特斯拉的动力电池梦.pdf

行业深度报告 特斯拉的动力电池梦 行业深度报告 行业报告 请务必阅读正文后免责条款 电力设备 2020年02月28日 强于大市（维持） 行情走势图 相关研究报告 行业动态跟踪报告*电力设备*海外风机龙头订单大增，国内疫情不改景气趋势 2020-02-09 行业点评*电力设备*特斯拉签约宁德时代，一场如期而至的盛会 2020-02-04 行业动态跟踪报告*电力设备*海外工控巨头如何看 2020年行业景气度 2019-12-30 证券分析师 朱栋 投资咨询资格编号 S1060516080002 021-20661645 ZHUDONG615PINGAN 皮秀 投资咨询资格编号 S1060517070004 010-56800184 PIXIU809PINGAN 特斯拉电池日将在 2020年4月召开，将会公布新型电池的进展情况。本文通过梳理分析特斯拉收购的Maxwell拥有的干电极相关技术和专利，对特斯拉自产电池可能选择的技术路线做出初步判断。我们预测特斯拉的动力电池，有望采用高镍正极+硅碳负极（掺锂）+干电极+超级电容的技术组合。 特斯拉在电池领域有哪些布局？特斯拉在电池材料领域推行去钴化、无钴化。从最早的车型 Roadster 采用钴酸锂电池到后来的 Model S/X/3 采用NCA电池，钴的用量大幅减少。特斯拉还准备在上海工厂生产的电动车中使用不含钴的电池。另一方面，特斯拉致力于掌握动力电池核心技术。2014年 7 月，特斯拉与松下合资建设动力电池超级工厂；2019 年先后收购超级电容生产商 Maxwell 和锂电设备制造商 Hibar；还有媒体预测特斯拉可能已经收购了锂离子电池初创公司SilLion。 特斯拉未来的电池技术路线是怎样的？ 锂电池（干电极工艺+高镍正极+预锂化硅碳负极）+超级电容（锂离子电容）组合。高镍材料体系是锂电池发展的主流方向，干电极的工艺改善可以加快高镍化的进程。在动力源方面，将锂电池和超级电容通过电路连接的方式进行集成。在高速行驶的车况下，电池作为主动力输出平均功率；在加速、减速、反复启停等状态下，电容器介入作为动力释放和回收的主要来源。Maxwell 已经在 2017年申请了一套基于混合动力平台的超级电容+锂电池的系统集成方案的专利，我们认为特斯拉未来将引进电池为主动力、超级电容为辅助电源的解决方案，在保证电动车续航的同时，优化行车过程，提供更好的驾驶体验。 Maxwell 是一家什么样的公司？Maxwell 创办于 1965 年，主要业务包括超级电容器、高压电容器和减轻辐射微电子产品，已成为全球领先的超级电容制造商，旗下客户包括吉利、沃尔沃、大陆集团、西门子等。Maxwell是少数将干电极技术运用于超级电容生产的厂商，尽管公司盈利水平难言乐观，但特斯拉仍以 55%的溢价率进行收购，表明特斯拉看重公司的核心技术实力，双方的合作有望产生显著的协同效应。 干电极技术有哪些优点和应用难点？与传统的湿法工艺相比，干电极技术主要有以下优点：1）压实密度高，对高镍电池材料体系的兼容性更强；2）成本较湿法工艺下降10%-20%+；3）循环寿命更长、高温稳定性更好、充放电速率更高、能量消耗更低等。干电极技术在锂电池上的应用难点在于干电极技术制作的极片容易脱粉，因此对粘结性要求高，目前的干电极工艺还难以满足生产要求。 -10%0%10%20%30%Feb-19 May-19 Aug-19 Nov-19沪深300 电力设备证券研究报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 2 / 15 超级电容有哪些优缺点？与电池相比，超级电容具有以下优点：1）充放电速度快，是电池的100倍；2）单位功率传输质量更低，功率密度更高；3）更高的充放电转换效率，能量以电能而非化学能的形式储存，因此能量损失较少；4）稳定持续工作的温度范围更宽（ 40 C to +65 C）； 5）无维护或低维护需求；6）循环寿命更长；7）无重金属，不会带来环境问题。超级电容拥有短时间快速充放电的能力，在汽车领域适合用于启停系统。超级电容的缺点在于单位电量成本高，并且能量密度低，作为电动车的主动力来源难度较大。 投资建议：1）干电极技术是对电池生产工艺的优化，没有改变当前的电池材料体系，并且会加速锂电池向高镍化方向发展。强烈推荐具备技术优势的高镍三元正极材料龙头企业当升科技；干电极技术的发展将会带动高镍添加剂、成膜添加剂等新型添加剂的用量增加，推荐在新型添加剂领域具备深厚技术积累的电解液龙头新宙邦。2）超级电容具有功率密度高、循环寿命长的显著优势，有望作为电动车上的辅助电源提升车辆的驾驶性能。推荐全球最大的超级化学品配套企业新宙邦。