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动力电池与电气系统(四十八):特斯拉自制电池，将在电池材料和制备工艺上加快创新

电新产业研究

2020-05-05

导读：◾ 特斯拉电池日有望在5月中旬召开，业界与二级市场都在高度关注。业内预期，除了介绍其电池供应体系，也可能宣布

◾ 特斯拉电池日有望在5月中旬召开，业界与二级市场都在高度关注。业内预期，除了介绍其电池供应体系，也可能宣布自主研发锂电池，并展示其部分研究成果与方向。我们认为，特斯拉自产电池的技术创新将集中在电池材料和生产工艺上。一方面，特斯拉通过与全球应用型锂电先驱Jeff Dahn教授合作，未来可能在单晶、无钴正极材料和新型电解液添加剂方面实现一定的突破；同时，特斯拉并购Maxwell获得干法电极制备技术，不排除未来在电极制备等领域推进工艺创新。

摘要

◾ 特斯拉自身在电池领域有一定积累，并与Jeff在电化学领域合作。特斯拉外部电池供应商有松下、LGC和宁德时代，其自身也有400余项电池领域专利，主要集中在热管理、pack、BMS等领域。2016年特斯拉与Jeff Dahn教授开始合作，先后在ECS等期刊上合作发布超过40篇关于高镍正极、新型电解液添加剂的论文，其中部分研究成果已转化为专利。

◾ 高镍、单晶、无钴是特斯拉重点研究方向。Jeff团队2017年至今的正极论文大多涉及高镍，并基于此展开了单晶和无钴材料的研究。其中，单晶NCM材料已开始应用，虽然克容量稍低，但在长循环下的容量保持、结构稳定性、安全性能等方面有较明显的优势，其去年探讨的两步锂化合成单晶NCA的工艺，有望解决现有单晶材料的克容量瓶颈。此外，Jeff团队认为钴在改善热稳定性、容量保持、稳定材料结构等方面作用并不明显，进而认为无钴可能是未来的方向，但可能会从低钴高镍开始逐步实现“无钴”应用。

◾ 新型电解液添加剂也是其重点突破口。Jeff团队2017年至今的研究成果中，涉及添加剂的比例也很高。其众多研究成果中讨论了包括VC、FEC等传统添加剂，以及DTD、LFO、PDO等新型添加剂的优秀性能。我们推测DTD、LFO在特斯拉体系已开始商用化应用。展望未来，新型添加剂的广泛使用有可能成为行业趋势，其市场规模可能快速增长，并在可见的时期内接近六氟磷酸锂的市场规模。

◾ 有可能推出干法电极等工艺创新。特斯拉2019年收购Maxwell，后者2014年就申请了以PTFE为粘合材料的锂电池干电极专利。理论上看，干法制备锂电电极可以解决现行湿法工艺带来的流程复杂、加工慢、能耗高、有杂质等一系列问题，未来不排除特斯拉进行干法电极等工艺体系方面的创新。

◾ 投资建议。新型电解液添加剂推荐天赐材料、新宙邦（化工联合）。继续推荐与关注：宁德时代、亿纬锂能、嘉元科技（有色联合）、当升科技（化工联合）、恩捷股份、科达利（汽车）、杉杉股份、星源材质（化工联合）。磷酸铁锂关注湘潭电化、德方纳米，干电极推荐思源电气。

风险提示：新能源汽车销量低于预期，新技术无法顺利的商业化应用。

1.特斯拉的电池大批量供应始于松下

2009年起开始与松下合作。特斯拉与松下合作已久，2009年双方就签署协议，由松下向特斯拉供应18650圆柱电池。2012年搭载松下18650圆柱电池的Model S下线，随后双方于2014年9月决定建设Gigafactory加码电池产能。

2017年合作产品由18650向21700升级。特斯拉与松下在合作初期使用18650圆柱电池，主要是因该型号电池具备工艺成熟度高、自动化程度高、良品率高、一致性高等优势，但受限于体积等因素，18650单体容量提升空间较为有限。

