【研報】電氣設備行業：特斯拉電池風云-20200303[32頁].pdf

1、 證券證券研究報告研究報告行業深度報告行業深度報告 特斯拉特斯拉：電池風云電池風云 特斯拉動力電池技術布局：長壽命特斯拉動力電池技術布局：長壽命& &無鈷愿景無鈷愿景 特斯拉技術專利的主要分布為電氣系統、動力電池結構、溫 控、連接等。電池材料核心內容主要發明人為 J.R.Dahn 教授，領 域包括高鎳正極、電解液添加劑高鎳正極、電解液添加劑。高鎳（無鈷）正極的研究成果高鎳（無鈷）正極的研究成果 為 LiNi0.95Al0.05O2芯殼結構材料，C/5 循環 400 次容量保持率不足 70%， 降至約 160mAh/g。 考慮到鈷在阻礙鎳鋰混排方面的關鍵性鈷在阻礙鎳鋰混排方面的關鍵性 作用作用，

2、其大概率仍是高鎳大概率仍是高鎳體系體系動力鋰離子電池的必需元素動力鋰離子電池的必需元素。電解電解 液添加劑及長壽命電池液添加劑及長壽命電池的研究成果為使用 NMC532 單晶正極、 石單晶正極、 石 墨負極墨負極的電池深度充放循環壽命高達 4000 次次以上，還保留著超 過 90%的容量； 日歷壽命推斷也較長。 長壽命電池是實現整車 “百長壽命電池是實現整車 “百 萬英里” 、油電“同壽同權”的關鍵萬英里” 、油電“同壽同權”的關鍵。 特斯拉收購電池相關特斯拉收購電池相關技術：理想與探索技術：理想與探索 特斯拉通過收購方式取得的技術是干法電極技術，可能還包 括離子液體-富硅負極技術。 干法電極

3、技術干法電極技術以粘結劑、導電劑等混合電極活性材料并壓延 成膜，可節約溶劑、縮短工時、避免溶劑殘留、降低設備復雜度節約溶劑、縮短工時、避免溶劑殘留、降低設備復雜度， 但產品材料均勻性是較大挑戰材料均勻性是較大挑戰。Maxwell 有關專利顯示進展為 NMC111 正極正極，0.5C- 1C 充放，深度循環 2000 次剩余容量 85%， 高鎳無壽命數據高鎳無壽命數據；硫硫系系正極、預鋰化負極正極、預鋰化負極或也有前景。高鎳正極高鎳正極 -離子液體離子液體-富硅負極富硅負極樣品 C/5 充放、深度循環 100 次后能量密度 大于 300Wh/kg，剩余容量 90%，但對溫度范圍敏感，成本高。 特

4、斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來特斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來 特斯拉作為追趕者涉足電池領域需布局優化需求強烈布局優化需求強烈/有可有可 能產生技術變革的方向能產生技術變革的方向。我們估計，特斯拉在電池日上將公布電公布電 池技術的進展和前瞻、電池技術和整車的協同情況池技術的進展和前瞻、電池技術和整車的協同情況、自建電池廠自建電池廠 的路線圖、合作伙伴的有關供貨信息的路線圖、合作伙伴的有關供貨信息等內容等內容。 特斯拉在動力電池領域的入局相當程度上對提升產業景氣 度、吸引人才進入相應領域有積極作用，但是現有動力電池產業現有動力電池產業 格局大概率不會被特斯拉顛覆，現有材料體系大概率在較長一段格局

5、大概率不會被特斯拉顛覆，現有材料體系大概率在較長一段 時間內仍是產業的主流選擇。中國動力電池供應鏈和特斯拉的關時間內仍是產業的主流選擇。中國動力電池供應鏈和特斯拉的關 系仍將以系仍將以優勢互補優勢互補為主為主，符合產業趨勢、技術實力強勁、成本控 制到位的供應鏈公司有望持續獲取新能源汽車產業騰飛紅利。 投資評價和建議投資評價和建議 建議投資者關注電池核心環節的全球動力電池龍頭企業，并 關注材料企業：正極材料：容百科技、當升科技、長遠鋰科、廈 門鎢業，以及受益特斯拉催化劑的磷酸鐵鋰標的：德方納米、湘 潭電化；負極材料：中科電氣、凱金能源；電解液：天賜材料、 新宙邦；隔膜：恩捷股份；結構件：科達利；

