特斯拉电池日看什么?收好这份投资主线地图

来源: 中泰证券苏晨、邹玲玲
是否采用干电极生产技术、无钴电池技术、硅碳负极,以及电池方案选择圆柱、方形还是软包,寿命能否达到100万英里,这些是关注焦点,也可能对国内产业链公司带来重大影响。

每周思考:特斯拉电池日前瞻以及投资主线梳理

1.1、特斯拉电池领域布局

Tesla作为车企最初在电池技术积累较少,其只能通过对外采购电池,基于一致性、成本、安全性等要素,其一开始选用了松下的18650圆柱电池路线,并自主开发BMS电池管理系统。后来为不断满足消费者对更长续航里程要求,提高电池空间利用率,降低成本,双方在18650电池基础上升级至21700电池。

动力电池作为电动车核心零部件,Tesla为了保障供应链安全性,掌握电池技术:

一方面,增加外部电池供应商:从松下单一供应商,新增LG化学(2019年)和宁德时代(2020.7);

另一方面,重视锂电池技术,通过引入Jeff Dahn研究团队(Jeff Dahn是目前国际上锂离子电池材料研究领域最著名的学者之一),全方位从技术、生产工艺布局锂电池领域,自建电池厂。2019.2,通过收购干电极与超级电容企业Maxwell涉足电池生产;2019.10,收购锂电设备制造商Hibar;2020.1宣布自建1条电池试验线,自建电池厂;2020.2宣布动力电池自建项目Roadrunner。

1.2、特斯拉电池日关注点

(1)自建电池厂:弗里蒙特的Roadrunner项目(建设已接近完成)

Tesla计划在美国、德国、中国未来自建电池厂;

Roadrunner项目部分信息:

1)至少400名员工将轮班工作,每班最多可容纳100名工人的四班制生产24/7生产线;

2)以三元电池为主;原材料:铝钴锂镍氧化物(NCA)、氧化钛、锂镍锰钴氧化物、NCA或NCMO前驱体、硫酸钴、氢氧化锂、硫酸锰、硫酸镍等。(资料来源:Electrek,Cleantechnica);

(2)特斯拉电池技术展望分析

电池技术储备增加,注重电池研发。截至到2020年初,特斯拉已经申请专利3400余项,主要涉及领域为电气系统,动力系统,电池结构,温控系统,电极关键材料等。

其中,锂电池的专利大概400余项。与锂电池龙头企业相比,其专利数量还有较大的差距。但是,2017年以来,不管是高镍电极材料的制备技术和电解液添加剂的研究,还是2019年初对Maxwell干电极技术的收购,都明显看得出特斯拉公司的发展的矛头都指向了电极材料领域。

再者,从最近特斯拉公司的举动来看,最近所有举动都是为了摆脱高价钴的依赖,为以后生产高镍正极和硅碳负极做布局。最近,特斯拉最新申请有关三元电极的专利MethodforSynthesizingNickel-Cobalt-AluminumElectrodes提出了一种两步法制备高纯度NCA单晶的电极材料,此电极材料可以实现4000次充放电循环,电动车续航里程也可以提升至160万公里,此次的循环寿命的提升大大加大了三元电极材料的竞争优势。

长续航里程,高寿命电池已达攻坚阶段。长续航里程一直以来都是新能源电动车努力的目标。为实现新能源电动车的长续航里程,电极关键材料近年来都有大幅度的提升,目前能量密度最高的当属三元锂电池。

为实现超长续航里程和长循环寿命,特斯拉做了以下方面的工作:

1.优化三元正极材料的合成方案和设计合理的原子比来提高电极材料的稳定性和降低容量衰减率。

2.优化电解液添加剂,来稳定电池充放电中的电极材料的结构,以增强电池循环寿命。目前特斯拉已经形成自有独特的电解液添加剂体系。

3.大电池组的使用和设计,以及新的成组方案也是特斯拉目前最重视的领域,也能从电池组的设计上提升续航能力。

4.硅碳负极材料的应用,硅碳负极材料具有极高的理论比容量(4200mAh/g),因此对于新能源电动汽车的续航提升贡献较大。但是目前硅碳负极存在很大的不稳定性,依然很难大规模应用。特斯拉一直都是走在硅碳电极研发和使用的前列,科研瓶颈一旦突破将给新能源动力电池带来较大的提升。

关注点1:生产工艺——或采用干电极生产技术

或采用maxwell的干电极生产工艺(maxwell自2011年起研发干电极技术)

