特斯拉的動力電池夢 預(yù)計2021年會實現(xiàn)

本文轉(zhuǎn)自微信公號“德安車研”，作者：平安電力設(shè)備團隊

摘要

特斯拉（TSLA.US）電池日將在2020年4月召開，將會公布新型電池的進展情況。本文通過梳理分析特斯拉收購的Maxwell擁有的干電極相關(guān)技術(shù)和專利，對特斯拉自產(chǎn)電池可能選擇的技術(shù)路線做出初步判斷。我們預(yù)測特斯拉的動力電池，有望采用高鎳正極+硅碳負極(摻鋰)+干電極+超級電容的技術(shù)組合。

特斯拉在電池領(lǐng)域有哪些布局?特斯拉在電池材料領(lǐng)域推行去鈷化、無鈷化。從最早的車型Roadster采用鈷酸鋰電池到后來的Model S/X/3采用NCA電池，鈷的用量大幅減少。特斯拉還準備在上海工廠生產(chǎn)的電動車中使用不含鈷的電池。另一方面，特斯拉致力于掌握動力電池核心技術(shù)。2014年7月，特斯拉與松下合資建設(shè)動力電池超級工廠;2019年先后收購超級電容生產(chǎn)商Maxwell和鋰電設(shè)備制造商Hibar;還有媒體預(yù)測特斯拉可能已經(jīng)收購了鋰離子電池初創(chuàng)公司SilLion。

特斯拉未來的電池技術(shù)路線是怎樣的?鋰電池(干電極工藝+高鎳正極+預(yù)鋰化硅碳負極)+超級電容(鋰離子電容)組合。高鎳材料體系是鋰電池發(fā)展的主流方向，干電極的工藝改善可以加快高鎳化的進程。在動力源方面，將鋰電池和超級電容通過電路連接的方式進行集成。在高速行駛的車況下，電池作為主動力輸出平均功率;在加速、減速、反復(fù)啟停等狀態(tài)下，電容器介入作為動力釋放和回收的主要來源。Maxwell已經(jīng)在2017年申請了一套基于混合動力平臺的超級電容+鋰電池的系統(tǒng)集成方案的專利，我們認為特斯拉未來將引進電池為主動力、超級電容為輔助電源的解決方案，在保證電動車續(xù)航的同時，優(yōu)化行車過程，提供更好的駕駛體驗。

Maxwell是一家什么樣的公司?Maxwell創(chuàng)辦于1965年，主要業(yè)務(wù)包括超級電容器、高壓電容器和減輕輻射微電子產(chǎn)品，已成為全球領(lǐng)先的超級電容制造商，旗下客戶包括吉利、沃爾沃、大陸集團、西門子等。Maxwell是少數(shù)將干電極技術(shù)運用于超級電容生產(chǎn)的廠商，盡管公司盈利水平難言樂觀，但特斯拉仍以55%的溢價率進行收購，表明特斯拉看重公司的核心技術(shù)實力，雙方的合作有望產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。

干電極技術(shù)有哪些優(yōu)點和應(yīng)用難點?與傳統(tǒng)的濕法工藝相比，干電極技術(shù)主要有以下優(yōu)點：1)壓實密度高，對高鎳電池材料體系的兼容性更強;2)成本較濕法工藝下降10%-20%+;3)循環(huán)壽命更長、高溫穩(wěn)定性更好、充放電速率更高、能量消耗更低等。干電極技術(shù)在鋰電池上的應(yīng)用難點在于干電極技術(shù)制作的極片容易脫粉，因此對粘結(jié)性要求高，目前的干電極工藝還難以滿足生產(chǎn)要求。

超級電容有哪些優(yōu)缺點?與電池相比，超級電容具有以下優(yōu)點：1)充放電速度快，是電池的100倍;2)單位功率傳輸質(zhì)量更低，功率密度更高;3)更高的充放電轉(zhuǎn)換效率，能量以電能而非化學(xué)能的形式儲存，因此能量損失較少;4)穩(wěn)定持續(xù)工作的溫度范圍更寬(-40o C to +65o C);5)無維護或低維護需求;6)循環(huán)壽命更長;7)無重金屬，不會帶來環(huán)境問題。超級電容擁有短時間快速充放電的能力，在汽車領(lǐng)域適合用于啟停系統(tǒng)。超級電容的缺點在于單位電量成本高，并且能量密度低，作為電動車的主動力來源難度較大。

