关于特斯拉“电池日”的几个猜想

1、目录 HYPERLINK l _TOC_250007 降本增效，驱动行业发展 1 HYPERLINK l _TOC_250006 关于新技术的几点猜想 1 HYPERLINK l _TOC_250005 猜想 1：采用大圆柱电池，对电池结构进行创新 1 HYPERLINK l _TOC_250004 猜想 2：硅纳米线负极材料 4 HYPERLINK l _TOC_250003 猜想 3：单晶三元正极材料与新型电解液 5 HYPERLINK l _TOC_250002 猜想 4：干电极涂层（DBE）技术 6 HYPERLINK l _TOC_250001 猜想 5：无钴技术 8 HYPERLI

2、NK l _TOC_250000 特斯拉电池新技术对第三方企业有什么影响？ 9风险因素 10投资策略 10插图目录图 1：“RoadRunner”坐落于 Fermont 工厂附近，距 Fermont 工厂约 4 公里 1图 2：特斯拉全新大尺寸圆柱电池 2图 3：特斯拉电芯“亚模组”专利 2图 4：特斯拉浸泡式散热示意图 3图 5：特斯拉电池无极耳技术示意图 3图 6：石墨负极与硅纳米线负极比较 4图 7：硅纳米线用于锂电池中 4图 8：Amprius 美国工厂选址 5图 9：单晶 NCA 材料 6图 10：不同正极材料循环寿命 6图 11：电解液溶剂及添加剂 6图 12：干电极涂层技术过程

3、7图 13：干电极涂层技术示意图 7图 14：传统溶剂浆料涂布方法 8图 15：特斯拉采购电池包总成本估算（从圆柱三元，切换到磷酸铁锂 CTP） 8图 16：循环后的 NCM811 材料 9图 17：循环前的 NCM811 材料 9图 18：特斯拉电池需求量预测 10表格目录表 1：“RoadRunner”项目目标 1表 2：特斯拉新电池技术总结 9表 3：新能源汽车板块重点跟踪公司盈利预测 10 降本增效，驱动行业发展特斯拉“Battery Day”将于北京时间 9 月 23 日凌晨 4:30 举办，在“Battery Day”上将要发布一系列特斯拉关于电池的新技术，考虑到特斯拉在电动车和储

4、能上对能源革命的追求，此次发布的各项技术预计将以降成本为核心，通过对电池材料化学体系、电极体系结构、电池制备技术等进行创新，以提升电池的能量密度、循环寿命等，核心落脚点都在于降低成本。 关于新技术的几点猜想猜想 1：采用大圆柱电池，对电池结构进行创新自产项目“RoadRunner”有助于实现 100 美元/kWh 的电池成本。2020 年 2 月特斯拉公布了动力电池自产项目“RoadRunner”，旨在生产电芯密度更高、成本更低、续航里程更长、充放电寿命更长的动力电池。目前与松下合作生产的动力电池成本约为 111 美元/kWh，如果实现 100 美元/kWh 的电池成本（降幅 10%），可以实

5、现电动车在无补贴条件下与燃油车平价。表 1：“RoadRunner”项目目标指标目标备注电芯密度3-4 年后电芯能量密度提高至 400Wh/kg使用 Jeff Dahn 以及 Maxwell 的技术电池成本降至 100 美元（677 元）/kWh目前与松下合作成本约 111 美元/kWh续航里程全生命周期超过 160 万公里充放电寿命由 1500-2000 次提升至 4000 次左右资料来源：特斯拉官网，中信证券研究部图 1：“RoadRunner”坐落于 Fermont 工厂附近，距 Fermont 工厂约 4 公里资料来源：electrek，中信证券研究部42700 型号电池可能性较大。据

6、外媒 electrek 披露，Roadrunner 系统将生产一种大尺寸圆柱电池，直径可能是现在 21700 电池的两倍，因此单个电池体积将是原来的四倍，推测型号为 42700。大电池突出的优点体现在以下几个方面：直径增加一倍，每Wh 所需电池数量变为原来的 1/4；外壳面积减少约 48%，降低外壳使用成本，减少零部件使用量，同时提升单体质量能量密度，降本增效。由于每 Wh 电池数量减少 75%，因此在生产环节中，包括对注液、化成、分容等设备需求大幅减少，实现降本。电池数量减少，pack 工艺复杂度下降，同时也可降低 BMS 难度，实现降本。图 2：特斯拉全新大尺寸圆柱电池资料来源：elect

