1、 敬请参阅最后一页特别声明-1-证券研究报告 2020 年 5 月 17 日 新能源汽车 再探“门口的野蛮人”特斯拉电池日前瞻专题报告 行业深度 技术迭代驱动电池发展，特斯拉引领行业技术迭代驱动电池发展，特斯拉引领行业 回顾 200 多年的发展历史，总体来看，电池向更高的能量密度（体积&重量）发展，此外，安全性、循环性及成本等因素也影响电池的商业化应用。就汽车领域来看，车用动力电池发展主要经历了镍氢/锰酸锂-磷酸铁锂-三元锂电三个阶段，电池性能持续优化，成本不断下降。电池环节的技术更新会带来风险但也伴随着机遇，因此关注技术路线十分重要；特斯拉搭载的动力电池始终引领行业，有必要对其电池战略加以重
2、视。材料材料层面：层面：无钴无钴化、化、硅碳负极、硅碳负极、电解液电解液添加剂、添加剂、碳纳米管碳纳米管 对于三元电池，镍含量的增加有助于提升能量密度，钴的成本较高，因此高镍低钴电池成为重要的发展趋势，特斯拉已申报单晶 NCA 材料的制备专利；高镍三元电池的循环性较差，因此可以通过掺杂元素形成四元电池或者改性包覆来改善电池寿命，Jeff Dahn团队在2019年提出了Al2O3涂层如何提升正极材料性能的新见解；磷酸铁锂电池具有低成本、长寿命等优势，宁德时代将为特斯拉供应磷酸铁锂电池。电解液添加剂具有抑制阻抗等作用，过去几年，Jeff Dahn 对 DMI、ODTO 等电解液添加剂进行了研究，特
3、斯拉于 2018 年提交了名称为二恶唑酮与亚硫酸腈作为锂电池电解液添加剂的专利文件。碳纳米管可以使锂电池循环过程中保持良好的电子和离子传导，从而大幅提升锂电池的循环寿命。结构结构层面：层面：CTP、刀片刀片电池电池方案方案 整合精简电芯、模组硬件成为动力电池降本的重要路径之一。2019年 9 月，宁德时代推出了全新的 CTP 方案，可以使空间利用率提升15%-20%，零件数量减少 40%，能量密度提升 10%-15%。比亚迪开发的“刀片电池”将于 2020 年量产，体积比能量密度提升 50%，比亚迪“汉”将搭载该电池，计划于 2020 年 6 月上市。工艺工艺层面层面：干电极、干电极、预预补补
4、锂锂 干电极是一种极片制作工艺，与湿法电极相比，（1）会节省一部分设备投资，同时生产效率提升；（2）节省溶剂成本，但降本效果较小，粘结剂存在变化的可能性；（3）可降低阻抗，提升极片材料厚度，进而提升电池性能。预补锂技术可以通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消形成 SEI 膜造成的不可逆锂损耗，从而提升锂电池的首次充放电效率。其他其他体系体系：超级电容、超级电容、固态固态电池电池 超级电容是物理式储能装置，优点包括快速充电、循环性极好、安全性好等，缺点主要是能量密度很低，不到锂电池的 10%。未来超级电容+锂电池结合的技术路线值得关注。向全固态电池过渡是锂电技术进步的重要趋势，目前全球都在加快固态
5、电池的研发，但距离商业化应用尚需时日。投资建议投资建议：电池的技术更新会出现新的投资机会。特斯拉于 2019 年收购了Maxwell 和 Hibar，并且与著名的锂电池专家 Jeff Dahn 合作多年，也正在与宁德时代进行联合研究。我们通过公开信息整理了一些主流的技术创新方向，涉及企业包括宁德时代、德方纳米、贝特瑞、璞泰来、新宙邦、赣锋锂业、巨化股份等，建议投资者积极关注相关企业。风险分析：风险分析：政策风险、技术路线变更风险、竞争加剧风险、原材料价格波动风险、疫情持续时间过长的风险。新能源汽车行业 买入（维持）分析师 李伟峰(执业证书编号：S0930514050002)021-525238
6、20 赵启超(执业证书编号：S0930518050002)010-58452072 倪昱婧(执业证书编号：S0930515090002)021-52503876 马瑞山(执业证书编号：S0930518080001)021-52523850 行业与上证指数对比图-18%-11%-3%5%12%04-1907-1910-1901-20电力设备新能源沪深300 资料来源：Wind 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-2-证券研究报告 投资聚焦投资聚焦 研究背景研究背景 过去 200 多年以来，技术进步始终推动电池向能量密度更高、成本更低的方向演进。车用动力电池总体经历了镍氢/