综合考虑电池物理性能（持续增大规格会加速牺牲安全性）与经济性，2017年特斯拉与松下合作产品升级为21700圆柱电池。

2.出于供应链安全等考虑，引入LGC与CATL

2.1电池超级工厂产能不足拖累特斯拉交付

Model 3多次交付延期主要是因电池产能不足。自2017年7月Model 3开始交付之后的半年多的时间内产能爬坡一直低于预期，5000辆/周的目标连续2次延后。问题主要在于新采用21700电池在生产方面出现问题。由于Gigafactory产线投入时间延后，部分Model 3的电池组装不得不依靠手工组装，但这又带来了效率低和良品率低的问题。

据测算，Model 3周产4000-5000辆需要0.3-0.4GWh电池，而Model S/X的周产量基本稳定在2000辆左右，电池需求约0.18GWh。以此折算全年电池需求约24.7-28.6GWh，这已经超过公司2017年Gigafactory的总产能。

企业文化差异可能是导致特斯拉与松下扩张态度不一致的原因之一。双方企业文化的差异也较为明显，特斯拉深受硅谷文化基因影响、富有冒险精神，松下则相对稳重。双方高管的背景差别也比较大。多方因素导致特斯拉与松下面对扩张持不同态度，逐渐产生分歧。2019年双方各自宣布暂时冻结Gigafactory扩张开支计划。

2.2 近几年先后引入LGC与CATL

LGC与宁德时代先后都切入特斯拉产业链。伴随着特斯拉在中国的快速扩张，供应链本土化的诉求更强，与松下矛盾也逐渐显现，因此综合考虑供应链安全和成本，特斯拉国产车型在保留一部分松下进口电池供应的情况下，先后引入LGC南京、CATL。

Model 3标准续航版同时搭载了松下NCA和LGC NCM811电池，2者主要在续航里程和百公里电耗方面略有差异，差异源于电芯容量和能量密度等原因。不过在国内可获得相同的单车补贴；Model 3长续航版搭载的是LGC的NCM811电池，能量密度进一步提升至161Wh/kg。

宁德时代今年7月后有望开始供应，从铁锂电池开始。宁德时代在2020年2月公告与特斯拉签署供货协议，供货期限为2020年7月1日至2022年6月30日。根据市场公开信息，双方的合作可能先由磷酸铁锂车型开始。

磷酸铁锂电池主要优势在于安全性高、循环寿命长、成本比较低。但主要缺陷就是能量密度比较低，重量与体积能量密度较三元电池有一定差距。而随着CTP技术的探索与应用，预计铁锂电能量密度将会有比较显著的提升，特别是体积能量密度，并且综合成本也可能进一步降低。目前对磷酸铁锂成本影响较大的可能是CTP方案，即通过节省电池模组，直接将电芯集成到电池包、取消了现有技术中的电池箱体，从而在提升电池包空间利用率、减轻电池包重量、提升能量密度并实现降本。

3.特斯拉自产电池，电池材料与生产工艺创新可能加快

3.1特斯拉在电池领域有一定积累

电池日广受关注。在一季度业绩说明会中，马斯克透露将于5月第3周举行电池日活动。结合Electrek与业界推测，特斯拉在电池日披露内容可能包括：

a）展示其内部Roadrunner项目成果，可能包括Jeff.D研究成果、Maxwell技术应用、低于100美元/kwh的电池成本目标；

b）在美国、柏林、上海以外，新的动力电池工厂选址；

c）在Model S或Model X上率先应用自产电池。

特斯拉本身在电池领域已有一定的积累。特斯拉自身在电池领域的专利超过400项，主要集中在热管理、充电、模组与pack、BMS等领域，在2016年与Jeff Dahn教授确立合作关系至今，通过特斯拉加拿大申请了18项电池材料领域专利。

