1、 证券证券研究报告研究报告行业深度报告行业深度报告 特斯拉特斯拉：电池风云电池风云 特斯拉动力电池技术布局：长寿命特斯拉动力电池技术布局：长寿命& &无钴愿景无钴愿景 特斯拉技术专利的主要分布为电气系统、动力电池结构、温 控、连接等。电池材料核心内容主要发明人为 J.R.Dahn 教授，领 域包括高镍正极、电解液添加剂高镍正极、电解液添加剂。高镍（无钴）正极的研究成果高镍（无钴）正极的研究成果 为 LiNi0.95Al0.05O2芯壳结构材料，C/5 循环 400 次容量保持率不足 70%， 降至约 160mAh/g。 考虑到钴在阻碍镍锂混排方面的关键性钴在阻碍镍锂混排方面的关键性 作用作用，

2、其大概率仍是高镍大概率仍是高镍体系体系动力锂离子电池的必需元素动力锂离子电池的必需元素。电解电解 液添加剂及长寿命电池液添加剂及长寿命电池的研究成果为使用 NMC532 单晶正极、 石单晶正极、 石 墨负极墨负极的电池深度充放循环寿命高达 4000 次次以上，还保留着超 过 90%的容量； 日历寿命推断也较长。 长寿命电池是实现整车 “百长寿命电池是实现整车 “百 万英里” 、油电“同寿同权”的关键万英里” 、油电“同寿同权”的关键。 特斯拉收购电池相关特斯拉收购电池相关技术：理想与探索技术：理想与探索 特斯拉通过收购方式取得的技术是干法电极技术，可能还包 括离子液体-富硅负极技术。 干法电极

3、技术干法电极技术以粘结剂、导电剂等混合电极活性材料并压延 成膜，可节约溶剂、缩短工时、避免溶剂残留、降低设备复杂度节约溶剂、缩短工时、避免溶剂残留、降低设备复杂度， 但产品材料均匀性是较大挑战材料均匀性是较大挑战。Maxwell 有关专利显示进展为 NMC111 正极正极，0.5C- 1C 充放，深度循环 2000 次剩余容量 85%， 高镍无寿命数据高镍无寿命数据；硫硫系系正极、预锂化负极正极、预锂化负极或也有前景。高镍正极高镍正极 -离子液体离子液体-富硅负极富硅负极样品 C/5 充放、深度循环 100 次后能量密度 大于 300Wh/kg，剩余容量 90%，但对温度范围敏感，成本高。 特

4、斯拉电池日前瞻与分析：蹊径未来特斯拉电池日前瞻与分析：蹊径未来 特斯拉作为追赶者涉足电池领域需布局优化需求强烈布局优化需求强烈/有可有可 能产生技术变革的方向能产生技术变革的方向。我们估计，特斯拉在电池日上将公布电公布电 池技术的进展和前瞻、电池技术和整车的协同情况池技术的进展和前瞻、电池技术和整车的协同情况、自建电池厂自建电池厂 的路线图、合作伙伴的有关供货信息的路线图、合作伙伴的有关供货信息等内容等内容。 特斯拉在动力电池领域的入局相当程度上对提升产业景气 度、吸引人才进入相应领域有积极作用，但是现有动力电池产业现有动力电池产业 格局大概率不会被特斯拉颠覆，现有材料体系大概率在较长一段格局

5、大概率不会被特斯拉颠覆，现有材料体系大概率在较长一段 时间内仍是产业的主流选择。中国动力电池供应链和特斯拉的关时间内仍是产业的主流选择。中国动力电池供应链和特斯拉的关 系仍将以系仍将以优势互补优势互补为主为主，符合产业趋势、技术实力强劲、成本控 制到位的供应链公司有望持续获取新能源汽车产业腾飞红利。 投资评价和建议投资评价和建议 建议投资者关注电池核心环节的全球动力电池龙头企业，并 关注材料企业：正极材料：容百科技、当升科技、长远锂科、厦 门钨业，以及受益特斯拉催化剂的磷酸铁锂标的：德方纳米、湘 潭电化；负极材料：中科电气、凯金能源；电解液：天赐材料、 新宙邦；隔膜：恩捷股份；结构件：科达利；

