行业深度报告 特斯拉电池日，不止于想象 行业深度报告 行业报告 电力设备 2020 年 09 月 24 日 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 强于大市 （ 维持 ） 行情走势图 相关研究报告 行业动态跟踪报告 *电力设备 *1H20业绩回顾 &下半年行业动态前瞻：电动车篇 2020-09-06 行业深度报告 *电力设备 *从专利角度窥探特斯拉百万英里电池 2020-06-24 行业深度报告 *电力设备 *特斯拉的动力电池梦 2020-02-28 证券分析师 朱栋 投资咨询资格编号 S1060516080002 021-20661645 ZHUDONG615PINGAN 皮秀 投资咨询资格编号 S1060517070004 010-56800184 PIXIU809PINGAN 曹群海 投资咨询资格编号 S1060518100001 021-38630860 CAOQUNHAI345PINGAN 9 月 22 日特斯拉召开首次电池日活动，正式公布自产电池的计划，并从性能、成本、开支三个维度展示了特斯拉在研电池的显著优势。 电池日上提出的新电池技术符合预期，电池的产能规划也彰显出特斯拉对未来行业和公司发展的信心。 五大环节降本增效，自建电池拉开序幕 。 此次电池日特斯拉在电池设计、电池工厂、负极材料、正极材料以及电池与车身的整合五个方面提出了下一代电池的愿景，通过五个环节的融合，特斯拉预计可以将续航里程提升54%，电池制造成本减少 56%，单位投资成本减少 69%。在提升续航里程方面，特斯拉预计负极材料未来的潜力最大（ -20%）；在降低生产成本方面，特斯拉预计自建电池厂潜力最大（ -18%）；在降低投资成本方面，预计自建电池厂是最大的贡献端（ -34%）。特斯拉对自建电池工厂的整个流程进行了优化和扩展： 1）采用干电极工艺，简化生产流程，提升生产速度； 2）高速的电芯组装产线，实现连续性的组装加工；在单条组装线上实现 20GWh， 单线产出增加 7 倍 ； 3）化成分容环节，通过电子系统的管理减少 75%的复杂工序和 86%的成本。 总的来看，特斯拉的自建工厂Terafactory将来会实现产能投资的大幅降低和生产流程的简化。公司目标电池产能在 2022 年达到 100GWh， 2030 年达到 3TWh，除了自用外，剩余产能可以外供。 工艺升级：大电芯 +无极耳 +干电极 。 特斯拉此次的电池型号继续升级到4680，依靠这一电芯设计的升级（大电芯 +无极耳），预计电池能量提升 5倍、续航里程提升 16%、功率提升 6 倍，这一设计方案可以使得电池成本下降 14%。无极耳电极工艺主要 从三个方面改善电池的性能： 1）电流移动路径缩短减小内阻 ； 2）显著降低电流偏移现象 ； 3）产热和散热能力得到显著改善。 对于去掉极耳的这一颠覆性举措，马斯克表示实验的结果是比较满意的。 4680 电池将在弗里蒙特工厂的试生产线进行生产，目前产能为 1GWh，后续规划达到 2GWh， 2022 年实现大规模量产，未来计划进一步扩产至 200GWh 的规模。 在干电极技术方面， 马斯克表示 对 此前干电极方案进行优化，得到最优方案 ， 目前处于 close to working 的状态，还没有完全成熟 。 在车电整合方面，特斯拉采取结构化电池的方案，把电池直接内置在汽车结构中，使得电池与车身更好的结合，预计减重 10%，减少 370 个零部件并加快生产速度，同时可能带来 14%的续航增加。考虑车身工艺和 Pack 工艺的优化，生产成本可以再降 7%。 高镍无钴正极 +硅负极，材料体系 符 合预期 。 正极材料方面，特斯拉探索了三种放弃钴材料的思路： 1）在正极材料中使用铁，用于中低续航的乘用车和储能领域，主打长循环寿命 ； 2）使用镍锰材料，主要应用于乘用车，主打长续航 ； 3）高镍材料，应用于 Cybertruck 皮卡和 Semi 卡车中， -20%0%20%40%60%Sep-19 Dec-19 Mar-20 Jun-20沪深 300 电力设备证券研究报告 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 2 / 17 主打高能量密度。 