7、锰酸锂/钴酸锂-磷酸铁锂-三元锂电三个阶段，电池性能持续优化，成本不断下降。特斯拉是全球电动车龙头，致力于改变世界能源结构，推动世界向可再生能源转变，其电池技术始终引领行业。近两年，特斯拉相继收购了超级电容龙头 Maxwell 和电池制造企业Hibar，这两家公司可能助力特斯拉生产电池；研发方面，加拿大 Dalhousie大学的 Jeff Dahn 团队为特斯拉的电池开发提供了支持，也正在与宁德时代合作开发新型电池。电池的技术更新会催生新的投资机会，而特斯拉的动力电池始终引领行业，我们通过本篇报告全面梳理了未来的技术方向，对特斯拉“电池日”进行展望。创新之处创新之处 结合 Jeff Dahn
8、团队的学术文章、特斯拉的专利以及 Maxwell 和 Hibar的公开资料，我们从材料层面、结构层面、工艺层面全面梳理了特斯拉在锂电池方面的技术研究方向，此外也展望了固态电池、超级电容等其他的电池体系，最终梳理出相关上市公司供投资者参考。投资观点投资观点 继续提升能量密度、改善循环寿命以及降低成本是特斯拉在锂电池研发方面的主要目标。我们认为，材料材料层面层面和和工艺工艺层面层面的的创新创新是是特斯拉特斯拉的的重点重点布布局局方向方向，其中其中材料材料层面层面的的具体具体方向方向包括包括无无钴钴化化（高镍高镍+包覆包覆改性改性等等）和和电解电解液液添加剂添加剂等，等，工艺工艺层面层面的的具体具体
9、方向方向包括包括预预补补锂锂和和干电极干电极技术技术等等。建议投资者积极关注相关企业。表表 1：技术技术方向方向及及涉及涉及的的上市公司上市公司 技术技术方方向向 具体具体方案方案 涉及涉及企业企业 材料层面 无钴化 三元/四元/改性：当升科技、容百科技等；磷酸铁锂：德方纳米、湘潭电化、贝特瑞等 硅碳负极 贝特瑞、璞泰来、杉杉股份、中科电气等 电解液添加剂 新宙邦、天赐材料等 碳纳米管 天奈科技、德方纳米等 结构层面 CTP 方案 宁德时代、回天新材等 刀片电池方案 比亚迪等 工艺层面 干电极 巨化股份、昊华科技等 预补锂 赣锋锂业等 其他体系 超级电容 江海股份、新筑股份等 固态电池 宁德时
10、代、比亚迪、赣锋锂业、珈伟股份等 资料来源：光大证券研究所整理 sPrNnPzRyQ8OdN6MsQpPmOnNkPoOrMlOoPvN6MmNoQuOtPoPxNnMrN2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-3-证券研究报告 目目 录录 1、技术迭代驱动电池发展，特斯拉引领行业.6 1.1、历史回顾：技术进步推动电池产业发展.6 1.2、特斯拉：引领电池技术迭代方向.7 2、材料层面.11 2.1、无钴化：中短期重要的降本增效手段.11 2.2、硅碳负极：提升能量密度的重要手段.17 2.3、电解液添加剂：降低阻抗，提升循环性.18 2.4、碳纳米管：性能优异的新型导电
11、剂材料.19 3、结构层面.22 3.1、CTP 方案：降本效果显著.22 3.2、刀片电池方案：磷酸铁锂电池体积能量密度大幅提升.23 4、工艺层面.27 4.1、干电极：可拓展至锂电池，实现降本增效.27 4.2、预补锂：提升首效，改善性能.31 5、其他体系.33 5.1、超级电容：探索与锂电结合的可能性.33 5.2、固态电池：下一代锂电技术.35 6、投资建议.39 7、风险分析.40 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-4-证券研究报告 图图 目目 录录 图 1：电池发展历史.6 图 2：不同技术路径的电池对比.6 图 3：Maxwell 业务领域.9 图
12、4：Maxwell 储能设备应用领域.9 图 5：Maxwell 2015-2018 年营业收入及净利润（百万美元）.10 图 6：Maxwell 2018 年分地区收入.10 图 7：不同组分三元材料热稳定性、放电比容量及容量保持率的比较.11 图 8：动力电池技术路线对比.12 图 9：单晶 NCA 的 SEM 图.13 图 10：高镍 NCM/NCA/NCMA 差示扫描量热曲线.14 图 11：添加 LiPO2F2对 NCM523-石墨软包电池循环性能的影响.15 图 12：结构精简后 Pack 成本与原值对比.15 图 13：2016-2019 年国内不同技术路线动力电池装机量（单位：
13、Gwh）.16 图 14：2019 年国内不同技术路线动力电池装机量份额.16 图 15：2016-2022 年磷酸铁锂电池装机量.16 图 16：充电和放电期间硅体积膨胀示意图.17 图 17：不同添加剂体系的电池循环特征.19 图 18：不同添加剂体系的电池循环特征.19 图 19：导电剂在锂电池中的应用.20 图 20：国产锂电池导电剂占比持续提升.21 图 21：中国动力锂电碳纳米管导电剂市场持续增长.22 图 22：碳纳米管导电剂市场渗透率持续提升.22 图 23：磷酸铁锂电池 Pack 成本构成.22 图 24：NCM523 电池 Pack 成本构成.22 图 25：宁德时代 CT
