特斯拉核心技术专题研究：特斯拉电动化技术源分析

投资摘要

本篇报告主要从技术源头层 面去剖析特斯拉在电动化领域的技术来源以及储备。目前特斯拉在电动化领域 的技术来源主要包括锂电专家 Jeff Dahn 研究团队、宁德时代以及其在 2019 年 收购的 MAXWELL 和 Hibar 两家公司。通过对 Jeff Dahn 研究团队、宁德时代、 MAXWELL、Hibar 等在电池领域的论文、专利、产品及技术储备分析，我们发 现：

第一：Jeff Dahn 团队的研究近期更多聚焦在电解液环节，从性能层面来看近年 其研究突破较多在电池寿命环节；

第二：宁德时代在电池装配工艺（CTP）以及电池材料（无钴电池）上均有新 的技术储备，这两项技术将有助于电池能量密度的提升；

第三：Maxwell 在超级电容及干电极领域技术积累深厚，而超级电容将有助于 提升充电效率以及使用寿命，干电极将有助于提升电池能量密度；

第四：Hibar 拥有完善的电池制造工艺设备以及电芯完整生产流程，后期将有助 于提升特斯拉实现电池端的生产能力。

我们认为后期这些技术源头的技术有望与特斯拉在电池材料、装配工艺、产业 链层面产生协同，从而协助特斯拉提升其电池的循环性、安全性以及能量密度， 持续保持在电动化领域的领先优势。

技术源头 1：Jeff Dahn 团队，重点在电池寿命提升

核心内容：Jeff Dahn 是锂电行业学术巨擘，国际著名电池研究专家，2016 年 开始与特斯拉达成独家合作协议。我们通过对 Jeff Dahn 团队近年的学术研究 成果梳理，发现 Jeff Dahn 团队主要通过电解液添加剂、单晶材料、正/负极电 镀锂、热化成等方式提升电池的循环性、安全性和能量密度。从技术方案来看， Jeff Dahn 团队研究强项主要聚焦在电解液环节，从电池性能层面来看，在电 池循环性能（寿命）的研究成果较为突出。

Jeff Dahn 是锂电行业巨擘，国际著名电池研究专家；Jeff Dahn 任职加拿大达 尔豪斯大学（Dalhousie University）教授，加拿大科学院院士，国际著名的电 池研究专家。截止 2020 年 5 月，Jeff Dahn 教授团队已发表近 720 篇论文，申 请专利 70 余项，论文总被引用量 71462 次，h-index 和 i10-index 分别高达 128 和 644 点。

Jeff Dahn 教授从最初 E-One Moli Energy 研究员到之后的 NSERC/3M 集团加 拿大公司的首席科学家，他在 20 年内持续推动了锂离子动力电池研究与应用的 发展。从 2012 年开始，Dahn 教授开始同特斯拉公司展开共同研究，于 2016 年同特斯拉达成独家合作协议，并在 Halifax 开始新的研究。

Jeff Dahn 团队主要致力于研究如何提升电池能量密度和使用寿命，以及动力电 池的生产和使用成本，其主要贡献包括：电解质中的化学添加剂、电极材料、 测量电子传输性能的实验方法等，这些研究有助于提升电池循环性、稳定性和 能量密度，是后期指引特拉斯动力电池性能改善的前瞻研究成果。

循环性：电解液添加剂、单晶正极、正极电镀锂等方式改善锂离子状态

在动力电池的四大关键材料：正极、负极、隔膜和电解液中，电解液是整个系 统中的血液，肩负着将电子从负极运向正极的重任。电解液在很大程度上决定 了整个电池的能量密度和电压，同时影响了锂离子电池的安全性，我们发现很 多工艺、材料层面的研究实验都是从电解液环节入手。

Jeff Dahn 团队在多篇科研论文中提出：通过向电解液中混入不同添加剂、使用 单晶正极材料、给正极石墨电镀锂、通过热化成形成稳定 SEI 膜等方式来提升 动力电池循环寿命（核心衡量指标：容量保持率）。整体来看，这些方法大体结 果主要是通过对正极形成保护膜、稳定正极锂元素结构等方式起到保持正极锂 元素的正常形态或是减少正极锂元素的损失，从而达到提升电池的容积保持率， 改善电池循环寿命的效果。

备注：容量保持率经历多次充放电后的实际容量与最开始容量的比值，用以衡 量电池的寿命（循环性）。

方法一：添加双盐溶剂电解质减缓正极锂离子消耗速率，提升 2.25 倍循环性能

在延长电池寿命方面，Jeff Dahn 教授通过混合不同溶剂，制造出一种双盐二氟 （草酸根）硼酸盐（LiDFOB）/ LiBF4 液态电解质（Weber et al.,2019）。对于 配有这种电解质的无阳极软包装锂离子电池而言，在 90 次充放电循环后电池 仍然保留了原先 80%的容量，极大地优于常见的单盐液态电解质锂电池。即使 在经过 50 次充放电后，电池内部色谱柱仍然保持不变，并且内部锂离子消耗速 率也十分缓慢。

Jeff 团队根据实际应用场景，模拟了不同压强下的电池循环寿命，并且利用扫 描电子显微镜（SEM）观察了高压强下锂金属形态学变化。对于单盐电解质溶 液，不管是高压还是低压下电池容量表现都极差，在 30 个循环周期内就分别衰 减至 0.8 和 0.4 倍以下，而双盐溶液电解质电池能够在 50 个循环周期后将容量 维持在 90%的水平。形态学研究显示，高压下双盐溶液电解质中锂金属表面形 状更加紧密，并在 50 次循环周期后破坏了枝晶结构的形成，进而改善电池的 容量保持能力。

从延长使用寿命这一方面来看，这种双盐电解质能够很好地替代业界对于开发 固态电池的需求。它不仅能够帮助电池生产厂家节省下改造生产线的费用，还 能避免锂金属在实际工作中生出金属突触而降低循环效率的窘境。

方法二：ODTO 电解质有助于形成固定电解质中间层，能在循环周期中极大地 改进容量保持率

除了上述的双盐电解质外，Jeff Dahn 团队还尝试将 1,2,6-Oxadithiane 2,2,6,6-tetraoxide（ODTO）添加至电解质中。在~1.4V 下，ODTO 通过钝化石墨负极，并在正极形成固体电解质中间层（SEI 膜），并转为硫化物质以提升电 池的库伦效率（充电效率）和容量保持率。

在微分容量检验中，相对于不添加 ODTO 溶剂的控制组（panel a 和 d），添加 ODTO 实验组的微分容量曲线均出现双峰。在纯 ODTO 溶剂组中，双峰现象尤 为明显，ODTC 钝化石墨电极的电压保持在 2.1 至 2.3V 左右，然而随着 ODTO 溶剂浓度加大（从 1%至 5%），左侧还原峰收到了抑制，意味着 SEI 膜的生成 受到了抑制，从而减少电极材料循环寿命。

备注：SEI 膜是指在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固 液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。其形成有利于减 缓锂元素消耗从而提升电池寿命。

相对于传统电解液，混入 ODTO 添加剂的电解质溶液可钝化电池负极上的活性 颗粒，生成保护膜，从而使得电池循环周期更长。对于混合了 2%VC+1%ODTO 和 2%FEC+1%ODTO 电解质溶液而言，它们的容量和归一化容量在短循环周 期测试（200 次，图）后保持仍能保持基本水平。此外，加入 ODTO 溶剂的电 池具有更低的∆增长率，这意味着在使用时电池阻抗会更加稳定。

Jeff Dahn 团队还在长循环周期测试（大于 2000 次）中，对添加了 ODTO 电解 质的电池容量保有率和阻抗进行了研究。研究结果显示，在 ODTO 溶剂与 LiPO2F2 混合后，电池容量在 2200 个循环周期内始终高于不添加 ODTO 的普 通电池，并且∆也能保持在相对稳定的水平。

为了研究 SEI 膜是如何延长电池寿命这一问题，Jeff Dahn 团队利用实时压力测 量法，分析软包电池在循环周期中的内部压力，得出 SEI 膜生成速率与电池内 部膨胀速率之间的关系。

在实验中，研究人员描绘了 SEI 膜生成的过程。在下图代表涂在负极集流体上 的活性颗粒中，每一个颗粒都在初次化成（Formation）后被 SEI 膜覆盖包裹 （Panel a）。在电池充电期间，负极逐渐会被锂化，导致活性颗粒发生膨胀并 碎裂，使得带电离子消耗在电解液中，形成新的 SEI 并消耗锂元素（Panel b， c）。经过多次循环周期后，锂元素更少，但是 SEI 膜更厚，能够承受更大的形 变并减缓负极上锂元素的消耗速率（Panel d）。

