电力设备行业深度报告：特斯拉的动力电池梦

1、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

2、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

3、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。正文目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _TOC

4、_250007 一、特斯拉的动力电池梦 5 HYPERLINK l _TOC_250006 特斯拉布局动力电池 5 HYPERLINK l _TOC_250005 Maxwell：超级电容龙头，掌握干电极技术 6 HYPERLINK l _TOC_250004 二、新技术路线猜想：干电极+超级电容 9 HYPERLINK l _TOC_250003 干电极：性能提升，成本下降 9 HYPERLINK l _TOC_250002 超级电容：辅助动力源 12 HYPERLINK l _TOC_250001 三、投资建议 14 HYPERLINK l _TOC_250000 四、风险提示 14 图表

5、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 3Maxwell 高管及履历 6图表 4Maxwell 超级电容单体产品 7图表 5Maxwell 部分客户情况 8图表 6Maxwell 营收和毛利率下滑单位：百万美元 8图表 7Maxwell 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 9Maxwell 预锂化技术专利 10图表 10Maxwell 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

6、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 16Maxwell 锂电池+超级电容电路图 13图表 17Maxwell 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 14一、 特斯拉的动力电池梦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

7、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。自产电池Model 3 国产标准续航RoadstModelModelModelerSX 3图表1 特斯拉动力电池迭代过程上市时间20082012201420172019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18650186501865021700 21700高镍（少钴或无钴）NCA/NCM811NCANCANCALCO正极体系电芯容量（Ah）2.23.13.14.84.8/4.7负极体系

8、石墨石墨石墨硅碳硅碳/石墨硅碳（掺锂）300 以上256/257260250245210单 体 能 量 密 度（Wh/kg）电芯数量（个）6831710471044416 2976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

9、 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。图表2 特斯拉致力于掌握动力电池核心技术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资料来源：高工锂电，平安证券研究所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

10、，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 200

11、3 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。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David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 8Lyle月到2007 年6 月

12、，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。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。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

13、法律学院博士学位；2007 年加入 Maxwell，2019 年 1 月成为副总裁EmilyLough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 Maxwel

14、l 超级电容单体产品cel系列电压（V ）容量（F）下游应用标准系列2.7-3.03-450XP系列2.7-3.03-50U PS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 PSD uraBlue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

15、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。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

16、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。营业收入毛利率（右）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2502001501005002010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 201850%40%30%20%10%0%102010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 20180-10-20-30-40-50 资料来源: wind、平安证券研究所资料来源：wind

17、、平安证券研究所 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。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

18、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：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。M

19、axwell 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%。 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

20、 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。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

21、下降资料来源：Maxwell，平安证券研究所其它重要性能的改善。包括循环寿命更长（是湿法工艺的 2 倍）、高温稳定性更好、充放电速率更高（干电极极片内阻更小）、能量消耗更低等。图表12 干电极的循环和倍率性能更优资料来源：第一电动，平安证券研究所干电极技术已经用于超级电容，锂电池应用难度较大。Maxwell 是全球少数采用干电极技术生产超级电容的企业，该项技术已经拥有了成熟的商业化应用案例。超级电容正负极材料都采用活性炭，比表面积较高，极片膨胀系数低，对粘结性要求不高，采用干电极工艺难度不大；而商业化的锂电池正负极材料比表面积小，充放电过程伴随体积膨胀，制作的极片容易脱粉，因此对粘结性要求高，

22、目前的干电极工艺还难以满足生产要求。项目电极：干法 VS 湿法图表13 干电极电池与传统锂电池的比较正极活性材料没有变化，使用高镍材料更加容易，粘结剂从 PVDF/SBR 改为 PTFE，不使用 NMP 溶剂负极预锂技术引入难度降低，配合硅碳负极带来更高的能量密度隔膜没有变化电解液高镍添加剂、成膜添加剂的应用更多成本直接生产成本下降 10%-20%压实密度提升、能量密度达到 300Wh/kg、循环寿命更长、高温稳定性更好、充放电速率更高、能量消耗更低性能生产难度极片容易脱粉、对粘结性要求高，生产难度大幅提高，需要完善和改进资料来源：高工锂电，平安证券研究所Maxwell 表示已经将干电极技术应

