特斯拉電池日故事驚喜連連or稀松平常

1、內(nèi)容目錄 HYPERLINK l _TOC_250007 故事一：電芯設(shè)計大電芯與無極耳 5 HYPERLINK l _TOC_250006 故事二：正負極材料硅負極與少鈷化 7 HYPERLINK l _TOC_250005 負極材料：堅定硅負極路線 7 HYPERLINK l _TOC_250004 正極材料：重鎳輕鈷為未來方向 9 HYPERLINK l _TOC_250003 故事三：電池工廠干法電極與產(chǎn)能擴張 13 HYPERLINK l _TOC_250002 故事四：電池系統(tǒng)：一體化與結(jié)構(gòu)化電池 18 HYPERLINK l _TOC_250001 聚焦提效降本 19 HYPER

2、LINK l _TOC_250000 投資建議 21圖表目錄圖 1：特斯拉 4680 電池 5圖 2：此前的 2170 電池 5圖 3：電池極耳示意圖 6圖 4：無極耳電池結(jié)構(gòu) 6圖 5：無極耳電池截面結(jié)構(gòu) 6圖 6：特斯拉堅定硅基負極之路 7圖 7：特斯拉負極成本將顯著下降 7圖 8：材料顆粒粉化示意圖 8圖 9：鋰離子電池 SEI 膜生成過程 8圖 10：特斯拉解決硅膨脹問題思路 9圖 11：核殼體系圖 10圖 12：不同的正極材料對應(yīng)不同車型與產(chǎn)品 10圖 13：本地化供應(yīng)原材料降低成本 11圖 14：簡化生產(chǎn)流程 11圖 15：鈷的價格遠高于三元材料其他元素（元/噸） 12圖 16：特

3、斯拉干電極技術(shù)展示 13圖 17：干電極技術(shù)簡化工序 13圖 18：由活性材料、粘合劑和導(dǎo)電添加劑組成的最終粉末混合物 13圖 19：混合物經(jīng)過壓光處理形成連續(xù)的自支撐的干涂層電極膜 13圖 20：Maxwell 干電極工藝過程示意圖 14圖 21：寧德時代的正極材料攪拌機 14圖 22：特斯拉 Giga 1 的電極涂覆干燥機 14圖 23：Maxwell 干電極性能優(yōu)勢 15圖 24：NCM811 干電極工藝制造的材料放電電壓分布圖 15圖 25：硅碳負極干電極工藝制造的材料放電電壓分布圖 15圖 26：干法電極與濕法電極的放電倍率性能比較（NCM111+C） 16圖 27：特斯拉高速連續(xù)電

4、池產(chǎn)線 16圖 28：特斯拉工藝電子化降本 16圖 29：特斯拉動力電池產(chǎn)能規(guī)劃 17圖 30：特斯拉結(jié)構(gòu)化電池設(shè)計 18圖 31：特斯拉電池系統(tǒng)的優(yōu)化 18圖 32：Model 3 鑄件示意圖 18圖 33：Model Y 鑄件示意圖 18圖 34：特斯拉電池技術(shù)合力降本 19圖 35：特斯拉降本時間路線圖 19圖 36：比亞迪刀片電池 19圖 37：寧德時代 CTP 方案 19圖 38：2019 年全球動力電池裝機份額 20圖 39：2020 年上半年全球動力電池裝機份額 20圖 40：特斯拉 Plaid Model S 20表 1：硅材料顯著提升負極比容量和能量密度 7表 2：硅負極材料

5、在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的問題 7表 3：解決硅體積膨脹的幾種方式 9表 4：正極材料的分類和應(yīng)用 11表 5：高鎳和高壓方案對比 11表 6：蜂巢能源無鈷正極材料開發(fā)關(guān)鍵點總結(jié) 12故事一：電芯設(shè)計大電芯與無極耳增大電芯尺寸。從應(yīng)用于 Model S/X 的 18650 電池到應(yīng)用于 Model 3/Y 的 2170 電池再到最新款的 4680，特斯拉不斷調(diào)整電芯尺寸、提高電池能量密度、降低電池成本。新款 4680 電池的電芯直徑為 46 毫米，長度為 80 毫米；與前款相比，能量密度增加 5 倍，電池功率提升6 倍，續(xù)航里程增加 16%。圖 1：特斯拉 4680 電池圖 2：此前的 2170 電池

6、資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心電芯尺寸的變化能夠有效提升功率和能量密度。電芯尺寸的變大，能夠在很大程度上提升功率和能力密度，從一定程度上來看，尺寸越大，容量越高，與此同時，單個電芯尺寸增加也意味著電池結(jié)構(gòu)件使用量呈現(xiàn)下降趨勢，使得電池包成組難度得到相應(yīng)地下降。但電芯尺寸的增加可能會引發(fā)散熱和鼓脹等相關(guān)問題。在散熱性上，由于電芯尺寸的增加，電池內(nèi)部發(fā)熱部分距離殼體的距離拉長，致使傳導(dǎo)介質(zhì)增多，熱量分布不均的問題也進一步凸顯；與此同時，在充放電過程中，由于電芯尺寸加大導(dǎo)致的受力面積越大，有可能致使電池殼壁的形變，由此引發(fā)電芯內(nèi)阻增加和局