根据 SEI 膜的生成原理，像 ODTO 这一类的电解质添加剂能够钝化电池负极上 的活性颗粒，生成保护膜来使得电池循环周期更长。在所有实验的电池负极中，纯石墨的钝化表现最好，其次则是硅基石墨负极和硅碳负极。在所有的实验中， 仅使用石墨负极的电池在 120 个循环周期后仍能保持约 100%的归一化容量， 这意味着电池能够拥有更高的循环性能和使用寿命。

方法三：单晶正极材料能显著降低电池内阻增长，稳定容量保持率

传统高镍电池（以 NMC 电池为主）能够显著减少电池中钴的使用量，并且能 实现更高的能量密度；但是这种材料的循环寿命较低。Jeff Dahn 团队通过对比 单晶 NMC532、单晶 NMC622 和单晶 NMC811 材料后发现，单晶正极材料在 横截面上并未出现大量的微裂纹，具有良好的结构稳定性，适合长时间使用。

对于三种不同材料而言，NMC811 循环电压区间相对较低在 3.2-4.2V 左右，而 NMC532 和 NMC622 电压区间能在 3.0-4.3V 左右。在长达 4700 周的循环次数 下，单晶 NMC532 的容量保持率高达 92%，而单晶 NMC 则也能维持在 90% 的区间中。此外，研究人员还发现单晶 NMC622 在 4000 次循环中并未表现出 明显的内阻增长，而 NMC532 和 NMC811 内阻增长较大。实验结果显示在长期循环使用中，NMC622 和单晶正极材料的结合表现最优，能够极大地提升容 量电池容量保持率，降低内阻并提升使用寿命。

对于三种单晶电池的电压-容量测试中，负极和正极的 dV/dQ 曲线差异较大。其 中正极曲线在长期循环中几乎没有发生太大变化，而负极曲线在尾端均发生较 大偏移。这意味循环过程中电池容量损失主要发生在负极上，使用单晶体的正 极几乎没有锂金属损失，没有必要采用预补锂的方式来维持电池容量，进而节 省成本。

方法四：使用无机表面涂层 Al2O3 可在长时间下维持正极稳定状态

Jeff Dahn 团队还提出了一种全新的关于无机表面涂层的作用机理。根据最新的 热化学数据和密度泛函理论，常用于电池表面包覆的 Al2O3 可以和 LiPF6 电解 质盐自发反应，能生成有助于改善锂离子电池的循环稳定性和寿命的 LiPO2F2。 这种氧化物能够限制锂金属过度溶解，改变由固体电解质组成的电池正极过度 活跃的化学特性，使得电池容量和电压在 360 个充放循环内保持稳定状态，从 而极大地提升电池使用寿命。

在 40℃下，这种反应机理在目前广泛生产的 NMC622 和 NCA 电池中都会出现， 进而极大地改善电池运行寿命。在 SEM 观测下，石墨颗粒表面被 Al2O3 均匀包 裹住，能够极大地抑制氧化反应和电池阻抗增长率以提升循环寿命，同时还能 提高电池稳定性和安全性。

方法五：“热化成”可稳定锂镀层形态，极大改善电池低温状态循环性能

在高温下（60°C），电解液中锂扩散系数更高，锂电池内部往往具有更紧密的 镀层形态和更高的循环稳定性。但是在低温（20°C）和低压（75 kPa）下循环 性能可能会相应地降低。为了改善低温低压下电池循环性能，研究人员对添加 了二氟（草酸）硼酸锂（LiDFOB）/ LiBF4 双盐电解质的袋式电池分别采取普 通化成和（两次）热化成的方法来初始充电。

研究发现，热化成后能够极大提升低压低温下电池容量保持率。相对于普通化成处理的无铜阳极电池，20°C、75 kPa 下热化成处理电池能够在 60 个循环周 期内保持 80%的初始容量，显著优于普通电池保持的的 16 个周期。此外，20°C 的低温下高压热化成的电池在 100 个循环周期后仍能够保持 90%左右的容量， 性能提升 25%。此外，高压下热化成还能改善锂电池在高温下过软的问题，增 强电池结构稳定性。

备注：化成指首次对电池进行充电，激活锂电池的活性物质，并形成稳定的固 体电解质界面膜(SEI 膜)的过程。

在利用 SEM 研究的形态学观察下，当电池充电到 4.5V 时，普通化成电池锂负 极上出现大量不规则且多孔，直径在 2-4μm 的锂颗粒。但是经热化成后的锂电 池，锂负极呈现出更加平滑的柱状，颗粒直径普遍在 5-10μm，不但更大，并 且堆积更加紧密，孔隙更小。这意味着在长期循环下锂电池负极耐用性更高， 电池寿命更长。

此外，在循环 20 周后，经热化成处理的锂电池仍然保持着比较扁平且光华的柱 状结构，颗粒直径普遍大于 20μm，与没有热化成电池在 20 周循环后的不规则、 多孔状锂颗粒完全不同。这意味着在低压下经过（两次）初始热化成处理能从 微观结构上提升电池在低温下的循环能力和寿命。

安全性：添加含氟电解质、无极电池等有助提升高温高压稳定性

电池安全性和稳定性是最关键的性能指标。对于新能源动力电池而言，几乎所 有安全问题都可以归为“热失控”，这意味着某些外部条件引起电池升温，当达 到一定阈值后电池就会变得不稳定。在通常情况下，受到外部撞击和挤压后， 电池内部压力将大幅增加，这往往会引发电池内部结构破裂，使得电解质同电 极反应速率失去控制，进而引发过热、爆炸的危险。除去人为碰撞、挤压、水 浸等外生因素，单从电池制造工艺层面上来看，锂电池会在正常工作中产生大 量热量、产生二氧化碳气体而鼓包，在析锂中也会导致锂枝晶生长刺穿隔膜引 起电解液剧烈反应而热失控。

近年的研究中，Jeff Dahn 团队主要通过向电解质中添加氟化电解质、使用无 极电池等方式用以提升电池稳定性和安全性。

备注：锂枝晶是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂，一方 面锂枝晶的生成会破坏前期化成后形成的稳定电解质 SEI 膜，同时也会不断消 耗电解液导致金属理的不可逆沉积以及刺穿隔膜导致锂离子电池内部短路引发 热失控。

方法一：添加氟化电解质能显著提升高温下电池稳定性

在 2019-2020 年的研究中，Jeff Dahn 团队通过向电解质添加不同种类的氟化 液、减少电池中锂含量来提升电池在高压和高温状态下的稳定性。实验结果显 示，通过加入 LiNiO2−xFx, LiNi1−xMgxO2−xFx; Li 1+x/2Ni1−x/2O2−xFx这三种氟化电 解质后，电池内部因为 SEI 膜生长和废锂堆积所引起的电池膨胀速率大大降低， 并且电池循环效率和镀锂效率也相应得到了提升。通过添加这三种电解质，可 以将氟元素引入电极上的晶格结构中，进而平衡内部电荷差，极大地减弱 Ni2+ 析出现象，提升电池稳定性。

Jeff Dahn 团队还利用加速热量仪（Accelerating Rate Calorimeter，ARC）来 测试加入氟化溶剂后动力电池的热特性。通过研究高镍电极材料与电解质的反 应活性，研究人员发现锂、氟离子含量同反应活性呈负相关关系。相对于在电 池管中发生的无氟电解质，含氟电解质的动力电池温度上升速率显著降低，这 意味着在实际汽车运行或充电过程中电池发生热失控的可能性更低。

方法二：使用无极电池能提升电池压力抗性，使得电池更加安全

在目前锂金属电池的研究中，许多研究人员都忽视了锂过量的问题。一旦锂元 素含量过高，非但不会提高能量密度，还会使得电池膨胀的概率大幅增加。

为了解决锂元素过量的问题，Jeff Dahn 的研究团队提出使用无极电池，通过 弃用锂含量较高的活性涂层，直接让 Li 元素在（铜）集流体上沉积，以此达到 在维持电池能量密度的同时，降低锂金属形变体积，提升电池安全性。研究者 以 NMC532 为正极，以铜箔为集流体制作出无负极软包电池。经过充放电循环实验后发现，处于充放电状态的电池组厚度分别为 170μm 和 205μm，显著低 于普通锂电子厚度。这意味着在正常工作时，无负极电池形变更小，更不容易 发生电池膨胀的现象。

研究人员通过对正在充电的无极电池进行压力测试，以研究不同外部压力下电 池包外部体积和内部压力变化。在实验中，研究人员通过设置一个压力传感装 置，观察电池厚度和充电时间之间的关系。他们发现无极锂电池内部锂离子从 正极剥离并镀于铜集流体上，增厚电极堆，使得电池厚度随着充电时间线性增 加。在一定压力下，电池体积会膨胀到特定阈值，使得无极电池内部压力始终 在可控范围内，安全性和稳定性显著优于普通锂电池。