6、銅箔：嘉元科技（有 色覆蓋） ；電氣部件：宏發股份。 風險分析風險分析 特斯拉技術優勢降低；新能源汽車產業發展不及預期。 維持維持 買入買入 楊藻楊藻 呂娟呂娟 執業證書編號：S1440520010003 研究助理研究助理 張亦弛張亦弛 010- 85159272 研究助理研究助理 張鵬張鵬 010-86451496 - 執業證書編號：S1440519080001 發布日期： 2020 年 03 月 03 日 市場市場表現表現 相關研究報告相關研究報告 -13% -3% 7% 17% 27% 2019/3/4 2019/4/4 2019/5/4 2019/6/4 2019/7/4 2019/8

7、/4 2019/9/4 2019/10/4 2019/11/4 2019/12/4 2020/1/4 2020/2/4 電氣設備上證指數 電氣設備電氣設備 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 目錄目錄 一、特斯拉動力電池技術布局：長壽命&無鈷愿景 . 1 1、特斯拉本體技術布局：電氣基本盤，電池占比低 . 1 2、高鎳無鈷正極：或臨倍率性能妥協？. 2 3、電解液添加劑：踏上電池長壽命征途. 6 二、特斯拉收購電池相關技術：理想與探索 .11 1、Maxwell 技術布局：干法電極向電池領域進發 .11 2、干法正極：三元迎倍率挑戰，硫系或奇兵出擊 . 13 3、干法

8、負極：倍率同迎接挑戰，期待預鋰化硅碳突破 . 17 4、離子液體+富硅負極：瑕瑜互見，前方高能 . 19 三、特斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來 . 22 1、尚存差距，特斯拉已知電池技術 pk 中國龍頭 . 22 2、雖已力尋蹊徑，仍需風雨兼程 . 24 投資評價和建議 . 27 風險分析 . 27 圖表目錄圖表目錄 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-循環性能 . 3 圖表 5： 具備芯-殼結構的

9、無鈷高鎳前驅體及相應元素分析 . 3 圖表 6： LNO:NiAl83/17 正極材料低倍率容量-循環性能 . 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）正極形貌及其與對照組容量-循環性能 . 5 圖表 9： 特斯拉電解液添加劑相關專利 . 6 圖表 10： MDO、PDO、BS 等添加劑的結構式與合成路徑 . 7 圖表 11： 電池 4.3V、60oC 儲存 500h（上）和 4.3V 化成（下）的產氣量對比 . 7 圖表 12： 不同電解液添加劑對應的電池循環性能對比（上 622，下 532）

10、 . 8 圖表 13： 研究使用的電解液和添加劑結構式 . 8 圖表 14： 研究使用的電池單體性能參數 . 9 圖表 15： 不同 NMC532 樣品的測試電壓-溫度-倍率-時間對應的容量與電壓變化 . 9 圖表 16： 不同循環條件下電池容量變化；純電動乘用車的里程、容量和使用時間關系估計 . 10 圖表 17： Maxwell 專利布局 .11 圖表 18： Maxwell 干電極相關典型專利 .11 圖表 19： Maxwell 干電極制備工藝（并行流程） . 12 圖表 20： 常規鋰電池生產工藝流程 . 13 圖表 21： 干法 NMC111 正極容量-電壓曲線 . 13 圖表 2

