部對于特斯拉百萬英里電池的實現(xiàn)方式，我們可以通過兩條技術(shù)渠道進行窺探，一條是特斯拉收購的子公司Maxwell，主要專利技術(shù)涉及干電極和補鋰（具體原理在此前的報告《特斯拉的動力電池夢20200228Dahn斯拉及Dahn團隊在2019-2020年申請的專利可以發(fā)現(xiàn)，主要專利技術(shù)致力于改善鋰電池的循環(huán)壽目的正好與特斯拉的長壽命電池量產(chǎn)計劃相契合。因此，我們認為特斯拉百萬英里電池的實現(xiàn)方式與年申請的一系列專利有關(guān)，當中也有可能運用到Maxwell的技術(shù)。通過對各個專利結(jié)論和改善效果的分析，我們認為負極補鋰、單晶三元、無極耳電極以及包含PDO添加劑的電解液體系在百萬英里電池中應用的可能性較高。圖表3特斯拉百萬英里電池專利技術(shù)儲備專利公開時百萬英里電池應用該項技術(shù)的可能性技術(shù)專利申請方Maxwell專利結(jié)論和改善效果電池改進方式電池制造工藝間提升電池能量密度，降低成本，循環(huán)壽命較濕電極工藝更長中，在電池上應用的成熟性有待觀察干電極-2018年8月23日提高電池容量，提升首次循環(huán)效率負極補鋰Maxwell負極材料制造工藝正極材料制造工藝高TeslaMotorsCanada2020年4月23日減少雜質(zhì)生成，降低鋰鎳混排，改善循環(huán)壽命高，兼顧單晶化和無鈷化，配方和溫度控制還需要改進單晶NCA降低內(nèi)阻和產(chǎn)熱，改善論結(jié)果）2020年5月7日較高，馬斯克表示比聽起來更加重要，但尚無實證結(jié)果無極耳電極Tesla,Inc.,電池制造工藝TeslaMotorsCanadaTeslaMotorsCanada2019年1月31日有助于延長電池壽命新型電解液添加劑中2019年12有助于抑制產(chǎn)氣量，有月12日助于延長電池壽命ODTO新型電解液添加劑較高6/21顯著抑制氣體產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本，循環(huán)壽命改善不顯著TeslaMotorsCanada2019年12月12日低，產(chǎn)氣表現(xiàn)優(yōu)異，但循環(huán)壽命改善不佳FN新型電解液添加劑新型電解液添加劑高，多循環(huán)下容量保持率較高，與和LFO混合使用對電池循環(huán)的改善更加明顯TeslaMotorsCanada2019年12PDO在提高電池循環(huán)壽月26日命上表現(xiàn)最好MDO/PDO/BS資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部1.2特斯拉為何要量產(chǎn)百萬英里電池？從延長電池在私家車上的使用壽命來說，百萬英里電池的宣傳意義大于實際意義。有觀點認為當前主機廠對動力電池的質(zhì)保政策大多數(shù)限定在一定的使用年限或使用里程內(nèi)，如果超出這些條件中的任何一個，消費者則需要對電池維修或更換付出額外的成本，這一現(xiàn)狀引發(fā)了消費者對購買電動車可能帶來的電池更換成本的疑慮和擔憂；而特斯拉從電池本身出發(fā)，通過技術(shù)進步延長電池壽命，8年或16承諾還是使用百萬英里電池都有服務(wù)過?；蛘咝阅苓^剩的嫌疑，其宣傳意義大于實際意義，但有可能穩(wěn)定消費者預期，對產(chǎn)品銷量形成正面影響。圖表4主流新能源車企電池質(zhì)保政策情況車企比亞迪車型全系長壽命電池關(guān)鍵零部件質(zhì)保政策所有車主電芯終身免費質(zhì)保，電池其他零部件8年或萬公里刀片電池幾何、帝豪首任車主電芯終身免費質(zhì)保，電池其他零部件8年或萬公里吉利蔚來等全系首任車主電池終身免費質(zhì)保，終身免費換電廣汽新能源威馬AionLX全系首任車主三電終身免費質(zhì)保首任車主電池終身免費質(zhì)保電池10年或100萬公里電池8年或萬公里電池8年或19.2萬公里電池8年或萬公里電池8年或萬公里電池8年或萬公里電池8年或萬公里電池7年或萬公里電池8年或萬公里電池8年或萬公里豐田雷克薩斯特斯拉特斯拉特斯拉現(xiàn)代全系S/X3/Y長續(xù)航3/Y低續(xù)航全系百萬英里電池百萬英里電池百萬英里電池大眾全系雷諾日產(chǎn)起亞全系全系寶馬全系通用全系百萬英里電池資料來源：Astroys，公司官網(wǎng)，汽車之家，互聯(lián)網(wǎng)，市場部從電動車轉(zhuǎn)讓流通的角度來說，百萬英里電池有助于提升電動車保值率。目前電動車保值率較低，在二手車市場面臨較大困境，主要原因在于電池衰減。目前主機廠在提供電池終身免費質(zhì)保的時候因此無益于提升電動車的保值率。