然而，对于无极电池而言，保证了安全性的同时往往会牺牲一定的电池寿命。相对于高压力（795 千帕），在低压力下（485 千帕）电池性能和最长循环周期 数量大幅下降。在 300 个循环周期内归一化电池容量下降至原来的 0.4 倍左右， 且经过调整后人仍不会超过 50%的水平。在高压力下，电池寿命则相对显著增 加，在300个循环周期后容量保持率能相对提升 25%。当电池内部压力较低时， 金属锂容易发生一定体积变化，对电池元件施加较大的压力摆幅，导致集流体 撕裂，对电池内部造成物理危害并降低使用寿命。

能量密度：负极电镀锂，添加相关电解质以提升能量密度

电池能量密度一般用每公斤锂电池所具有的电容量所确定，能量密度的高低决 定了新能源汽车续航和性能问题。在过去 20 年中，研究者们先后开发各类型新 型正极材料，整体技术路径沿着镍氢/锰酸锂、磷酸铁锂电池、NCM/NCA 的技 术路线发展以加强电池能量密度。在目前的技术框架下，磷酸铁锂和三元锂是 主流，而有机电池、锂硫化合物电池和固态锂金属电池具有较高的能量密度， 可能是未来进一步的发展趋势。

目前，绝大部分电池厂商技术所能达到的能量密度集中在 200-250Wh/kg，距 离各国 2020 能量密度规划仍有一定的距离。特别是在我国，随着政策补贴同 能量密度挂钩，将进一步倒逼各厂商继续开发技术，推动电池使用效率和单位 容量增加。

Jeff Dahn 团队对于电池能量密度方面的研究，主要通过在负极石墨上电镀锂 金属以及配套相应电解质、添加二恶唑酮电解质等方式用以提升电池能量密度。

方法一：石墨负极电镀锂结合双盐电解液，能量密度提升 23.61%

在进一步提升电池能量密度方面，Jeff Dahn 团队通过在负极石墨上电镀锂金 属以实现新的锂离子/锂金属混合电池。结合优化后的双盐电解液 LDBF 和外部 高压，这种新的混合负极电池能够在充分充电的情况下充放 150 周，并且仍能 保持 80%的初始容量和 99.6%的库伦效率。在理论状态下，这种混合电极电池 的体积能量密度可达 890Wh/L，相较于传统电极 720Wh/L 的能量密度提升了 23.61%。当电池电压范围保持在 4.4V 时，锂金属会在负极石墨表面完全沉积， 实现嵌入状态并提供额外的里容量，全电池可实现 230mAh 的总容量。

在不同电解液和外部压力下，使用锂/石墨混合负极的新型电池相较于传统电池 表现更好。在 LDBF 电解液中，锂金属均匀地沉积在石墨层表面；在机械压力 下，锂晶粒之间排列方式也会更加紧密，使得内部结构更加稳定。在多次充放 电后，微观结构上多孔的石墨层有利于锂金属的沉积，进而抑制电池内部死锂 形成，从而使混合电池具有较高的库伦效率（充电效率）和容量保持率（循环 性）。

在实际应用场景中，研究团队设计了一种 4V（锂离子模式）+4.4V（混合模式） 的混合充电协议（10/1-10/5 协议），并且容量保持率在 400 个循环周期下仍然 能够保持在 70%的水平，极大地优于只使用石墨负极的动力电池。根据研究人 员介绍，在平时使用过程中，大部分车主可以先以锂离子模式运行混合电池实 现 300 公里的续航里程，足够满足人们的日常使用要求。只有当车主想要远行 后，他们可以切换到锂金属模式进行 400 公里以上的长途旅行。混合充电协议 意味着配有混合电池的新能源车能满足车主基本上所有的出行要求，进一步拓 宽应用范围。

方法二：二恶唑酮电解质也能显著提升电池能量密度，延长新能源车续航里程

除了使用混合电极之外，Jeff Dahn 团队通过替换当前电解质添加剂来提高锂 离子性能。在实验中，他们对多种二恶唑酮添加剂进行了实验，其中，表现最 好的是 3-苯基-1,4,2-二恶唑-5-酮（PDO）为母体结构的化合物。对于添加二恶 唑酮电解质（PDO/pNDO）的电池而言，它们的 dQ/dV 曲线更加平滑，且仅在 高点位下仅出现单峰。这意味着对于在苯环上带有硝基苯基官能团的对-（4-硝 基苯基）-1,4,2-二恶唑-5-酮（pNDO）而言，电池内部电压从 1V 开始至 3V 范 围内，他们的电容微分曲线在高电位下电池容量更高。这意味着在实际运行中， 添加了二噁唑酮的 2%pDNO 电解质电池具有更高的能量密度，新能源汽车的 续航里程相应地也会延长。

技术源头 2：宁德时代，CTP 结构与无钴电池储备以 提升整体能量密度

核心内容：基于目前公开信息，宁德时代在电池装配工艺以及电池材料上均有 新的技术储备。电池装配工艺层面，主要推出“大模组”方案以提升 PACK 内部 空间利用率，类似技术包括比亚迪的刀片电池技术。电池材料层面，宁德时代 对外宣传有进行“无钴”电池相关技术储备，但公开信息尚无细节，参考蜂巢能 源以及通用等其余厂商的无钴电池技术方案，我们认为比较有可能是通过掺杂 其余元素来大幅度降低钴含量的技术方案，类似技术包括蜂巢能源采用的“阳离 子掺杂+单晶正极+纳米网络化包覆”的系列技术以及蜂巢和通用汽车均提出的 NCMA 四元电池技术方案（通过铝元素掺杂降低钴含量）。

CTP 结构：宁德时代采用大模组的 CTP 方案，显著提升能量密度

传统的电池包结构由“电芯-模组-PACK”三层结构逐步装配而成

目前的动力电池组装工艺基本是由多个电芯单体（Cell）组装成模组（Module）， 再由多个模组组装成 PACK 包。对于电池模组而言，除了电芯单体，还包括金 属盖板端板，线束，粘合剂、导热剂、模组控制单元等零部件。若干个模组再 加上热管理系统(BMS)、线束、控制器、外壳等构成电池 PACK 包。

模组的存在主要是为了保护、支撑集成电芯，同时模组可以将众多电芯分隔开 后进行分区独立管理，对于温度控制、防止热失控传播、后期降低维修成本均 有帮助。但是由于模组的存在使得整个电池包的有效利用空间有所下降，也就 是模组越多则 PACK 包里面的零部件越多，后期成组效率也就越低。这也是为 何目前单体能量密度突破 300Wh/kg，但是受限于“电芯-模组-PACK”的三层装 配工艺限制，目前电池系统层面的能量密度仍处于 160Kw/kg。

对于装配工艺层面的改进，后期趋势主要朝着“无模组或是大模组”趋势演进 特斯拉 Molde 3 采取大模组方案

相比原 Model S 采用 16 个模组，Model 3 则采用大模组方案，主要采用 4 个约 2 米长的大型模组。将模组做大后，每个模组可管理的电芯数量增多，从而模 组数量和零部件数量均减少，一方面使得电池重量减少，Model 3 电池包的重 量比原来 Model S的电池包减轻了 15%，比顶配 Model S/X 的电池包减轻 6%， 另外也可使得 PACK 包能量密度提升。

但是我们发现，Model S到Model 3虽然单体电芯通过21700更换成18500后， 单体能量密度有所提升，但是由单体到系统的转换率却出现了下降。所以特斯 拉的大模组方案的使用通过减少零部件达到减重的作用，最终可使得整体系统 能量密度提升，但是并未使得由单体到系统的转换效率提升。

比亚迪采取无模组的刀片电池技术方案

比亚迪的刀片电池是一种长电芯方案，在比亚迪原有的电芯尺寸基础上通过对 电芯长度增长、厚度减薄的扁长化设计，最终长度通常大于 0.6m，最长可达到 2500mm（10 倍于传统平台磷酸铁锂电池电芯）。再通过阵列的方式排布在一 起，就像“刀片”一样插入到电池包里面。相比比亚迪此前的磷酸铁锂电池，“刀 片电池”可实现电芯直接装配成 PACK 的无模组化装配，从而大幅度提升集成效 率。另外，刀片电池电芯可基于不同需求形成不同尺寸的系列电芯。

比亚迪刀片电池体积比能量密度提升约 50%，降低成本约 30%，散热效果改善；

基于比亚迪的刀片电池技术方案，在电池包总体积一致的情况下，减少了电池 PACK 包结构中各模组的侧板、端板、紧固件、横梁、纵梁等零部件组件，整 体 PACK 包内空间利用率约在 40%左右，而采用比亚迪刀片电池技术后的 PACK 包内空间利用率可达到约 62%，最高可达到 80%，空间利用率可根据电 芯布局形式分别达到 55%、60%、62%、65%等，整体零部件数量减少 40%。 空间利用率的提升使得整体带电量增加 20-30%。由于空间改善和零部件数量减 少，比亚迪刀片电池的优势主要体现在以下几个方面：

