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過去 200 多年以來，技術進步始終推動電池向能量密度更高、成本更低的方向演進。車用動力電池總體經歷了鎳氫/錳酸鋰/鈷酸鋰-磷酸鐵鋰-三元鋰電三個階段，電池性能持續優化，成本不斷下降。特斯拉是全球電動車龍頭， 致力於改變世界能源結構，推動世界向可再生能源轉變，其電池技術始終引領行業。
近兩年，特斯拉相繼收購了超級電容龍頭 Maxwell 和電池製造企業Hibar，這兩家公司可能助力特斯拉生產電池；研發方面，加拿大 Dalhousie 大學的 Jeff Dahn 團隊為特斯拉的電池開發提供了支持，也正在與寧德時代合作開發新型電池。
電池的技術更新會催生新的投資機會，而特斯拉的動力電池始終引領行業，我們通過本篇報告全面梳理了未來的技術方向，對特斯拉「電池日」進行展望。
1、技術迭代驅動電池發展，特斯拉引領行業
1.1 、歷史回顧：技術進步推動電池產業發展
「電池」這一概念由富蘭克林提出。1800 年義大利物理學家伏特發明了伏特電堆，這是人類歷史上第一款電池；19 世紀中期，可以循環使用的鉛酸電池開始出現；19 世紀末期，瑞典人瓊格納發明了鎳鎘電池，這款電池後來推動了現代電子科技的發展；20 世紀 90 年代初，鎳氫電池開始商業化； 1992 年，索尼公司推出第一款商業化的鋰離子電池，由於具備更好的性能被廣泛使用。回顧電池 200 多年的發展歷史，總體來看，電池向更高的能量密度（體積&重量）發展，此外，安全性、循環性及成本等因素也影響電池的商業化應用。
就汽車領域來看，車用動力電池發展主要經歷了鎳氫/錳酸鋰-磷酸鐵鋰- 三元鋰電三個階段，電池性能持續優化，成本不斷下降。錳酸鋰電池作為初代投產應用的鋰電池，具有成本低、安全性好的特點，但其能量密度僅能夠滿足基本的續航要求。磷酸鐵鋰電池成本相對低廉，安全性佳、循環壽命長， 在電動大巴車等安全性和壽命要求較高的領域優勢明顯，但磷酸鐵鋰電池的能量密度仍然不夠理想，特別是體積能量密度較低。三元材料是由鎳、鈷、錳三種材料按照一定的配比共同組成電池正極，其能量密度較高並且仍有提升空間，低溫放電性相對較好。
技術更替是汽車電動化浪潮的核心驅動力，風險和機遇並存。新能源汽車當前的痛點包括續航能力、充電效率、成本、安全性等，電池成為新能源汽車滲透率提升的關鍵。目前市場上主流的車用電池是鋰電池，主要以三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池為主。電池環節的技術更新會帶來風險但也伴隨著機遇，因此關注技術路線十分重要；特斯拉搭載的動力電池始終引領行業，有必要對其電池戰略加以重視。
1.2 、特斯拉：引領電池技術迭代方向
自 2004 年成立以來，特斯拉共有 5 款電動車上市。松下是其動力電池領域的戰略合作夥伴。Model S/3 的電池都體現出明顯的技術進步，從迭代方案來看，主要包括材料層面、結構層面等。
2019 年，特斯拉相繼收購了 Maxwell 和 Hibar，前者是超級電容全球 龍頭，後者是電池製造專家。這兩家公司可能助力特斯拉生產電池。研發方 面，特斯拉主要與加拿大Dalhousie 大學的 Jeff Dahn 團隊合作。
Maxwell 的前身是 1965 年成立的 Maxwell Laboratories, Inc.，總部位於美國聖地牙哥，最初主要為美國軍方和其他政府機構提供研發服務，1983 年在美國納斯達克上市，1990 年代轉向技術和產品商業化應用，後更名為Maxwell Technologies, Inc.，目前主要業務領域涉及超級電容器和乾電極技術等。
Maxwell 主營業務是儲能設備，主要是超級電容。公司於 2017 年 4 月收購韓國超級電容器廠商Nesscap Energy，目前專注於中大型超級電容器， 其產品具有高功率密度、長使用壽命和快速充放電能力，廣泛應用於汽車、電網儲能、風能、軌道交通、航空航天、工業及設備等領域，其中汽車領域客戶包括吉利、通用和蘭博基尼等。
幹法電極是公司核心技術。幹法電極技術是公司儲備的核心技術，根據公開的論文及專利，公司幹法電極技術可從超級電容領域拓展到鋰電池等其他電池領域。
Maxwell 近幾年業績有所下降。2015-2018 年公司營業收入分別為16737/12124/8771/9046 萬 美 元 ， 2016-2018 年 分 別 同 比-27.6%/-27.7%/+3.1% ； 2015-2018年淨利潤分別為-2233/-2371/-4313/-3655 萬美元，一直處於虧損狀態；2015-2018 年公司毛利率分別為 30.45%/27.19%/6.04%/11.05%。
分地區來看，Maxwell 收入來源主要為中國、美國、德國和匈牙利。2018 年，來自中國的銷售收入為 2879 萬美元，佔總銷售收入 32%。