14、P 方案.23 图 26：结构精简后 Pack 成本与原值对比.23 图 27：比亚迪“汉”2020 款 EV 基本型.24 图 28：单体刀片电池结构示意图.24 图 29：动力电池包的电池模组的排布方式示意图 1.24 图 30：动力电池包的电池模组的排布方式示意图 2.25 图 31：动力电池包的电池模组的排布方式示意图 3.25 图 32：对比例 1、2、3.25 图 33：实施例 1.25 图 34：实施例 2.26 图 35：实施例 3.26 图 36：实施例 4.26 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-5-证券研究报告 图 37：Maxwell 干电极制
15、备流程.27 图 38：干电极工艺制备的 NCM811 电池的放电电压曲线.27 图 39：干电极工艺制备的硅碳负极半电池曲线.27 图 40：Maxwell 的干电极技术介绍.28 图 41：动力电池生产流程（干电极与湿电极流程对比）.29 图 42：NCM523 动力电池系统成本拆分.30 图 43：NCM111 电池的放电倍率表现对比.30 图 44：干电极工艺制备的 NMC 电池的循环性表现.30 图 45：SEI 膜成分组成.31 图 46：SLMP 预锂化 SiO 电极.32 图 47：SLMP 预锂化硅碳纳米管.32 图 48：超级电容示意图.33 图 49：超级电容结构组成.3
16、3 图 50：超级电容和锂电池相结合的应用模式.34 图 51：超级电容产业链.35 图 52：液态锂离子电池与固态电池性能对比.36 图 53：液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比.37 图 54：固态电池发展策略.37 图 55：不同固态电解质性能雷达图.38 图 56：不同企业选择的电解质技术路线.39 表表 目目 录录 表 1：技术方向及涉及的上市公司.2 表 2：特斯拉已交付车型的动力电池演变过程.8 表 3：特斯拉前五次收购情况.10 表 4：不同导电剂的优势对比.20 表 5：比亚迪“刀片电池”效果对比.26 表 6：正极材料基础参数及假设.29 表 7：预锂化工艺比较.31 表
17、 8：超级电容与传统电池的比较.34 表 9：超级电容相关企业.35 表 10：技术方向及涉及的上市公司.40 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-6-证券研究报告 1、技术技术迭代迭代驱动驱动电池电池发展发展，特斯拉特斯拉引领引领行业行业 1.1、历史历史回顾：回顾：技术技术进步进步推动推动电池电池产业产业发展发展 “电池”这一概念由富兰克林提出。1800 年意大利物理学家伏特发明了伏特电堆，这是人类历史上第一款电池；19 世纪中期，可以循环使用的铅酸电池开始出现；19 世纪末期，瑞典人琼格纳发明了镍镉电池，这款电池后来推动了现代电子科技的发展；20 世纪 90 年代
18、初，镍氢电池开始商业化；1992 年，索尼公司推出第一款商业化的锂离子电池，由于具备更好的性能被广泛使用。回顾回顾电池电池 200 多年多年的的发展发展历史，历史，总体总体来看，来看，电电池池向向更高更高的的能量能量密度密度（体积体积&重量）重量）发展发展，此外，此外，安全安全性、性、循环性循环性及及成本成本等等因素因素也也影响影响电池电池的的商业化商业化应用应用。图图 1：电电池池发展发展历史历史 资料来源：EasyAcc 图图 2：不同不同技术路径技术路径的的电池电池对比对比 资料来源：battery 2030，执行出版人为 Kristina Edstr m，发布时间为 2020 年 3
19、月 注：横轴为体积能量密度，纵轴为质量能量密度 就就汽车汽车领域领域来看，来看，车用动力电池发展车用动力电池发展主要主要经历了镍氢经历了镍氢/锰酸锂锰酸锂-磷酸磷酸铁锂铁锂-三元锂电三个阶段，电池性能持续优化，成本不断下降。三元锂电三个阶段，电池性能持续优化，成本不断下降。锰酸锂电池作为初2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-7-证券研究报告 代投产应用的锂电池，具有成本低、安全性好的特点，但其能量密度仅能够满足基本的续航要求。磷酸铁锂电池成本相对低廉，安全性佳、循环寿命长，在电动大巴车等安全性和寿命要求较高的领域优势明显，但磷酸铁锂电池的能量密度仍然不够理想，特别是体积