第一，对于体积比能量密度层面：比亚迪刀片电池技术可使得普通电池包体积 比能量密度从 251Wh/L 提升至 332Wh/L，显著提升 32.27%；

第二，对于能量比密度层面，刀片电池提升至 180Wh/kg，相比此前提升大约 9%；

第三，同时由于单体电池本身可承担机械加强作用，使得电池包的制造工艺简单，对于物料和人工成本均可下降，预计整体成本降低 30%；

第四，由于刀片电池表面积更大，因此散热性也得到显著改善。

宁德时代则采用了大模组 CTP 装配工艺

宁德时代的 CTP 技术并非完全取消模组，在大体思路上采取的是与特斯拉 Model 3 类似的大模组方案。

根据宁德时代的专利，宁德时代的 CTP 采用的大模组方案里面包括利用若干个 塑料材质散热板分割的小空间，而方形的电芯可像电脑硬盘一样插入这些独立 空间。此外，在每个电芯两侧分布有导热硅胶垫片以及连接外部冷却管路的散 热通道。

传统的 BMS 中由多个动力电池包 PACK 并联而成，每个 PACK 包括与之对应 的动力电池模组以及与之对应的电池监控单元(CSC)、电池管理单元(BMU)以及 继电器等。宁德时代的 CTP 技术亮点主要是通过将模组电池监控单元设置于动 力电池模组的壳体内部，从而使得动力电池模组内部结构更加紧凑。此外，在 模组电池监控单元上设置导电片，采用键合引线代替线束连接导电片与导线， 从而较好的提高电池包的集成度以及能量密度。

该方案可减少包括链接线速、侧板、底板等在内的约 40%的零部件数量，在电 池体积不变的情况下 PACK 包内体积利用率提升 15%-20%，生产效率提升了 50%，电池包质量能量密度提升了 10%-15%，可达到 200Wh/kg 以上，同时 也大幅降低动力电池的制造成本。

对标宁德时代的 CTP 与比亚迪的刀片电池，我们认为差异点主要体现在以下几 个方面：

第一，从结构性创新性来讲，我们认为比亚迪的刀片电池更具有创新性；比亚 迪的刀片电池结构完全取消了模组结构，而宁德时代的 CTP 技术仍然保留模组 结构，只是采用大模组结构来减少模组数量。两者均通过提升空间利用率以及 减少零部件数量达到提升体积能量密度或重量能量密度的效果。比亚迪刀片电 池提升至 180Wh/kg（电芯为磷酸铁锂），宁德时代提升至 200Wh/kg（电芯为 三元锂），能量密度角度来看宁德时代高出比亚迪刀片电池约 10%。但从成本 角度来看，据中国化学与物理电源行业协会数据显示，2019 年磷酸铁锂电池电 芯的市场报价已降至 0.7 元/Wh 以下，三元电池电芯的报价在 0.9 元/Wh 左右， 磷酸铁锂的单体电芯成本比三元锂单体电芯成本低约 22%，因此综合性能与成 本以及稳定性角度来看，目前比亚迪的单片电池更加具备优势；

第二，两者在电芯材料、结构、制造工艺上均有较大差异；

材料层面，比亚迪的单片电池装配工艺目前主要是基于磷酸铁锂单体电芯，宁 德时代的 CTP 技术主要基于目前主流的三元材料 NCM532 单体电芯。结构层 面，宁德时代的电芯仍然采用方形电芯，而比亚迪的电芯采用扁平化的“刀片” 电芯。制造工艺层面，刀片电池电芯采用的是叠片工艺，而宁德时代 CTP 电芯 采用的是卷绕式工艺。通常而言，磷酸铁锂比三元锂材料在安全性、稳定性层 面更加有优势，而叠片工艺在安全性，能量密度、工艺控制层面比卷绕式更加 具备优势，但方形比刀片型在结构稳定性层面更有优势。我们认为主要是比亚 迪在单体电芯的材料和制造工艺层面稳定性更佳，因此在结构层面能够选择更 加激进的无模组结构的单体电芯结构。

第三，从售后角度来看保留一定的模组结构有利于降低维修成本；由于 CTP 装 配供给对单体电芯一致性的要求更高，单体电芯由于充放电膨胀造成的形变和 散热性能变差会直接影响模组或是整个 PACK。取消了模组意味着取消了电芯 发生热失控后在模组级别的防护，而后期若单个电芯发生故障则会涉及整个 PACK，从维修角度来看不像之前只需更换其中某一个模组，而需要更换整个 PACK 或者大模组，因此从售后维修角度来看，我们预计比亚迪的单片电池的 维修成本高于宁德时代的 CTP 技术。

无钴电池:参考蜂巢能源与通用汽车，可能采取其余元素掺杂替代钴方案

钴是稀缺金属，也是当前三元正极材料的重要组成部分，其作用主要是抑制锂 电池的“镍锂混排”现象，同时可以降低材料阻抗值，提高材料电子电导率，改善 倍率性能、降低电芯内阻等，从而可以提供稳定的电池结构，三元正极材料技 术路径之所以朝着降低钴含量或是最终实现无钴化方向发展，主要基于以下两 点原因：

第一，钴资源稀缺，成本较高；目前全球钴元素需求中锂电池占据 50%，一辆 特斯拉电动车平均钴用量为 13 公斤。据蜂巢能源测算，随后期电动车行业持续 高增长，预计 2026 年钴元素将处于供不应求的状态。成本层面，钴在正极里 面成本占比高达 30%，其价格长期剧烈波动也导致电池成本不稳定；

第二，钴的含量对电池性能影响较大；在三元正极材料中，镍是主要的电化学 活性元素，锰元素不参与电化学反应，主要起到维持材料的结构稳定性和热稳 定性；钴元素部分参与电化学反应，其主要作用是保证材料层状结构的规整度、 降低材料电化学极化、提高其倍率性能。但过高的钴含量会使得电池实际容量 降低，而过低的钴含量又会使得镍锂离子混排降低循环性，其用量相对难以把 控。

目前电池技术发展路径中，主流电池材料钴含量持续下降，从最早钴酸锂中的 59%到目前普遍应用的 NCM523 中的 12%，以及到 NCM811 中的 6%，蜂巢 能源近期宣布已经成功研制无钴电池将钴含量降低至 0%。

对于宁德时代的“无钴电池”而言，目前暂无较多公开资料可供参考。在 2020 年 5 月 11 日的公司网络业绩说明会上，宁德时代董事长曾毓群曾表示：“马斯克告 诉我，特斯拉希望自己做电池。据我了解，他们的技术路线对我们不会有冲击， 而且我们在共同探讨如何把电池做得更好，以服务新能源事业”。此前，曾毓群 先生也表示：宁德时代也有自己的“无钴”电池技术储备，目前研发进展顺利，正 在想办法做好供应链，“因为是一个全新的、颠覆性的产品”。

我们认为可以一定程度结合峰巢能源已经公开的无钴电池技术路线进行参考， 目前蜂巢能源已经推出两款无钴电池：

第一款 115 万时电芯：能量密度可达 245Wh/kg（模组），匹配 590 标准模组， 能够搭载到目前大部分新的纯电动平台上，可实现 15 年 120 万公里的超长使 用寿命，预计在 2021 年的 6 月份上市；

第二款是 L6 薄片：该电池取消模组结构采用无钴长电芯，无钴电芯容量可以达 到 226Ah，预计能量密度可达 240Wh/kg，目前正在与长城汽车的一款高端车 型做适配性开发，同时搭载先进矩阵式 Pack 设计，135kWh 容量可实现 880km 超长续航，预计于 2021 年下半年上市。

蜂巢能源的无钴电池主要通过阳离子掺杂技术、单晶技术、纳米网络化包覆三 大类技术实现。从蜂巢的“技术创新曲线来看”，2022 年后无钴电池能量密度将 会超过三元锂电池。

第一，阳离子掺杂技术；通过采用强化学键稳定氧八面体结构等两种化学键掺杂到材料中替代钴元素，减少镍锂混排，大幅度改善材料稳定性，用以提高材 料的上限电压，实现能量密度提升。该技术相对之前磷酸铁锂提高 40%，并可 以在 4.3-4.35V 电压下稳定工作，使能量密度提高，成本降低；蜂巢能源市场 总监郝雷明指出蜂巢采用的是尖晶镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）做正极材料；

第二，单晶技术；单晶相比多晶具有更强的颗粒强度和更加稳定的结构，耐压 力强度比多晶可以提高 10 倍。由于电池在极片制作过程中需要经过高强度辊压， 多晶材料在滚压过程中颗粒破碎明显会直接导致正极与电解液反应产生大量的 气体，造成电池寿命加速衰减和产生安全问题。同时材料的结构也会崩塌，锂 离子无法移动，造成寿命的快速衰减，而单晶经历滚压工艺后结构仍然非常稳 定，耐压力强度提升 10 倍，单晶电芯寿命可以比多晶高镍三元高出 70%；