而特斯拉的百萬英里電池能夠極大地延長電池和電動車的使用壽因此產(chǎn)品的保值率有望得到極大提升，二手車市場也有望激活。7/21圖表52020年5月新能源二手車保值率（三年車齡）排名0%資料來源：中國汽車流通協(xié)會，互聯(lián)網(wǎng)，市場部Robotaxi2020年推出Robotaxi100萬輛Robotaxi，屆時特斯拉將把電動汽車加入到共享汽車Network車隊中，特斯拉車主則可以將他們的汽車加入到這項服務(wù)中。電動出租車對Robotaxi每天運行300則意味著這批車型在無需更換電池的情況下能夠持續(xù)運營15電池的目的之一是給Robotaxi項目做鋪墊。從梯次利用的角度來說，百萬英里電池有利于降低電池的全生命周期成本。電池在結(jié)束第一階段的于特斯拉或其他企業(yè)的ESS儲能等領(lǐng)域；）電池本身無法再利用，回收提取原材料。與傳統(tǒng)電池相比，由于百萬公里電池的壽命足夠長，使得其在單純的整車環(huán)節(jié)的梯次利用具備可行性，因此有望進一步降低電池的全生命周期成本。圖表6特斯拉百萬英里電池梯次利用流程猜想資料來源：Astroys，互聯(lián)網(wǎng)，市場部8/21從樹立行業(yè)標桿的角度來說，百萬英里電池有望推動行業(yè)發(fā)展。除了特斯拉以外，寧德時代、通用等電池廠和主機廠也都著手長壽命電池的研發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)，2020年5月，通用汽車透露正在開發(fā)一種使用壽命達100萬英里的電動汽車電池，并已接近成功，但通用汽車方面并未給出百萬英里電池的具體時間表；近期寧德時代也表示已經(jīng)準備好生產(chǎn)其百萬英里電池，這種新電池可持續(xù)運行16年，并且可使電動汽車持續(xù)行駛124萬英里（約合因此存在一定的技術(shù)壁壘。1.3百萬英里電池如何量產(chǎn)和裝車？猜想一：先與供應商合作生產(chǎn)，然后嘗試獨立自產(chǎn)。作為電動車企業(yè)的特斯拉一直致力于自產(chǎn)電池來保障供應鏈安全和降低整車生產(chǎn)成本。特斯拉正在進行的“Roadrunner”項目，其目標是將電池的成本降低到100美元千瓦時。特斯拉還收購設(shè)備公司、與韓國韓華集團達成電池設(shè)備采購協(xié)議，這些動作都被視為特斯拉為自產(chǎn)電池做準備。我們認為百萬英里電池將是“Roadrunner”項目和待積累了足夠的經(jīng)驗后，再嘗試獨立自產(chǎn)，盡可能將電池的生產(chǎn)技術(shù)掌握在自己手中。猜想二：遵循出租車私人高端車私人低端車儲能的優(yōu)先級順序?？紤]電池的量產(chǎn)規(guī)模不能覆蓋所有車型的情況下，我們認為百萬英里電池將首先用于滿足對長壽命電池要求更高的Robotaxi項目；在私家車領(lǐng)域，將優(yōu)先裝在S/X等高端車型上，一方面高端車型利潤更高，有助于覆蓋前期較高的研發(fā)和生產(chǎn)成本，另一方面可以將淘汰下來的電池用在3/Y等低端車型上，方便梯次利用；最后，不能滿足車用需求的電池用于Powerwall和Powerpack項目上。圖表7特斯拉百萬英里電池量產(chǎn)和裝車猜想資料來源：公司官網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，市場部9/21二、單晶三元無極耳電極新型添加劑助力長壽命電池2.1百萬英里電池猜想之一：單晶三元正極材料單晶化能夠顯著提升材料的循環(huán)性能。高鎳化是當前電池材料發(fā)展的一大趨勢，高鎳三元材料雖然容量高，但晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，在高電壓下容易發(fā)生析氧反應，引起材料的表面相變；而單晶材料能夠有效提升材料自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時較小的比表面積也能夠減少界面副反應的發(fā)生，從而顯著提升材料的循環(huán)性能。標準NCA和單晶NCMNCANCA前驅(qū)體通過1.02:1的鋰/其他金屬的摩爾比進行混合，的過量鋰源用來彌補高溫燒結(jié)過程中鋰的損失；在單晶NCM的鋰化過程中，鋰與其他金屬的摩爾比更高（NCM523/622分別為1.2/1.1。對單晶三元材料來說，促進單晶生長需要較高的溫度。如果直接在過量鋰源和適宜單晶生長的高溫條件下將NCMLi54的量（鋰其他金屬摩爾比<1為了解決上述生產(chǎn)過程中的問題，特斯拉在專利中提出兩段燒結(jié)法形成無雜質(zhì)的單晶。