投資建議：1)干電極技術(shù)是對電池生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，沒有改變當前的電池材料體系，并且會加速鋰電池向高鎳化方向發(fā)展。強烈推薦具備技術(shù)優(yōu)勢的高鎳三元正極材料龍頭企業(yè)當升科技;干電極技術(shù)的發(fā)展將會帶動高鎳添加劑、成膜添加劑等新型添加劑的用量增加，推薦在新型添加劑領(lǐng)域具備深厚技術(shù)積累的電解液龍頭新宙邦。2)超級電容具有功率密度高、循環(huán)壽命長的顯著優(yōu)勢，有望作為電動車上的輔助電源提升車輛的駕駛性能。推薦全球最大的超級化學(xué)品配套企業(yè)新宙邦。3)特斯拉的新型電池從研發(fā)成功到量產(chǎn)需要一定的過程，中短期內(nèi)動力電池還將以外供為主。持續(xù)關(guān)注特斯拉國產(chǎn)化、LG化學(xué)/寧德時代供應(yīng)鏈的投資機會。強烈推薦寧德時代、匯川技術(shù)，推薦璞泰來、星源材質(zhì)、臥龍電驅(qū)，關(guān)注恩捷股份。

風險提示：1)新技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用不及預(yù)期的風險：干電極技術(shù)在鋰電池的商業(yè)化應(yīng)用仍有待進一步觀察，難以一蹴而就;2)疫情影響時間延長的風險：若疫情中短期內(nèi)無法有效控制，可能導(dǎo)致企業(yè)復(fù)工時間和消費者購買需求的延后，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的復(fù)蘇造成負面影響;3)政策力度不及預(yù)期的風險：如果國內(nèi)外政策對實現(xiàn)新能源汽車支持力度軟化或改變，導(dǎo)致政策出臺力度低于預(yù)期，將顯著影響新能源汽車市場整體規(guī)模;4)電動車自燃事故帶來的消費者信任風險：國內(nèi)外特斯拉車型曾發(fā)生過多起自燃事件，其采用的高鎳電池體系對產(chǎn)品本身的安全性是一大考驗。若特斯拉再度發(fā)生自燃事件，或?qū)⒁l(fā)消費者的信任危機，給產(chǎn)品銷量帶來負面影響。

01 特斯拉的動力電池夢

1.1 特斯拉布局動力電池

特斯拉在電動汽車關(guān)鍵零部件動力電池的規(guī)劃和布局方面一直動作頻頻。

一方面，特斯拉在電池材料領(lǐng)域推行去鈷化、無鈷化。從最早的車型Roadster采用鈷酸鋰電池到后來的Model S/X/3采用NCA電池，鈷的用量大幅減少。2018年6月，馬斯克表示當時特斯拉電池中鈷的含量僅為3%，未來將實現(xiàn)“無鈷化”。2020年2月，路透社援引知情人士消息稱，特斯拉正在和寧德時代展開深入談判，準備在上海工廠生產(chǎn)的電動車中使用不含鈷的電池，旗下首批無鈷化車型有望率先在中國推出。

另一方面，特斯拉致力于掌握動力電池核心技術(shù)。2014年7月，特斯拉與松下合資建設(shè)動力電池超級工廠;2019年先后收購超級電容生產(chǎn)商Maxwell和鋰電設(shè)備制造商Hibar;最近有媒體報道特斯拉正在弗里蒙特建造一條試點電池生產(chǎn)線，并在設(shè)計自己的電池生產(chǎn)設(shè)備，還有媒體預(yù)測特斯拉可能已經(jīng)收購了鋰離子電池初創(chuàng)公司SilLion(為商用圓柱形電池研發(fā)高負載硅陽極和電極技術(shù))。在2020年4月的電池大會上，特斯拉將會公布新電池的信息，屆時特斯拉多年來的電池研發(fā)成果預(yù)計將引發(fā)廣泛關(guān)注，加快行業(yè)變革。

1.2 Maxwell：超級電容龍頭，掌握干電極技術(shù)

Maxwell創(chuàng)辦于1965年，1983年在納斯達克上市，1992年開始涉足超級電容器，并于2005年推出首款大容量超級電容;2017年獲得Nesscap能源核心業(yè)務(wù)，2019年2月被特斯拉以2.18億美元收購，于2019年5月退市。

公司總部在美國加州圣地亞哥，在美國、德國、中國和韓國建有設(shè)計中心、制造工廠或銷售網(wǎng)點。公司規(guī)模較小，截至2018年，公司在四個國家的總員工人數(shù)367人，其中中國有27人;公司多位高管有計算機、電子等領(lǐng)域的知識背景和半導(dǎo)體行業(yè)的從業(yè)經(jīng)歷。