11、2： 干法 NMC811 正極容量-電壓曲線 . 13 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 圖表 23： 干法 NMC111 樣品的容量-放電倍率 . 14 圖表 24： 干法 NMC111 樣品的循環壽命 . 14 圖表 25： 干法 NMC622-石墨厚電極基本參數 . 15 圖表 26： 干法 NMC622-石墨厚電極對應電池的不同倍率充放行為 . 15 圖表 27： 干法硫碳復合正極樣品的容量-電壓曲線（Maxwell） . 16 圖表 28： 干法硫碳復合正極（后加以潤濕）的容量-電壓曲線、容量-循環壽命曲線（放電 0.2C） . 16 圖表 29： 干法石

12、墨負極容量-電壓曲線 . 17 圖表 30： 不同工藝流程干法石墨負極的強度和首次循環效率 . 17 圖表 31： 不同硅含量的負極材料的理論容量 . 18 圖表 32： 4.7%硅碳復合負極的充放行為 . 18 圖表 33： 預鋰化負極容量 . 18 圖表 34： 預鋰化負極循環效率 . 18 圖表 35： 石墨基預鋰化薄膜的制備工藝流程和優化手段. 18 圖表 36： 預鋰化對干法硅碳負極首周容量衰減的補償作用 . 19 圖表 37： 可搭配高鎳正極的典型離子液體+富硅負極專利 . 19 圖表 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

13、有聚丙烯氰的硅基負極 . 20 圖表 40： NMC811 正極-離子液體-富硅負極紐扣電池性能 . 21 圖表 41： NMC622 正極-離子液體-富硅負極紐扣電池性能 . 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重點的動力電池* . 23 圖表 48： 寧德時代方形、圓柱無模組電池包 . 23 圖表 4

14、9： 比亞迪“刀片電池”對應電池包的結構和實施例性能表現 . 24 圖表 50： 特斯拉動力電池相關技術布局綜合評估 . 25 1 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 一、一、特斯拉動力電池特斯拉動力電池技術技術布局：長壽命布局：長壽命&無鈷愿景無鈷愿景 1、特斯拉特斯拉本體本體技術布局：電氣技術布局：電氣基本盤，電池占比低基本盤，電池占比低 “技術極客”是特斯拉公司的關鍵屬性。電子電氣架構、用能充能系統等的先進性奠定了其智能電動車產 品的銷量和地位。特斯拉的主要技術專利主要包括自研、外部收購獲得這兩部分。 特斯拉（Tesla Motors Inc/Tesla Inc

15、）截至 2020 年初已有 2200 余項專利公開，其主要分布為電氣系統、動力 電池結構、溫控、連接等。動力電池子項總量和占比均不高。和傳統動力電池龍頭相比，在動力電池相關專利 數量上的差距巨大。 圖表圖表1： 特斯拉專利布局特斯拉專利布局 資料來源：patsnap，中信建投證券研究發展部 特斯拉和動力電池相關的主要專利細項對應 IPC 小組 H01M10/0525，對應的主要發明者為鋰電先驅 Jeffery Raymond Dahn 教授。 Dahn 教授的主要研究領域是高鎳正極高鎳正極（本征鎳酸鋰材料、高鎳復合金屬酸鋰材料）和電解液添加劑電解液添加劑。其學 術論文和專利一起可以作為特斯拉在

16、動力電池領域的前瞻性技術儲備（學術論文發表于期刊 Journal of The Electrochemical Society，領域兼有二者；技術專利暫為長壽命電解液添加劑） ?？梢?，對相關內容進行細致比較對相關內容進行細致比較 研究，可以推斷相應技術路線特斯拉已達到的研究，可以推斷相應技術路線特斯拉已達到的水平；再深入進行有關機理分析，又可對其實現可能性進行一定水平；再深入進行有關機理分析，又可對其實現可能性進行一定 程度的前瞻估計程度的前瞻估計（電池的主要關注點為能量、倍率、壽命、成本、安全性；對于正負極，能量項等同于關注容電池的主要關注點為能量、倍率、壽命、成本、安全性；對于正負極，能量