1）以NCA前驅(qū)體和一水合氫氧化鋰為原材料，控制鋰/其他金屬的摩爾比<1（專利試驗中控制在0.6-0.975℃1-24h時避免了雜質(zhì)的生成；542）在一段燒結(jié)的產(chǎn)物中加入額外的鋰源，使得總體鋰其他金屬的摩爾比（一般控制在1-1.03之650-760℃其他金屬摩爾比接近，并且不產(chǎn)生雜質(zhì)。圖表8兩段燒結(jié)晶體微觀結(jié)構(gòu)圖資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部新工藝從三個方面改善材料的循環(huán)性能，延長電池壽命：1）正極材料的單晶化。單晶化本身可以提升材料的循環(huán)性能。）提高單晶NCA的顆粒純度，避免雜質(zhì)對材料性能的影響。從專利試驗的結(jié)果來看，第一次鋰化過程中的溫度高低和鋰其他金屬摩爾比的大小不同，其最終產(chǎn)物中的純度也有差異；在試驗控制的10/21圖表9第一次鋰化過程中溫度越低、摩爾比越小，單晶材料的純度越高資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部3致容量衰減的主要原因。經(jīng)過二次鋰化反應，鋰層中混雜的鎳原子比例大幅降低，能夠有效抑制容量衰減，從而延長電池循環(huán)壽命。圖表新工藝經(jīng)過二次鋰化反應，鋰鎳混排程度大幅降低資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部/21為了測試新工藝生成的單晶NCA，735其他金屬摩爾比為1.02:130℃C/5的速率在3-4.2V之間進行充放電循環(huán)測試，結(jié)果表明在2%VC的體系下，新工藝單晶NCA的容量保持率與多晶NCA對照樣本相當或者更高。我們預計該工藝還需要在溫度、材料配比等方面進一步完善，才能體現(xiàn)出在循環(huán)性能方面更加顯著的優(yōu)勢。圖表單晶NCA電池容量保持率與多晶NCA電池相當或者更高資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部對于專利中提到的其他金屬，除了典型的、Co、的組合外，還包括Al、Ni、Co、、金屬或之中的金屬組合，這也意味著普通的三元NCM和四元材料都可以采取專利中所提到Ni和（Infurtherembodiments,theothermetalcomponentincludesNiandAl相契合。采用單晶正極材料打造長壽命電池的思路已經(jīng)體現(xiàn)在特斯拉電池研究合作伙伴Dahn團隊于19年發(fā)表的論文中，文章中提到下一代單晶NCM陰極和新型電解質(zhì)組成的新型鋰離子電池可以使電動汽車中的電池組使用壽命超過160NCM或單晶NCA將是特斯拉即將推出的百萬英里電池的重要組成部分之一。2.2百萬英里電池猜想之二：無極耳電極當前的圓柱電池采用卷繞工藝，正極、負極和隔膜卷在一起，通過正負極極耳連接到電池容器的正極和負極端子。電流沿著正極或負極通過極耳到達電池外接電路，這樣就導致了歐姆電阻隨著較長的電流移動路徑而增加，內(nèi)阻增加會帶來電池自身熱損耗增加，導致電池容量和性能下降。除此之外，極耳作為額外的電池部件增加了電池成本和制造難度。特斯拉無極耳電極電芯涂層，第一基底上沿寬度近端的部分由導電材料構(gòu)成；第二基底上面布有第二涂層；第一基底和第12/21隔膜以連續(xù)堆疊的方式繞中心軸卷繞起來。簡而言之，無極耳電極電芯的制造工藝部分或者完全取消了傳統(tǒng)的極耳，在正極或者負極極片的邊緣處增加導電涂層，讓導電涂層直接與電池端蓋接觸，電流通過導電涂層和電池外殼到達電池外接電路。圖表特斯拉無極耳電極原理示意圖（正極單極耳）資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部這項技術(shù)比聽起來更加重要只是對無極耳電極的原理做了解釋，對優(yōu)點進行了理論說明，并沒有公布與現(xiàn)有工藝的對比試驗結(jié)果；我們預計在電池日上會有更多相關(guān)信息釋出。從理論上來講，無極耳電極工藝主要從三個方面改善電池的循環(huán)壽命以及其他性能：電極集流體與電池端蓋內(nèi)表面之間更加一致的電接觸方式，使得電流移動的最大距離變成電極的高度而非長度。而一般電極的高度是長度的5%-20%，因此在電化學循環(huán)中無極耳電極的內(nèi)阻可以減小5-20倍。在不考慮其他因素的情況下，電流將會沿著電極上內(nèi)阻最小的路徑接近極耳，這樣局部會產(chǎn)生大的過電位，導致不必要的化學反應的發(fā)生，降低電池壽命。而無極耳電極工藝使得內(nèi)阻降低，電流的路徑更短、分布更加均衡，因此能夠避免過電位的產(chǎn)生，改善電池壽命。