7、部的電液枯竭。無極耳技術(shù)有望解決問題。傳統(tǒng)電池是將多層材料壓成薄片之后，卷起放入圓柱形的外殼中，通過陰極耳和陽極耳連接到電池容器的正極和負極。極耳是鋰離子聚合物電池產(chǎn)品的一種原材料，一個極耳由兩片膠片把金屬帶夾在中間形成，是從電芯中將正負極引出來并形成回路的金屬導(dǎo)電體。極耳與電池殼體（圓柱/方形）或外部模組結(jié)構(gòu)件（軟包）進行連接，電流必須流經(jīng)極耳到達電芯外。傳統(tǒng)圓柱電池一般采用單極耳設(shè)計，一方面極耳細長不利于電流傳導(dǎo)，另一方面電阻會隨著長度的增加而相應(yīng)提高，電池充放電時易使極耳和極耳連接處局部熱量過大，影響電池壽命，也存在安全隱患。此外，由于極耳是額外的零件，其設(shè)計也增加了成本并提高了制造難度

8、。圖 3：電池極耳示意圖資料來源：特斯拉，搜狐新聞，安信證券研究中心特斯拉此前已披露了“無極耳”電池技術(shù)專利。此前，特斯拉的無極耳專利技術(shù)展示了至少一個電極為無極耳的電池技術(shù)通過激光技術(shù)將傳統(tǒng)電池的極耳結(jié)構(gòu)切割。新電池結(jié)構(gòu)包括：涂覆第一涂層的第一蓋板，且其沿寬度近端的第二部分由導(dǎo)電材料構(gòu)成；第一蓋板上方為隔膜，隔膜上方為第二蓋板，并涂覆第二涂層。將各基板、隔膜、涂層沿中心更加密集卷繞，使正負極集流體能夠與殼體或?qū)ｉT設(shè)計的蓋板直接連接，電流即可直接在電極集流體、蓋板、殼體之間進行傳導(dǎo)。圖 4：無極耳電池結(jié)構(gòu)圖 5：無極耳電池截面結(jié)構(gòu)資料來源：特斯拉專利申請書，安信證券研究中心資料來源：特斯拉專利

9、申請書，安信證券研究中心無極耳技術(shù)多方面幫助電池持續(xù)改善。無極耳技術(shù)對電池性能的提升體現(xiàn)在多個方面：1）突破圓柱電池的尺寸限制，使得功率重量比優(yōu)于帶極耳的小電池；2）增大電流傳導(dǎo)面積、縮短電流傳導(dǎo)距離（約 5%-20%），從而大幅降低電池內(nèi)阻（約 5-20 倍）；3）內(nèi)阻降低減少了熱量產(chǎn)生，電極導(dǎo)電涂層和電池端蓋的有效接觸面積達到 100%，也有力提升散熱能力，延長電池壽命；4）優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、簡化生產(chǎn)工序，每千瓦時成本降低 14%；5）省去極耳焊接過程，提高生產(chǎn)效率，也降低了因焊接產(chǎn)生的不良率。故事二：正負極材料硅負極與少鈷化負極材料：堅定硅負極路線堅持硅負極路線，使用重新設(shè)計的硅材料。特拉斯

10、在電池日中表示，1）目前通過使用高彈性的聚合物材料如氧化亞硅或者硅納米材料來解決硅基負極的膨脹問題，可提升 20%的續(xù)航里程。2）鑒于目前硅材料的應(yīng)用技術(shù)十分昂貴，特斯拉表示將使用重新設(shè)計的硅材料，將原材料硅直接運送到電池工廠進行加工，預(yù)計負極成本僅需 1.2 美元/kWh，將最終使電池生產(chǎn)成本下降 5%。圖 6：特斯拉堅定硅基負極之路圖 7：特斯拉負極成本將顯著下降資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心硅基負極是新一代的負極材料。目前大多數(shù)鋰電池是以碳基為負電極，但是電池的容量是由正負極之間可循環(huán)的鋰決定的。如果正極放出的鋰每次都被負極所

11、消耗，那么回正極的鋰就會減少。由于硅常溫下可以和鋰合金化，并且具有 10 倍于石墨的理論單位放電量，也可以有效提高鋰電池單位體積內(nèi)存儲的電量。同時，兼具有儲量大、成本低、環(huán)境友好的優(yōu)點，因此硅負極材料已成為下一代的負極材料。正極容量（ m Ah/g）負極容量（ m Ah/g）能量密度相對值能量密度提升幅度3501-200500（5%-8%硅）1.1212%800（20%硅）1.2626%表 1：硅材料顯著提升負極比容量和能量密度資料來源：艾新平博士：硅基負極的表面改性和修飾，安信證券研究中心然而，硅負極材料儲鋰過程中的高膨脹率將導(dǎo)致部分應(yīng)用問題的出現(xiàn)。硅負極在充放電過程中，即和鋰發(fā)生反應(yīng)的過程