6、铜箔：嘉元科技（有 色覆盖） ；电气部件：宏发股份。 风险分析风险分析 特斯拉技术优势降低；新能源汽车产业发展不及预期。 维持维持 买入买入 杨藻杨藻 吕娟吕娟 执业证书编号：S03 研究助理研究助理 张亦弛张亦弛 010- 85159272 研究助理研究助理 张鹏张鹏 - 执业证书编号：S01 发布日期： 2020 年 03 月 03 日 市场市场表现表现 相关研究报告相关研究报告 -13% -3% 7% 17% 27% 2019/3/4 2019/4/4 2019/5/4 2019/6/4 2019/7/4 2019/8

7、/4 2019/9/4 2019/10/4 2019/11/4 2019/12/4 2020/1/4 2020/2/4 电气设备上证指数 电气设备电气设备 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 目录目录 一、特斯拉动力电池技术布局：长寿命&无钴愿景 . 1 1、特斯拉本体技术布局：电气基本盘，电池占比低 . 1 2、高镍无钴正极：或临倍率性能妥协？. 2 3、电解液添加剂：踏上电池长寿命征途. 6 二、特斯拉收购电池相关技术：理想与探索 .11 1、Maxwell 技术布局：干法电极向电池领域进发 .11 2、干法正极：三元迎倍率挑战，硫系或奇兵出击 . 13 3、干法

8、负极：倍率同迎接挑战，期待预锂化硅碳突破 . 17 4、离子液体+富硅负极：瑕瑜互见，前方高能 . 19 三、特斯拉电池日前瞻与分析：蹊径未来 . 22 1、尚存差距，特斯拉已知电池技术 pk 中国龙头 . 22 2、虽已力寻蹊径，仍需风雨兼程 . 24 投资评价和建议 . 27 风险分析 . 27 图表目录图表目录 图表 1： 特斯拉专利布局 . 1 图表 2： Jeffery Raymond Dahn 教授近期主要科研成果 . 2 图表 3： 镍酸锂的容量-循环性能和电性能 . 2 图表 4： 不同高镍-掺杂体系下的正极材料热行为和低倍率容量-循环性能 . 3 图表 5： 具备芯-壳结构的

9、无钴高镍前驱体及相应元素分析 . 3 图表 6： LNO:NiAl83/17 正极材料低倍率容量-循环性能 . 4 图表 7： 钴在高镍材料中抑制锂镍混排的作用示意. 5 图表 8： NAM90/05/05（LiNi0.9Al0.05Mg0.05O2）正极形貌及其与对照组容量-循环性能 . 5 图表 9： 特斯拉电解液添加剂相关专利 . 6 图表 10： MDO、PDO、BS 等添加剂的结构式与合成路径 . 7 图表 11： 电池 4.3V、60oC 储存 500h（上）和 4.3V 化成（下）的产气量对比 . 7 图表 12： 不同电解液添加剂对应的电池循环性能对比（上 622，下 532）

10、 . 8 图表 13： 研究使用的电解液和添加剂结构式 . 8 图表 14： 研究使用的电池单体性能参数 . 9 图表 15： 不同 NMC532 样品的测试电压-温度-倍率-时间对应的容量与电压变化 . 9 图表 16： 不同循环条件下电池容量变化；纯电动乘用车的里程、容量和使用时间关系估计 . 10 图表 17： Maxwell 专利布局 .11 图表 18： Maxwell 干电极相关典型专利 .11 图表 19： Maxwell 干电极制备工艺（并行流程） . 12 图表 20： 常规锂电池生产工艺流程 . 13 图表 21： 干法 NMC111 正极容量-电压曲线 . 13 图表 2

