特斯拉的动力电池梦

作者:平安电力设备团队 

来源:平安研究

摘要

特斯拉电池日将在2020年4月召开,将会公布新型电池的进展情况。本文通过梳理分析特斯拉收购的Maxwell拥有的干电极相关技术和专利,对特斯拉自产电池可能选择的技术路线做出初步判断。我们预测特斯拉的动力电池,有望采用高镍正极+硅碳负极(掺锂)+干电极+超级电容的技术组合。

特斯拉在电池领域有哪些布局?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。特斯拉还准备在上海工厂生产的电动车中使用不含钴的电池。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;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。

特斯拉未来的电池技术路线是怎样的?锂电池(干电极工艺+高镍正极+预锂化硅碳负极)+超级电容(锂离子电容)组合。高镍材料体系是锂电池发展的主流方向,干电极的工艺改善可以加快高镍化的进程。在动力源方面,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。Maxwell已经在2017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。

Maxwell是一家什么样的公司?Maxwell创办于1965年,主要业务包括超级电容器、高压电容器和减轻辐射微电子产品,已成为全球领先的超级电容制造商,旗下客户包括吉利、沃尔沃、大陆集团、西门子等。Maxwell是少数将干电极技术运用于超级电容生产的厂商,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。

干电极技术有哪些优点和应用难点?与传统的湿法工艺相比,干电极技术主要有以下优点:1)压实密度高,对高镍电池材料体系的兼容性更强;2)成本较湿法工艺下降10%-20%+;3)循环寿命更长、高温稳定性更好、充放电速率更高、能量消耗更低等。干电极技术在锂电池上的应用难点在于干电极技术制作的极片容易脱粉,因此对粘结性要求高,目前的干电极工艺还难以满足生产要求。

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(­40º C to +65º 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。

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特斯拉的动力电池梦

1.1 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。

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。

1.2 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,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。

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。

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。

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。

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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。

2.1 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。

与传统的湿法工艺相比,干电极技术主要有以下优点:

1)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。Maxwell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%。

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。

2)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。

3)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。

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,目前的干电极工艺还难以满足生产要求。

Maxwell表示已经将干电极技术应用于锂电池。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。

2.2 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(­40º C to +65º 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,作为电动车的主动力来源难度较大。

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:

1)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。

2)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2017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。

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:

1)给出新型电池的方案。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。

2)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。

3)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。

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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:

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,预计2021年后会量产电池,短期内动力电池还是以外供为主。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。

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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。

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