特斯拉系列研究之十：电池日故事，惊喜连连or稀松平常？.pdf

1 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 特斯拉系列研究之十：电池日故事，惊喜连连or稀松平常？ 虽无颠覆世界的革命性变化，但依然是碾压式的技术迭代。因疫情影响一再推迟的2020 Annual Shareholder Meeting and Battery Day，终于在2020年9月23日揭开了神秘的面纱。为电池日造势许久的Elon Musk，并未给关注者带来电化学层面的颠覆性革命，业界所期待的百万英里续航电池和无钴电池都没有如期而至。然而，无极耳的4680 电池、硅负极、去钴化、CTC、干电极等5大黑科技依然是在动力电池行业碾压式的技术迭代。同时，续航里程836 km、百米加速低于2.1秒的 Model S Plaid以及2.5万美元的高性价比版电动车继续引领全球电动车产业，丰俭由人的选择也让消费者为之兴奋。 毫无疑问，持续降低成本依然是产业面临的首要任务。站在消费者的角度，最好的电池意味着在保障安全的基础上厂商可以提供的更便宜、续航更长、充电更快/性能更强的动力电池，至于是否是革命性的技术变化是次要的。Elon Musk发布的5大黑科技，其实就是特斯拉的电动车产业的降本宣言。特斯拉预期其新的电池技术有望使续航里程有 54%的提升，每 kWh 成本节约56%以及投资额降低69%。这些成本的下降，有来自于设计与工艺层面的技术革新，比如4680 的电芯设计方面将使成本下降14%，干电极技术和组装线效率提升以及使用电子系统多电芯加工将使成本下降18%，一体化设计预计降低 7%成本；同时还有来自电池材料层面的革新，比如负极方面硅含量提升将使成本下降 5%成本，正极方面重镍轻钴路线以及自制正极原料等将使成本下降12%。目前技术的成熟仍需要一点时间，预计于2022 年开始实现提效降本。 四个故事清晰明确地给业界讲明白 Elon Musk 将如何实现自己的降本宣言。首先，在电芯设计领域，特斯拉进一步增大电芯尺寸，新款 4680 电池的电芯直径为46毫米，长度为80毫米；与前款相比，能量密度增加5倍，电池功率提升6倍，续航里程增加16%，无极耳技术有望解决电芯增大后散热和鼓胀等问题。其次，在正负极材料领域，负极材料特斯拉将坚持硅负极路线，使用重新设计的硅材料，通过纳米化和聚合物材料包覆的方式解决硅膨胀问题；正极材料特斯拉将贯彻重镍轻钴，核壳体系，同时，选择不同的正极材料对应不同车型和产品，而建立正极工厂与实现本地化供应将持续帮助正极材料降本。第三，在电池工厂领域，特斯拉正式推出干电极技术工艺，通过无溶剂方式执行，在简化工序的同时实现能量密度和循环性能的提升，在组装上，特斯拉致力于形成大体量、连续性的组装，有望将效率提升7倍。而在工艺电子化方面，特斯拉通过电子系统形成多个电芯同时定型加工和管控，特斯拉预计成本将节省86%，程序将节省75%；且特斯拉发布自产电池产能扩张规划，2022 年100GWh，2030年 3TWh。第四，在电池系统领域，特斯拉延续Model 3到 Model Y的一体化设计思路，铸件数量越来越少；与此同时，进行结构化电池设计，电池将直接内臵在汽车结构中，有效减轻整Table_Tit le 2020年09月26日 电力设备 Table_BaseI nfo 行业深度分析 证券研究报告 投资评级 领先大市-A 维持评级 Table_Fir st St ock 首选股票 目标价 评级 300750 宁德时代 买入-A 002812 恩捷股份 买入-A 603659 璞泰来 买入-A 002850 科达利 买入-A 300073 当升科技 买入-A 300037 新宙邦 买入-A 002050 三花智控 买入-A 600885 宏发股份 买入-A 603305 旭升股份 买入-A Table_Char t 行业表现 资料来源：Wind资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 -2.41 -0.93 -24.88 绝对收益 -5.30 9.49 -5.90 邓永康 分析师 