特斯拉核心技术专题研究特斯拉电动化技术源分析

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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、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 1Jeff Dahn 团队，重在电池寿命提升

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， 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，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，申 请专利 70 余项，论总被引用量 71462 次，h-index 和 i10-index 分别高达 128 和 644 。

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，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，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，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 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），能量密度角度来宁德时代高出比亚迪刀片电池约 10%。但从成本 角度来，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，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，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 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， 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”，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 3MAXWELL，“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、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。 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 4Hibar，补齐锂电池生产设备环节，助 力电池自产

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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

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（报告观属于作者，仅供参考。报告来源国证券）

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