7、rek大尺寸电池带来的关键问题是散热，因此特斯拉对电池结构进行优化。传统动力电池生产过程是由电芯厂商负责生产单个电芯，然后由汽车制造商进行 pack 生产电池包，在特斯拉的专利描述中，将直接在电池厂生产出电芯平行排列的“亚模组”，而后通过简单堆叠排列生产电池包。图 3：特斯拉电芯“亚模组”专利资料来源：美国国家专利局网站（美国专利 US2019/0312251 A1）浸泡式散热有助于解决传统散热存在死区的问题。结构化的模组为解决散热问题带来了很大的便利，传统电芯散热采用风冷式散热或者蛇形散热管来进行，散热管的死区问题极大地影响了散热效率，特斯拉专利中利用模块化电芯的优势，采用浸泡式散热，虽然散

8、热原理未发生变化，但有效地提高了电芯散热的效率，解决了更换大电芯后带来的散热问题。图 4：特斯拉浸泡式散热示意图资料来源：美国国家专利局网站（美国专利 US2019/0312251 A1）无极耳技术进一步降低成本，提高电池效率。极耳是连接正负极材料到电池输出端的关键零部件，但电流必须通过较长路径（极耳-电极板-电极活性材料）进行传输，会增加电芯的内阻，使电池充电时热量过高，影响电池寿命、安全性等。而采用无极耳的电芯，可以有效降低电池约 13%的内阻，解决电池充电发热问题，并缩短充电时间。据媒体 electrek 报道，无极耳电芯可以在 10 分钟内充满 50%电量，比目前特斯拉超级充电桩快 2

9、0 分钟。图 5：特斯拉电池无极耳技术示意图资料来源：美国国家专利局网站（美国专利 US2020/04144676 A1）猜想 2：硅纳米线负极材料硅纳米线材料有助于实现超高能量密度。负极材料的容量对整个电池的能量密度至关重要，目前常用的石墨材料理论容量为 372mAh/g，实际释放容量约为 170mAh/g，大大限制了整体锂电池能量密度的提升；相比较而言，硅负极理论容量可以达到 4200mAh/g，是非常有前景的负极材料，但由于锂插层之后硅基材料 400%的体积膨胀率，导致实际过程中会发生破碎，结构难以保持。图 6：石墨负极与硅纳米线负极比较资料来源：Cui Yis group in Sta

10、nford University，Amprius 官网特斯拉可能通过与Amprius 公司合作，或将硅纳米线作为负极材料应用于锂电池中。硅基原材料更容易获得，更加便宜，可以有效降低成本，同时相比于体相硅基材料，硅纳米线插锂后不会造成结构的破坏，因此可以极大地提高锂电池的能量密度。Amprius 的创始人崔屹教授课题组曾发表科研文章，论述硅纳米线用于锂电池负极的可能性，从实验结果来看，锂插层后的硅纳米线负极材料直接从 89nm 增加到 141nm（体积膨胀率400%），但结构仍旧保持未发生明显破坏， 经过 10 次充放电后， 充/ 放电容量仍能保持在 3541/3193mAh/g 左右。图 7：

11、硅纳米线用于锂电池中资料来源：High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires（Chan;CK; Peng;HL;Liu;G; McIlwrath;K;Zhang;XF;Huggins;RA;Cui;Y）锂电池有望实现能量密度 400Wh/kg，续航超过 1000km。特斯拉 CEO 马斯克曾在社交媒体上提到，3-4 年后实现 400Wh/kg 的能量密度，推测有可能源于此项技术，如果此项技术可以实现，以 Model 3 为例，按照目前 260Wh/kg 的 NEDC 续航 668km，新款电池可以实现 1028 公