12、中存在嚴重的體積膨脹，體積膨脹率可達到約 360%，這將有可能導(dǎo)致電池的材料顆粒粉化和電極脫粉，進而產(chǎn)生循環(huán)性能不佳的問題；與此同時，體積膨脹率過高將導(dǎo)致表面 SEI 膜的重復(fù)生長，造成低循環(huán)庫倫效率等問題。表 2：硅負極材料在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的問題弊端結(jié)果產(chǎn)生問題儲鋰過程中體積膨脹率較高材料顆粒粉化電極脫粉循環(huán)性能較差表面 SEI 膜的重復(fù)生長低循環(huán)庫倫效率資料來源：艾新平博士：硅基負極的表面改性和修飾，安信證券研究中心材料顆粒粉化和電極脫粉影響循環(huán)性能。在充放電過程中，硅負極材料的體積膨脹會產(chǎn)生裂紋，之后使得材料顆粒粉化，破壞電極材料與集流體的接觸性，其次膨脹產(chǎn)生的力對極片形成擠壓效應(yīng)，使得

13、極片存在斷裂的風(fēng)險，進而影響電池整體的循環(huán)性能。圖 8：材料顆粒粉化示意圖資料來源：有理有據(jù)，搜狐新聞，安信證券研究中心SEI 膜不斷重復(fù)生長將使鋰離子電池容量不斷衰減。當電池充滿電解質(zhì)且進行第一次充電時，正極材料的一些鋰離子會被負極、電解質(zhì)和鋰離子之間的反應(yīng)消耗掉。這種寄生反應(yīng)形成 SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質(zhì)界面）。SEI 是電池的重要組成部分，因為它可以防止電解質(zhì)與負極中的碳反應(yīng)。但是問題在于，一旦進行第一次充電，在放電過程中從負極返回正極的鋰離子就會損失一些。結(jié)果導(dǎo)致了“第一次循環(huán)容量損失”，這種現(xiàn)象在所有常見類型的鋰離子電池中很普遍。而

14、在硅基負極體系中，SEI 膜會隨著硅體積的膨脹而發(fā)生破裂，新暴露在表面的硅會繼續(xù)生成新的 SEI 膜，這樣一來將不斷地消耗來自正極的鋰和電解液，電池的內(nèi)阻將持續(xù)增加，容量也將迅速衰減。圖 9：鋰離子電池 SEI 膜生成過程資料來源：科路得，小木蟲，安信證券研究中心理論上目前已有多種方式解決硅體積膨脹的問題。目前從理論上，材料顆粒粉化問題可以通過納米化、多孔化和合金化減小硅的絕對體積膨脹來解決；電極脫粉問題可以采用表面鍵合的粘合劑維持電極結(jié)構(gòu)完整性來解決；而表面 SEI 膜重復(fù)生長的問題，目前可以利用硅的高活性的懸空鍵構(gòu)建致密，穩(wěn)定的包覆層。方式具體描述解決問題表 3：解決硅體積膨脹的幾種方式納

15、米化通過減小硅材料的粒徑，縮短鋰離子的擴散距離，提高鋰離子嵌入脫出的電化學(xué)活性，從而降低硅在充放電過程的體積變化多孔化增加其內(nèi)部空隙，為硅在脫嵌鋰過程中的體積膨脹預(yù)留緩沖空間，緩解材料的應(yīng)力，并提高鋰離子往材料內(nèi)部的輸運效率合金化引入第二組元形成 SiM 合金，利用 M 基體的延展性、成鍵特性有效降低硅合金的體積膨脹系數(shù)，并利用高的電子導(dǎo)電率來提高電荷傳遞硅體積膨脹導(dǎo)致的材料顆粒粉化等硅體積膨脹導(dǎo)致的材料顆粒粉化等硅體積膨脹導(dǎo)致的材料顆粒粉化等表面鍵合的粘結(jié)劑-解決電極脫粉，維持電極結(jié)構(gòu)完整性氧化亞硅+碳包覆制備氧化亞硅，并在其基礎(chǔ)上進行碳包覆硅體積膨脹導(dǎo)致的表面SEI 膜的重復(fù)生長，并提高循