SAC执业证书编号：S1450517050005 dengykessence 吴用 分析师 SAC执业证书编号：S1450518070003 wuyong1essence 王瀚 报告联系人 wanghan2essence 郭彦辰 报告联系人 相关报告 电动车专题：渐入佳境，复苏之势起 2020-09-20 “十四五”光伏装机有望提速，逆变器出海正当时 2020-09-13 新能源车观察系列76：淡月不淡，欧洲新能源车上升趋势不改 2020-09-07 潮平两岸阔-电新行业 2020 年中报总结 2020-09-06 光伏产业链价格趋于缓和，需求维持高景气 2020-08-31 -8%1%10%19%28%37%46%2019-09 2020-01 2020-05电力设备 沪深300 2 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 体重量，减少中间工序，搭配碳纤维支架，形成蜂巢状结构，预计此措施将缩短制造过程约10%的时间，且创造出的新空间可以装进更多电池，提升约14%续航里程。 动力电池的主角，短期仍是中日韩三国角力。电池日没有出现化学性质的革命性变化，对动力电池产业链的企业来说，可以说是长舒一口气。特斯拉的5大黑科技，除干电极技术外，大电芯、硅基、高镍低钴、一体化设计等其他技术专业的动力电池厂商也都有积极的布局，比如宁德时代计划在2023年推出的CTC（Cell to Chassis）技术等。短期来看，动力电池领域的主角在一定时间内仍然将是 CATL、LG、松下等龙头企业。不过，特斯拉 2022年 100GWh、2030 年 3TWh 的动力电池发展规划以及从上游锂资源到末端光充储一体化的能源体系建立，这些依然是值得我们重点关注和思考的问题。 投资建议：投资建议：1）重点推荐特斯拉电池日相关技术领先厂商璞泰来（硅碳负极）、新宙邦（Maxwell 电容器化学品供应商）、当升科技（高镍正极送样），建议关注贝特瑞、诺德股份等；2）特斯拉产品力突出，持续引领全球电动化浪潮，重点推荐特斯拉产业链宏发股份、三花智控、旭升股份、奥特佳、银轮股份、拓普集团；3）特斯拉鲶鱼效应的带动，使电动车行业已逐步进入产品驱动力时代目前行业各环节整体集中度呈现上升趋势，中国产业链价值持续凸显；持续重点推荐：宁德时代、恩捷股份、科达利、嘉元科技、中材科技、比亚迪等，建议关注：欣旺达、亿纬锂能、孚能科技等。 风险提示：产业政策波动、终端销量不及预期、技术进展不及预期等。 mOyRtOwPqXvUaVnWqQiVoX7N9R9PmOoOpNrRjMoOxOjMpNrP7NnPrQvPtOtOvPqNnM行业深度分析/电力设备 3 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 内容目录 1. 故事一：电芯设计大电芯与无极耳 . 5 2. 故事二：正负极材料硅负极与少钴化. 7 2.1. 负极材料：坚定硅负极路线 . 7 2.2. 正极材料：重镍轻钴为未来方向 . 9 3. 故事三：电池工厂干法电极与产能扩张 . 13 4. 故事四：电池系统：一体化与结构化电池. 18 5. 聚焦提效降本. 19 6. 投资建议. 21 图表目录 图 1：特斯拉 4680 电池 . 5 图 2：此前的 2170 电池 . 5 图 3：电池极耳示意图 . 6 图 4：无极耳电池结构 . 6 图 5：无极耳电池截面结构 . 6 图 6：特斯拉坚定硅基负极之路 . 7 图 7：特斯拉负极成本将显著下降. 7 图 8：材料颗粒粉化示意图 . 8 图 9：锂离子电池 SEI膜生成过程 . 8 图 10：特斯拉解决硅膨胀问题思路. 9 图 11：核壳体系图 . 10 图 12：不同的正极材料对应不同车型与产品. 10 图 13：本地化供应原材料降低成本.11 图 14：简化生产流程.11 图 15：钴的价格远高于三元材料其他元素（元/吨） . 12 图 16：特斯拉干电极技术展示. 13 图 17：干电极技术简化工序 . 13 图 18：由活性材料、粘合剂和导电添加剂组成的最终粉末混合物 . 13 图 19：混合物经过压光处理形成连续的自支撑的干涂层电极膜. 