3）產(chǎn)熱和散熱能力得到顯著改善。在產(chǎn)熱方面，由于內(nèi)阻降低，產(chǎn)生的熱量也減少。在散熱方面，傳統(tǒng)的電極極耳與電池端蓋只有極小的接觸面積，而無極耳電極中的導電涂層與電池端蓋的有效接觸面積達到，接觸面積的增加使得散熱能力提升，進一步優(yōu)化電池性能、延長循環(huán)壽命。13/212.3百萬英里電池猜想之三：新型電解液添加劑通過電解液添加劑提升鋰電池的各項性能一直是行業(yè)研究的重點。特斯拉通過旗下特斯拉汽車加拿大分公司與Dahn合作申請了多項電解液添加劑的專利，致力于采用盡量少的添加劑配方達到盡量大的改善效果。專利涉及的添加劑普遍可以用于改善電池的循環(huán)壽命，因此也被視為百萬英里電池的重要環(huán)節(jié)之一。硫酸乙烯脂等含硫添加劑（）2019年1月31日，特斯拉公開了一項名為《基于雙添加劑電解液體系的新型電池系統(tǒng)》的專利，專利嘗試將傳統(tǒng)的VC/FEC/PES添加劑與以為代表的新型含硫添加劑混合，觀察該電解液體系對電池性能的影響。試驗結(jié)果顯示，在20或40℃的環(huán)境溫度、循環(huán)至4.2或的條件下，雙添加劑電解液體系（或FEC+DTD）擁有比單一添加劑（、FEC或）更高的容量保持率和更小的電壓滯變（注：在鋰蓄電池充放電過程中充電電壓曲線和放電電壓曲線之間存在圖表含電解液體系擁有更高的容量保持率圖表含電解液體系擁有更小的電壓滯變資料來源:Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部資料來源：Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部1,2,6-氧二噻吩-2,2,6,6-四氧化物（）2019年12月12的雙添加劑電解液體系的新型電池系統(tǒng)》的專利，專利將傳統(tǒng)的添加劑與新型添加劑得出以下結(jié)論（適用于正極包覆和未包覆的NCM523/622以及松下10301）產(chǎn)氣方面，有助于抑制高電壓環(huán)境下的產(chǎn)氣量。14/21圖表電解液中加入有助于抑制產(chǎn)氣量V資料來源：Patent，互聯(lián)網(wǎng)，市場部22040℃55C/3的充放電速率循環(huán)至4.2或4.3V的條或LFO+ODTOVC或）的電解液體系擁有更高的容量保持率和更小的電壓滯變，同樣有助于延長電池壽命。圖表含電解液體系擁有更高的容量保持率圖表特定成分的電解液體系電壓滯變更低資料來源:Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部資料來源：Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部2-呋喃酮（）15/212019年12月12VC添加劑與新型添加劑出以下結(jié)論（適用于NCM523和松下10301）產(chǎn)氣方面，的存在能夠顯著抑制氣體的產(chǎn)生。在2%FEC+0.5%/1%FN的電解液體系下，產(chǎn)氣量幾乎可以忽略不計，并且不受電解液中其他成分的影響。因此，包含添加劑的電池省去了組裝后的氣體釋放環(huán)節(jié)，從而簡化生產(chǎn)流程、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。圖表NCM523體系中顯著抑制產(chǎn)氣量圖表松下1030體系中顯著抑制產(chǎn)氣量資料來源:Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部資料來源：Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部2）循環(huán)壽命方面，在20、40℃的環(huán)境溫度、以C/3的充放電速率循環(huán)至4.2或的條件下，于常規(guī)的電池體系，前者在一定條件下會有讓人意想不到的優(yōu)越性能。圖表松下1030體系中沒有提高容量保持率圖表松下1030體系中沒有減小電壓滯變資料來源:Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部資料來源：Patent、互聯(lián)網(wǎng)，市場部二惡唑酮和亞硫酸腈（MDO/PDO/BS）2019年12月26日，特斯拉公開了一項名為《二惡唑酮和亞硫酸腈作為鋰離子電池電解液添加劑》的專利，專利涉及一種采用新型添加劑、PDO和BS所所制成的石墨鋰離子軟包電池。通過不同成分的配比試驗，特斯拉方面得出如下結(jié)論：1）MDO和PDO是良好的成膜添加劑。在電池使用過程中，和