20、能量密度较低。三元材料是由镍、钴、锰三种材料按照一定的配比共同组成电池正极，其能量密度较高并且仍有提升空间，低温放电性相对较好。技术更替是汽车电动化浪潮的核心驱动力，风险和机遇并存。技术更替是汽车电动化浪潮的核心驱动力，风险和机遇并存。新能源汽车当前的痛点包括续航能力、充电效率、成本、安全性等，电池成为新能源汽车渗透率提升的关键。目前市场上主流的车用电池是锂电池，主要以三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池为主。电池环节的技术电池环节的技术更新会带来风险更新会带来风险但也伴随着机遇，因此关注技但也伴随着机遇，因此关注技术路术路线十线十分重要分重要；特斯拉特斯拉搭载搭载的的动力电池动力电池始终始终
21、引领引领行业行业，有有必要必要对对其其电电池池战略战略加加以以重视重视。1.2、特斯拉：特斯拉：引领引领电池电池技术技术迭代迭代方向方向 自 2004 年成立以来，特斯拉共有 5 款电动车上市。松下是其动力电池领域的战略合作伙伴。Model S/3 的电池都体现出明显的技术进步，从迭代方案来看，主要包括材料层面、结构层面等。Roadster 于 2006 年正式亮相，2008 年开始交付，采用钴酸锂+石墨方案，电芯为圆柱 18650 方案，系统能量密度约 120Wh/kg。Model S 于 2009 年推出，2012 年开始交付，采用 NCA+石墨方案，电芯延用圆柱 18650，系统能量密度
22、超过 150Wh/kg。Model X 是一款 SUV，于 2012 年首次亮相，2015 年开始交付，采用 NCA+石墨方案，电芯延用圆柱 18650，系统能量密度超过150Wh/kg。Model 3 于 2014 年亮相，2017 年开始交付，这款车是特斯拉真正向大众市场进军的里程碑产品，采用了新型的 21700 圆柱电芯，采用 NCA+硅碳方案，并且模组和 Pack 系统也做了调整，系统能量密度也有提升。同时，国产 Model 3 于 2019 年末开始交付，电池供应商增加了 LG 化学，并且后续 CATL 也参与供货。Model Y 于 2019 年发布，2020 年开始交付。这是一款
23、 SUV 车型，与 Model 3 共享 75%的零部件，电池仍然采用 21700 圆柱电芯，其他参数可能与 Model 3 接近。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-8-证券研究报告 表表 2：特斯拉特斯拉已已交付交付车型车型的的动动力力电池电池演变演变过程过程 车型车型 上市年份上市年份 续航里程续航里程（km）正极正极类型类型 负极负极类型类型 单体单体型号型号 供应商供应商 单体能量密单体能量密度度（Wh/kg）系统能量密系统能量密度度（Wh/kg）电量电量（kWh）Roadster 2008 393 早期为 LCO 石墨 18650 LG（RoadsterR8
24、0）等 120 53 Model S 2012 400 NCA 石墨 18650 松下 243 60 450 NCA 石墨 18650 松下 243 70 490 NCA 石墨 18650 松下 243 75 500 NCA 石墨 18650 松下 243 85 557 NCA 石墨 18650 松下 258 152 90 650 NCA 石墨 18650 松下 258 100 Model X 2015 355 NCA 石墨 18650 松下 243 60 400 NCA 石墨 18650 松下 243 75 470 NCA 石墨 18650 松下 258 152 90 500/550 NCA
25、 石墨 18650 松下 258 100 Model 3 2017 460 NCA 硅碳 21700 松下 300 159.5 60 480 NCA 硅碳 21700 松下 300 60 595 NCA 硅碳 21700 松下 300 75 590 NCA 硅碳 21700 松下 300 75 664 NCA 硅碳 21700 松下 300 75 国产Model 3 2019 445 NCM811 石墨 21700 LG 300 145 52 455 NCA 硅碳 21700 松下 300 153 52 668 21700 161 507 NCA 硅碳 21700 松下 300 Model Y