第三，纳米网络化包覆技术；在自然界中三角网络是韧性最高的结构，蜂巢能 源在无钴材料的合成过程中采用了纳米网络包覆技术，在单晶表面包覆一层纳 米氧化物，可以减少正极材料跟电解液的负反应，该技术有效的改善了高电压 下的材料循环性能。

此外，包括蜂巢能源以及通用汽车也在积极布局镍钴锰铝（NCMA）“四元”锂 电池。通用研发的 Ultium 动力电池包通过加入铝元素将电池中的钴含量降低约 70%，其电池包容量比传统圆柱形电池包提升 20 倍，续航里程可达到约 650 公里以上。蜂巢能源于 2019 年 7 月立项 NCMA 四元锂电池的项目，但是还处 于概念性阶段，预计 2019 年年底完成材料的前期开发，2020 年 12 月计划完 成材料的确定，并预计在 2022 年 11 月达到四元电芯量产。

技术源头 3：MAXWELL，“超级电容+干法电极”以 提效降本

核心内容：基于对 Maxwell 技术的分析，我们认为 Maxwell 有望在超级电容 及干电极领域对特斯拉电池形成支持：一方面，超级电容将与锂电池结合使用 应用于大功率启停及高/低温场景，Maxwell 已开发出能量产的锂离子电容，将 作为瞬时功率较大（例如启动/刹车、急加速/减速时切换至超级电容模式）及温 度过高或过低时的替代电源，用于特斯拉中大型及跑车及储能业。另一方面，干电极有望成为特斯拉实现提效降本的关键技术，并拓宽了未来的技术路径（新 材料/无钴电池/固态电池）。

吸纳 Maxwell 外部技术布局新一代电池技术战略

2019 年特斯拉完成对 Maxwell 的收购。特斯拉于 2019 年 2 月 5 日宣布以 2.18 亿美元（折算每股 4.75 美元，溢价 55%）用换股方式要约收购 Maxwell 公司， 当年 5 月收购落地，特斯拉由此实现通过吸纳外部技术以布局电池技术战略。

Maxwell 有两大核心业务——干电极电池技术及超级电容驱动的能源储存业务。 Maxwell 脱胎于 1965 年在美国圣地亚哥成立的 Maxwell Laboratories，主要就 物理领域服务政府机构。1983 年上市，1996 年更名为 Maxwell Technology， 转向汽车、能源、航空航天等工业级商业化应用。2006 年进一步进军中国市场， 在上海设立超级电容及高压电容两个部门。目前在中/美/德/韩四地布局，业务 分为用于动力电池的干电极技术、主要用于储能的超级电容两大领域。

（1）储能技术：基于超级电容器产品打造，具备高功率密度（最高突破 5kW/kg）， 长使用寿命（50 万次）和快速充放电等特征（5 秒~10 分钟）。2017 年收购主 攻小型电池领域的韩国超级电容器厂商 Nesscap Energy，补足产品线。产品应 用于汽车（包括吉利、通用等）、电网储能，轨道交通和风能等。公司预计 2023 年储能市场规模有望达 13.5 亿美元的市场，CAGR 为 20％。

（2）干电池电极技术：初期用于电池超级电容器的降本促效生产，后续导入锂 电池生产中。作为无溶剂工艺，设备投资、成本及能耗均优于湿法涂覆工艺， 且比湿法更适用于高能量密度，对液体敏感的电极材料。

Maxwell 被收购前业绩端承压。由于持续拓展新业务及经营问题，Maxwell 常 年亏损，近几年重心向超级电容器、干电极两大优势业务倾斜（2016 年剥离微 电子产品线、2018 年剥离高压产品线），2016-2018 年公司营业收入分别为 /12124/13037/9046 万美元、同期分别亏损 2371/4313/3655 万美元。营收主要 来源于中国（2018 年占比 32%）、美国（占比 19%）及德国（占比 14%）。

基于 Maxwell 的超级电容及干电极的技术特征，以及特斯拉对于无钴、高能量 密度、低成本等技术需求，我们认为其与特斯拉的协同效应体现在以下两方面：

（1）超级电容应用于大功率启停及高/低温场景。技术上目前超级电容不能独 立提供动力，而是与锂电池结合使用。由于其高充放电效率及宽工况温度等特 征，将作为瞬时功率较大（例如启动/刹车、急加速/减速时切换至超级电容模式） 及温度过高或过低时的替代电源，有效提升电池系统性能及寿命，降低特斯拉 中大型及跑车车型（例如皮卡 Cybertruck、卡车 Semi-Truck 及 Roadster）起 步和加速阶段的功率突变压力，以及适用于储能业务。

（2）干电极技术具备量产可能性，预计为此次电池日主打技术之一，2020 年 底有望推广，有望带来特斯拉电池三点重大提升：一是运用于 NCA 高镍方向， 在电池性能上能量密度有望突破至 500Wh/kg（目前 21700 电池系统能量密度 约 300Wh/kg）；二是大幅降本 10%~20%，干电极技术设备投资及工艺成本均 优于现有的湿法涂覆技术；三是拓宽了未来的技术路径，向固态电池拓展更靠 近一步，也解除了对液体敏感的电极材料的应用。

超级电容：高功率的提供者，提升能量利用效率及电池寿命

超级电容器为介于电容器和电池之间的储能器件，因此兼具快速充放电（对于 电容器）及极化电解质储能（对于电池）特征。不同于电池的化学储能特性， 超级电容为通过介质分离正负电荷的物理储能方法，因此储能过程可逆使得能 快速充电和放电数十万至数百万次。当与锂电池结合使用时，超级电容将代替 电池储存动力回收过程产生的电，在启动或急加速过程中与电池共同供电爆发 较大的瞬时功率（汽车加速所需的功率比保持恒定速度所需的功率大 10 倍）， 产生类似“高效缓存”的效用，同时避免了过高或过低温度下电池的大功率充放 电，有效保护电池、延长电池寿命。

与锂电池相比，超级电容器提供了一种简单而高度可靠的解决方案来缓冲可用 功率和所需功率之间的短期失配，在充放电时间及寿命上具明显优势：

（1）充电速度快 100 倍（电池数分钟或数小时 VS.超级电容器最快几秒内）。超级电容器存储电能为同等尺寸电池的 5%~10%，而电能传输速度快 100 倍， 从而单位重量有效降低。

（2）更长的使用寿命。超级电容器能在 10~100 万个充电周期中可靠运行，电 池的等效周期为 500-2000 次。在整个生命周期内极大降低成本。

（3）更高的充放电周转效率，最大程度地减少了能量损失。功率密度最高可突 破 5000kW/kg，近电池的 5~10 倍。

（4）在极端温度（-40℃至+65℃）下可靠且连续运行的能力；

（5）维护要求低。

（6）不含重金属，将与处置相关的环境问题降至最低

Maxwell 的超级电容器产品涵盖多种尺寸的单体及集成模组，已打入整车体系。Maxwell 提供的超级电容器包含 Standard 系列（阻抗小、尺寸小，用于消费电 子及工业电源领域）、XPTM 系列（用于高温高湿的恶劣条件）及 DuraBlue® 系列（防冲击、防震）三大主力单品，通常将其连接至多电池模块和子系统中， 以满足特定应用的能量存储和功率传输要求。现阶段子系统产品集成了 6~60个超级电容器单元，可用于 12-160V 的应用场景。Maxwell 逐步将超级电容的 应用推广至汽车，2010 年向大陆集团供给启停电压稳定系统的储能单元，2018 年与吉利合作（在 2020 年的五款混动汽车中加入基于超级电容器的峰值功率 子系统），将在北美和欧洲上市，2019 年底开始量产。

超级电容与锂电池结合应用：高功率提供者、提升能量利用效率以及电池寿命

超级电容在电动车的作用主要充当高功率提供者，大功率的超级电容在纯电动 汽车的启动、加速、上坡行驶等应用场景具备显著的协同效应。例如在电动车 启动和爬坡时可以利用超级电容快速提升大功率电流，在正常行驶时由蓄电池 快速充电，在刹车时快速存储发电机产生大电流，由此可以减少对锂电池大电 流充电的限制，从而延长其使用寿命。另外，在启动/刹车等情景下可实现将再 生制动的能量回收到超级电容器，从而提升能量利用效率。

目前超级电容和锂电池的混合应用主要包括 4 种方式：第一种是直接并联，一 般用于电压低于 60V 的应用场景，第二种是超级电容经由直流电源转换器 DC/DC 升压后与动力电池并联，可实现对输出功率和能力的控制，这两种模式 较为普遍。

干电极工艺——拓宽现有技术路径，提效降本显著

干电池涂层工艺（即无溶剂涂层工艺）包含干粉末混合、粉末变成薄涂层成型 及薄涂层与集流体压合三个主要步骤。具体指在涂覆时，先将电极颗粒、粘合 剂和导电剂组成粉末混合物，再使用压出机挤出成连续的初始电极材料带，绕 卷后压在金属箔集流体上形成电极。在 Maxwell 实验室发表的《Dry Electrode Coating Technology》论文中,说明干电极可用于厚极片的制作，同时适用于正 极（NCM/NCA/LFP 等正极材料和铝箔）和负极（硅基材料/LTO 和铜箔）制作。