12、里的 NEDC 续航。此外 Amprius 工厂的选址正好位于特斯拉电池工厂的南面，也是此次电池日的发布地点，因此本次 Battery Day 很有可能会带来硅基负极材料的相关信息。图 8：Amprius 美国工厂选址资料来源：NE 时代猜想 3：单晶三元正极材料与新型电解液三元正极材料一直存在着 NCM 和 NCA 两种路线。相比于目前国内主流的 NCM 三元材料，NCA 不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝（Al）后增强了材料的结构稳定性和安全性，进而提高了材料的循环稳定性。不过 NCA 的主要问题在于生产工艺要求较为苛刻，对湿度敏感性强，在生产过程中湿度要一直保持 10%以下，加大了

13、生产成本。两步烧结法制备单晶 NCA 材料。今年 4 月份，特斯拉的电池研发合作伙伴 Jeff Dahn团队发布专利，成功通过两步烧结法制备了单晶 NCA 材料。此项研究中，通过寻找最佳烧结温度、烧结时间、金属前驱体比例，最终找到了合适的实验条件。实验结果表明，此种方法甚至可以合成出 9.2:0.5:0.3 的三元材料（Ni：Co：Al），进一步降低 Co 的含量，提高电池成本优势。图 9：单晶 NCA 材料资料来源：美国国家专利局网站(美国专利 US2020/0127280 A1)单晶 NCM532 电池配套新型电解液。此外，使用单晶 NCM532 电池，Jeff Dahn 团队又发现一系列

14、配套的新型电解液组合，其中单晶 NCM532 电池在 4000 次循环以后仍能保持 90%的容量，同时使用 DTD 作为电解液添加剂以提高性能。另外，Jeff Dahn 又发表一系列文章与专利，介绍其他新型电解液添加剂，如 ODTO（1,2,6-二噻烷-2,2,6,6-四氧）可以钝化电池负极上的活性颗粒，生成保护膜，提高电池循环寿命。其他添加剂还有 PDO（3-苯基-1,4,2-二噁唑-5-哒嗪酮，专利 WO2019/241869 A1）等。图 10：不同正极材料循环寿命图 11：电解液溶剂及添加剂资料来源：A Wide Range of Testing Results on an Excel

15、lent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies(Jeff Dahn)资料来源：A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies（Jeff Dahn）猜想 4：干电极涂层（DBE）技术特斯拉收购的 Maxwell 有一个非常重要的是非溶剂干电极涂层技术(DBE)，原文称

16、solvent less dry battery electrode (DBE) coating technology。什么是干电极涂层工艺？该过程从电极粉末开始，比如说特斯拉的 NCA 正极的锂镍钴氧化铝粉末，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，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。Maxwell 的工艺皆适用于正极和负极。用正极材料（NCA、NCM、LFP 等皆可）粉末和铝箔制作正极，用石墨粉和铜箔制作负极。另外，还可添加了一些不同的聚合物，获得了更好的强度和离子传输，添加一些其他材料可以提高

17、导电性。通过将电极膜卷绕成卷，然后送入层压机。但这个过程比较简单。图 12：干电极涂层技术过程资料来源：Dry Electrode Coating Technology（Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi）图 13：干电极涂层技术示意图资料来源：高工锂电工艺核心特点：原纤维化（Fibrilization）：特斯拉收购 Maxwell 的一项重要技术理由可以归结为“原纤维化（Fibrilization）”。Maxwell 的干电极工艺通过将混入活跃的负极或正极材料颗粒的 PTFE（Teflon）原纤维化，形成负极或正极材料的自支撑膜（self supporting

18、 film）。Maxwell 的工艺使电池的负极和正极不使用溶剂：传统的锂电池制造使用有粘合剂材料的溶剂，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone）是其中一种常见溶剂。将具有粘合剂的溶剂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。溶剂有毒，必须小心回收，进行纯化和再利用。而且需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机。由于不使用溶剂，往往可以涂得更厚。图 14：传统溶剂浆料涂布方法资料来源：高工锂电猜想 5：无钴技术长期来看，稳定降低电池成本势在必行。目前主流电池技术三元电池中的钴原料由于全球储备量有限，且价格波动较大，不利于特斯拉全球电动化的推广，因此，低钴电池/无钴电池一直是特