16、環(huán)性能資料來源：艾新平博士：硅基負極的表面改性和修飾，電池材料綜合平臺，安信證券研究中心特斯拉將通過納米化和聚合物材料包覆的方式解決硅膨脹問題。從特斯拉的解決方案來看，我們預(yù)計其會在生硅基礎(chǔ)上，無論是用硅材料還是用氧化亞硅，都將通過縮小硅材料的粒徑，縮短鋰離子擴散距離，同時利用納米硅間形成的間隙緩解硅的體積膨脹問題，與此同時，通過表面高分子材料的包覆，有可能構(gòu)筑起穩(wěn)定致密的 SEI 膜和包覆層，提高硅負極循環(huán)庫倫效率。圖 10：特斯拉解決硅膨脹問題思路資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心正極材料：重鎳輕鈷為未來方向重鎳輕鈷，核殼體系。從金屬的角度來講，鎳能量密度相較于其他元素較高，且

17、成本較低，而鈷由于資源的稀缺性導(dǎo)致成本較高，價格昂貴，在此基礎(chǔ)上，特斯拉將重視正極材料中鎳的應(yīng)用，減少甚至消除鈷的應(yīng)用；與此同時，我們預(yù)計特斯拉會持續(xù)使用表面改性中的核殼體系，由于電池的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性要求，需要在正極中摻雜其他元素，采用核為鎳酸鋰，殼為摻雜其他元素的鎳酸鋰的方式，可以有效避免鎳酸鋰內(nèi)核和電解液的接觸，且由于是表面改性，降低了摻雜引起的潛在比容量損失。圖 11：核殼體系圖資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心不同正極材料對應(yīng)不同車型和產(chǎn)品。特斯拉準備針對不同的車型和產(chǎn)品使用不同的類型的材料。磷酸鐵鋰將在未來被廣泛用于 Model 3 和儲能領(lǐng)域；同時，似乎鎳錳二元正極材

18、料將用于少部分儲能和其他長續(xù)航乘用車型；高鎳將被用于皮卡和卡車。圖 12：不同的正極材料對應(yīng)不同車型與產(chǎn)品資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心建立正極工廠，實現(xiàn)本地化供應(yīng)。同時，特斯拉宣布在北美建立正極生產(chǎn)工廠的計劃。公司會在美國對鎳和鋰兩種資源實現(xiàn)本地化生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈。同時，簡化鎳的提取過程，使得整體正極材料生產(chǎn)流程得到進一步簡化，實現(xiàn)成本的下降。圖 13：本地化供應(yīng)原材料降低成本圖 14：簡化生產(chǎn)流程資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心目前電動汽車用正極材料主要是三元和磷酸鐵鋰。三元正極材料對應(yīng)的鋰電池在同等條件下具有能量密

19、度高，續(xù)航能力強的特點；而磷酸鐵鋰電池具有安全性好，成本低的特點，兩者被廣泛應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域。其中，三元材料又可以分為 NCM（鎳鈷錳）和 NCA（鎳鈷鋁）兩種。正極材料工作電壓（V）可逆容量(m Ah/g)材料比容量(Wh/kg)優(yōu)缺點應(yīng)用領(lǐng)域鈷酸鋰3.9180702能量密度高、成本高、安全性不高-改性錳酸鋰4110440比能量低、成本低、安全性好物流車為主，大巴車和乘用車等磷酸鐵鋰成本低、壽命長、高安全性、比能量低、 大巴車為主，乘用車和低溫性能差物流車等三元（NCM）3.8180680比能量高、成本較高、安全性一般乘用車為主，物流車等三元（ NCA）3.8180680比能量高、成本較高

20、、安全性一般乘用車為主，物流車等富鋰3.6270972預(yù)期比能量高、壽命尚未滿足條件尚未實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用表 4：正極材料的分類和應(yīng)用3.4155527資料來源：黃學(xué)杰博士：正極材料和電池技術(shù)安信證券研究中心整理三元正極材料將朝高鎳化和少鈷化兩個趨勢發(fā)展。在三元材料中，鎳和鈷是主要的電化學(xué)活性元素，其中鎳擁有較高的能量密度，而鈷則在一定程度上能夠幫助維持材料層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、改善材料循環(huán)和倍率性能。鋰離子在低鎳三元材料中遷移活性較低，此外，與鈷相比鎳的電壓更高，容量更大，因此為了不斷提高三元正極材料的比容量，鎳含量的提高是必然趨勢，與此同時，由于鈷資源的稀缺性，決定了鈷價格相對昂貴，若要體現(xiàn)三元正極材

21、料的性價比，就要實現(xiàn)少鈷化甚至無鈷化。高鎳路線主要有高鎳路線和高壓路線兩種方式。目前，從理論上來說，高鎳路線，或者說提升電池能力密度路線主要有兩種，其中，高鎳方案，是通過提升比容量較高的鎳材料在三元材料中的占比，形成能量密度的提升；而高壓方案則是通過在保證正常運行的前提下，提升充電電壓，形成能量密度的提升。方案鎳含量充電電壓（ V）材料特性循環(huán)壽命熱穩(wěn)定性其他高鎳方案90%4.2-4.35對空氣不穩(wěn)定，合成困難一般差倍率性能較高高壓方案低（50%）4.6-4.5對空氣穩(wěn)定，合成工藝簡單差一般鈷含量較高提升成本表 5：高鎳和高壓方案對比資料來源：CATL，安信證券研究中心鈷資源稀缺性帶來的高成本