公司主要業(yè)務(wù)包括超級電容器、高壓電容器(2018年剝離)和減輕輻射微電子產(chǎn)品(2016年剝離)，經(jīng)過多年發(fā)展，已成為全球領(lǐng)先的超級電容制造商，旗下超級電容產(chǎn)品涵蓋標準系列、XP系列、DuraBlue系列等多個品類，綜合了高功率密度、長循環(huán)壽命、快速充放電等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、電網(wǎng)儲能、風電、UPS、消費和工業(yè)電子產(chǎn)品、機器人等領(lǐng)域。除此之外，Maxwell還是少數(shù)將干電極技術(shù)運用于超級電容生產(chǎn)的廠商，掌握干電級生產(chǎn)的核心技術(shù)。

公司客戶眾多，覆蓋領(lǐng)域廣。在汽車領(lǐng)域，公司的超級電容用于吉利的微混及插混車型，客戶還包括其他一線主機廠和大陸集團等零部件供應(yīng)商;在軌道交通領(lǐng)域，公司幫助中國中車開發(fā)新型鋰離子電容;在工業(yè)領(lǐng)域，公司為西門子開發(fā)網(wǎng)格能量存儲系統(tǒng);在風電領(lǐng)域，公司與金風科技子公司北京天誠同創(chuàng)電氣開展業(yè)務(wù)合作。

收入縮減，盈利能力下滑。2014年之后，Maxwell營業(yè)收入進入下降通道，2018年營業(yè)收入9046萬美元，同比下降30.6%，主要因為2017年的收入中包含高壓電容器業(yè)務(wù)，而2018年已將其剝離;若扣除這部分影響，2018年營收增長3.1%。毛利率由最高的40%下降到10%左右，凈利潤已連續(xù)5年為負。盡管公司盈利水平難言樂觀，但特斯拉仍以55%的溢價率進行收購，表明特斯拉看重公司的核心技術(shù)實力，雙方的合作有望產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。

02 新技術(shù)路線猜想：干電極+超級電容

我們認為特斯拉將大概率依托Maxwell的技術(shù)方向來決定自產(chǎn)電池的路線。綜合考慮Maxwell的產(chǎn)品技術(shù)、專利情況和特斯拉原有的技術(shù)路徑，我們認為特斯拉自產(chǎn)的新型電池將是高鎳正極+硅碳負極(摻鋰)+干電極+超級電容的組合。

2.1 干電極：性能提升，成本下降

干電極電池與傳統(tǒng)電池的差異主要體現(xiàn)在極片的制造工藝上。傳統(tǒng)的鋰電池制造將具有粘合劑材料的溶劑NMP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。干電極技術(shù)不使用溶劑，而是將少量(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，最后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。

與傳統(tǒng)的濕法工藝相比，干電極技術(shù)主要有以下優(yōu)點：

1)壓實密度高，對高鎳電池材料體系的兼容性更強。當前高鎳正極+硅碳負極的電池材料體系是鋰電池發(fā)展的主流方向之一。

正極方面，在傳統(tǒng)工藝的鋰電池生產(chǎn)條件下，高鎳正極熱穩(wěn)定性較差、表層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、鎳元素呈堿性易吸收水分，采用干電極的工藝可以有效緩解上述問題。

負極方面，硅碳材料的首次充放電效率低(首次循環(huán)在負極生成SEI膜造成容量損失)、膨脹大、長循環(huán)會帶來材料粉化。運用干電極的工藝在負極采用預(yù)鋰技術(shù)，將提高電池的容量。Maxwell在預(yù)鋰技術(shù)方面早有儲備;根據(jù)美國專利局的公開信息，Maxwell在2018年申請的專利中，硅碳負極預(yù)鋰化之后可提升首次循環(huán)效率至80.4%，而控制樣本(無預(yù)鋰)的硅碳負極首次循環(huán)效率僅為73.9%。

總的來說，相比傳統(tǒng)的工藝過程，干電極本身壓實密度高，同時該技術(shù)能夠?qū)⒅T如高鎳、硅等能量密度更高、液體敏感性更強的活性材料應(yīng)用在電極生產(chǎn)上，使得電池能量密度的提升更加容易，伴隨的風險更小。目前Maxwell采用干電極技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大于300Wh/kg的電芯能量密度，比當前濕電極電池高出10%以上;未來或?qū)⑦_到500Wh/kg。