3）特斯拉的新型电池从研发成功到量产需要一定的过程，中短期内动力电池还将以外供为主。持续关注特斯拉国产化、LG化学/宁德时代供应链的投资机会。强烈推荐宁德时代、汇川技术，推荐璞泰来、星源材质、卧龙电驱，关注恩捷股份。 风险提示：1）新技术商业化应用不及预期的风险：干电极技术在锂电池的商业化应用仍有待进一步观察，难以一蹴而就；2）疫情影响时间延长的风险：若疫情中短期内无法有效控制，可能导致企业复工时间和消费者购买需求的延后，对新能源汽车产业的复苏造成负面影响；3）政策力度不及预期的风险：如果国内外政策对实现新能源汽车支持力度软化或改变，导致政策出台力度低于预期，将显著影响新能源汽车市场整体规模；4）电动车自燃事故带来的消费者信任风险：国内外特斯拉车型曾发生过多起自燃事件，其采用的高镍电池体系对产品本身的安全性是一大考验。若特斯拉再度发生自燃事件，或将引发消费者的信任危机，给产品销量带来负面影响。 fWbWqVvXgZmVkWcVyXrRpM6M8Q7NsQnNtRqQkPoOpNfQpNzR7NmNnRxNtQmRMYmQmQ电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 3 / 15 正文目录 一、 特斯拉的动力电池梦 . 5 1.1 特斯拉布局动力电池 . 5 1.2 Maxwell：超级电容龙头，掌握干电极技术 . 6 二、 新技术路线猜想：干电极+超级电容 . 9 2.1 干电极：性能提升，成本下降 . 9 2.2 超级电容：辅助动力源 . 12 三、 投资建议 . 14 四、 风险提示 . 14 电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 4 / 15 图表目录 图表1 特斯拉动力电池迭代过程 . 5 图表2 特斯拉致力于掌握动力电池核心技术 . 6 图表3 Maxwell高管及履历 . 6 图表4 Maxwell超级电容单体产品 . 7 图表5 Maxwell部分客户情况 . 8 图表6 Maxwell营收和毛利率下滑 单位：百万美元 . 8 图表7 Maxwell净利润持续为负 单位：百万美元 . 8 图表8 干电极制作工艺流程 . 9 图表9 Maxwell预锂化技术专利 . 10 图表10 Maxwell预锂化技术可提升首次循环效率 . 10 图表11 干电极电池能量密度提升，制造成本下降 . 10 图表12 干电极的循环和倍率性能更优 . 11 图表13 干电极电池与传统锂电池的比较 . 11 图表14 超级电容功率密度高，循环寿命长 . 12 图表15 锂离子电容能量密度与锂电池存在较大差距 . 13 图表16 Maxwell锂电池+超级电容电路图 . 13 图表17 Maxwell锂电池+超级电容内部结构 . 13 图表18 主要上市公司盈利预测及投资评级 . 14 电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 5 / 15 一、 特斯拉的动力电池梦 1.1 特斯拉布局动力电池 特斯拉在电动汽车关键零部件动力电池的规划和布局方面一直动作频频。 一方面，特斯拉在电池材料领域推行去钴化、无钴化。从最早的车型 Roadster采用钴酸锂电池到后来的 Model S/X/3采用 NCA电池，钴的用量大幅减少。2018年 6月，马斯克表示当时特斯拉电池中钴的含量仅为 3，未来将实现“无钴化”。2020 年 2 月，路透社援引知情人士消息称，特斯拉正在和宁德时代展开深入谈判，准备在上海工厂生产的电动车中使用不含钴的电池，旗下首批无钴化车型有望率先在中国推出。 图表1 特斯拉动力电池迭代过程 Roadster Model S Model X Model 3 Model 3国产标准续航 自产电池 上市时间 2008 2012 2014 2017 2019 预计2021年后 电池供应商 松下 松下 松下 松下进口/LG化学 特斯拉 电芯类型 18650 18650 18650 21700 21700 正极体系 LCO NCA NCA NCA NCA/NCM811 高镍（少钴或无钴） 负极体系 石墨 石墨 石墨 硅碳 硅碳/石墨 硅碳（掺锂） 电芯容量（Ah） 2.2 3.1 3.1 4.8 4.8/4.7 电芯数量（个） 6831 7104 7104 4416 2976 单体能量密度（Wh/kg） 210 245 250 260 256/257 300以上 资料来源：知化汽车，平安证券研究所 另一方面，特斯拉致力于掌握动力电池核心技术。