11、2： 干法 NMC811 正极容量-电压曲线 . 13 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 图表 23： 干法 NMC111 样品的容量-放电倍率 . 14 图表 24： 干法 NMC111 样品的循环寿命 . 14 图表 25： 干法 NMC622-石墨厚电极基本参数 . 15 图表 26： 干法 NMC622-石墨厚电极对应电池的不同倍率充放行为 . 15 图表 27： 干法硫碳复合正极样品的容量-电压曲线（Maxwell） . 16 图表 28： 干法硫碳复合正极（后加以润湿）的容量-电压曲线、容量-循环寿命曲线（放电 0.2C） . 16 图表 29： 干法石

12、墨负极容量-电压曲线 . 17 图表 30： 不同工艺流程干法石墨负极的强度和首次循环效率 . 17 图表 31： 不同硅含量的负极材料的理论容量 . 18 图表 32： 4.7%硅碳复合负极的充放行为 . 18 图表 33： 预锂化负极容量 . 18 图表 34： 预锂化负极循环效率 . 18 图表 35： 石墨基预锂化薄膜的制备工艺流程和优化手段. 18 图表 36： 预锂化对干法硅碳负极首周容量衰减的补偿作用 . 19 图表 37： 可搭配高镍正极的典型离子液体+富硅负极专利 . 19 图表 38： C/5（上）和 C/10（下）倍率，电池单体容量-温度情况 . 20 图表 39： 包覆

13、有聚丙烯氰的硅基负极 . 20 图表 40： NMC811 正极-离子液体-富硅负极纽扣电池性能 . 21 图表 41： NMC622 正极-离子液体-富硅负极纽扣电池性能 . 21 图表 42： 宁德时代专利布局 . 22 图表 43： 比亚迪专利布局 . 22 图表 44： 宁德时代单晶 NMC532 电池正极材料电镜照片 . 22 图表 45： 宁德时代单晶 NMC532 电池正极材料循环性能 . 22 图表 46： 宁德时代新型电解液的部分添加剂化合物 . 23 图表 47： 宁德时代不同性能侧重点的动力电池* . 23 图表 48： 宁德时代方形、圆柱无模组电池包 . 23 图表 4

14、9： 比亚迪“刀片电池”对应电池包的结构和实施例性能表现 . 24 图表 50： 特斯拉动力电池相关技术布局综合评估 . 25 1 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 一、一、特斯拉动力电池特斯拉动力电池技术技术布局：长寿命布局：长寿命&无钴愿景无钴愿景 1、特斯拉特斯拉本体本体技术布局：电气技术布局：电气基本盘，电池占比低基本盘，电池占比低 “技术极客”是特斯拉公司的关键属性。电子电气架构、用能充能系统等的先进性奠定了其智能电动车产 品的销量和地位。特斯拉的主要技术专利主要包括自研、外部收购获得这两部分。 特斯拉（Tesla Motors Inc/Tesla Inc

15、）截至 2020 年初已有 2200 余项专利公开，其主要分布为电气系统、动力 电池结构、温控、连接等。动力电池子项总量和占比均不高。和传统动力电池龙头相比，在动力电池相关专利 数量上的差距巨大。 图表图表1： 特斯拉专利布局特斯拉专利布局 资料来源：patsnap，中信建投证券研究发展部 特斯拉和动力电池相关的主要专利细项对应 IPC 小组 H01M10/0525，对应的主要发明者为锂电先驱 Jeffery Raymond Dahn 教授。 Dahn 教授的主要研究领域是高镍正极高镍正极（本征镍酸锂材料、高镍复合金属酸锂材料）和电解液添加剂电解液添加剂。其学 术论文和专利一起可以作为特斯拉在

16、动力电池领域的前瞻性技术储备（学术论文发表于期刊 Journal of The Electrochemical Society，领域兼有二者；技术专利暂为长寿命电解液添加剂） 。可见，对相关内容进行细致比较对相关内容进行细致比较 研究，可以推断相应技术路线特斯拉已达到的研究，可以推断相应技术路线特斯拉已达到的水平；再深入进行有关机理分析，又可对其实现可能性进行一定水平；再深入进行有关机理分析，又可对其实现可能性进行一定 程度的前瞻估计程度的前瞻估计（电池的主要关注点为能量、倍率、寿命、成本、安全性；对于正负极，能量项等同于关注容电池的主要关注点为能量、倍率、寿命、成本、安全性；对于正负极，能量