22、倒逼三元材料去鈷化。鈷的使用導(dǎo)致正極材料的成本超過三元電池總成本的 40%，而且在某種程度上，鈷元素并不參與電池的電化學(xué)反應(yīng)。目前全球超 70%的鈷金屬供應(yīng)來自剛果，鈷資源的稀缺性使得目前每噸鈷的價格仍遠高于三元材料所用的其他元素。圖 15：鈷的價格遠高于三元材料其他元素（元/噸）電解錳鎳板鈷鋁8000007000006000005000004000003000002000001000002020-08-312020-06-302020-04-302020-02-292019-12-312019-10-312019-08-312019-06-302019-04-302019-02-282018

23、-12-312018-10-312018-08-312018-06-302018-04-302018-02-282017-12-302017-10-302017-08-300資料來源：Wind，長江有色市場，安信證券研究中心但無鈷化目前仍面臨一定挑戰(zhàn)。由于鈷能夠幫助維持材料層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、改善材料循環(huán)和倍率性能，因此無鈷化有可能將導(dǎo)致電芯的倍率性能降低，內(nèi)阻增大。且去除鈷元素后，電芯的鋰鎳混排概率增加，表面的活性也升高。因此三元電池的結(jié)構(gòu)循環(huán)穩(wěn)定性和高溫性能存在的挑戰(zhàn)將更大。因此無鈷化目前仍面臨一定挑戰(zhàn)。無鈷正極材料的實現(xiàn)需要形成元素比例、新元素摻雜、包覆和前驅(qū)體的協(xié)同。根據(jù)蜂巢能源 NMX 無

24、鈷正極材料的基本開發(fā)思路來看，無鈷正極材料的實現(xiàn)需要形成元素比例、新元素摻雜、包覆和前驅(qū)體的協(xié)同，在元素比例上，對鎳和錳的比例進行設(shè)計（特斯拉認為鎳三分之二，錳三分之一是較優(yōu)解）達到最優(yōu)狀態(tài)，使得鎳鋰混排降低到最低，同時具有較低的內(nèi)阻。其次摻雜部分元素，針對導(dǎo)電性、內(nèi)阻和循環(huán)穩(wěn)定性進行優(yōu)化。包覆方面，通過納米化網(wǎng)絡(luò)或其他方式進行有效包覆，致力于鋰離子擴散系數(shù)和導(dǎo)電性提升。在前驅(qū)體方面，優(yōu)化粒度分布和顆粒強度，有效提高無鈷正極材料性能。領(lǐng)域方式表 6：蜂巢能源無鈷正極材料開發(fā)關(guān)鍵點總結(jié)元素比例優(yōu)化鎳錳比例新元素摻雜通過摻雜，進一步降低鎳鋰混排和內(nèi)阻包覆方式納米化包覆，關(guān)注擴散系數(shù)和導(dǎo)電性前驅(qū)體優(yōu)

25、化粒度分布、顆粒強度、比表資料來源：蜂巢能源，安信證券研究中心故事三：電池工廠干法電極與產(chǎn)能擴張?zhí)厮估酵瞥龈呻姌O技術(shù)工藝。特斯拉在 2019 年以 2.35 億美元的價格收購了 Maxwell，并獲得了其超級電容、干電極、負極補鋰等相關(guān)技術(shù)。其中，在電池日特斯拉正式推出干電極的技術(shù)工藝應(yīng)用，其通過先對電極進行濕法處理，然后進行干法處理加工，以此來簡化相關(guān)工序，據(jù)特斯拉披露有望簡化工序，但目前技術(shù)工藝并未正式開始應(yīng)用在量產(chǎn)領(lǐng)域。圖 16：特斯拉干電極技術(shù)展示圖 17：干電極技術(shù)簡化工序資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心特斯拉的干電極工

26、藝全部通過無溶劑方式執(zhí)行。從粘接原理來看，特斯拉的干電極工藝通過將混入活躍的負極或正極材料顆粒的 PTFE（聚四氟乙烯，粘合劑）原纖維化，形成負極或正極材料的自支撐膜（self supporting film）?？傮w來說，特斯拉的干式涂覆電極技術(shù)由三個步驟組成：(1)干粉混合；(2)粉末成膜；(3)薄膜成集電極層；全部以無溶劑方式執(zhí)行。且所有干粉材料均使用特斯拉專有的干式涂覆工藝進行混合，通過調(diào)整薄膜加工條件來控制材料的負載重量和活性層厚度，可以生產(chǎn)出多種干膜電極結(jié)構(gòu)。圖 18：由活性材料、粘合劑和導(dǎo)電添加劑組成的最終粉末混合物圖 19：混合物經(jīng)過壓光處理形成連續(xù)的自支撐的干涂層電極膜資料來源