26、 2020 509 NCA 硅碳 21700 松下 300 资料来源：特斯拉官网等，光大证券研究所整理 2019 年年，特斯特斯拉拉相继相继收购收购了了 Maxwell 和和 Hibar，前者前者是是超级电容超级电容全球全球龙头，龙头，后后者者是是电池电池制造制造专家专家。这这两家两家公司公司可能可能助力助力特斯拉特斯拉生产生产电池电池。研发研发方方面，面，特斯特斯拉拉主要主要与与加拿大加拿大 Dalhousie 大学大学的的 Jeff Dahn 团队团队合作。合作。Maxwell 的前身是 1965 年成立的 Maxwell Laboratories,Inc.，总部位于美国圣地亚哥，最初主要
27、为美国军方和其他政府机构提供研发服务，1983年在美国纳斯达克上市，1990 年代转向技术和产品商业化应用，后更名为Maxwell Technologies,Inc.，目前主要业务领域涉及超级电容器和干电极技术等。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-9-证券研究报告 图图 3：Maxwell 业务领域业务领域 资料来源：Maxwell-Needham-Conference-Deck（发布于 21st Annual Needham Growth Conference，2019 年 1 月 16 日），光大证券研究所整理 Maxwell 主营业务是储能设备，主要是超级电容。
28、主营业务是储能设备，主要是超级电容。公司于 2017 年 4 月收购韩国超级电容器厂商 Nesscap Energy，目前专注于中大型超级电容器，其产品具有高功率密度、长使用寿命和快速充放电能力，广泛应用于汽车、电网储能、风能、轨道交通、航空航天、工业及设备等领域，其中汽车领域客户包括吉利、通用和兰博基尼等。图图 4：Maxwell 储能设储能设备应用备应用领域领域 资料来源：Maxwell-Needham-Conference-Deck（发布于 21st Annual Needham Growth Conference，2019 年 1 月 16 日），光大证券研究所整理 干法电极是公司核心
29、技术。干法电极是公司核心技术。干法电极技术是公司储备的核心技术，根据公开的论文及专利，公司干法电极技术可从超级电容领域拓展到锂电池等其他电池领域。Maxwell 近几年近几年业绩有业绩有所下降。所下降。2015-2018 年公司营业收入分别为16737/12124/8771/9046万 美 元，2016-2018年 分 别 同 比-27.6%/-27.7%/+3.1%；2015-2018年净利润分别为-2233/-2371/-4313/-3655 万美元，一直处于亏损状态；2015-2018 年公司毛利率分别为 30.45%/27.19%/6.04%/11.05%。2020-05-17 新能源
30、汽车 敬请参阅最后一页特别声明-10-证券研究报告 分地区来看，Maxwell 收入来源主要为中国、美国、德国和匈牙利。2018年，来自中国的销售收入为 2879 万美元，占总销售收入 32%。图图 5：Maxwell 2015-2018 年营业收入及净年营业收入及净利润（百万利润（百万美美元）元）图图 6：Maxwell 2018 年分地区年分地区收入收入 资料来源：Maxwell 历年年报，光大证券研究所整理 资料来源：Maxwell2018 年年报，光大证券研究所整理 2019 年 2 月 5 日，特斯拉宣布以 2.18 亿美元溢价 55%收购 Maxwell。同年 5 月 16 日，特
31、斯拉完成对 Maxwell 的收购要约。本次收购主要以换股方式进行，每股 Maxwell 普通股可换取 0.0193 股特斯拉普通股，截至要约期满，共计 3676 万 Maxwell 普通股转换为特斯拉普通股，约占要约完成后Maxwell 投票权的 79%，其余未被转换的 Maxwell 普通股则以同等对价由特斯拉进行现金收购。表表 3：特斯拉前五次收购情况：特斯拉前五次收购情况 宣告日期宣告日期 公司公司 所属所属范范畴畴 涉及金额涉及金额 团队团队重组重组 2015 年 5 月 Riviera Tool 汽车模具冲压 未知 Tesla Tool&Die 2016 年 6 月 Solarci