2)成本較濕法工藝下降10%-20%+。干電極不使用有毒的NMP溶劑，更加環(huán)保，同時省掉了涂布、極片干燥等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低了物料和設(shè)備費用，簡化了生產(chǎn)工藝流程。如果算上潛在的能量密度提升帶來的成本下降，干電極工藝將進一步壓縮成本。當前干電極工藝帶來單車成本下降200-1000美元;Maxwell預(yù)計在本世紀20年代初實現(xiàn)超過350Wh/kg的電芯能量密度，對應(yīng)制造成本低于100美元/kWh。

3)其它重要性能的改善。包括循環(huán)壽命更長(是濕法工藝的2倍)、高溫穩(wěn)定性更好、充放電速率更高(干電極極片內(nèi)阻更小)、能量消耗更低等。

干電極技術(shù)已經(jīng)用于超級電容，鋰電池應(yīng)用難度較大。Maxwell是全球少數(shù)采用干電極技術(shù)生產(chǎn)超級電容的企業(yè)，該項技術(shù)已經(jīng)擁有了成熟的商業(yè)化應(yīng)用案例。超級電容正負極材料都采用活性炭，比表面積較高，極片膨脹系數(shù)低，對粘結(jié)性要求不高，采用干電極工藝難度不大;而商業(yè)化的鋰電池正負極材料比表面積小，充放電過程伴隨體積膨脹，制作的極片容易脫粉，因此對粘結(jié)性要求高，目前的干電極工藝還難以滿足生產(chǎn)要求。

Maxwell表示已經(jīng)將干電極技術(shù)應(yīng)用于鋰電池。2016年，公司與一家全球領(lǐng)先的汽車制造商和一家全球性的零部件一級供應(yīng)商簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，基于概念論證來證明干電極具備中試階段的良好性能。公司同時在2018年年報中明確表示，已經(jīng)開發(fā)和改進(have developed and transformed)已有的干電極技術(shù)應(yīng)用于電池的生產(chǎn)，認為干電極技術(shù)有潛力在電池行業(yè)特別是在電動車領(lǐng)域(particularly for use in electric vehicles)成為一項開創(chuàng)性(groundbreaking)技術(shù)，使用這項技術(shù)將獲得比當今最先進的(state of the art)鋰電池更卓越的性能和更低的成本。公司在2018年年報中還表示計劃在2019年建設(shè)中試生產(chǎn)設(shè)施，以進一步證明這項技術(shù)帶來的好處和可行性。

2.2 超級電容：輔助動力源

功率密度高、循環(huán)壽命長。與電池相比，超級電容具有以下優(yōu)點：1)充放電速度快，是電池的100倍;2)單位功率傳輸質(zhì)量更低，功率密度更高;3)更高的充放電轉(zhuǎn)換效率，能量以電能而非化學(xué)能的形式儲存，因此能量損失較少;4)穩(wěn)定持續(xù)工作的溫度范圍更寬(-40o C to +65o C);5)無維護或低維護需求;6)循環(huán)壽命更長;7)無重金屬，不會帶來環(huán)境問題。超級電容擁有短時間快速充放電的能力，在汽車領(lǐng)域適合用于啟停系統(tǒng)。

超級電容的缺點也很明顯，單位電量成本高，并且能量密度低，作為電動車的主動力來源難度較大。

對于Maxwell的超級電容在特斯拉中的作用和扮演的角色，我們認為可以從以下兩個方面進行探討：

1)進一步開發(fā)介于電容和電池之間的混合儲能器件?；谶@一想法，Maxwell已經(jīng)開發(fā)出能夠量產(chǎn)的鋰離子電容，該儲能器件擁有與超級電容相似的功率密度和循環(huán)壽命，并且能量密度是超級電容的3倍，與鉛酸電池在一個水平上，但與鋰離子電池還存在不小的差距?？紤]到電容本身的特性，要想進一步在量級上縮小與鋰電池在能量密度上的差距，成為獨立的電動汽車主動力電源，難度較大。

2)鋰電池+超級電容(鋰離子電容)組合。將鋰電池和超級電容通過電路連接的方式進行集成。在高速行駛的車況下，電池作為主動力輸出平均功率;在加速、減速、反復(fù)啟停等狀態(tài)下，電容器介入作為動力釋放和回收的主要來源。考慮到Maxwell已經(jīng)在2017年申請了一套基于混合動力平臺的超級電容+鋰電池的系統(tǒng)集成方案的專利，我們認為特斯拉未來將引進電池為主動力、超級電容為輔助電源的解決方案，在保證電動車續(xù)航的同時，優(yōu)化行車過程，提供更好的駕駛體驗。