27、：Maxwell，安信證券研究中心資料來源：Maxwell，安信證券研究中心特斯拉（Maxwell）的干電極工藝簡單，成本優(yōu)勢領(lǐng)先。工藝過程從電極粉末開始，如特斯拉的 NCA 正極粉末，將少量（約 5-8）細粉狀 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。工藝過程如下圖所示?？傮w來看，干電極提供了許多優(yōu)勢，包括簡化工序情況下帶來的制造成本降低，消除溶劑毒性，使液體敏感電池化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用和提高電池性能，特別是在高能量密度時，與傳統(tǒng)的濕涂層電極相比，放電倍率性能更好。圖 20：Maxwell 干電極

28、工藝過程示意圖資料來源：Maxwell，安信證券研究中心相較于傳統(tǒng)方式，干電極是一種工藝創(chuàng)新。傳統(tǒng)的鋰電池制造工藝：使用含有粘合劑材料的溶劑，NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一種常見溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后，把漿料涂在電極集電體上并干燥。這種濕法涂覆技術(shù)存在著溶劑毒性、電極材料與溶劑之間反應(yīng)、涂覆電極物化性質(zhì)的不良變化等缺點，而且制造工藝需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機，制造成本高昂。而無溶劑干電極工藝使電池的負極和正極不使用溶劑，使用粘合劑和導(dǎo)電劑代替溶劑。該方法可以幫助使電極比常規(guī)做法更厚，電池中的電極材料越多，它可以存儲的能量就越多，而且干法工藝還可以使用高能量密度

29、的液體敏感材料生產(chǎn)電極，而這些材料不能用于濕法涂覆工藝。Maxwell 聲稱，這可以將電池容量提高到300Wh/kg，比現(xiàn)有的最佳電動汽車電池高出 20。除此之外，在成本方面，干電極使制造設(shè)備支出成本更低，由于沒有溶劑烘干蒸發(fā)環(huán)節(jié)能量使用更少，溶劑本身的成本節(jié)省及溶劑后處理成本。同時，無溶劑可以很好的解決負極補鋰的工藝難題（SEI 膜持續(xù)生長機理），顯著提升鋰電池的能量密度和循環(huán)壽命。圖 21：寧德時代的正極材料攪拌機圖 22：特斯拉 Giga 1 的電極涂覆干燥機資料來源：CATL，安信證券研究中心資料來源：Maxwell，安信證券研究中心干電極工藝帶來多方面增益。在能量密度方面，具備 30

30、0 Wh/kg 的能力，未來有可能突破 500 Wh/kg；相對于如今 250 Wh/kg 附近的頂級 NCM 鋰電池，這是化學(xué)技術(shù)上的重大改進。在循環(huán)性能上，可能將鋰電池的壽命延長 1 倍以上。而在成本改善上，該技術(shù)還可將電池成本降低 10到 20+，每輛車最高可節(jié)省 2000 美元成本。圖 23：Maxwell 干電極性能優(yōu)勢資料來源：Maxwell，安信證券研究中心利用 Maxwell 的干法涂覆電極技術(shù)，可以制備 NCM 811、NCA、LFP、LTO、硫碳、硅碳負極等多種正負極干電極。Maxwell 實驗室通過干電極技術(shù)涂覆技術(shù)制造 NCM 811 正極和硅碳負極電池，可以顯著提高電

31、池的放電容量。根據(jù) Maxwell 數(shù)據(jù)，NCM 811 干電極在放電結(jié)束時表現(xiàn)出典型的穩(wěn)定電壓平臺放電曲線。硅碳負極干電極在 0.5V 左右產(chǎn)生了硅鋰脫鹽的電化學(xué)特性，顯著提高了能量密度。圖 24：NCM811 干電極工藝制造的材料放電電壓分布圖圖 25：硅碳負極干電極工藝制造的材料放電電壓分布圖資料來源：Maxwell，安信證券研究中心資料來源：Maxwell，安信證券研究中心干電極對于高能量密度和高倍率的電極更為有利。Maxwell 的干式涂層電極技術(shù)使聚合物粘結(jié)劑網(wǎng)絡(luò)具有獨特的電極微結(jié)構(gòu)，允許活性材料與導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)間具備高離子導(dǎo)電性和電子接觸性。作為一種無溶劑工藝，該結(jié)合機制是由活性材料

32、顆粒表面的點接觸構(gòu)成相互連接的網(wǎng)絡(luò)。這種干法連接結(jié)構(gòu)不那么突兀，可以使鋰離子更好地進入活性物質(zhì)顆粒。這一特點對于高能量密度和高倍率的電極極為有利。通過干式涂層電極和濕式涂層電極之間的案例比較（兩種電極均以 NMC111 為陰極，以石墨為陽極，在相同濃度下用不同的粘結(jié)劑材料制備）：放電倍率測試結(jié)果表明，在高能量密度的電極中，干式涂層電極的容量保持率遠高于濕式涂層電極。圖 26：干法電極與濕法電極的放電倍率性能比較（ NCM111+C）資料來源：Maxwell，安信證券研究中心同時，特斯拉在組裝和其他工藝上持續(xù)降本。在組裝上，特斯拉致力于形成大體量、連續(xù)性的組裝，通過 1 條組裝線匹配 20gwh