32、ty 太阳能生产、储存与服务 26 亿美元 Tesla Energy 2016 年 11 月 Grohmann Engineering 机械工程及机器人自动化 1.35 亿美元 Tesla Grohmann Automation 2017 年 11 月 Perbix Machine 自动化设备制造 数千万美元 并入 Tesla Engineer Team 2019 年 2 月 Maxwell 超级电容、微电子及高压储能 2.18 亿美元 未知 资料来源：Crunchbase，42 号车库，光大证券研究所整理 Hibar 成立于上世纪 70 年代初，在中国、韩国、日本等地设有海外分部，该公司专注
33、于精密计量泵、注液分配系统以及电池制造系统，是一次电池及二次电池生产线的重要供应商。目前生产碱性电池生产流水线的速度可以达到 1000PPM；二次电池行业，也有成套的生产线。主营产品包括精密计量泵和注液分配系统、自动化电池制造和工艺设备、自定义包装设备、锂离子电池装配和自动真空灌装系统。据外媒 Electric Autonomy Canada 报道，特斯拉于 2019 年 7-10 月间收购了 Hibar。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-11-证券研究报告 Jeff Dahn 是全球著名的锂电池研发专家，其研究工作更加偏向产业化，致力于增加电池循环性、提升能量密度等
34、。早在 2015 年，特斯拉就与 Jeff Dahn 所领导的团队签署了为期 5 年的独家合同。2、材料材料层面层面 2.1、无无钴钴化化：中短期中短期重要重要的的降本降本增效增效手段手段 2.1.1、高高镍镍三元三元 三元正极材料一般指 NCM 或者 NCA。对于 NCM 材料，在充放电过程中+4 价的 Mn 不变价，在材料中起到稳定材料结构的作用，而 Ni 和 Co 会发生变价反应。当充电电压低于 4.4V 时，一般是 Ni 参与电化学反应，继续充电，在较高电压下，Co 会参与反应。因此，在 4.4V 以下充放电时，Ni含量越高，材料可逆容量越大；Co 含量显著影响材料的离子导电性，Co
35、含量越高，材料离子的导电性越好，充放电倍率性越好。相对于 NCM，NCA材料是用 Al 替换了 Mn，其中 Al 的作用也是稳定结构。如图 7 所示，随着 Ni 含量的提升，三元材料的克容量不断增加，但热稳定性和容量保持率均有所下降。也就是说，对于三元电池，镍含量的增加有助于提升能量密度，但同时导致安全性和循环性变差。图图 7：不同不同组分组分三元材料三元材料热热稳稳定性、定性、放电放电比容量比容量及及容量保持率容量保持率的的比较比较 资料来源：锂离子电池三元材料工艺技术及生产应用（作者为王伟东等），光大证券研究所整理 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-12-证券研究
36、报告 图图 8：动力电池技术路线对比：动力电池技术路线对比 资料来源：BNEF，光大证券研究所整理 使用高能量密度的动力电池从而提升续驶里程对电动车行业至关重要，高镍三元电池具有较高的能量密度，而且镍含量提高的同时钴含量降低，可以进一步降低电池成本，因此高镍低钴电池成为产业界共同努力的技术方向。但本身高镍三元材料也有一些缺陷，随着三元材料中 Ni 含量增加：电池循环性能趋于变差，影响电池使用寿命。和二氧化碳、水反应导致材料表面的氢氧化锂、碳酸锂含量增高，影响电池的加工和电化学性能。材料热稳定性变差，从而影响电池安全性。与电解液的匹配难度加大，活性材料的腐蚀和电解液的分解会影响电荷的传输。特斯拉
37、特斯拉正在正在布局布局低低钴钴高镍高镍锂电池锂电池，根据 2020 年 4 月 23 日披露的专利Method for Synthesizing Nickel-Cobalt-Aluminum Electrodes，特斯拉发明了一种单晶 NCA 材料制备方法。首先按照 Li/其他金属的摩尔比小于 1的比例混合 NCA 前驱体和氢氧化锂，然后加热混合物到生长单晶的温度，这样可以避免杂质 Li5AlO4的形成，但由于该比例小于 1，这种材料的电化学性能较差。因此，在第二次加热的过程中，需要添加过量的 Li，最终生成的材料中 Li/其他金属的比例接近 1，这样就可以制备出无杂质的单晶 NCA 材料，杂
38、质减少可能有助于延长电池的使用寿命。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-13-证券研究报告 图图 9：单晶单晶 NCA 的的 SEM 图图 资料来源：专利METHOD FOR SYNTHESIZING NICKEL-COBALT-ALUMINUM ELECTRODES 2.1.2、四元四元及及改性改性包覆包覆 针对高镍三元材料的固有缺陷，学术界和产业界尝试通过离子掺杂、表面包覆以及采用电解液添加剂等方式来改善三元材料的电化学性能。掺杂元素是改进高镍三元材料性能的重要方式，在三元材料晶格中掺杂一些金属离子和非金属离子不仅可以提高电子电导率和离子电导率，提高电池的输出功率密