19、斯拉努力的方向。磷酸铁锂电池是无钴技术一个实现方向。一方面，特斯拉已经与宁德时代达成协议，我们预计采用宁德时代提供的磷酸铁锂CTP 电池，极大地降低成本；同时今年 6 月 16 日，特斯拉与嘉能可（Glencore）达成协议，每年将从后者采购 6000 吨钴，用于上海工厂以及计划中的柏林工厂。这说明短期内仍需要钴，无法完全实现无钴。单晶材料在充放电稳定性中具有绝佳的优势，因此本次电池日中可能会涉及使用单晶NCM 三元正极材料降低钴用量的技术。图 15：特斯拉采购电池包总成本估算（从圆柱三元，切换到磷酸铁锂 CTP）万元/个电池包76.2万元77kWh6543210 成本降 0.5 万元4.2万

20、元53kWh3.7万元53kWh长续航电池(松下、LG化学圆柱三元)标准续航升级版电池(松下、LG化学圆柱三元)标准续航升级版电池(宁德时代LFP CTP)资料来源：特斯拉财报，LG 化学财报，宁德时代财报，中信证券研究部测算注：电池成本均为估计值，可能与实际存在差异图 16：循环后的 NCM811 材料图 17：循环前的 NCM811 材料资料来源：Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-s

21、ection Scanning Electron Microscopy（Y. Liu, J. Harlow, J. Dahn）资料来源：Microstructural Observations of “Single Crystal” Positive Electrode Materials Before and After Long Term Cycling by Cross-section Scanning Electron Microscopy（Y. Liu, J. Harlow, J. Dahn ）总结来说，新的电池技术核心都是为了提升能量密度、提升寿命、降低成本，加快能源变革的普及。表

22、 2：特斯拉新电池技术总结提升能量密度提升寿命降低成本大体积电池硅纳米线负极单晶正极及电解液干电池技术无钴技术资料来源：中信证券研究部 特斯拉电池新技术对第三方企业有什么影响？1、特斯拉为什么要自己做电池？特斯拉一直试图推动能源变革，包括光伏发电、储能装置、电动车等，无论哪个环节，电池都是很重要的一环，因此特斯拉对电池研发、生产投入力度很大，试图掌握最先进的核心技术，引领行业向前发展。2、如果特斯拉自己做电池，对产业链电池企业是利空么？考虑特斯拉自身的电池需求规模（预计 2020 年接近 35GWh，后续很快接近百万 GWh），以及电池生产的马太效应（规模、成本、性能曲线）等，加上电池属于重资

23、产业务，预计特斯拉的大部分电池仍是由外部独立第三方供应商提供，所以对于宁德、松下、LG 而言，都没有实质性的影响。另一方面，特斯拉造电动车、动力电池，推动能源变革，主要的竞争对手是燃油车，所以我们推断特斯拉更愿意联合电池企业一起推动技术进步、成本降低，以推动汽车产业电动化发展。图 18：特斯拉电池需求量预测预计超过110GWh预计超过90预计超过60322534172026 0.1 4798120100806040Cybertruck-美国产 Model 3/Y-欧洲产 Model 3/Y-中国产 Model 3/Y-美国产 Model S/X-美国产2002015201620172018201920E21E22E23E资料来源：特斯拉财报，中信证券研究部预测 风险因素销量不及预期，项目投产进度不及预期，技术路线更迭。 投资策略特斯拉未来有望推动电池技术进步、成本下降，进而推动电动车普及，加速汽车产业乃至能源行业的变革。中国电动车供应链、锂电行业各环节龙头具备全球竞争力，有望受益全球电动车放量，尤其是特斯拉供应链的相关投资机会更加明确：1）锂电环节：宁德时代（电池），比亚迪(A+H)、恩捷股份（隔膜）、德方纳米（LFP 材料）、璞泰来（负极）、新宙邦（电解液），天赐材料（电解液），建议关注科达利（壳体）等；2）上游设备及资源：先导智能（设备）、杭可科技（设备）、赣锋锂