17、項等同于關注容 量量/對鋰電壓； 充放倍率對鋰電壓； 充放倍率-充放深度充放深度-循環壽命同時提供時的數據信息量大； 循環壽命循環壽命同時提供時的數據信息量大； 循環壽命/日歷壽命日歷壽命/能量能量和溫度關系也和溫度關系也 2 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 較大；安全性可通過電池的熱行為進行一定程度評估；較大；安全性可通過電池的熱行為進行一定程度評估；紐扣電池紐扣電池/小容量軟包電池測試對應的技術成熟度不及商小容量軟包電池測試對應的技術成熟度不及商 用封裝手段電池）用封裝手段電池） 。 圖表圖表2： Jeffery Raymond Dahn 教授近期主要科研成果

18、教授近期主要科研成果 文獻文獻標題標題 主要領域主要領域 期刊和時間信息期刊和時間信息 Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1 高鎳正極 Journal of The Electrochemical Society, 165 (13) A2985-A2993 (2018) Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries? 高鎳正極 Journal of The Electrochemica

19、l Society, 166 (4) A429-A439 (2019) Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure 高鎳正極 Chemistry of Materials, 31(24) A10150-A10160(2019) Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells 電解液 Journal of The Electrochemical Society, 165 (13

20、) A2961-A2967 (2018) A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies 電解液和測試 標準 Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A3031-A3044 (2019) 資料來源：Web of Science, 中信建投證券研究發展部 2、高鎳無鈷正極：、高鎳無鈷正極：或臨或臨倍率性能妥協？倍率性能妥協？ Jef

21、fery Raymond Dahn 教授團隊在不同的論文中研究了鎳酸鋰及高鎳正極體系的相關內容。 在論文 Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1 中，J.R. Dahn 教授分析了鎳酸 鋰（以氫氧化鋰為鋰源、氫氧化鎳為前驅體合成）的性能表現及其機理：充放充放循環過程中的循環過程中的材料材料相變是影響性相變是影響性 能的關鍵因素。能的關鍵因素。 圖表圖表3： 鎳酸鋰的鎳酸鋰的容量容量-循環性能和電性能循環性能和電性能 資料來源: Updating the Structure and Electrochemi

22、stry of LixNiO2 for 0 x 1，中信建投證券研究發展部 作為上述研究的拓展，J.R. Dahn 教授團隊在論文 Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?中進一步分析了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 的低倍率循環條件下， 不同紐扣電池紐扣電池對應的 NCA80/15/05 （LiNi0.8Co0.15Al0.05O2） 正極、 NMg95/05 （LiNi0.95Mg0.05O2） 正極、NA95/05（Li

23、Ni0.95Al0.05O2）正極（前述正極鋰源均為氫氧化鋰）的名義容量/循環次數區別不大（后兩者 3 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 循環電壓有調整）, NMg95/05 的性能表現相對最好。故 J.R. Dahn 教授團隊認為，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 副反應，提升安全性；他們同時樂觀地認為（他們同時樂觀地認為（We are optimistic that原文如此）低含量摻雜原文如此）低含量摻雜/化學包覆改性化學包覆改性 可以可以對抗電池循環過程中的容量退降，對

24、抗電池循環過程中的容量退降，使使 LiNi1-xMxO2型正極材料擺脫鈷元素型正極材料擺脫鈷元素。 圖表圖表4： 不同高鎳不同高鎳-摻雜體系下的正極材料熱行為和低倍率摻雜體系下的正極材料熱行為和低倍率容量容量-循環性能循環性能 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展部 進一步的研究工作體現在論文Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell

25、structure中。 J.R. Dahn 教授團隊制備了以 Ni(OH)2為芯、Ni0.83M0.17(OH)2為殼（M=Mg、Al、Mn）的正極前驅體，平均化學 組成保持在 Ni0.95M0.05(OH)2；后續和氫氧化鋰煅燒成正極材料。 圖表圖表5： 具備芯具備芯-殼結構的無鈷高鎳前驅體及相應元素分析殼結構的無鈷高鎳前驅體及相應元素分析 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展部 煅燒過程結束后，鎂均勻分布于顆粒中，鋁和錳留存于顆粒表面

