摘要
特斯拉電池日將在2020年4月召開，將會公布新型電池的進展情況。本文通過梳理分析特斯拉收購的Maxwell擁有的乾電極相關技術和專利，對特斯拉自產電池可能選擇的技術路線做出初步判斷。我們預測特斯拉的動力電池，有望採用高鎳正極+矽碳負極(摻鋰)+乾電極+超級電容的技術組合。
特斯拉在電池領域有哪些布局？特斯拉在電池材料領域推行去鈷化、無鈷化。從最早的車型Roadster採用鈷酸鋰電池到後來的Model S/X/3採用NCA電池，鈷的用量大幅減少。特斯拉還準備在上海工廠生產的電動車中使用不含鈷的電池。另一方面，特斯拉致力於掌握動力電池核心技術。2014年7月，特斯拉與松下合資建設動力電池超級工廠；2019年先後收購超級電容生產商Maxwell和鋰電設備製造商Hibar；還有媒體預測特斯拉可能已經收購了鋰離子電池初創公司SilLion。
特斯拉未來的電池技術路線是怎樣的？鋰電池(乾電極工藝+高鎳正極+預鋰化矽碳負極)+超級電容(鋰離子電容)組合。高鎳材料體系是鋰電池發展的主流方向，乾電極的工藝改善可以加快高鎳化的進程。在動力源方面，將鋰電池和超級電容通過電路連接的方式進行集成。在高速行駛的車況下，電池作為主動力輸出平均功率；在加速、減速、反覆啟停等狀態下，電容器介入作為動力釋放和回收的主要來源。Maxwell已經在2017年申請了一套基於混合動力平臺的超級電容+鋰電池的系統集成方案的專利，我們認為特斯拉未來將引進電池為主動力、超級電容為輔助電源的解決方案，在保證電動車續航的同時，優化行車過程，提供更好的駕駛體驗。
Maxwell是一家什麼樣的公司？Maxwell創辦於1965年，主要業務包括超級電容器、高壓電容器和減輕輻射微電子產品，已成為全球領先的超級電容製造商，旗下客戶包括吉利、沃爾沃、大陸集團、西門子等。Maxwell是少數將乾電極技術運用於超級電容生產的廠商，儘管公司盈利水平難言樂觀，但特斯拉仍以55%的溢價率進行收購，表明特斯拉看重公司的核心技術實力，雙方的合作有望產生顯著的協同效應。
乾電極技術有哪些優點和應用難點？與傳統的溼法工藝相比，乾電極技術主要有以下優點：1)壓實密度高，對高鎳電池材料體系的兼容性更強；2)成本較溼法工藝下降10%-20%+；3)循環壽命更長、高溫穩定性更好、充放電速率更高、能量消耗更低等。乾電極技術在鋰電池上的應用難點在於乾電極技術製作的極片容易脫粉，因此對粘結性要求高，目前的乾電極工藝還難以滿足生產要求。
超級電容有哪些優缺點？與電池相比，超級電容具有以下優點：1)充放電速度快，是電池的100倍；2)單位功率傳輸質量更低，功率密度更高；3)更高的充放電轉換效率，能量以電能而非化學能的形式儲存，因此能量損失較少；4)穩定持續工作的溫度範圍更寬(-40o C to +65o C)；5)無維護或低維護需求；6)循環壽命更長；7)無重金屬，不會帶來環境問題。超級電容擁有短時間快速充放電的能力，在汽車領域適合用於啟停系統。超級電容的缺點在於單位電量成本高，並且能量密度低，作為電動車的主動力來源難度較大。
投資建議：1)乾電極技術是對電池生產工藝的優化，沒有改變當前的電池材料體系，並且會加速鋰電池向高鎳化方向發展。強烈推薦具備技術優勢的高鎳三元正極材料龍頭企業當升科技；乾電極技術的發展將會帶動高鎳添加劑、成膜添加劑等新型添加劑的用量增加，推薦在新型添加劑領域具備深厚技術積累的電解液龍頭新宙邦。2)超級電容具有功率密度高、循環壽命長的顯著優勢，有望作為電動車上的輔助電源提升車輛的駕駛性能。推薦全球最大的超級化學品配套企業新宙邦。3)特斯拉的新型電池從研發成功到量產需要一定的過程，中短期內動力電池還將以外供為主。持續關注特斯拉國產化、LG化學/寧德時代供應鏈的投資機會。強烈推薦寧德時代、匯川技術，推薦璞泰來、星源材質、臥龍電驅，關注恩捷股份。