13 图 20：Maxwell 干电极工艺过程示意图 . 14 图 21：宁德时代的正极材料搅拌机. 14 图 22：特斯拉 Giga 1 的电极涂覆干燥机 . 14 图 23：Maxwell 干电极性能优势. 15 图 24：NCM811 干电极工艺制造的材料放电电压分布图. 15 图 25：硅碳负极干电极工艺制造的材料放电电压分布图 . 15 图 26：干法电极与湿法电极的放电倍率性能比较（NCM111+C）. 16 图 27：特斯拉高速连续电池产线 . 16 图 28：特斯拉工艺电子化降本. 16 图 29：特斯拉动力电池产能规划 . 17 图 30：特斯拉结构化电池设计. 18 图 31：特斯拉电池系统的优化. 18 图 32：Model 3 铸件示意图 . 18 图 33：Model Y 铸件示意图 . 18 行业深度分析/电力设备 4 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 34：特斯拉电池技术合力降本 . 19 图 35：特斯拉降本时间路线图. 19 图 36：比亚迪刀片电池 . 19 图 37：宁德时代 CTP方案 . 19 图 38：2019 年全球动力电池装机份额 . 20 图 39：2020 年上半年全球动力电池装机份额 . 20 图 40：特斯拉 Plaid Model S. 20 表 1：硅材料显著提升负极比容量和能量密度 . 7 表 2：硅负极材料在应用过程中产生的问题. 7 表 3：解决硅体积膨胀的几种方式. 9 表 4：正极材料的分类和应用.11 表 5：高镍和高压方案对比 .11 表 6：蜂巢能源无钴正极材料开发关键点总结 . 12 行业深度分析/电力设备 5 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1. 故事一：电芯设计大电芯与无极耳 增大电芯尺寸。从应用于 Model S/X 的 18650 电池到应用于 Model 3/Y 的2170 电池再到最新款的 4680，特斯拉不断调整电芯尺寸、提高电池能量密度、降低电池成本。新款4680 电池的电芯直径为 46 毫米，长度为 80 毫米；与前款相比，能量密度增加 5 倍，电池功率提升6 倍，续航里程增加 16%。 图 1：特斯拉4680电池 图 2：此前的2170电池 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 电芯尺寸的变化能够有效提升功率和能量密度。电芯尺寸的变大，能够在很大程度上提升功率和能力密度，从一定程度上来看，尺寸越大，容量越高，与此同时，单个电芯尺寸增加也意味着电池结构件使用量呈现下降趋势，使得电池包成组难度得到相应地下降。 但电芯尺寸的增加可能会引发散热和鼓胀等相关问题。在散热性上，由于电芯尺寸的增加，电池内部发热部分距离壳体的距离拉长，致使传导介质增多，热量分布不均的问题也进一步凸显；与此同时，在充放电过程中，由于电芯尺寸加大导致的受力面积越大，有可能致使电池壳壁的形变，由此引发电芯内阻增加和局部的电液枯竭。 无极耳技术有望解决问题。传统电池是将多层材料压成薄片之后，卷起放入圆柱形的外壳中，通过阴极耳和阳极耳连接到电池容器的正极和负极。极耳是锂离子聚合物电池产品的一种原材料，一个极耳由两片胶片把金属带夹在中间形成，是从电芯中将正负极引出来并形成回路的金属导电体。极耳与电池壳体（圆柱/方形）或外部模组结构件（软包）进行连接，电流必须流经极耳到达电芯外。传统圆柱电池一般采用单极耳设计，一方面极耳细长不利于电流传导，另一方面电阻会随着长度的增加而相应提高，电池充放电时易使极耳和极耳连接处局部热量过大，影响电池寿命，也存在安全隐患。此外，由于极耳是额外的零件，其设计也增加了成本并提高了制造难度。 行业深度分析/电力设备 6 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 3：电池极耳示意图 资料来源：特斯拉，搜狐新闻，安信证券研究中心 特斯拉此前已披露了“无极耳”电池技术专利。