23、用于锂电池。2016 年，公司与一家全球领先的汽车制造商和一家全球性的零部件一级供应商签署联合开发协议，基于概念论证来证明干电极具备中试阶段的良好性能。公司同时在 2018 年年报中明确表示，已经开发和改进（have developed and transformed）已有的干电极技术应用于电池的生产， 认为干电极技术有潜力在电池行业特别是在电动车领域（particularly for use in electric vehicles）成为一项开创性（groundbreaking）技术，使用这项技术将获得比当今最先进的（state of the art）锂电池更卓越的性能和更低的成本。公司在

24、2018 年年报中还表示计划在 2019 年建设中试生产设施，以进一步证明这项技术带来的好处和可行性。超级电容：辅助动力源功率密度高、循环寿命长。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。超级电容的缺点也很明显，单位电量成本高，并且能量密度低，作为电动车

25、的主动力来源难度较大。图表14 超级电容功率密度高，循环寿命长指标铅酸电池锂离子电池超级电容器电压（V）23.614温度范围（ C）-540-3045-4065能量密度（Wh/kg）305070250750功率密度（W/kg）75350150500500010000循环次数（次）3003000100000单位成本（欧元/Wh）0.10.212安全性较安全易起火爆炸安全环保性有毒无毒无毒资料来源：公司官网，知网，平安证券研究所对于 Maxwell 的超级电容在特斯拉中的作用和扮演的角色，我们认为可以从以下两个方面进行探讨：进一步开发介于电容和电池之间的混合储能器件。基于这一想法，Maxwell

26、已经开发出能够量产的锂离子电容，该储能器件拥有与超级电容相似的功率密度和循环寿命，并且能量密度是超级电容的 3 倍，与铅酸电池在一个水平上，但与锂离子电池还存在不小的差距。考虑到电容本身的特性，要想进一步在量级上缩小与锂电池在能量密度上的差距，成为独立的电动汽车主动力电源，难度较大。图表15 锂离子电容能量密度与锂电池存在较大差距资料来源：知网，平安证券研究所锂电池+超级电容（锂离子电容）组合。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。考虑到 Maxwell 已经在 20

27、17 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。图表16 Maxwell 锂电池+超级电容电路图图表17 Maxwell 锂电池+超级电容内部结构资料来源: US Patent、平安证券研究所资料来源：US Patent、平安证券研究所 电池日上可能给出新型电池的方案、进度以及电池量产的计划。基于以上分析，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。我们预测即将于 4 月份举办的电池日可能涉及以下内容：给

28、出新型电池的方案。比如电池的材料体系、干电极工艺的优势、新型电池的性能参数、超级电容的作用等。特斯拉可能在会上带来全新的电化学技术。此外，特斯拉在上海工厂使用的无钴电池的具体情况预计也会在大会上披露。公布新型电池的进度。包括新型电池能否量产，量产还要解决的问题等。我们认为干电极技术在电动车上的生产应用的研究和实践大概率取得了突破性进展。披露新型电池的量产的计划。包括量产的时间节点、产能规模、生产地点等信息。我们认为特斯拉的新型电池量产会在 2021 年以后，中短期内还是以外购为主；在美国、上海和欧洲都会有自建电池工厂进行电池生产的计划。三、 投资建议特斯拉将于 2020 年 4 月在 Battery Day 公布新型电池的相关情况，预计会对干电极技术在锂电池上的适用情况以及超级电容的相关应用进行说明。根据上文中 Maxwell 对干电极技术在电动车领域的使用进行的诸多的实验和工作，我们认为干电极技术在电动车上的生产应用的研究和实践大概率取得了进展。对此，把握以下三条主线：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；干电极电池的