干电极工艺更兼容目前主流的高镍电池（高镍正极+碳硅负极）体系。对于正极， 干电极能有效缓解高镍热稳定性差、易吸收水分等问题；对于负极，能大幅降 低预锂化（预锂化能有效缓解碳硅负极首次充放电将形成 SEI 膜带来的活性物 质损失问题）的难度，加快硅碳负极导入。

干电池工艺核心技术在于电极配方和挤压技术实现的去溶剂化。Maxwell 关键 技术在于在电极配方上，将少量的（5%~8%）PTFE 粉末原纤维化作为粘接剂， 使正/负极材料能自支撑在挤压中成膜成卷，从而实现去溶剂化，规避传统浆料 湿法具有的溶剂有毒、易形成粘结层降低导电性、电极理化性质易变等缺点。 对比使用了溶剂的湿法工艺（负极/正极粉末与具有粘合剂的溶剂混合，将浆料 涂覆在电极集电体上），干电池工艺具两大优势：一是大幅提效，由于干法成型 过程中，粘结剂以纤维状态存在使得锂离子能更好地进入活性物质颗粒，电池 具更好的导电性。在《Dry Electrode Coating Technology》论文的放电倍率测 试结果证明，同等条件下干涂层电极比湿涂层电极拥有更大的输出功率，同时 循环寿命更长、高温稳定性更好、充电/放电效率更高。二是有效降本，湿法工 艺需要用到相对更为复杂的电极涂覆机，且有毒的溶剂需要要使用烘箱进行干 化处理回收，因此流程简化的干法工艺在设备投资、材料成本和工人成本上具一定优势。

据 Maxwell 研究，其研发的干电池工艺具以下优势：

（1）高能量密度：目前干电极技术已经实现 300Wh/kg 的能量密度突破（超湿 法工艺 10%），未来有望突破 500Wh/kg。

（2）长循环寿命：寿命约为湿法工艺 2 倍。

（3）更低成本：比湿法工艺降本 10%-20%+，单车成本下降近 200-1000 美元。

（4）环保及技术延伸：无有毒溶剂，有望应用于新材料/无钴电池/固态电池等。

技术源头 4：Hibar，补齐锂电池生产设备环节，助 力电池自产

核心内容：特斯拉中/美/德三地工厂的车型产能快速爬坡推动电池需求快速上行， 而其与松下的合作的超级工厂产能由 35GWh 提升至 50GWh 的过程过于缓慢， 留下较大供给缺口，LG 化学、宁德时代相继被引入供应体系。故特斯拉具独 立生产电池的可能性，其于 2019 年低调收购的 Hibar 在锂电池生产设备及产 线上具多年布局，完成特斯拉自产电池的最后一块版图，有望实现电池产能稳定提升、将技术层面的积累运用到工艺中实现降本促销以及深度把控电池供应 链等目标。

收购 Hibar 开拓锂电池制造设备环节版图

Hibar 为一次电池及二次电池生产线的重要供应商，覆盖电芯完整生产流程；于上世纪 70 年代初由德裔加拿大工程师 Heinz Barall 创立，总部位于加拿大， 已在中国（宁波与佛山）、德国等地设制造工厂，专注于精密计量泵（1974 年 研制出第一台精密计量泵奠定行业龙头地位）、注液系统及电池制造系统。在电 池领域，拥有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等成套的生产线，覆盖了电芯完整生产流程，锂电池产品 可应用于电动车及消费电子，目前碱性电池生产流水线速度可达 1000PPM。首 席执行官在采访中表示，Hibar 自成立以来收入已实现 6 倍增长。2019 年 4 月 Hibar 获得加拿大国家研究委员会工业研援助计划授予的 200 万美元资助， 用于建设锂电池制造系统（主要为大容量电能存储领域）。

特斯拉收购 Hibar 完成自产电池版图；特斯拉于 2019 年 10 月间收购了 Hibar， 完成其自产动力电池项目最后一块版图，将具备独立的电池生产能力、以及把 特斯拉领先的电池技术（来源于包括 Maxwell 在内的特斯拉研发团队）实践在 生产端的能力。

主导电池制造环节对特斯拉的三大意义

特斯拉与最重要的电芯供应商——松下在产能问题上存在分歧。在电池制造上， 特斯拉与松下是近 10 年的深度合作（7 年独供合作），模式为：松下主供电芯， 在 Gigfactory 中的投资占比约 30%；特斯拉 60%的专利集中在电池，负责 Pack 层工作，包括改进电芯结构、优化模组/BMS/热管理系统等，经过一系列优化 后，其电池性能大幅提升（循环 500 次后，特斯拉电池剩 95%电池容量，而松 下出货的电池为 70%）。自 Model 3 推出后，特斯拉产能爬坡推动电池需求快 速上行，与松下的合资工厂产品由 35GWh 提升至 50GWh 的过程过于缓慢， 留下较大的供给缺口，因此于 2020 年初将 LG 化学、宁德时代引入供应体系。

特斯拉自建锂电生产线存在以下三大意义：

（1）实现电池产能的稳定提升，配套全球扩张计划。目前特斯拉在美国(规划 年产能 50 万)、上海（一期年产能 15 万辆）及德国三地均设整车工厂，松下产 能吃紧，与大众、奔驰及戴姆勒等传统车企大笔投建电池工厂的目标相同（奥 迪、奔驰均曾因电池供应问题推迟交付 e-tron、EQC 相关电动车的交付），特 斯拉有动力自设产线保障电池供应的稳定性；

（2）有利于性能提升及降本。掌握生产制造环节，有利于特斯拉将多年在技术 层面的积累运用到工艺中，能实现新技术的主导应用，同时降本效应显著，预 计自产产线投产后动力电池成本有望降至 100 美元以下（降低 10%~20%）；

（3）牢控三电领域。与过去传统车厂包揽发动机总成技术类似，电动车三电系 统是厂商需牢牢掌控的核心技术。自建产线能实现对电池供应链的深度把控。

19-20 年特斯拉已申请专利：重心在电池寿命

截止 2020 年 5 月，Tesla, Inc.累计申请并公布了 795 项专利，其中有 758 项发 明，37 项外观设计。在所有公布的专利中，有 630 项有效，102 项未得到专利 局确认，55 项已失效，8 项正在审核。

在 2017 年以前特斯拉申请的电池研发专利主要涉及充电技术、动力电池包装、 封装和装配技术（Pack）、电池管理技术（BMS）、极片技术等，并且专利申请 数量在 2013 年左右达到高峰。从 2017 年后，经过和 Jeff Dahn 研究团队共同 研发积累，特斯拉逐步开始在电解液添加剂、电池阳极材料、负极钝化膜等研 究领域开始发力。

在 2019-2020 正申请或被批准的专利中，共有 4 项有关电解液添加剂的新型专 利，2 项有关电池检测安全性和循环性检测的新型专利。根据美国专利与商标 局（US Patent and Trademark Office），专利数据库网站智慧芽和 Justia 的公 开信息，这些专利旨在极大地改进电池循环寿命，加强电池安全性能。

循环性：通过添加多种电解液添加剂，多步烧制电极法提升电池寿命

专利一：制备单晶镍-钴-铝电极的两步合成方法

在 2019-2020 被批准或正在申请的专利中，绝大部分锂电池相关专利都旨在改 进电池循环性能。在 2020 年 4 月 23 日披露的一项正在申请的专利中 （Publication No. 20200127280），特斯拉通过一种两段式的烧结方式提纯单晶 LiNi0.88Co0.09Al0.03O2，来规避 NCA 电池阳极材料中杂相的产生，进而提升电 池循环性能和寿命。这项专利主要基于 Jeff Dahn 团队已发表的论文《Synthesis of Single Crystal LiNi0.88Co0.09Al0.03O2 with a Two-Step Lithiation Method》。

在两步法中，先在较高的烧结温度（800°C-950°C）下制备 Li∶OM 比小于 1.0的 NCA(OH)2和 LiOH.H2O 的混合物，以避免生成杂相 Li5AlO4。在第二步中， 为了提升电池中锂元素含量，在相对更低的标准锂化温度下（650°C-760°C） 将更多第一步生成的化合物和跟过量的 Li(OH)混合在一起继续烧制。

经两步合成法加热后，NCA 电池单晶正极基本上不包含杂相，使得电池循环性 能更强，电池寿命更长。在容量循环测试中，经两步法烧制成单晶正极锂电池 的容量保持率在 100 个循环周期下仍能保持不少于 80%的初始容量，性能不弱 于多晶正极的锂电池。但是这种方法会减少了电池内 Li 元素的含量，使得材料 电化学性能较差。