此前，特斯拉的无极耳专利技术展示了至少一个电极为无极耳的电池技术通过激光技术将传统电池的极耳结构切割。新电池结构包括：涂覆第一涂层的第一盖板，且其沿宽度近端的第二部分由导电材料构成；第一盖板上方为隔膜，隔膜上方为第二盖板，并涂覆第二涂层。将各基板、隔膜、涂层沿中心更加密集卷绕，使正负极集流体能够与壳体或专门设计的盖板直接连接，电流即可直接在电极集流体、盖板、壳体之间进行传导。 图 4：无极耳电池结构 图 5：无极耳电池截面结构 资料来源：特斯拉专利申请书，安信证券研究中心 资料来源：特斯拉专利申请书，安信证券研究中心 无极耳技术多方面帮助电池持续改善。无极耳技术对电池性能的提升体现在多个方面：1）突破圆柱电池的尺寸限制，使得功率重量比优于带极耳的小电池；2）增大电流传导面积、缩短电流传导距离（约 5%-20%），从而大幅降低电池内阻（约 5-20 倍）； 3）内阻降低减少了热量产生，电极导电涂层和电池端盖的有效接触面积达到 100%，也有力提升散热能力，延长电池寿命；4）优化电池结构、简化生产工序，每千瓦时成本降低 14%；5）省去极耳焊接过程，提高生产效率，也降低了因焊接产生的不良率。 行业深度分析/电力设备 7 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 2. 故事二：正负极材料硅负极与少钴化 2.1. 负极材料：坚定硅负极路线 坚持硅负极路线，使用重新设计的硅材料。特拉斯在电池日中表示，1）目前通过使用高弹性的聚合物材料如氧化亚硅或者硅纳米材料来解决硅基负极的膨胀问题，可提升 20%的续航里程。2）鉴于目前硅材料的应用技术十分昂贵，特斯拉表示将使用重新设计的硅材料，将原材料硅直接运送到电池工厂进行加工，预计负极成本仅需 1.2 美元/kWh，将最终使电池生产成本下降 5%。 图 6：特斯拉坚定硅基负极之路 图 7：特斯拉负极成本将显著下降 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 硅基负极是新一代的负极材料。目前大多数锂电池是以碳基为负电极，但是电池的容量是由正负极之间可循环的锂决定的。如果正极放出的锂每次都被负极所消耗，那么回正极的锂就会减少。由于硅常温下可以和锂合金化，并且具有 10 倍于石墨的理论单位放电量，也可以有效提高锂电池单位体积内存储的电量。同时，兼具有储量大、成本低、环境友好的优点，因此硅负极材料已成为下一代的负极材料。 表 1：硅材料显著提升负极比容量和能量密度 正极容量（mAh/g） 负极容量（mAh/g） 能量密度相对值 能量密度提升幅度 200 350 1 - 500（5%-8%硅） 1.12 12% 800（20%硅） 1.26 26% 资料来源：艾新平博士：硅基负极的表面改性和修饰，安信证券研究中心 然而，硅负极材料储锂过程中的高膨胀率将导致部分应用问题的出现。硅负极在充放电过程中，即和锂发生反应的过程中存在严重的体积膨胀，体积膨胀率可达到约 360%，这将有可能导致电池的材料颗粒粉化和电极脱粉，进而产生循环性能不佳的问题；与此同时，体积膨胀率过高将导致表面 SEI膜的重复生长，造成低循环库伦效率等问题。 表 2：硅负极材料在应用过程中产生的问题 弊端 结果 产生问题 储锂过程中体积膨胀率较高 材料颗粒粉化 循环性能较差 电极脱粉 表面 SEI膜的重复生长 低循环库伦效率 资料来源：艾新平博士：硅基负极的表面改性和修饰，安信证券研究中心 行业深度分析/电力设备 8 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 材料颗粒粉化和电极脱粉影响循环性能。在充放电过程中，硅负极材料的体积膨胀会产生裂纹，之后使得材料颗粒粉化，破坏电极材料与集流体的接触性，其次膨胀产生的力对极片形成挤压效应，使得极片存在断裂的风险，进而影响电池整体的循环性能。 图 8：材料颗粒粉化示意图 资料来源：有理有据，搜狐新闻，安信证券研究中心 SEI 膜不断重复生长将使锂离子电池容量不断衰减。当电池充满电解质且进行第一次充电时，正极材料的一些锂离子会被负极、电解质和锂离子之间的反应消耗掉。