在负极材料方面， 马斯克表示通过原材料重新设计 、高 弹性材料、覆 膜材料进行涂膜去实现和解决硅材料的膨胀性问题，最终实现每 KWh 成本只需要 1.2 美元，同时能够提升 20%的续航里程并贡献电池 5%的降本。 特斯拉同时布局正极及上游金属环节， 计划打造北美正极生产基地，减少 80%的运输成本、 66%的工程投资和 76%的生产成本；在镍资源方面，使用金属镍代替硫酸镍作为原料输入端进行生产，降低成 本 ； 在锂资源方面， 计划在矿产中直接提取锂元素；在 电池回收方面，特斯拉计划于下个季度开始电池生命周期回收试点，进一步降低原材料成 本。 电池日总结： 新电池尚未进入量产节奏，多项专利未提及 。 在材料方面， 总体来看，特斯拉提出的材料体系并未偏离当前产业界的主流技术路线，没有创新性的材料体系出现 。 特斯拉目前在硅负极的产业化应用方面已经走在市场的前列，对硅的膨胀问题提出了较好的解决方案，若能够在量产车型上有效提升续航里程，将有望加速产业界的新一轮变革。 在工艺方面， 大圆柱电芯、无极耳电极和干电极属于特斯拉独有的技术路线，但距离大规模量产还需要一定的时间，目前的技术难言成熟。此外，负极补锂、单晶 NCA、新型添加剂等此前多项专利中涉及的技术、材料和工艺方案都没有在此次电池日上提及，固态电池、百万英里电池等颠覆性的电池技术也没有成为本次活动的议题，电池日活动整体符合预期，但惊喜不足。 汽车销量方面 ，公司 预计 20 年 销量同比增长 30%-40%。 新车型方面： 1）目前 Cybertruck 已经收到了超过 60 万辆订单，预计销量将达到每年 25 万到 30 万辆；2）公司宣布 Model S 的 Plaid 版本 2021 年底即可交付，续航超过 836 公里， 百公里加速 在 2s 内 ；3）特斯拉预计将在 2023 年采用新电池的全部技术生产售价仅为 2.5 万美元的自动驾驶汽车。 投资建议： 我们认为特斯拉自产电池创新思路更多的为生产制造工艺环节，而这些技术环节目前尚未完全成熟，距离大规模量产还有一段时间；在材料方面，核心的电化学体系难言颠覆，并未超出主流电池企业 的研发范畴，全球一线电池厂商仍然能够凭借较强的研发实力保持足够的竞争力。特斯拉在此次电池日中展现出对未来新能源汽车发展的十足信心，我们认为在行业先驱者的引领下，全球电动化转型的进程势不可挡，中国企业有望充分受益。强烈推荐 宁德时代、当升科技 ，推荐 璞泰来、新宙邦 ，关注 恩捷股份、星源材质、容百科技 。 风险提示： 1）新技术商业化应用不及预期的风险： 专利中多项技术的最终效果和商业化应用仍有待进一步观察，若商业化应用不及预期，将影响新型电池的量产节奏。 2）政策力度不及预期的风险：如果国内外政策对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。 3）电动车自燃事故带来的消费者信任风险： 新能源汽车自燃事件频繁发生，特斯拉采用的高镍电池体系对产品本身的安全性是一大考验。若自燃事件得不到有效控制，或将引发消费者的信任危机，给产品销量带来负面影响。 4）技术路线发生变化的风险： 新能源汽车仍处于技术快速变革期，特斯拉引领行业创新。若下一代技术产业化进程超出预期，将对现有行业格局产生显著影响，前期投资回收能力将低于预期。 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 3 / 17 正文目录 一、 五大环节降本增效，自建电池拉开序幕 .5 二、 工艺升级：大电芯 +无极耳 +干电极 .7 2.1 1865 到 4680，大电芯 +无极耳 . 7 2.2 干电极猜想落地，锂电池应用尚未完全成熟 . 8 2.3 电池与车身整 合，与宁德时代 CTC 技术异曲同工 . 11 三、 高镍无钴正极 +硅负极，材料体系符合预期 . 11 3.1 三种正极材料体系，无钴化是目标 . 11 3.2 硅负极引领续航提升，新工艺解决膨胀难题 . 13 四、 电池日总结 .13 4.1 新电池尚未进入量产节奏，多项专利未提及 . 13 4.2 销量高增长，新车型价格再降 . 14 五、 投资建议 .15 六、 风险提示 .16 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 4 / 17 图表 目录 图表 1 特斯拉电池五大环节降本增效 . 