39、度，而且可以同时提高三元材料结构的稳定性。常见的掺杂元素有 Al、Mg、Ti、Zr、F，不同元素的掺杂，作用有所不同。Mg 掺杂，Li（NiaCobMnc）1-x MgxO2 其中，a:b:c 可以是 6:2:2 或者 8:1:1 等。例如，有科研人员合成了 Mg2+掺杂的 Li（Ni0.6Co0.2Mn0.2）1-x MgxO2，利用 Mg2+取代 Co3+，当 x=0.03 时，电子电导率较未掺杂材料提高了 100 倍，电化学性能达到最优。同时，适量掺杂 Mg 能够显著提高材料的循环稳定性。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-14-证券研究报告 Al 掺杂，NCMA
40、 Al 掺杂可以改进三元材料的结构稳定性和热稳定性。对于四元材料LiNiaMnbCo(c-x)AlxO2，当 Al 含量 x=0.1 时，有很好的安全性，当 x0.06时，材料与电解液的反应要小于锰酸锂。LG 化学和通用计划于 2022 年量产 NCMA 四元电池，可以使得锂电池成本降低至 100 美元/kWh 以下。NCMA 锂电池最初由韩国汉阳大学等机构在 2016 年开始研究，该技术路线的思路即掺杂 Al 替代部分 Co，从而提升锂电池性能并且降低成本。此外，国内蜂巢能源也于 2019 年 7 月发布 NCMA四元材料电池，并且计划在 2020Q2 实现量产。图图 10：高镍高镍 NCM
41、/NCA/NCMA 差示扫描量热差示扫描量热曲线曲线 资料来源：新能源 Leader，光大证券研究所整理 锂电池的电化学反应主要发生于电极和电解液界面，因此可以通过表面涂层的方式改变三元材料的电化学性能。常见的涂层包括金属氧化物（Al2O3、ZrO2、CeO2、ZnO 等）、氟化物（LiF、AlF3）、磷酸盐（SnPO4、Li3PO4）。其原理主要是 NCM 表面包覆可以消耗电池使用过程中产生的 HF、抑制过渡金属的溶出、改善正极材料/电解液界面等。例如，Jeff Dahn 团队在 2019年提出了 Al2O3涂层如何提升正极材料性能的新见解，他们认为，电解液中的 LiPF6可以和 Al2O3
42、或者其他氧化物反应生成一种公认的电解液添加剂二氟磷酸锂（LiPO2F2），该产物可以有效抑制电池阻抗的增长，提升锂电池的循环稳定性和使用寿命。2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-15-证券研究报告 图图 11：添加添加 LiPO2F2对对 NCM523-石墨石墨软包软包电池电池循环性能循环性能的的影影响响 资料来源：New Chemical Insights into the Beneficial Role of Al2O3 Cathode Coatings in Lithium-ion Cells 2.1.3、磷酸磷酸铁锂铁锂 按照技术路线不同，动力电池主要分为三元电
43、池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等。对于动力电池的性能评价，一般包括成本（元/Wh）、体积能量密度（Wh/L）、质量能量密度（Wh/kg）、安全性、循环性、放电倍率、低温性能等。相对于三元电池，磷酸铁锂电池的缺点主要是：1）能量密度能量密度较较低低，特别是体积能量密度过低，从而影响乘用车的续驶里程；2）低温低温性能性能较差较差，不适合在北方冬季环境下使用。但除了以上两点之外，成本、成本、安安全全性、性、循环性循环性及及放电倍率放电倍率都是都是磷酸磷酸铁锂铁锂电池电池的的优势所在优势所在。图图 12：结构精简后：结构精简后 Pack 成本与原值对比成本与原值对比 资料来源：光大证券研究所测算 注：参
44、见如何优雅地拆解动力电池成本？动力电池成本系列报告之一 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-16-证券研究报告 从过去几年动力电池装机数据来看，三元电池的份额越来越高，由 2016年的 23%增长至 2019 年的 62%，而磷酸铁锂电池的装机量占比由 72%降至 32%。主要原因在于：（1）政策政策层面，层面，补贴补贴直直接接挂钩挂钩续驶里程、续驶里程、能量密能量密度度等等指标指标，推动推动了了乘用车乘用车三元三元化化的的趋势趋势；（；（2）技术技术层面，层面，三元三元电池电池能量密能量密度度的的提升提升空空间间更大更大，从而从而使得使得整整车车续续驶驶里程里程能够能