33、，能夠?qū)⑿侍嵘?7 倍。而在工藝電子化方面，特斯拉將通過電子系統(tǒng)形成多個電芯同時的定型加工和管控，在此基礎(chǔ)上，特斯拉預(yù)計成本將節(jié)省 86%，程序?qū)⒐?jié)省 75%。圖 27：特斯拉高速連續(xù)電池產(chǎn)線圖 28：特斯拉工藝電子化降本資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心特斯拉自產(chǎn)電池產(chǎn)能擴張規(guī)劃，2022 年 100GWh，2030 年 3TWh。特斯拉計劃在 2022 年自產(chǎn)電池產(chǎn)能將達到 100GWh，2030 年到 3TWh，從 2022 年開始的復(fù)合增長率近 53%。圖 29：特斯拉動力電池產(chǎn)能規(guī)劃資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究

34、中心故事四：電池系統(tǒng)：一體化與結(jié)構(gòu)化電池延續(xù)一體化設(shè)計思路。參照飛機發(fā)動機一體化設(shè)計（指將發(fā)動機、短艙、吊掛與飛機機翼一起經(jīng)過權(quán)衡分析、反復(fù)迭代和優(yōu)化設(shè)計，最終得到最佳推進系統(tǒng)的優(yōu)化動力裝臵裝機構(gòu)型的設(shè)計與裝配過程），特斯拉也將一體化設(shè)計和制造的理念持續(xù)延續(xù)，對新能源車頭部和尾部進行一體化設(shè)計，合金鑄造等。結(jié)構(gòu)化電池設(shè)計。參考飛機將郵箱內(nèi)臵于飛機設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，特斯拉將把電池直接內(nèi)臵在汽 車結(jié)構(gòu)中，這將有效減輕車輛的整體重量，減少中間工序，與此同時，搭配碳纖維支架，形 成一個蜂巢狀結(jié)構(gòu)，并減少零件耗費量，特斯拉預(yù)計此措施將進一步縮短整個制造過程約 10%的時間，且創(chuàng)造出的新空間可以裝進更多電池，

35、提升約 14%續(xù)航里程。圖 30：特斯拉結(jié)構(gòu)化電池設(shè)計圖 31：特斯拉電池系統(tǒng)的優(yōu)化資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心此前，從 Model 3 到 Model Y 的轉(zhuǎn)變已體現(xiàn)出一體化設(shè)計的理念。特斯拉此前為 Model Y運用的是多向鑄造機鑄造的一體化車身，通過壓鑄機，目前 Model Y 僅需要兩塊巨大鑄件進行一體化車身構(gòu)筑，隨著電池日一體化路線的再提出和升級，預(yù)計未來將僅需一塊鑄件，而此前的 Model 3 則需要用到 70 塊鑄件，在當時的比較之下，Model Y 的生產(chǎn)周期被大大減少。圖 32：Model 3 鑄件示意圖圖 3

36、3：Model Y 鑄件示意圖資料來源：特斯拉官網(wǎng)，安信證券研究中心資料來源：特斯拉官網(wǎng)，安信證券研究中心聚焦提效降本特斯拉的電池技術(shù)有望使得續(xù)航里程有 54%的提升，每 KWH 成本節(jié)約 56%，投資額降低 69%。其中電芯設(shè)計方面將使成本下降 14%；負極方面，硅含量提升將使成本下降 5%成本，續(xù)航提升 20%；正極方面；重鎳輕鈷路線以及自制正極原料等將使成本下降 12%；電池工廠方面干電極技術(shù)和組裝線效率提升，以及使用電子系統(tǒng)多電芯加工，將使成本下降 18%；電池系統(tǒng)方面一體化與結(jié)構(gòu)化電池設(shè)計，將使集成度提升，預(yù)計降低 7%成本。因此以上技術(shù)成熟后，續(xù)航里程有 54%的提升，每 KWH

37、成本節(jié)約 56%，單 GWh 產(chǎn)線投資額降低 69%。但目前技術(shù)的成熟仍需要一點時間，預(yù)計于 2022 年開始實現(xiàn)提效降本。圖 34：特斯拉電池技術(shù)合力降本圖 35：特斯拉降本時間路線圖資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心資料來源：特斯拉電池日發(fā)布會，安信證券研究中心持續(xù)降低成本依然是產(chǎn)業(yè)面臨的首要任務(wù)。站在消費者的角度，最好的電池意味著在保障安全的基礎(chǔ)上廠商可以提供的更便宜、續(xù)航更長、充電更快/性能更強的動力電池，至于是否是革命性的技術(shù)變化是次要的。Elon Musk 發(fā)布的 5 大黑科技，其實就是特斯拉的電動車產(chǎn)業(yè)的降本宣言，而在此之前，寧德時代和比亞迪也先后推出 CTP 理念和