風險提示：1)新技術商業化應用不及預期的風險：乾電極技術在鋰電池的商業化應用仍有待進一步觀察，難以一蹴而就；2)疫情影響時間延長的風險：若疫情中短期內無法有效控制，可能導致企業復工時間和消費者購買需求的延後，對新能源汽車產業的復甦造成負面影響；3)政策力度不及預期的風險：如果國內外政策對實現新能源汽車支持力度軟化或改變，導致政策出臺力度低於預期，將顯著影響新能源汽車市場整體規模；4)電動車自燃事故帶來的消費者信任風險：國內外特斯拉車型曾發生過多起自燃事件，其採用的高鎳電池體系對產品本身的安全性是一大考驗。若特斯拉再度發生自燃事件，或將引發消費者的信任危機，給產品銷量帶來負面影響。
01
特斯拉的動力電池夢
1.1 特斯拉布局動力電池
特斯拉在電動汽車關鍵零部件動力電池的規劃和布局方面一直動作頻頻。
一方面，特斯拉在電池材料領域推行去鈷化、無鈷化。從最早的車型Roadster採用鈷酸鋰電池到後來的Model S/X/3採用NCA電池，鈷的用量大幅減少。2018年6月，馬斯克表示當時特斯拉電池中鈷的含量僅為3%，未來將實現「無鈷化」。2020年2月，路透社援引知情人士消息稱，特斯拉正在和寧德時代展開深入談判，準備在上海工廠生產的電動車中使用不含鈷的電池，旗下首批無鈷化車型有望率先在中國推出。
另一方面，特斯拉致力於掌握動力電池核心技術。2014年7月，特斯拉與松下合資建設動力電池超級工廠；2019年先後收購超級電容生產商Maxwell和鋰電設備製造商Hibar；最近有媒體報導特斯拉正在弗裡蒙特建造一條試點電池生產線，並在設計自己的電池生產設備，還有媒體預測特斯拉可能已經收購了鋰離子電池初創公司SilLion(為商用圓柱形電池研發高負載矽陽極和電極技術)。在2020年4月的電池大會上，特斯拉將會公布新電池的信息，屆時特斯拉多年來的電池研發成果預計將引發廣泛關注，加快行業變革。
1.2 Maxwell:超級電容龍頭，掌握乾電極技術
Maxwell創辦於1965年，1983年在納斯達克上市，1992年開始涉足超級電容器，並於2005年推出首款大容量超級電容；2017年獲得Nesscap能源核心業務，2019年2月被特斯拉以2.18億美元收購，於2019年5月退市。
公司總部在美國加州聖地牙哥，在美國、德國、中國和韓國建有設計中心、製造工廠或銷售網點。公司規模較小，截至2018年，公司在四個國家的總員工人數367人，其中中國有27人；公司多位高管有計算機、電子等領域的知識背景和半導體行業的從業經歷。
公司主要業務包括超級電容器、高壓電容器(2018年剝離)和減輕輻射微電子產品(2016年剝離)，經過多年發展，已成為全球領先的超級電容製造商，旗下超級電容產品涵蓋標準系列、XP系列、DuraBlue系列等多個品類，綜合了高功率密度、長循環壽命、快速充放電等優點，廣泛應用於汽車、電網儲能、風電、UPS、消費和工業電子產品、機器人等領域。除此之外，Maxwell還是少數將乾電極技術運用於超級電容生產的廠商，掌握乾電級生產的核心技術。
公司客戶眾多，覆蓋領域廣。在汽車領域，公司的超級電容用于吉利的微混及插混車型，客戶還包括其他一線主機廠和大陸集團等零部件供應商；在軌道交通領域，公司幫助中國中車開發新型鋰離子電容；在工業領域，公司為西門子開發網格能量存儲系統；在風電領域，公司與金風科技子公司北京天誠同創電氣開展業務合作。
收入縮減，盈利能力下滑。2014年之後，Maxwell營業收入進入下降通道，2018年營業收入9046萬美元，同比下降30.6%，主要因為2017年的收入中包含高壓電容器業務，而2018年已將其剝離；若扣除這部分影響，2018年營收增長3.1%。毛利率由最高的40%下降到10%左右，淨利潤已連續5年為負。儘管公司盈利水平難言樂觀，但特斯拉仍以55%的溢價率進行收購，表明特斯拉看重公司的核心技術實力，雙方的合作有望產生顯著的協同效應。
。
02
新技術路線猜想：乾電極+超級電容
我們認為特斯拉將大概率依託Maxwell的技術方向來決定自產電池的路線。綜合考慮Maxwell的產品技術、專利情況和特斯拉原有的技術路徑，我們認為特斯拉自產的新型電池將是高鎳正極+矽碳負極(摻鋰)+乾電極+超級電容的組合。
2.1 乾電極：性能提升，成本下降