電池日上可能給出新型電池的方案、進度以及電池量產(chǎn)的計劃?；谝陨戏治觯覀冋J為特斯拉自產(chǎn)的新型電池將是高鎳正極+硅碳負極(摻鋰)+干電極+超級電容的組合。我們預(yù)測即將于4月份舉辦的電池日可能涉及以下內(nèi)容：

1)給出新型電池的方案。比如電池的材料體系、干電極工藝的優(yōu)勢、新型電池的性能參數(shù)、超級電容的作用等。特斯拉可能在會上帶來全新的電化學(xué)技術(shù)。此外，特斯拉在上海工廠使用的無鈷電池的具體情況預(yù)計也會在大會上披露。

2)公布新型電池的進度。包括新型電池能否量產(chǎn)，量產(chǎn)還要解決的問題等。我們認為干電極技術(shù)在電動車上的生產(chǎn)應(yīng)用的研究和實踐大概率取得了突破性進展。

3)披露新型電池的量產(chǎn)的計劃。包括量產(chǎn)的時間節(jié)點、產(chǎn)能規(guī)模、生產(chǎn)地點等信息。我們認為特斯拉的新型電池量產(chǎn)會在2021年以后，中短期內(nèi)還是以外購為主;在美國、上海和歐洲都會有自建電池工廠進行電池生產(chǎn)的計劃。

03 投資建議

特斯拉將于2020年4月在Battery Day公布新型電池的相關(guān)情況，預(yù)計會對干電極技術(shù)在鋰電池上的適用情況以及超級電容的相關(guān)應(yīng)用進行說明。根據(jù)上文中Maxwell對干電極技術(shù)在電動車領(lǐng)域的使用進行的諸多的實驗和工作，我們認為干電極技術(shù)在電動車上的生產(chǎn)應(yīng)用的研究和實踐大概率取得了進展。對此，把握以下三條主線：

1)干電極技術(shù)是對電池生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，沒有改變當前的電池材料體系，并且會加速鋰電池向高鎳化方向發(fā)展。強烈推薦具備技術(shù)優(yōu)勢的高鎳三元正極材料龍頭企業(yè)當升科技;干電極電池的發(fā)展將會帶動高鎳添加劑、成膜添加劑等新型添加劑的用量增加，推薦在新型添加劑領(lǐng)域具備深厚技術(shù)積累的電解液龍頭新宙邦。

2)超級電容具有功率密度高、循環(huán)壽命長的顯著優(yōu)勢，有望作為電動車上的輔助電源提升車輛的駕駛性能。推薦全球最大的超級化學(xué)品配套企業(yè)新宙邦。

3)特斯拉的新型電池從研發(fā)成功到量產(chǎn)需要一定的過程，預(yù)計2021年后會量產(chǎn)電池，短期內(nèi)動力電池還是以外供為主。持續(xù)關(guān)注特斯拉國產(chǎn)化、LG化學(xué)/寧德時代供應(yīng)鏈的投資機會。強烈推薦寧德時代、匯川技術(shù)，推薦璞泰來、星源材質(zhì)、臥龍電驅(qū)，關(guān)注恩捷股份。

04 風險提示

1) 新技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用不及預(yù)期的風險：干電極技術(shù)在鋰電池的商業(yè)化應(yīng)用仍有待進一步觀察，難以一蹴而就。

2) 疫情影響時間延長的風險：若疫情中短期內(nèi)無法有效控制，可能導(dǎo)致企業(yè)復(fù)工時間和消費者購買需求的延后，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的復(fù)蘇造成負面影響。

3) 政策力度不及預(yù)期的風險：如果國內(nèi)外政策對實現(xiàn)新能源汽車支持力度軟化或改變，導(dǎo)致政策出臺力度低于預(yù)期，將顯著影響新能源汽車市場整體規(guī)模。

4) 電動車自燃事故帶來的消費者信任風險：國內(nèi)外特斯拉車型曾發(fā)生過多起自燃事件，其采用的高鎳電池體系對產(chǎn)品本身的安全性是一大考驗。若特斯拉再度發(fā)生自燃事件，或?qū)⒁l(fā)消費者的信任危機，給產(chǎn)品銷量帶來負面影響。