38、刀片電池理念，專注于降本提效。圖 36：比亞迪刀片電池圖 37：寧德時代 CTP 方案資料來源：比亞迪，安信證券研究中心資料來源：CATL，安信證券研究中心動力電池的主角，短期仍是中日韓三國角力。電池日沒有出現(xiàn)化學(xué)性質(zhì)的革命性變化，特斯拉的 5 大黑科技，除干電極技術(shù)外，大電芯、硅基、高鎳低鈷、一體化設(shè)計等其他技術(shù)專業(yè)的動力電池廠商也都有積極的布局，比如寧德時代計劃在 2023 年推出的 CTC（Cell to Chassis）技術(shù)等。短期來看，動力電池領(lǐng)域的主角在一定時間內(nèi)仍然將是 CATL、LG、松下等龍頭企業(yè)，從全球動力電池裝機來看，2020 年上半年，全球裝機基本形成三足鼎立態(tài)勢，其中

39、松下、LG 化學(xué)和寧德時代市場份額分別為 26%、25%和 21%（寧德時代在一季度受疫情影響裝機份額下降明顯，二季度裝機全球第一）；而從集中度來看，全球動力電池裝機的集中度進一步上升，2019 年全球動車電池裝機 Top 3 裝機占比約 68%，到 2020 年上半年這一占比已提升至 72%。不過，特斯拉 2022 年 100GWh、2030 年 3TWh 的動力電池發(fā)展規(guī)劃以及從上游鋰資源到末端光充儲一體化的能源體系建立，這些依然是值得我們重點關(guān)注和思考的問題。圖 38：2019 年全球動力電池裝機份額圖 39：2020 年上半年全球動力電池裝機份額其他32寧德時代29LG化學(xué)12松下27

40、其他28寧德時代21LG化學(xué)25松下26資料來源：Markline，安信證券研究中心資料來源：Markline，安信證券研究中心新款 Model S 發(fā)布，明年有望交付。與此同時，性能最強的車型 Plaid Model S 將開放預(yù)訂，最快于 2021 年開始交付，從續(xù)航里程來看，特斯拉新款 Model S 是特斯拉車型中至今為止續(xù)航里程最長的車型，有望超過超過 520 英里（836 公里）。與此同時，該車性能達到了跑車水平，新款 Model S 上周于拉古納賽道創(chuàng)下歷史最佳記錄，百公里加速時間約 2 秒，售價來看，目前加上補貼該車型普通版售價為 89,490 美元，三電機版售價為 134,4

41、90 美元。圖 40：特斯拉 Plaid Model S資料來源：特斯拉官網(wǎng)，安信證券研究中心降本技術(shù)將會首先被用在平民化車型中。而特斯拉電池日所提的降本技術(shù)，在逐步實現(xiàn)后，將首先被用在其平民化車型（售價 2.5 萬美元）中，規(guī)劃將在三年左右推出售價為 2.5 萬美元配套最新電池技術(shù)的平民化車型。投資建議雖無顛覆世界的革命性變化，但依然是碾壓式的技術(shù)迭代。因疫情影響一再推遲的 2020 Annual Shareholder Meeting and Battery Day，終于在 2020 年 9 月 23 日揭開了神秘的面紗。為電池日造勢許久的 Elon Musk，并未給關(guān)注者帶來電化學(xué)層面的

42、顛覆性革命，業(yè)界所期待的百萬英里續(xù)航電池和無鈷電池都沒有如期而至。然而，無極耳的 4680 電池、硅負極、去鈷化、CTC、干電極等 5 大黑科技依然是在動力電池行業(yè)碾壓式的技術(shù)迭代。同時，續(xù)航里程 836 km、百米加速低于 2.1 秒的 Model S Plaid 以及 2.5 萬美元的高性價比版電動車繼續(xù)引領(lǐng)全球電動車產(chǎn)業(yè)，豐儉由人的選擇也讓消費者為之興奮。毫無疑問，持續(xù)降低成本依然是產(chǎn)業(yè)面臨的首要任務(wù)。站在消費者的角度，最好的電池意味著在保障安全的基礎(chǔ)上廠商可以提供的更便宜、續(xù)航更長、充電更快/性能更強的動力電池，至于是否是革命性的技術(shù)變化是次要的。Elon Musk 發(fā)布的 5 大黑科技，其實就是特斯拉的電動車產(chǎn)業(yè)的降本宣言。特斯拉預(yù)期其新的電池技術(shù)有望使續(xù)航里程有 54%的提升，每 kWh成本節(jié)約 56%以及投資額降低 69%。這些成本的下降