乾電極電池與傳統電池的差異主要體現在極片的製造工藝上。傳統的鋰電池製造將具有粘合劑材料的溶劑NMP與負極或正極粉末混合後，把漿料塗在電極集電體上並乾燥。乾電極技術不使用溶劑，而是將少量(約5-8%)細粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合，然後將混合的正極+粘合劑粉末通過擠壓機形成薄的電極材料帶，最後將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。
與傳統的溼法工藝相比，乾電極技術主要有以下優點：
1)壓實密度高，對高鎳電池材料體系的兼容性更強。當前高鎳正極+矽碳負極的電池材料體系是鋰電池發展的主流方向之一。
正極方面，在傳統工藝的鋰電池生產條件下，高鎳正極熱穩定性較差、表層結構不穩定、鎳元素呈鹼性易吸收水分，採用乾電極的工藝可以有效緩解上述問題。
負極方面，矽碳材料的首次充放電效率低(首次循環在負極生成SEI膜造成容量損失)、膨脹大、長循環會帶來材料粉化。運用乾電極的工藝在負極採用預鋰技術，將提高電池的容量。Maxwell在預鋰技術方面早有儲備；根據美國專利局的公開信息，Maxwell在2018年申請的專利中，矽碳負極預鋰化之後可提升首次循環效率至80.4%，而控制樣本(無預鋰)的矽碳負極首次循環效率僅為73.9%。
總的來說，相比傳統的工藝過程，乾電極本身壓實密度高，同時該技術能夠將諸如高鎳、矽等能量密度更高、液體敏感性更強的活性材料應用在電極生產上，使得電池能量密度的提升更加容易，伴隨的風險更小。目前Maxwell採用乾電極技術已經能夠實現大於300Wh/kg的電芯能量密度，比當前溼電極電池高出10%以上；未來或將達到500Wh/kg。
2)成本較溼法工藝下降10%-20%+。乾電極不使用有毒的NMP溶劑，更加環保，同時省掉了塗布、極片乾燥等生產環節，降低了物料和設備費用，簡化了生產工藝流程。如果算上潛在的能量密度提升帶來的成本下降，乾電極工藝將進一步壓縮成本。當前乾電極工藝帶來單車成本下降200-1000美元；Maxwell預計在本世紀20年代初實現超過350Wh/kg的電芯能量密度，對應製造成本低於100美元/kWh。
3)其它重要性能的改善。包括循環壽命更長(是溼法工藝的2倍)、高溫穩定性更好、充放電速率更高(乾電極極片內阻更小)、能量消耗更低等。
乾電極技術已經用於超級電容，鋰電池應用難度較大。Maxwell是全球少數採用乾電極技術生產超級電容的企業，該項技術已經擁有了成熟的商業化應用案例。超級電容正負極材料都採用活性炭，比表面積較高，極片膨脹係數低，對粘結性要求不高，採用乾電極工藝難度不大；而商業化的鋰電池正負極材料比表面積小，充放電過程伴隨體積膨脹，製作的極片容易脫粉，因此對粘結性要求高，目前的乾電極工藝還難以滿足生產要求。
Maxwell表示已經將乾電極技術應用於鋰電池。2016年，公司與一家全球領先的汽車製造商和一家全球性的零部件一級供應商籤署聯合開發協議，基於概念論證來證明乾電極具備中試階段的良好性能。公司同時在2018年年報中明確表示，已經開發和改進(have developed and transformed)已有的乾電極技術應用於電池的生產，認為乾電極技術有潛力在電池行業特別是在電動車領域(particularly for use in electric vehicles)成為一項開創性(groundbreaking)技術，使用這項技術將獲得比當今最先進的(state of the art)鋰電池更卓越的性能和更低的成本。公司在2018年年報中還表示計劃在2019年建設中試生產設施，以進一步證明這項技術帶來的好處和可行性。
2.2 超級電容：輔助動力源
功率密度高、循環壽命長。與電池相比，超級電容具有以下優點：1)充放電速度快，是電池的100倍；2)單位功率傳輸質量更低，功率密度更高；3)更高的充放電轉換效率，能量以電能而非化學能的形式儲存，因此能量損失較少；4)穩定持續工作的溫度範圍更寬(-40o C to +65o C)；5)無維護或低維護需求；6)循環壽命更長；7)無重金屬，不會帶來環境問題。超級電容擁有短時間快速充放電的能力，在汽車領域適合用於啟停系統。