此外，两步烧制法还能够提升电池正极结构有序度。从锂镍混排实验中，二步 烧制（图中 C1，C2；D1，D2）能显著降低这种不利于体相结构稳定性的现象， 提升锂的反应活性，进一步提升循环稳定性。

注：锂镍混排常出现在高镍三元正极电池材料中，即锂和镍离子在微观结构上 交换位置，导致材料容量快速衰减。当然，少量的锂镍混排能够降低锂离子的 扩散势垒，进一步提升材料的倍率性能。

专利二：向电解质中添加二恶唑酮和腈亚硫酸盐化合物

在 Jeff Dahn 团队的一系列研究中，他们发现添加二恶唑酮和腈亚硫酸盐化合 物至电解液中能显著提升电池性能。在 2019 年 12 月 6 日，USPTO 公布了一 项特斯拉正在申请的电解质添加液的专利（Publication No. 20190393546），包括 3-芳基或 3-CRR′R″取代的 1,4,2-dioxazol-5-one（二恶唑酮）和由任何烷基 或芳族取代基取代的腈亚硫酸盐化合物。在某些实验中，添加的溶剂使用了碳 酸亚乙酯或碳酸二甲酯等碳酸盐溶剂，以此和添加剂更有效地混合。

Tesla 的研究人员展示了在 40°C，以 C/3 充放速率至 4.3V 的 NMC622 和 NMC532 电池的归一化容量和电压变化示意图。结果显示添加了二恶唑酮 （1%MDO 或 2%MDO 1%LFO）或腈亚硫酸盐化合物后的锂电池相对于对照 组而言，在 300 个循环周期内具有更高的容量保持率和更加稳定的电压增长率， 这意味着在长期使用中电池循环性能更优秀且具有更长的使用寿命。此外，相 对于 NMC622 电池而言，NMC532 电池在使用这种添加剂时具有更好的容量 保持率。

专利三：向电解质中添加碳酸亚乙烯酯和 2-呋喃酮

除了二恶唑酮添加剂外，Tesla 还尝试其他电解质添加剂如碳酸亚乙烯酯（VC） 和 2-呋喃酮（FN）。在专利说明中（Publication No. 20190280333），研究人员 通过将上述的两种添加剂混入非水电解质中，在密封电池和惰性气体中组装正 极和负极并去除残留的水，并在真空中密封这种电池系统。

实验结果显示使用这种混合电解剂溶液的电池系统能够提升电池容量保持率， 抑制电池内部气体产生，并且降低了电池阻抗，导致较高的充电速率和能量效 率。在基于 40°C，以 C/3 充放速率至 4.3V 的 NMC532 长循环实验下，相对于 对照组而言，添加混合溶剂（2%VC+1%FN）电解质的电池在 400 个循环周期 后仍能保持 85%的归一化初始容量和电容，并且电压增长率仍然保持在一个相 对合理的水准。

此外，研究人员还使用 NMC532 和 Panasonic 1030 电池研究了添加新型电解 质后电池阻抗和生成气体变化。研究发现使用新型电解质电池系统具有较低电 池阻抗，并且在生成气体较少（低于控制组 50%以上），这意味着在正常工作 时电池内部电解液消耗较少，负极嵌锂程度和 Li 离子扩散速率受影响较小，电 池寿命更长。

专利四：在电解质中添加 1,2,6-氧二噻吩-2,2,6,6-四氧化物（ODTO）和碳酸亚 乙烯酯（VC）

这一项专利在 Jeff Dahn 研究团队发表的《1,2,6-Oxadithiane 2,2,6,6-tetraoxide as an Advanced Electrolyte Additive for Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2/Graphite Pouch Cells》中有过详细介绍，并且值得一提的是 Jeff Dahn 教授本人是这项 专利（Publication No. 20190280334）的申请人之一。

除了如论文中介绍的实验室自制 NMC622 电池之外，这项专利还将这一添加了 ODTO/VC 混合物的电解质加入 Tesla 大规模生产使用的 Panasonic 1030 电池 中，应用结果仍然比较令人满意，在 400 个循环周期下添加混合物电解质的电 池能保持 75%的初始容量，但是电压增长率较大，约提升 50%。

专利五：测定锂离子电池电解质成分浓度的方法和系统

对于锂离子电池而言，长期使用后电解质降解会导致电池发生故障并且在内部 生成一定气体，使得电池极片不能在适当浓度的导电溶剂中发生完全的的电化 学反应，最终降低电池容量保持率和使用寿命。

为了测量电池内部电解质浓度，减少电池发生故障和安全隐患的几率 Tesla 和 Jeff Dahn 申请了一项能够分析锂电池电解质浓度的专利（Publication No. 20190173122）来确定电解质的降解程度。这种方法通过使用 EIS 光谱仪指令 捕获电解质样品溶液的光谱并产生电子信号，以确定当前电解液的一个或多个 频谱特征。此外，研究人员还设计了一个基于光谱数据库为训练集的机器学习 模型程序。这个机器学习模型利用所测定的多个光谱特征中至少一种光谱，来 确定电解质的降解程度。

安全性：利用高精度仪器检测电池形变程度，减少安全风险

专利一：检测电池变形的装置

在不同的操作环境中，动力电池会在不同的电流、电压和外部压力的作用下运 行。在某些情况下，电池单元可能会间歇性地在高于稳定热温度的水平下工作， 或者过高的充放电速率，导致超出安全范围内的周期性负载。

在高于稳定温度的情况下，电池单元内部可能会遇到明显的加热，电池内部锂 离子会频繁出现嵌入/脱离正极锂镀层，导致内部电极片、电化学活性材料的体 积膨胀，引发整个电池的形变，埋下爆炸的安全隐患。

对于某些较大的形变而言，安全检测人员甚至是普通车主能用肉眼直接观察得 到，但往往为时已晚，电池寿命和结构稳定性早已大大降低。所以特斯拉的机 械工程人员通过设计了一种高精度变形检测装置，来检测电池单元在不同充放 电状态下发生的直径变化（Publication No. 20190267677）。

这种变形检测装置包括处理电池单元的线性、旋转运动的电池单元运动控制组 件、支撑该电池单元运动控制组件的主体、数字测微计合控制电路。

在检测中，控制电路先后控制电池单元通过多个数字千分位尺的扫描区域，检 验充电或放电状态下的电池旋转位置和形状变化。如果检测装置发现电池存在 异常变形状态，就会向研究人员发出警报提醒电池安全问题。

投资建议：特斯拉电动化技术储备与产能均具备领先 优势，持续推荐相关产业链

核心内容：特斯拉在电动化领域技术及产能都具备领先优势：技术层面，特斯 拉在电动化领域的技术源头具备较强的开源性，通过合作或收购的模式吸收整 合 Jeff Dahn 研究团队、宁德时代、Maxwell、Hibar 等的核心技术。产能层面， 目前特斯拉超级工厂规划 2020 年达到 35GWh，最大产能达到 50GWh，目前 在不算 3 期规划情况下已经领先其余主机厂。伴随后期特斯拉国产化持续推进， 我们认为在电池或新能源差异性零部件上掌握核心技术，或是具备“国内替代” （成本与性能）能力的优质零部件将持续受益，重点推荐宁德时代、三花股份、 岱美股份以及拓普集团。

特斯拉电动化领域技术，产能布局具备相对领先优势

不管是在电池技术储备以及电池自产层面，特斯拉具备相对领先优势；广汽、 上汽、吉利和长安等传统整车厂商国内电池供应商较分散且层次不齐，既有如 宁德时代等一线电池供应商，又有亿纬锂能、中航锂电、鹏辉能源、力神等二 三线供应商，在供应商分散的情况下较难保证电池质量标准化。

此外，在整车厂商中，除上汽同宁德时代合资建立上汽时代以供应电池，和完整掌握三电技术的比亚迪外，其他厂商都较为依赖非控股厂商的电池供应，这 意味着下游车厂对核心电池技术掌控力不足，对上游供应商议价能力弱，并且 对电池产能周期高度敏感。对于比亚迪而言，虽然产业链一体化与电池技术的 积累使得比亚迪新能源车具备一定先发优势，但是封闭的供应体系一定程度制 约其动力电池部门进一步发展。而特斯拉在技术储备层面具有较好的开源性， 通过同 Jeff Dahn 研究团队、宁德时代等开展深度合作、收购 Maxwell 和 Hibar 保障核心技术，并开展 Roadrunner 计划保障电池产能，在电动化领域当前相 对领先优势。

此外，目前国内各大车企使用的正极技术主要集中在三元电池中。在 2020Q1 新能源乘用车装机电量中，虽然新能源产业链受疫情影响总装机量同比下降 55%，但是三元电池装机电量约 4.15GWh，占总装机量的 93%，远高于磷酸 铁锂、锰酸锂占比，三元电池目前仍然是市场中的绝对主流技术。在三元正极 技术上，特斯拉目前主要使用由松下和 LG 化学提供的三元圆柱形电池，且自 身拥有大量的三元技术储备，未来可能进一步完善在 NCA/富锂锰基正极、硅碳 负极、干电极的大规模制造工艺，继续领先行业内其他新能源整车厂商甚至是 电池厂商的电池技术，巩固和扩大自身在新能源产业链的领先优势，加速形成 寡头竞争。