2014年7月，特斯拉与松下合资建设动力电池超级工厂；2019 年先后收购超级电容生产商 Maxwell和锂电设备制造商 Hibar；最近有媒体报道特斯拉正在弗里蒙特建造一条试点电池生产线，并在设计自己的电池生产设备，还有媒体预测特斯拉可能已经收购了锂离子电池初创公司 SilLion（为商用圆柱形电池研发高负载硅阳极和电极技术）。在2020年 4月的电池大会上，特斯拉将会公布新电池的信息，届时特斯拉多年来的电池研发成果预计将引发广泛关注，加快行业变革。 电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 6 / 15 图表2 特斯拉致力于掌握动力电池核心技术 资料来源：高工锂电，平安证券研究所 1.2 Maxwell：超级电容龙头，掌握干电极技术 Maxwell创办于 1965年，1983年在纳斯达克上市，1992年开始涉足超级电容器，并于 2005年推出首款大容量超级电容；2017 年获得 Nesscap 能源核心业务，2019 年 2 月被特斯拉以 2.18 亿美元收购，于 2019年5月退市。 公司总部在美国加州圣地亚哥，在美国、德国、中国和韩国建有设计中心、制造工厂或销售网点。公司规模较小，截至 2018年，公司在四个国家的总员工人数 367人，其中中国有 27人；公司多位高管有计算机、电子等领域的知识背景和半导体行业的从业经历。 图表3 Maxwell高管及履历 高管 职位和履历 Franz Fink 总裁兼首席执行官。获得慕尼黑大学计算机科学与电气工程硕士学位和计算机辅助设计博士学位；1991年到 2003年，获得摩托罗拉半导体部门高级管理职位；2003年到2006年，任飞思卡尔半导体高级副总裁兼总经理；2006年到 2012年，任加拿大半导体公司根纳姆总裁兼首席执行官；2012年到2014年 4月，成为工业和汽车市场的独立商业顾问；2014年 5月加入 Maxwell。 David Lyle 高级副总裁兼首席财务官。获得南加州大学商业科学学士学位和亚利桑那州立大学商业管理硕士学位；2004年以前，任半导体公司 Mobilian Corporation首席财务官；2004年到 2015年 7月，任博通公司手机通讯部门财务总监；2005年 8月到2007年6月，任RF Magic首席财务官2007年7月到2015年5月，任Entropic Communications首席财务官；2015年 5月加入 Maxwell。 2014年7月，与松下投资50亿美元建设动力电池超级工厂2019年2月，以2.18亿美元溢价55%收购超级电容生产商Maxell2019年10月，收购加拿大锂电设备制造商Hibar2020年2月，媒体预测特斯拉可能已经收购了锂离子电池初创公司SilLion电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 7 / 15 Everett Wiggins 运营副总裁。获得罗斯霍曼理工学院电子工程学士学位；2001年之前，获得Quantum公司高级管理职位；2001年到 2005年，任 Quantum公司产品工程与质量副总裁；2005年到2006年，任迈拓公司持续工程副总裁；2006加入Maxwell，任质量部门副总裁和高级运营总监，2011年成为运营副总裁。 Emily Lough 法律顾问、副总裁。获得华盛顿大学化学工程学士学位和托马斯杰斐逊法律学院博士学位；2007年加入 Maxwell，2019年 1月成为副总裁 资料来源：公司官网，平安证券研究所 公司主要业务包括超级电容器、高压电容器（2018年剥离）和减轻辐射微电子产品（2016年剥离），经过多年发展，已成为全球领先的超级电容制造商，旗下超级电容产品涵盖标准系列、XP 系列、DuraBlue系列等多个品类，综合了高功率密度、长循环寿命、快速充放电等优点，广泛应用于汽车、电网储能、风电、UPS、消费和工业电子产品、机器人等领域。除此之外，Maxwell 还是少数将干电极技术运用于超级电容生产的厂商，掌握干电级生产的核心技术。 图表4 Maxwell超级电容单体产品 资料来源：公司官网，平安证券研究所 公司客户众多，覆盖领域广。在汽车领域，公司的超级电容用于吉利的微混及插混车型，客户还包括其他一线主机厂和大陆集团等零部件供应商；在轨道交通领域，公司帮助中国中车开发新型锂离子电容；在工业领域，公司为西门子开发网格能量存储系统；在风电领域，公司与金风科技子公司北京天诚同创电气开展业务合作。 