这种寄生反应形成SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面）。SEI是电池的重要组成部分，因为它可以防止电解质与负极中的碳反应。但是问题在于，一旦进行第一次充电，在放电过程中从负极返回正极的锂离子就会损失一些。结果导致了“第一次循环容量损失”，这种现象在所有常见类型的锂离子电池中很普遍。而在硅基负极体系中，SEI 膜会随着硅体积的膨胀而发生破裂，新暴露在表面的硅会继续生成新的 SEI膜，这样一来将不断地消耗来自正极的锂和电解液，电池的内阻将持续增加，容量也将迅速衰减。 图 9：锂离子电池SEI 膜生成过程 资料来源：科路得，小木虫，安信证券研究中心 理论上目前已有多种方式解决硅体积膨胀的问题。目前从理论上，材料颗粒粉化问题可以通过纳米化、多孔化和合金化减小硅的绝对体积膨胀来解决；电极脱粉问题可以采用表面键合的粘合剂维持电极结构完整性来解决；而表面SEI膜重复生长的问题，目前可以利用硅的高行业深度分析/电力设备 9 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 活性的悬空键构建致密，稳定的包覆层。 表 3：解决硅体积膨胀的几种方式 方式 具体描述 解决问题 纳米化 通过减小硅材料的粒径，缩短锂离子的扩散距离，提高锂离子嵌入脱出的电化学活性，从而降低硅在充放电过程的体积变化 硅体积膨胀导致的材料颗粒粉化等 多孔化 增加其内部空隙，为硅在脱嵌锂过程中的体积膨胀预留缓冲空间，缓解材料的应力，并提高锂离子往材料内部的输运效率 硅体积膨胀导致的材料颗粒粉化等 合金化 引入第二组元形成 SiM合金，利用 M基体的延展性、成键特性有效降低硅合金的体积膨胀系数，并利用高的电子导电率来提高电荷传递 硅体积膨胀导致的材料颗粒粉化等 表面键合的粘结剂 - 解决电极脱粉，维持电极结构完整性 氧化亚硅+碳包覆 制备氧化亚硅，并在其基础上进行碳包覆 硅体积膨胀导致的表面SEI膜的重复生长，并提高循环性能 资料来源：艾新平博士：硅基负极的表面改性和修饰，电池材料综合平台，安信证券研究中心 特斯拉将通过纳米化和聚合物材料包覆的方式解决硅膨胀问题。从特斯拉的解决方案来看，我们预计其会在生硅基础上，无论是用硅材料还是用氧化亚硅，都将通过缩小硅材料的粒径，缩短锂离子扩散距离，同时利用纳米硅间形成的间隙缓解硅的体积膨胀问题，与此同时，通过表面高分子材料的包覆，有可能构筑起稳定致密的 SEI膜和包覆层，提高硅负极循环库伦效率。 图 10：特斯拉解决硅膨胀问题思路 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 2.2. 正极材料：重镍轻钴为未来方向 重镍轻钴，核壳体系。从金属的角度来讲，镍能量密度相较于其他元素较高，且成本较低，而钴由于资源的稀缺性导致成本较高，价格昂贵，在此基础上，特斯拉将重视正极材料中镍的应用，减少甚至消除钴的应用；与此同时，我们预计特斯拉会持续使用表面改性中的核壳体系，由于电池的热稳定性和循环性要求，需要在正极中掺杂其他元素，采用核为镍酸锂，壳为掺杂其他元素的镍酸锂的方式，可以有效避免镍酸锂内核和电解液的接触，且由于是表面改性，降低了掺杂引起的潜在比容量损失。 行业深度分析/电力设备 10 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 11：核壳体系图 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 不同正极材料对应不同车型和产品。特斯拉准备针对不同的车型和产品使用不同的类型的材料。磷酸铁锂将在未来被广泛用于 Model 3 和储能领域；同时，似乎镍锰二元正极材料将用于少部分储能和其他长续航乘用车型；高镍将被用于皮卡和卡车。 图 12：不同的正极材料对应不同车型与产品 资料来源：特斯拉电池日发布会，安信证券研究中心 建立正极工厂，实现本地化供应。同时，特斯拉宣布在北美建立正极生产工厂的计划。公司会在美国对镍和锂两种资源实现本地化生产线和供应链。同时，简化镍的提取过程，使得整体正极材料生产流程得到进一步简化，实现成本的下降。