含义:干电极技术就是有区别于湿法电极技术,干电极技术是摒弃了湿法电极技术中的有机溶剂(NMP),直接将少量(5%-8%)细粉状PTFE粘合剂与正极/负极粉末粘合,通过挤压机形成薄的电极材料带,再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。

干电极技术优势:

1)降低成本,极大简化了传统湿电极制作流程,提升电池能量密度。该工艺不需要溶剂干燥箱,大幅提高生产效率,降低成本;每年或将增加20,000个100kWh的电池包产能;

2)干电极技术对高镍正极和硅碳负极的优化都是关键技术;①利于负极补锂:可以制备更高能量密度的电极,并且有利于负极补锂。目前传统的负极补锂技术是通过静电喷涂的形式,干电极技术的使用可以将锂金属直接添加到负极材料中,改善目前的补锂技术。②降低正极加工成本:高镍正极材料对空气中的水分异常敏感,所以传统湿法电极制备工艺对于高镍正极材料的制备通常会耗费更大的加工成本。

3)可以为后续发展固态电极提供有力支撑;

关注点2:无钴电池技术

对特斯拉研发团队Jeff Dahn教授的研究成果整理可见(见下表)。相关论文均对无钴化高镍锂电池做了详细的性能测试,并提出可以通过制备工艺和其他代替金属的使用来弱化钴对锂电池的稳定性和性能方面的提升的效果,从而提出了对锂电池摆脱钴的愿景。

Jeff Dahn研究团队发表论文《Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?》,在论文中摒弃了Co元素,而是用Al,Mn,Mg元素代替,研究了这三种元素在高镍正极材料中对材料稳定性的影响,而结果表明:经过优化后,在Al,Mn,Mg元素合理存在的情况下, Co的使用对抑制正极材料的相变起到的作用甚小。因此他们乐观的认为:(We are optimistic that with appropriate coatings or low levels of dopants at the surface, that LiNi1-xMxO2 materials of the type discussed here can be matched or exceeded by materials without cobalt.)经过合适的涂层包覆和元素掺杂可以抑制LiNi1-xMxO2电极材料的容量衰减,一定程度上摆脱Co的依赖。

关注点3:硅碳负极

特斯拉或采用硅纳米线材料(硅碳负极的一种),提升电池能量密度。或与美国Amprius(安普瑞斯)(最初由斯坦福大学崔屹教授创建)合作,采用其制造的碳纳米线材料。

//*备注资料:目前Amprius已向欧美,国内的客户提供能量密度为750Wh/L 的高能量密度锂电池和,已向美国能源部提供380Wh/Kg的动力电池;(该公司于2012年设计和演示了用于锂离子电池的高容量硅纳米线负极以及制造技术。2016年完成锂离子电池硅纳米负极生产线制备并投入中试生产);//

关注点4:采用何种电池方案?圆柱、方形还是软包?

1)Biscuit Tin大圆柱电芯。

9月17日,据electrek,特斯拉可能推出的电芯尺寸可能是现有21700的2倍;该电芯名为“Biscuit Tin”大圆柱电芯。

我们认为,该电芯设计,与宁德时代CTP、比亚迪刀片电池一样,其核心想法均是从结构上进行创新,通过采用大电芯方式,降低成本,提高集成效率,提升体积能量密度和重量能量密度;

圆柱电芯无极耳设计:

2020年5月特斯拉一项专利披露,将传统圆柱电芯的极耳结构取消:1)降低内阻,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率。2)简化制造降低成本;

关注点5:电池技术指标,自产电池寿命能否达到100万英里?

根据特斯拉专利显示,Jeff Dahn团队以NCM三元锂电池为基础研究,该电池的最大循环次数可能逼近5000次,对应车辆的行驶里程可能会达到100万英里(约合160万公里)。

我们判断,特斯拉新型电解液添加剂技术,将有助于其提高循环寿命。电解液添加剂是未来一段时间提高锂离子电池循环寿命和容量的重要研究方向。特斯拉电解液技术布局主要依赖于Jeff Dahn教授的研究成果,纵观历年来Jeff Dahn的研究历程,为实现更高的能量密度和更长的使用寿命并且适用于电动汽车和储能系统的锂电池,积极寻求新型的电解液添加剂。

在众多专利中,测试电池为1030型电池和软包电池,正极材料为经过氧化铝(Al2O3)或者二氧化钛(TiO2)包覆的NMC三元材料,负极材料为天然/人造石墨。通过解读专利了解到特斯拉主要开发双重电解液添加剂来实现锂电池的长循环寿命的策略,其所用的添加剂主要包括二氟磷酸锂、碳化物(碳酸亚乙烯酯,氟代碳酸亚乙酯)、硫化物(硫酸盐,硫化乙烯酯)、酮类(二恶唑酮,呋喃酮)几大类的掺杂使用作为复合电解质。

1.3、特斯拉自建电池厂,对全球动力电池竞争格局影响?