3.2Jeff.R.Dahn团队成果分析

3.2.1 Jeff.R.Dahn一直专注于实用型研究

Jeff教授是全球应用型锂电先驱，也是三元正极材料共同发明人，在锂电池领域具有极深的学术和产业积淀。其重点研究领域包括高镍正极、硅碳负极、新型电解液添加剂、锂离子电池安全性等方面。

与特斯拉合作较久。2016年在3M与Jeff教授合作结束后，特斯拉与Jeff教授开启了5年的合作周期。之后Jeff教授与特斯拉陆续合作发布超过40篇关于高镍正极、新型电解液添加剂等领域的论文。其中部分研究成果已经转化为专利，特斯拉加拿大的电池领域专利，相关理论与观点均来自于此前Jeff团队发布的论文。

3.2.2 高镍、单晶、无钴是其重点研究领域

在Jeff Dahn团队2017年至今特斯拉合作的关于正极材料主要的论文中，绝大多数都与高镍正极材料有关，涉及电化学性能、制备工艺、安全性等方面。同时，配合高镍正极的单晶和无钴材料的研究也在近两年陆续展开。

单晶材料已开始商业应用，更适合长寿命电池。根据近几年Jeff Dahn团队涉及单晶材料的论文，单晶材料在长循环下的容量保持、结构稳定性、安全性能等方面均有较为明显的优势。因此，虽然克容量稍低，但在长寿命的电池研发方向上，单晶仍然是正极材料研究的重点领域。

NCM体系下的单晶正极已经实现商用化，Jeff Dahn团队正在研究通过两步锂化方法合成单晶NCA，进一步拓展单晶材料的使用范围。

无钴或低钴可能是未来的方向。Jeff Dahn团队认为，NCA材料是由镍酸锂正极材料衍生出来的。用Al代替Ni可以改善热稳定性和安全性。用Co部分置换Ni可以有效地阻止NI和Li之间的阳离子混合，而起到稳定材料结构的效果。然而通过该团队的实验，钴的必要性似乎并不高，主要系，

1）在目前的合成方法下，若没有掺入钴，镍酸锂可以几乎没有Ni / Li阳离子混合的情况下被制造；

2）5%Mg、5%Al或5%Mn的掺入可抑制热失控，并降低抑制正极和电解液的反应，而5%的Co掺入几乎没有改善热稳定性；

3）Co的掺入对于长循环下的容量保持没有太大帮助。

3.2.3 新型电解液添加剂也是重点研究方向

在Jeff Dahn团队2017年至今特斯拉合作的关于电解液主要的论文中，添加剂领域涉及较多，讨论了多种添加剂组合对电池性能的影响，包括VC、FEC等传统添加剂，以及DTD、二氟磷酸锂（LFO）、PDO、GA、CA、ODTO等新型添加剂。

新型添加剂的广泛应用可能是行业趋势。结合业界反馈，我们推测DTD、LFO等新型添加剂已经开始在特斯拉体系商业化应用，预计新型添加剂的广泛应用有望成为行业趋势，电解液添加剂产业可能快速增长，其市场规模有望在未来可见的时期内接近六氟磷酸锂的规模。

LFO、DTD的实用性高。2018年Jeff团队发布3篇论文研究NCM523电池中LFO的性能。与VC相比，LFO在容量保持、延长循环寿命的过程中控制阻抗增长、减少气体逸出、减少寄生热流等方面具有优势。整体看，1%的LFO比2%的VC更有效。若与其他添加剂掺混使用可以强化上述性能优势，1%LFO+2%FEC、1%LFO +2%DiFEC、1% LFO+1%VC+1%FEC的组合表现更好一些。

在2019年的2篇论文中，Jeff团队发现2%FEC +1%LFO的组合在20℃下比2%VC+1%DTD容量衰减的表现更优异，但在40-55℃下是反转的情况。因此在实际应用中需要因地制宜。

新型添加剂PDO、ODTO也有较好的应用前景。从长周期的循环试验看，2%的PDO+1%DTD，2%PDO +1%LFO的组合表现超过含有VC的电芯。然而，在高温性能的比较下，2%PDO+1%LFO表现超过2%PDO+1%DTD。PDO组合的添加剂更适合在镍含量更高的电芯上使用。