5 图表 2 特斯拉高速电芯组装线单线产出增加 7 倍 . 6 图表 3 特斯拉自建工厂未 来 . 6 图表 4 21700 电芯能量提升 50%. 7 图表 5 46800 电芯能量提升 5 倍 . 7 图表 6 特斯拉无极耳电极原理示意 图（正极单极耳） . 8 图表 7 干电极制作工艺流程 . 9 图表 8 干电极电池能量密度提升，制造成本下降 . 10 图表 9 干电极电池与传统锂电池的比较 . 10 图表 10 特斯拉推动车身一体化结构设计 . 11 图表 11 特斯拉探索三种正极材料体系应用于不同场景 . 12 图表 12 特斯拉布局电池回收业务 . 12 图表 13 特斯拉采用生硅负极提升 续航里程 . 13 图表 14 电池日新技术和特斯拉相关电池专利总结 . 14 图表 15 特斯拉分地域月度销量 单位：辆 . 15 图表 16 主要上市公司盈利预测及投资评级 . 15 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 5 / 17 一、 五大环节降本增效，自建电池拉开序幕 提升电池生产效率，大幅降低制造成本。 此次电池日特斯拉在电池设计、电池工厂、负极材料、正极材料以及电池与车身的整合五个方面提出了下一代电池的愿景，通过五个环节的融合，特斯拉预计可以将续航里程提升 54%，电池制造成本减少 56%，单位投资成本减少 69%。 自建电池厂是降本主力，提升续航水平关键在负极。 在提升续航里程方面，特斯拉预计负极材料未来的潜力最大（ -20%），其次是电芯设计（ -16%）；在降低生产成本方面，特斯拉预计自建电池厂潜力最大（ -18%），其次是电芯设计（ -14%）和正极材料（ -12%）；在降低投资成本方面，预计自建电池厂是最大的贡献端（ -34%）。 图表 1 特斯拉电池五大环节降本增效 资料来源 : Tesla，平安证券研究所 特斯拉对自建电池工厂的整个流程进行了优化和扩展： 1）采用干电极工艺（后文详细阐述），简化生产流程，提升生产速度； 2）高速的电芯组装产线，实现连续性的组装加工；在单条组装线上实现 20GWh（单线产出增加 7倍）；所有产线实现一体化和自动化，产线更加智能、高效。 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 6 / 17 图表 2 特斯拉高速电芯组装线单线产出增加 7 倍 资料来源 : Tesla，平安证券研究所 3） 化成分容环节，通过电子系统的管理 减少 75%的复杂工序和 86%的成本 。 总的来看，特斯拉的自建工厂 Terafactory 将来会实现产能投资的大幅降低和生产流程的简化。 未来在 更小的 工厂空间中能够容纳 1TWh的电池 产能，每 GWh产能投资降低 75%（与 150GWh产能状态下的 Gigafactory 相比）。 公司目标电池产能在 2022年达到 100GWh， 2030年达到 3TWh，除了自用外，剩余产能可以外供。 图表 3 特斯拉自建工厂未来 资料来源 : Tesla，平安证券研究所 2019 年 6 月 26新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 7 / 17 二、 工艺升级：大电芯 +无极耳 +干电极 2.1 1865 到 4680，大电芯 +无极耳 电芯升级三级跳。 特斯拉最早从 2008 年开始使用 1865（ 18 代表直径， 65 代表长度）型号的圆柱电芯， 2017年在 Model 3中首次使用 2170，电芯能量增加了 50%；此次的电池型号继续升级到 4680，依靠这一电芯设计的升级（大电芯 +无极耳），预计 电池能量提升 5倍、续航里程提升 16%、功率提升 6 倍，这一设计方案可以使得电池成本下降 14%。 图表 4 21700 电芯能量提升 50% 图表 5 46800 电芯能量提升 5倍 资料来源 : Tesla，平安证券研究所 资料来源 : Tesla，平安证券研究所 提升电池性能和解决 产热问题催生无极耳技术。 在 进一步提升电池直径的过程中， 体积扩大带来了更为严重的散热问题，特斯拉解决这一问题的方式是去掉电池传统的极耳结构。根据特斯拉相关专利介绍， 无极耳电极电芯的制造工艺部分或者完全取消了传统的极耳，在正极或者负极极片的边缘处增加导电涂层，让导电涂层直接与电池端盖接触，电流通过导电涂层和电池外壳到达电池外接电路。 