26、；含錳材料在鋰層顯示出大量鎳，說明了 4 行業深度報告報告 電氣設備電氣設備 請參閱最后一頁的重要聲明 鋰鎳混排現象加劇，含鋁、含鎂材料也有部分鋰鎳混排。 長時間低倍率循環（C/5）過程中，J.R. Dahn 教授團隊認為阻抗增加、活性物質流失等因素導致了正極容量 衰減。相對表現最好的 LNO:NiAl83/17 樣品在 400 次循環后僅剩余 69.4%容量。 圖表圖表6： LNO:NiAl83/17 正極材料低倍率容量正極材料低倍率容量-循環性能循環性能 資料來源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a co

27、re-shell structure，中信建投證券研究發展部 動力電池的材料體系內涵豐富，不同基體動力電池的材料體系內涵豐富，不同基體-摻雜元素的作用已被學術界進行了廣泛而深入的研究。摻雜元素的作用已被學術界進行了廣泛而深入的研究。 發表于發表于 Advanced Energy Materials 上的上的論文論文 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鈷對于降低鋰鎳混排有顯著作用 （Co substitution

28、 was highly effective in lowering the cation mixing between the Li and TM layers，原文如此） ；錳降低成本、改善熱穩定性，但錳降低成本、改善熱穩定性，但 是會一定程度增加鋰鎳混排；是會一定程度增加鋰鎳混排；鎂可以改善熱穩定性、抑制相變與正極釋氧；鋁抑制鎂可以改善熱穩定性、抑制相變與正極釋氧；鋁抑制相變相變，提升比重量容量。發，提升比重量容量。發 表于表于 Nature Energy 上的論文上的論文 High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based autom

29、otive batteries 歸納：歸納：在保 持可接受的功率、壽命和安全指標的同時，繼續推動提高能量密度、減少鈷等昂貴原材料的使用，需要一套戰繼續推動提高能量密度、減少鈷等昂貴原材料的使用，需要一套戰 略性的成分、形貌和微觀結構設略性的成分、形貌和微觀結構設計以及高效的材料生產工藝計以及高效的材料生產工藝；NCA 材料的無鈷化比材料的無鈷化比 NCM 的無鈷化相對的無鈷化相對可行可行。 發表于發表于 Sicence 上的論文上的論文 Cobalt in lithium-ion batteries（2020 年 2 月 28 日刊出）深入地分析了鈷摻雜的機 理。研究者認為：對一個高鎳正極層狀

30、材料體系而言，除物相本身的不穩定性和雜相生成的可能性外，Ni 具有具有 相對強的磁矩，三個呈三角排布的鎳導致“磁挫” （相對強的磁矩，三個呈三角排布的鎳導致“磁挫” （magnetic frustration，原文如此），原文如此） ，材料體系處于高能量不，材料體系處于高能量不 穩定狀態。鋰無磁矩，故有傾向進入鎳位使整個材料體系穩定化，但同時缺鋰的鋰氧層狀結構層間距減小，阻穩定狀態。鋰無磁矩，故有傾向進入鎳位使整個材料體系穩定化，但同時缺鋰的鋰氧層狀結構層間距減小，阻 礙鋰的傳輸，導致正極的容量不可逆衰減。礙鋰的傳輸，導致正極的容量不可逆衰減。鈷的摻雜鈷的摻雜作用同樣是因為其無磁矩，可穩定材料體系，抑制不需要作用同樣是因為其無磁矩，可穩定材料體系，抑制不需要 的鋰鎳混排的鋰鎳混排。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，并在動力學上不利于倍率性能發揮；多個材料體系耦合，但可能有嚴重的相變存在；使用陰離子氧