超級電容的缺點也很明顯，單位電量成本高，並且能量密度低，作為電動車的主動力來源難度較大。
對於Maxwell的超級電容在特斯拉中的作用和扮演的角色，我們認為可以從以下兩個方面進行探討：
1)進一步開發介於電容和電池之間的混合儲能器件。基於這一想法，Maxwell已經開發出能夠量產的鋰離子電容，該儲能器件擁有與超級電容相似的功率密度和循環壽命，並且能量密度是超級電容的3倍，與鉛酸電池在一個水平上，但與鋰離子電池還存在不小的差距。考慮到電容本身的特性，要想進一步在量級上縮小與鋰電池在能量密度上的差距，成為獨立的電動汽車主動力電源，難度較大。
2)鋰電池+超級電容(鋰離子電容)組合。將鋰電池和超級電容通過電路連接的方式進行集成。在高速行駛的車況下，電池作為主動力輸出平均功率；在加速、減速、反覆啟停等狀態下，電容器介入作為動力釋放和回收的主要來源。考慮到Maxwell已經在2017年申請了一套基於混合動力平臺的超級電容+鋰電池的系統集成方案的專利，我們認為特斯拉未來將引進電池為主動力、超級電容為輔助電源的解決方案，在保證電動車續航的同時，優化行車過程，提供更好的駕駛體驗。
電池日上可能給出新型電池的方案、進度以及電池量產的計劃。基於以上分析，我們認為特斯拉自產的新型電池將是高鎳正極+矽碳負極(摻鋰)+乾電極+超級電容的組合。我們預測即將於4月份舉辦的電池日可能涉及以下內容：
1)給出新型電池的方案。比如電池的材料體系、乾電極工藝的優勢、新型電池的性能參數、超級電容的作用等。特斯拉可能在會上帶來全新的電化學技術。此外，特斯拉在上海工廠使用的無鈷電池的具體情況預計也會在大會上披露。
2)公布新型電池的進度。包括新型電池能否量產，量產還要解決的問題等。我們認為乾電極技術在電動車上的生產應用的研究和實踐大概率取得了突破性進展。
3)披露新型電池的量產的計劃。包括量產的時間節點、產能規模、生產地點等信息。我們認為特斯拉的新型電池量產會在2021年以後，中短期內還是以外購為主；在美國、上海和歐洲都會有自建電池工廠進行電池生產的計劃。
03
投資建議
特斯拉將於2020年4月在Battery Day公布新型電池的相關情況，預計會對乾電極技術在鋰電池上的適用情況以及超級電容的相關應用進行說明。根據上文中Maxwell對乾電極技術在電動車領域的使用進行的諸多的實驗和工作，我們認為乾電極技術在電動車上的生產應用的研究和實踐大概率取得了進展。對此，把握以下三條主線：
1)乾電極技術是對電池生產工藝的優化，沒有改變當前的電池材料體系，並且會加速鋰電池向高鎳化方向發展。強烈推薦具備技術優勢的高鎳三元正極材料龍頭企業當升科技；乾電極電池的發展將會帶動高鎳添加劑、成膜添加劑等新型添加劑的用量增加，推薦在新型添加劑領域具備深厚技術積累的電解液龍頭新宙邦。
2)超級電容具有功率密度高、循環壽命長的顯著優勢，有望作為電動車上的輔助電源提升車輛的駕駛性能。推薦全球最大的超級化學品配套企業新宙邦。
3)特斯拉的新型電池從研發成功到量產需要一定的過程，預計2021年後會量產電池，短期內動力電池還是以外供為主。持續關注特斯拉國產化、LG化學/寧德時代供應鏈的投資機會。強烈推薦寧德時代、匯川技術，推薦璞泰來、星源材質、臥龍電驅，關注恩捷股份。
04
風險提示
1) 新技術商業化應用不及預期的風險：乾電極技術在鋰電池的商業化應用仍有待進一步觀察，難以一蹴而就。
2) 疫情影響時間延長的風險：若疫情中短期內無法有效控制，可能導致企業復工時間和消費者購買需求的延後，對新能源汽車產業的復甦造成負面影響。
3) 政策力度不及預期的風險：如果國內外政策對實現新能源汽車支持力度軟化或改變，導致政策出臺力度低於預期，將顯著影響新能源汽車市場整體規模。
4) 電動車自燃事故帶來的消費者信任風險：國內外特斯拉車型曾發生過多起自燃事件，其採用的高鎳電池體系對產品本身的安全性是一大考驗。若特斯拉再度發生自燃事件，或將引發消費者的信任危機，給產品銷量帶來負面影響
（文章來源：平安研究）