从理论上来讲，无极耳电极工艺主要从三个方面改善电池 的 性能： 1）电流移动路径缩短减小内阻。 传统的电池设计结构决定了为发生电化学反应，电流应当沿电极长度方向移动，移动的距离与极耳的位置有关（电极中间或电极两端）；而无极耳电极工艺提供了一种电极集流体与电池端盖内表面之间更加一致的电接触方式，使得电流移动的最大距离变成电极的高度而非长度。而一般电极的高度是长度的 5%-20%，因此在电化学循环中无极耳电极的内阻可以减小 5-20 倍。 2）显著降低电流偏移现象。 电流偏移现象代表电极的某些区域经过比别的区域更多或者更少的电流；在不考虑其他因素的情况下，电流将会沿着电极上内阻最小的路径接近极耳，这样局部会产生大的过电位，导致不必要的化学反应的发生，降低电池寿命。而无极耳电极工艺使得内阻降低，电流的路径更短、分布更加均衡，因此能够避免过电位的产生，改善电池 寿命。 3）产热和散热能力得到显著改善。 在产热方面，由于内阻降低，产生的热量也减少。在散热方面，传统的电极极耳与电池端盖只有极小的接触面积，而无极耳电极中的导电涂层与电池端盖的有效接触面积达到 100%，接触面积的增加使得散热能力提升，进一步优化电池性能、延长循环寿命。 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 8 / 17 图表 6 特斯拉无极耳电极原理示意图（正极单极耳） 资料来源： US Patent，平安证券研究所 实验结果令人满意，量产计划提上日程。 对于去掉极耳的这一颠覆性举措，马斯克表示 “ 这个工艺很难，工程部花了很多的努力，并设计了很多专利，而实验的结果是比较满意的 ” 。 4680 电池将在弗里蒙特工厂的试生产线进行生产，目前产能为 1GWh， 后续规划 达到 2GWh， 2022年实现大规模量产，未来计划进一步扩产至 200GWh 的规模。 2.2 干电极猜想落地，锂电池应用尚未完全成熟 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。 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 9 / 17 图表 7 干电极制作工艺流程 资料来源： Astroys，平安证券研究所 特斯拉的干电极技术来源于收购公司 Maxwell，与传统湿法工艺相比，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。 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。 新能源汽车 · 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 10 / 17 图表 8 干电极电池能量密度提升，制造成本下降 资料来源： Maxwell，平安证券研究所 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。 图表 9 干电极电池与传统锂电池的比较 项目 电极： 干法 VS 湿法 正极 活性材料没有变化，使用高镍材料更加容易，粘结剂从 PVDF/SBR 改为 PTFE，不使用 NMP 溶剂 负极 预锂技术引入难度降低，配合硅碳负极带来更高的能量密度 隔膜 没有变化 电解液 高镍添加剂、成膜添加剂的应用更多 成本 直接生产成本下降 10%-20% 性能 压实密度提升、能量密度达到 300Wh/kg、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 生产难度 极片容易脱粉、对粘结性要求高，生产难度大幅提高，需要完善和改进 资料来源：高工锂电，平安证券研究所 工艺 改善 得到最优方案，但锂电池应用尚未完全成熟。 对于干电极技术目前的进展情况，马斯克表示“这是非常复杂的工艺，实际操作很难，我们的干电极 对 此前干电极方案（电容器干电极）进行优化，加入了很多的工艺，进行了很多实验，得到最优方案；干电极相比传统方案可以实现 10倍的工序简化；目前处于 close to working的状态， 最后能够实现实际应用 ， 但还没有 完全 成熟，还不能疯狂扩大产能 ” 。