当使用2%V或2%FEC作为第一添加剂时，再添加入1%ODTO的电池有更好的容量保持率，同时循环时阻抗更为稳定，综合性能均优于单独使用2%VC或2%FEC。

在于LFO混合使用方面，1%LFO+1%ODTO在所有添加剂组合物中表现最好，在40℃下1300次循环后仅有约4.2%的容量衰减。

3.3 可能加快电池制备工艺创新

3.3.1 不排除未来将干法电极制备技术应用到锂电池领域

特斯拉收购Maxwell的主因，可能是干法电极技术而非超级电容。2019年2月，特斯拉溢价收购控股Maxwell，该公司主要业务是超级电容器，同时在干电极方面也有较长时间的研究经历。超级电容相比锂电池有一些优势，但局限性也很明显，如能量密度太低，因此并不适合作为新能源汽车主力电源，更适合应用于汽车启停、制动回收等场景。业内也多分为，特斯拉并购Maxwell，主要的目标可能是干法电极制备技术。

Maxwell在干电极方面已有多年积累，不排除未来将该工艺应用到锂电池领域。截止目前，Maxwell与干电极相关的专利数量共计73项，密集申请的时间段主要集中在2004-2005年、2014-2019年。2004-2005年Maxwell干电极技术（活性炭+导电炭+聚合物）主要用于超级电容器，在形成一定经验积累后，Maxwell将这一技术延伸至锂电领域，并于2014年起密集申请以PTFE为粘合材料的锂电池干电极专利。

干法电极与现有技术的区别主要在于生产工艺和设备改造，由于干法技术是将PTFE与正极或负极活性材料混合，再通过喷涂或者高温挤压等方式形成材料带，理论上能解决现有湿法制备工艺（将混有粘接剂的溶剂与正极或负极粉末混合，并将混合后的浆料涂在电极集流体上）带来的一些问题。

3.3.2 收购hibar Systems完善设备供应

Hibar简介。Hibar Systems成立于1970年初，是精密分配泵和灌装系统的前沿企业，在国际市场上以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而著名。除在北美设有工厂，Hibar在欧洲、韩国、日本、马来西亚和中国均设有制造工厂。

已拥有部分锂电设备专利。公司起步于精密计量泵业务，从申请专利情况来看，目前公司在圆柱电池隔板和注液环节有所较多积累。此外，公司于2019年4月通过联邦加拿大国家研究委员会工业研究援助计划获得200万美元资助用于开发高效锂离子制造系统。

投资建议

电池供应商扩充至3家，铁锂电池也有可能引入供应体系。特斯拉电池的大批量供应始于松下，2019年以来考虑到松下在扩产方面的谨慎态度、供应链安全、成本等问题，LGC、宁德时代陆续进入特斯拉供应体系。根据行业信息，以及CTP、刀片电池等新技术的应用正在补铁锂电池短板，铁锂电池可能已经进入特斯拉的考虑范围。

特斯拉自制电池的技术创新。特斯拉自制电池的技术创新将集中在电化学体系和生产工艺等方面。前者主要通过与全球应用型锂电先驱Jeff Dahn教授合作，Jeff教授在高镍、单晶、无钴正极材料和新型电解液添加剂领域做了大量前瞻性研究工作。后者主要系Maxwell的干法电极制备技术，若应用在锂电池制备上有望大幅简化极片制造工艺、降低成本。

新型添加剂与新型锂盐：推荐天赐材料、新宙邦（化工联合）；

原有推荐与关注：宁德时代、亿纬锂能、嘉元科技（有色联合）、当升科技（化工联合）、恩捷股份、科达利（汽车联合）、杉杉股份、星源材质（化工联合）；

磷酸铁锂关注：湘潭电化、德方纳米/天奈科技；

干法电极相关：思源电气。