电压（V ） 容量（F ）标准系列 2 .7 - 3 .0 3-450X P 系列 2 .7 - 3 .0 3-50D u r a B lu e系列2 .7 - 3 .03000-3400汽车峰值功率辅助、车载和轨旁轨道、混合动力汽车、重工业设备、风力发电机变桨控制、汽车发动机启停c e ll系列 下游应用U P S 与工业电源、固态硬盘、备份系统、安全设备、消费和工业电子、烟雾报警器、机器人、手持设备、应急照明、无线传输器智能电表、医疗设备、汽车（数据记录、高级驾驶员辅助系统、自动驾驶）、远程通讯、机器人、U P S电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 8 / 15 图表5 Maxwell部分客户情况 资料来源：公司财报，平安证券研究所 收入缩减，盈利能力下滑。2014年之后，Maxwell营业收入进入下降通道，2018年营业收入 9046万美元，同比下降 30.6%，主要因为 2017年的收入中包含高压电容器业务，而 2018年已将其剥离；若扣除这部分影响，2018年营收增长 3.1%。毛利率由最高的 40%下降到 10%左右，净利润已连续5 年为负。尽管公司盈利水平难言乐观，但特斯拉仍以 55%的溢价率进行收购，表明特斯拉看重公司的核心技术实力，双方的合作有望产生显著的协同效应。 图表6 Maxwell营收和毛利率下滑 单位：百万美元 图表7 Maxwell净利润持续为负 单位：百万美元 资料来源: wind、平安证券研究所 资料来源：wind、平安证券研究所 0%10%20%30%40%50%0501001502002502010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018营业收入 毛利率（右）-50-40-30-20-100102010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 9 / 15 二、 新技术路线猜想：干电极+超级电容 我们认为特斯拉将大概率依托 Maxwell的技术方向来决定自产电池的路线。综合考虑 Maxwell的产品技术、专利情况和特斯拉原有的技术路径，我们认为特斯拉自产的新型电池将是高镍正极+硅碳负极（掺锂）+干电极+超级电容的组合。 2.1 干电极：性能提升，成本下降 干电极电池与传统电池的差异主要体现在极片的制造工艺上。传统的锂电池制造将具有粘合剂材料的溶剂 NMP 与负极或正极粉末混合后，把浆料涂在电极集电体上并干燥。干电极技术不使用溶剂，而是将少量（约 5-8）细粉状 PTFE粘合剂与正极粉末混合，然后将混合的正极+粘合剂粉末通过挤压机形成薄的电极材料带，最后将挤出的电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。 图表8 干电极制作工艺流程 资料来源：Astroys，平安证券研究所 与传统的湿法工艺相比，干电极技术主要有以下优点： 1）压实密度高，对高镍电池材料体系的兼容性更强。当前高镍正极+硅碳负极的电池材料体系是锂电池发展的主流方向之一。 正极方面，在传统工艺的锂电池生产条件下，高镍正极热稳定性较差、表层结构不稳定、镍元素呈碱性易吸收水分，采用干电极的工艺可以有效缓解上述问题。 负极方面，硅碳材料的首次充放电效率低（首次循环在负极生成 SEI膜造成容量损失）、膨胀大、长循环会带来材料粉化。运用干电极的工艺在负极采用预锂技术，将提高电池的容量。Maxwell 在预锂技术方面早有储备；根据美国专利局的公开信息，Maxwell在 2018年申请的专利中，硅碳负极预锂化之后可提升首次循环效率至 80.4%，而控制样本（无预锂）的硅碳负极首次循环效率仅为 73.9%。 电力设备行业深度报告 请务必阅读正文后免责条款 10 / 15 图表9 Maxwell预锂化技术专利 图表10 Maxwell预锂化技术可提升首次循环效率 资料来源: US Patent、平安证券研究所 资料来源：US Patent、平安证券研究所 总的来说，相比传统的工艺过程，干电极本身压实密度高，同时该技术能够将诸如高镍、硅等能量密度更高、液体敏感性更强的活性材料应用在电极生产上，使得电池能量密度的提升更加容易，伴随的风险更小。目前 Maxwell 采用干电极技术已经能够实现大于 300Wh/kg 的电芯能量密度，比当前湿电极电池高出 10%以上；未来或将达到 500Wh/kg。 2）成本较湿法工艺下降 10%-20%+。干电极不使用有毒的NMP溶剂，更加环保，同时省掉了涂布、极片干燥等生产环节，降低了物料和设备费用，简化了生产工艺流程。如果算上潜在的能量密度提升带来的成本下降，干电极工艺将进一步压缩成本。当前干电极工艺带来单车成本下降 200-1000美元；Maxwell 预计在本世纪 20 年代初实现超过 350Wh/kg 的电芯能量密度，对应制造成本低于100美元/kWh。 图表11 干电极电池能量密度提升，制造成本下降 资料来源：Maxwell，平安证券研究所