1)动力电池作为新能源汽车关键零部件,其占成本比重高达30%以上;Tesla高度重视并希望掌握动力电池技术、通过自建部分产能保障供应链安全并降低成本留存利润。

2)在特斯拉发展初期,动力电池技术,生产经验积淀不足,通过外购电池是其唯一选择;随着其产销规模扩大,希望通过自建部分产能确保供应链安全,是其必然选择;

总的来说,我们认为独立第三方电池供应商或将占据动力电池主导地位,关键看Tesla自建电池竞争力:

1)动力电池是涉及物理和化学产品,其在研发、生产、工艺积累、实践经验生与整车的研发制造差异较大。当前第三方动力电池龙头公司如CATL、松下、LG化学、三星等,从在电池领域(从消费电池到动力电池)积淀深厚,拥有10多年以上的研发、生产、制造经验。特斯拉自建电池厂,是否能做好电池,还需要观察。

2)未来动力电池的竞争主要集中在:产品性能+成本。其自建电池需要不断提高产品性能保持技术领先性,同时需要在成本上要低于外部电池厂商。全球锂电池龙头如CATL在技术、产品品质、供应链管理、研发等都具备了非常强的综合竞争力,经过多年的快速发展,其持续技术创新能力、规模优势、成本优势具备全球竞争力,并有望在与车企自建电池竞争中胜出。

3)从制造业成本控制看,中日韩特别是中国电池厂在成本控制层面实力更强,不排除未来特斯拉自建电池厂的电池成本将高于中国厂商,仍会有一部分产能进行外购。

4)新能源汽车市场足够大,未来增量市场足以支撑第三方独立电池厂商发展。

1.4、投资建议

1、成本快速下降带来电动汽车需求高增长,东亚地区动力电池厂在规模化生产管理和成本控制方面具有较大优势,CATL和松下、LG等有望通过合作研发或者专利授予形式加大供应。CATL具备显著的生产成本优势,我们预计后续将持续扩大在特斯拉供应体系占比。

2、从电池技术角度看,特斯拉致力于提升电池循环寿命、长续航里程、降低成本。其作为电动车领军,在电池日发布的电池领先技术将推动行业进步。通过对电池日技术猜想,从正极、硅负极、电解液添加剂及电池生产工艺或将与现有材料有一定变化:

1)采用电解液添加剂方式,提高电池循环寿命和容量;添加剂用量及成本将提高,利好拥有电解液添加剂技术的企业,重点推荐天赐材料(6F、新型锂盐)、新宙邦(添加剂)、石大胜华(溶剂);

2)或采用碳纳米线技术,提升电池容量;目前国内硅碳负极材料技术储备公司:贝特瑞(松下核心供应商,硅负极已批量出货)、璞泰来(硅负极预计年底批量);

3)其他材料环节供应商:恩捷股份(特斯拉Maxwell供应商)有望凭借技术+成本优势成为特斯拉自建电池厂核心供应商;贝特瑞(松下NCA正极供应商,间接供应特斯拉);当升科技(高镍正极海外占比高;为特斯拉储能电池配套正极材料);结构件:科达利(外壳供应商);

4)上游资源端:锂资源:通过负极预锂化提升电池容量,将提升对锂资源需求,关注赣锋锂业(有色);钴资源影响:低钴或无钴材料是特斯拉技术攻克目标,从特斯拉与嘉能可签约年采购6000吨钴金属看,短期仍将以含钴三元电池为主。

5)锂电设备:在特斯拉扩产初期,锂电设备厂商有望率先受益;推荐:先导智能(供应商)、赢合科技、杭可科技等;

本文作者:中泰证券苏晨、邹玲玲,来源:晨看新能 (ID:suchen-xny),原文标题:《周观点 | 特斯拉电池日前瞻以及投资主线梳理【中泰电新】》,华尔街见闻对内容有删减。

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