在电池产能方面，特斯拉通过同松下达成合作，于内华达州水牛城建立起世界 最大锂电池厂 Gigafactory 1&2。根据特斯拉规划，2020 年电池超级工厂预计 每年最大产能可达 35GWh，模组最大产能达 50GWh，即使在不算入规划中的 超级工厂 3 期外电池产能仍然远远领先其他厂商。

虽然其他汽车厂商也在尝试自建电池产能，但是特斯拉在收购大规模电池生产 厂商 Hibar 并启动 Roadrunner 项目后，具备极大的先发优势，在短时间内拥 有远超其他整车厂的电池产能。在技术储备和产能优势双重马太效应的假设下， 伴随着 2020 特斯拉 Model3 国产化进一步深化，我们持续看好并且推荐超配特 斯拉产业链。

国产化提速，利好具备“国产替代”能力的优质零部件

2020 年底国产特斯拉 Model 3 或将实现全部零部件的国产化替代。特斯拉上 海工厂制造总监宋钢透露，在 2020 年底国产特斯拉 Model 3 就将实现全部零 部件的国产化替代。目前，特斯拉上海工厂的零部件本地化率为 30%左右（1 月7日首批交付），计划到2020年7月提升至70%-80%，2020年底提升至100%。 特斯拉国产化率提升和销量增长将带动特斯拉国产供应商共同受益。

当前已经明确公告披露与特斯拉合作关系的国内上市公司包括：宁德时代、拓 普集团、三花智控、天汽模、模塑科技、华达科技、中科三环、长信科技、旭 升股份、均胜电子、广东鸿图、宏发股份。

通过全面梳理特斯拉产业链国产供应商，我们认为，特斯拉国产化和销量增长 将带动特斯拉全产业链共同受益，推动如电池、电机、电控和汽车零部件等供 应商产业链升级，尤其看好产业链上 1）单车价值量或营收弹性较大的 Tier 1 供应商；2）有望持续新增产品配套、具备 ASP 提升空间的新能源零部件供应 商；3）产品技术壁垒较高的核心零部件供应商。

动力总成（电池）系统方面，特斯拉现有三家电池总成供应商：松下、LG 和宁 德时代，其中 1）宁德时代是 2020 年 2 月最新宣布成为特斯拉电池供应商，有 望补齐后续特斯拉紧缺的电池产能，宁德时代之外的核心 Tier 1 供应商包括 2） 旭升股份：主要产品变速箱箱体及电池组外壳等结构件，2018 年对特斯拉实现 营收 4.14 亿（接近 40%营收比例），是营收弹性最高的产业链标的；3）三花 智控：主要产品新能源热管理系统，单车价值量在 1500-2000 元左右；4）东 睦股份：主要产品逆变器齿轮箱壳体。4）安洁科技（电子覆盖）：主要电池传 感器组件及功能膜材；5）长盈精密（电子覆盖）：主要产品汽车连接件。动力 总成系统是特斯拉的性能核心所在，也是核心成本所在，此前国产化率程度较 低（大部分是给海外一级供应商做 Tier 2），我们预计，宁德时代成为特斯拉供 应商之后，动力总成国产化程度有望大幅提升。

除上述 Tier 1 以外，配套单车价值量较高的 Tier 2 供应商还有 1）科达利：主 要产品电池结构件，通过宁德时代、松下、LG 等一线电池总成配套特斯拉全球 单车价值量约 300 元，配套国产单车价值量约 2000 元；2）赣锋锂业：主要供 应电池上游原材料氢氧化锂，预计单车价值量 2000 元以上；3）恩捷股份：主 要供应电池隔膜材料，预计单车价值量 3000 元以上。

中控系统方面，主要是 TMT 相关上市公司，核心 Tier 1 标的有 1）长信科技，供 应特斯拉中控屏模组，预计单车价值量在 1500-2000 元；2）大富科技，供应特斯 拉天线射频器件；3）四维图新，为特斯拉提供内置地图，同时百度地图为特斯拉 提供地图服务；4）联创电子，为特斯拉提供环视镜头等。

电驱动系统方面，当前国产化率程度相对较低，主要是 Tier 2 供应商，为永磁同 步电机供应铷铁硼磁体的中科三环，为电机磁瓦供应软磁材料的横店东磁，以及其 余铁、铜、镍、钴等原材料的上市公司格林美等，还有为电机供应壳体及相关结构 件的旭升股份和东睦股份。

底盘系统方面，当前国产化率相对较高。特斯拉底盘核心 Tier 1 主要是拓普集团， 为特斯拉全球供应轻量化铝合金底盘结构件、大型车身结构件等产品，19 年拿到 国产 Model 3 订单，在国产版 Model 3 配套底盘方面单车价值量 3500 元。其余 Tier 2 包括：1）通过大陆 TPMS 产品间接配套特斯拉全球的保隆科技，主要产品 胎压气门嘴；2）通过博世 EPS 产品间接配套特斯拉全球的安洁科技，主要产品电 控单元及高精密金属零件；3）通过布雷特基础制动产品配套特斯拉全球的京山轻 机；4）通过米其林轮胎配套特斯拉全球的海利得，主要产品橡胶及帘子布。底盘 系统是当前特斯拉国产化率相对较好的部分。

车身部件方面，基本都是 Tier 1 供应商，主要是 1）供应车身模具的天汽模，2019 年与特斯拉累计签署汽车模具订单约 5400 万元人民币；2）供应铝合金车身结构 件的文灿股份，2018 年对特斯拉实现销售收入 1.57 亿（10%比例）；3）供应侧围、 车身分拼总成及后盖模具的华域汽车；4）供应车身冲压件的华达科技，于 2019 年 5 月 29 日正式成为特斯拉供应商，已签署 Model 3、Model Y 等车型的供货合 同并于近期开始供货，根据公司已中标产品及特斯拉目前产能测算，预计华达 2020 年特斯拉相关营业收入约 1 亿元左右，约占公司 2019 年营业收入的 2.50%。车身 系统是当前特斯拉国产化率相对较好的部分。

内饰部件的供应商较多，且大多数是 Tier 1 供应商，主要是 1）华域汽车，2019 年获得国产版特斯拉座椅和保险杠的订单；2）拓普集团，2019 年拿到国产版特斯 拉内饰件约 2500 元单车价值量订单；3）均胜电子，供应特斯拉全球被动安全系 统、前发动机罩举升器和 HMI 控制器及相关传感器，订单金额 60 亿，供应国产版 Model 3/Y 安全气囊、方向盘等内饰件，订单金额约 15 亿元；4）宁波华翔，供应 特斯拉铝饰条；5）模塑科技，2019 年 6 月获得特斯拉北美 Model Y 的前后保险 杠及门槛订单；6）岱美股份，特斯拉遮阳板供应商；7）福耀玻璃，特斯拉车窗 侧玻璃供应商。内饰系统是当前特斯拉国产化率相对较好的部分。

充电系统方面的供应商较多，且大多数是 Tier 1 供应商，主要是 1）宏发股份，供 应高压直流继电器，单车价值量约 300 元；其余如特锐德——充电桩设备；国电 南瑞——充电桩建设等。

我们继续对上述供应商中单车价值量较大及核心推荐的上市公司做收入弹性的进 一步测算：可以看到，特斯拉收入弹性较大的上市公司（暂不测算宁德时代）是旭 升股份、拓普集团、科达利、中科三环、文灿股份。

基于特斯拉产业链自下而上的梳理与研究，我们较为推荐特斯拉产业链上 1） 单车价值量或营收弹性较大的 Tier 1 供应商；2）有望持续新增产品配套、具备 ASP 提升空间的新能源零部件供应商；3）产品技术壁垒较高的核心零部件供 应商。

基于以上逻辑我们推荐的标的顺序为：1）特斯拉最核心动力技术——电池总成 供应商宁德时代；2）配套单车价值量较高的拓普集团、均胜电子、华域汽车； 3）新能源汽车热管理系统全球龙头供应商三花智控；4）营收弹性较大的旭升股份、科达利；5）2019 年新进入特斯拉供应体系的低估值零部件华达科技， 当前订单配套量较小（3000 万年产值）、但后续新产品有望继续进入配套的低 估值零部件中鼎股份。

宁德时代：行业集中度提升，动力电池龙头强者愈强

三花智控：制冷零部件龙头，新能源汽零打开增量空间

拓普集团：NVH 龙头，轻量化+电子化助力长期发展

岱美股份：看好遮阳板全球龙头产品持续横向扩张

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（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：国信证券）

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编辑：沃巴查芒