17、项等同于关注容 量量/对锂电压； 充放倍率对锂电压； 充放倍率-充放深度充放深度-循环寿命同时提供时的数据信息量大； 循环寿命循环寿命同时提供时的数据信息量大； 循环寿命/日历寿命日历寿命/能量能量和温度关系也和温度关系也 2 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 较大；安全性可通过电池的热行为进行一定程度评估；较大；安全性可通过电池的热行为进行一定程度评估；纽扣电池纽扣电池/小容量软包电池测试对应的技术成熟度不及商小容量软包电池测试对应的技术成熟度不及商 用封装手段电池）用封装手段电池） 。 图表图表2： Jeffery Raymond Dahn 教授近期主要科研成果

18、教授近期主要科研成果 文献文献标题标题 主要领域主要领域 期刊和时间信息期刊和时间信息 Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1 高镍正极 Journal of The Electrochemical Society, 165 (13) A2985-A2993 (2018) Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries? 高镍正极 Journal of The Electrochemica

19、l Society, 166 (4) A429-A439 (2019) Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure 高镍正极 Chemistry of Materials, 31(24) A10150-A10160(2019) Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells 电解液 Journal of The Electrochemical Society, 165 (13

20、) A2961-A2967 (2018) A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies 电解液和测试 标准 Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A3031-A3044 (2019) 资料来源：Web of Science, 中信建投证券研究发展部 2、高镍无钴正极：、高镍无钴正极：或临或临倍率性能妥协？倍率性能妥协？ Jef

21、fery Raymond Dahn 教授团队在不同的论文中研究了镍酸锂及高镍正极体系的相关内容。 在论文 Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 x 1 中，J.R. Dahn 教授分析了镍酸 锂（以氢氧化锂为锂源、氢氧化镍为前驱体合成）的性能表现及其机理：充放充放循环过程中的循环过程中的材料材料相变是影响性相变是影响性 能的关键因素。能的关键因素。 图表图表3： 镍酸锂的镍酸锂的容量容量-循环性能和电性能循环性能和电性能 资料来源: Updating the Structure and Electrochemi

22、stry of LixNiO2 for 0 x 1，中信建投证券研究发展部 作为上述研究的拓展，J.R. Dahn 教授团队在论文 Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?中进一步分析了不同掺杂元素的作用：镁、锰、铝可以不同程度抑制热失控；在 C/20、C/5 的低倍率循环条件下， 不同纽扣电池纽扣电池对应的 NCA80/15/05 （LiNi0.8Co0.15Al0.05O2） 正极、 NMg95/05 （LiNi0.95Mg0.05O2） 正极、NA95/05（Li

23、Ni0.95Al0.05O2）正极（前述正极锂源均为氢氧化锂）的名义容量/循环次数区别不大（后两者 3 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 循环电压有调整）, NMg95/05 的性能表现相对最好。故 J.R. Dahn 教授团队认为，镁、锰、铝等元素的掺杂取代 都可以阻碍镍酸锂基体在循环过程中的相变，而钴并非必需；镁、锰、铝等元素同时可以抑制正极和电解液的 副反应，提升安全性；他们同时乐观地认为（他们同时乐观地认为（We are optimistic that原文如此）低含量掺杂原文如此）低含量掺杂/化学包覆改性化学包覆改性 可以可以对抗电池循环过程中的容量退降，对

24、抗电池循环过程中的容量退降，使使 LiNi1-xMxO2型正极材料摆脱钴元素型正极材料摆脱钴元素。 图表图表4： 不同高镍不同高镍-掺杂体系下的正极材料热行为和低倍率掺杂体系下的正极材料热行为和低倍率容量容量-循环性能循环性能 资料来源: Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?，中信建投证券研究发展部 进一步的研究工作体现在论文Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell

25、structure中。 J.R. Dahn 教授团队制备了以 Ni(OH)2为芯、Ni0.83M0.17(OH)2为壳（M=Mg、Al、Mn）的正极前驱体，平均化学 组成保持在 Ni0.95M0.05(OH)2；后续和氢氧化锂煅烧成正极材料。 图表图表5： 具备芯具备芯-壳结构的无钴高镍前驱体及相应元素分析壳结构的无钴高镍前驱体及相应元素分析 资料来源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure，中信建投证券研究发展部 煅烧过程结束后，镁均匀分布于颗粒中，铝和锰留存于颗粒表面

26、；含锰材料在锂层显示出大量镍，说明了 4 行业深度报告报告 电气设备电气设备 请参阅最后一页的重要声明 锂镍混排现象加剧，含铝、含镁材料也有部分锂镍混排。 长时间低倍率循环（C/5）过程中，J.R. Dahn 教授团队认为阻抗增加、活性物质流失等因素导致了正极容量 衰减。相对表现最好的 LNO:NiAl83/17 样品在 400 次循环后仅剩余 69.4%容量。 图表图表6： LNO:NiAl83/17 正极材料低倍率容量正极材料低倍率容量-循环性能循环性能 资料来源: Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a co

27、re-shell structure，中信建投证券研究发展部 动力电池的材料体系内涵丰富，不同基体动力电池的材料体系内涵丰富，不同基体-掺杂元素的作用已被学术界进行了广泛而深入的研究。掺杂元素的作用已被学术界进行了广泛而深入的研究。 发表于发表于 Advanced Energy Materials 上的上的论文论文 Nickel-Rich and Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes: Progress and Perspectives 归纳了高镍体系下不同元素的作用： 钴对于降低锂镍混排有显著作用钴对于降低锂镍混排有显著作用 （Co substitution

28、 was highly effective in lowering the cation mixing between the Li and TM layers，原文如此） ；锰降低成本、改善热稳定性，但锰降低成本、改善热稳定性，但 是会一定程度增加锂镍混排；是会一定程度增加锂镍混排；镁可以改善热稳定性、抑制相变与正极释氧；铝抑制镁可以改善热稳定性、抑制相变与正极释氧；铝抑制相变相变，提升比重量容量。发，提升比重量容量。发 表于表于 Nature Energy 上的论文上的论文 High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based autom

29、otive batteries 归纳：归纳：在保 持可接受的功率、寿命和安全指标的同时，继续推动提高能量密度、减少钴等昂贵原材料的使用，需要一套战继续推动提高能量密度、减少钴等昂贵原材料的使用，需要一套战 略性的成分、形貌和微观结构设略性的成分、形貌和微观结构设计以及高效的材料生产工艺计以及高效的材料生产工艺；NCA 材料的无钴化比材料的无钴化比 NCM 的无钴化相对的无钴化相对可行可行。 发表于发表于 Sicence 上的论文上的论文 Cobalt in lithium-ion batteries（2020 年 2 月 28 日刊出）深入地分析了钴掺杂的机 理。研究者认为：对一个高镍正极层状

30、材料体系而言，除物相本身的不稳定性和杂相生成的可能性外，Ni 具有具有 相对强的磁矩，三个呈三角排布的镍导致“磁挫” （相对强的磁矩，三个呈三角排布的镍导致“磁挫” （magnetic frustration，原文如此），原文如此） ，材料体系处于高能量不，材料体系处于高能量不 稳定状态。锂无磁矩，故有倾向进入镍位使整个材料体系稳定化，但同时缺锂的锂氧层状结构层间距减小，阻稳定状态。锂无磁矩，故有倾向进入镍位使整个材料体系稳定化，但同时缺锂的锂氧层状结构层间距减小，阻 碍锂的传输，导致正极的容量不可逆衰减。碍锂的传输，导致正极的容量不可逆衰减。钴的掺杂钴的掺杂作用同样是因为其无磁矩，可稳定材料体系，抑制不需要作用同样是因为其无磁矩，可稳定材料体系，抑制不需要 的锂镍混排的锂镍混排。作者同时分析了“无钴化”的路径：其一，用其他有类似作用的元素替代钴，但可能影响正极体 系容量，并在动力学上不利于倍率性能发挥；多个材料体系耦合，但可能有严重的相变存在；使用阴离子氧