45、够持续持续提升提升；（3）成本成本层面，层面，三元三元电池电池技术技术进步进步推动推动成本成本下降下降，降本降本路径路径更多，更多，降本降本空间空间更大更大。因此，三元电池的装机量占比提升，而磷酸铁锂电池的装机量占比下降。图图 13：2016-2019 年年国内国内不不同同技术技术路线路线动力电池动力电池装机量装机量（单位：单位：Gwh）图图 14：2019 年年国内国内不同不同技术技术路线路线动力动力电池电池装机装机量量份额份额 资料来源：GGII，光大证券研究所整理 资料来源：GGII，光大证券研究所整理 从近期情况来看，我们认为，有必要重新审视以上三个因素，磷酸铁锂电池的行业逻辑出现变化
46、。变化之一：政策层面，推动乘用车三元化的政策因素逐步弱化，技术路线可能分化；变化之二：技术层面，2019 年以来宁德时代、比亚迪出现明显技术进步，特别是比亚迪“刀片电池”方案更加适用于磷酸铁锂电池，这使得磷酸铁锂电池与三元电池体积能量密度的差距缩小；变化之三：成本层面，精简结构可以从电池包层面实现降本，磷酸铁锂电池的降本空间超过预期，磷酸铁锂电池包的成本有望率先达到 0.5X 元/Wh的水平。图图 15：2016-2022 年年磷酸铁锂磷酸铁锂电池电池装机量装机量 资料来源：GGII，光大证券研究所预测 2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-17-证券研究报告 宁德时代已
47、与特斯拉签订了供货协议，电池类型为磷酸铁锂电池，供货有效期将从 2020 年 7 月 1 日开始，到 2022 年 6 月 30 号截止。近期工信部新车目录显示，采用磷酸铁锂的 Model 3 正在进行申报。2.2、硅碳负极硅碳负极：提升提升能量密度能量密度的的重要重要手段手段 动力锂电池动力锂电池在高在高能量密度能量密度的发的发展路展路径上持续技径上持续技术迭代，术迭代，正极正极方面方面NCM811 和和 NCA 等等高镍三元材料高镍三元材料将将成为成为未未来来的主流路线，而负极方面的主流路线，而负极方面在传在传统的石墨负极统的石墨负极的的克容量克容量已经充分挖掘已经充分挖掘潜力潜力的情况下
48、的情况下，未来未来随着随着整个整个高镍体系高镍体系的逐步的逐步成熟成熟，硅基负极硅基负极技术有望成为技术有望成为提高电池容量提高电池容量和能量密度的重要手段。和能量密度的重要手段。现有的负极材料分为碳材料和非碳材料，碳系负极材料主要包括人造石墨、天然石墨和中间相炭微球等;非碳材料负极主要包括钛基材料和硅基材料。其中具备成本低、工艺成熟、高导电率和较好稳定性的石墨负极材料占据了目前约 90%的负极材料市场，但在能量密度方面石墨负极材料有其理论最大值(372mAh/g)的局限。而硅具有很高的理论比容量(4200 mAh/g)，是已商用化的石墨负极的 10 倍，同时具有较低的放电电位，有利于锂离子电
49、池输出较高的电压。但低导电率的硅材料在充放电的过程中存在以下限制：（1）锂离子的嵌入与脱出会使硅体积发生巨大的膨胀与收缩，体积变化过程中产生的应力会使硅颗粒相互挤压、粉化、结构坍塌，进而失去电接触导致容量迅速衰减；（2）对于硅材料来说，传统的粘结剂（如 PVDF）无法承受硅材料巨大的体积变化，使得活性材料从集流体上脱落，导致电极结构被破坏，电池循环稳定性很差。（3）体积效应还会使 SEI 膜不稳定。体积效应使得硅表面 SEI 膜在充放电过程性中不断的破裂、再生长，导致库伦效率降低，电极的电子导电性变差，电池内阻增加等。图图 16：充电和放电期间硅体积膨胀示意：充电和放电期间硅体积膨胀示意图图
50、资料来源：中国粉体网 目前，通常采用硅负极材料纳米化、复合化和合金化等方法来提高其结构稳定性，改善硅负极循环性能。硅负极材料的纳米化：硅负极材料的纳米化：为了改善硅基负极材料的循环稳定性，通常将硅材料纳米化，包括硅纳米颗粒、硅纳米线、硅薄膜和 3D 多空硅等。纳2020-05-17 新能源汽车 敬请参阅最后一页特别声明-18-证券研究报告 米硅材料作为嵌锂材料可以增加比表面积，减少锂离子电池脱/嵌深度和移动距离，改善了电极可逆嵌锂容量小、循环能力差以及极化程度高等缺点，负极体积在高压环境下变化较小，起到延长电池的循环寿命的作用。硅负极材料的复合化和合金化：硅负极材料的复合化和合金化：将具有较好