2019 年 2 月 5 日，特斯拉宣布以 2.18 億美元溢價 55%收購 Maxwell。同年 5 月 16 日，特斯拉完成對 Maxwell 的收購要約。本次收購主要以換股方式進行，每股 Maxwell 普通股可換取 0.0193 股特斯拉普通股，截至要約期滿，共計 3676 萬 Maxwell 普通股轉換為特斯拉普通股，約佔要約完成後Maxwell 投票權的 79%，其餘未被轉換的 Maxwell 普通股則以同等對價由特斯拉進行現金收購。
Hibar 成立於上世紀 70 年代初，在中國、韓國、日本等地設有海外分部，該公司專注於精密計量泵、注液分配系統以及電池製造系統，是一次電池及二次電池生產線的重要供應商。目前生產鹼性電池生產流水線的速度可以達到 1000PPM；二次電池行業，也有成套的生產線。主營產品包括精密計量泵和注液分配系統、自動化電池製造和工藝設備、自定義包裝設備、鋰離子電池裝配和自動真空灌裝系統。
據外媒 Electric Autonomy Canada 報導，特斯拉於 2019 年 7-10 月間收購了 Hibar。
Jeff Dahn 是全球著名的鋰電池研發專家，其研究工作更加偏向產業化， 致力於增加電池循環性、提升能量密度等。早在 2015 年，特斯拉就與 Jeff Dahn 所領導的團隊籤署了為期 5 年的獨家合同。
2、材料層面
2.1 、無鈷化：中短期重要的降本增效手段
2.1.1 、高鎳三元
三元正極材料一般指 NCM 或者NCA。對於NCM 材料，在充放電過程中+4 價的 Mn 不變價，在材料中起到穩定材料結構的作用，而 Ni 和 Co 會發生變價反應。當充電電壓低於 4.4V 時，一般是 Ni 參與電化學反應，繼續充電，在較高電壓下，Co 會參與反應。因此，在 4.4V 以下充放電時，Ni 含量越高，材料可逆容量越大；Co 含量顯著影響材料的離子導電性，Co 含量越高，材料離子的導電性越好，充放電倍率性越好。相對於 NCM，NCA 材料是用Al 替換了 Mn，其中Al 的作用也是穩定結構。
如圖 7 所示，隨著 Ni 含量的提升，三元材料的克容量不斷增加，但熱穩定性和容量保持率均有所下降。也就是說，對於三元電池，鎳含量的增加有助於提升能量密度，但同時導致安全性和循環性變差。
使用高能量密度的動力電池從而提升續駛裡程對電動車行業至關重要， 高鎳三元電池具有較高的能量密度，而且鎳含量提高的同時鈷含量降低，可以進一步降低電池成本，因此高鎳低鈷電池成為產業界共同努力的技術方向。但本身高鎳三元材料也有一些缺陷，隨著三元材料中 Ni 含量增加：
電池循環性能趨於變差，影響電池使用壽命。
和二氧化碳、水反應導致材料表面的氫氧化鋰、碳酸鋰含量增高， 影響電池的加工和電化學性能。
材料熱穩定性變差，從而影響電池安全性。
與電解液的匹配難度加大，活性材料的腐蝕和電解液的分解會影響電荷的傳輸。
特斯拉正在布局低鈷高鎳鋰電池，根據 2020 年 4 月 23 日披露的專利《Method for Synthesizing Nickel-Cobalt-Aluminum Electrodes》，特斯拉發明了一種單晶 NCA 材料製備方法。首先按照 Li/其他金屬的摩爾比小於 1 的比例混合 NCA 前驅體和氫氧化鋰，然後加熱混合物到生長單晶的溫度， 這樣可以避免雜質 Li5AlO4 的形成，但由於該比例小於 1，這種材料的電化學性能較差。因此，在第二次加熱的過程中，需要添加過量的 Li，最終生成的材料中 Li/其他金屬的比例接近 1，這樣就可以製備出無雜質的單晶 NCA 材料，雜質減少可能有助於延長電池的使用壽命。
2.1.2 、四元及改性包覆
針對高鎳三元材料的固有缺陷，學術界和產業界嘗試通過離子摻雜、表面包覆以及採用電解液添加劑等方式來改善三元材料的電化學性能。
摻雜元素是改進高鎳三元材料性能的重要方式，在三元材料晶格中摻雜一些金屬離子和非金屬離子不僅可以提高電子電導率和離子電導率，提高電池的輸出功率密度，而且可以同時提高三元材料結構的穩定性。常見的摻雜元素有 Al、Mg、Ti、Zr、F，不同元素的摻雜，作用有所不同。
Mg 摻雜，Li（NiaCobMnc）1-x MgxO2
其中，a:b:c 可以是 6:2:2 或者 8:1:1 等。例如，有科研人員合成了 Mg2+ 摻雜的 Li（Ni0.6Co0.2Mn0.2）1-x MgxO2，利用 Mg2+取代 Co3+，當 x=0.03 時， 電子電導率較未摻雜材料提高了 100 倍，電化學性能達到最優。同時，適量摻雜 Mg 能夠顯著提高材料的循環穩定性。
Al 摻雜，NCMA
Al 摻雜可以改進三元材料的結構穩定性和熱穩定性。對於四元材料LiNiaMnbCo(c-x) AlxO2，當 Al 含量 x=0.1 時，有很好的安全性，當 x＞0.06 時，材料與電解液的反應要小於錳酸鋰。
LG 化學和通用計劃於 2022 年量產 NCMA 四元電池，可以使得鋰電池成本降低至 100 美元/kWh 以下。NCMA 鋰電池最初由韓國漢陽大學等機構在 2016 年開始研究，該技術路線的思路即摻雜 Al 替代部分 Co，從而提升鋰電池性能並且降低成本。此外，國內蜂巢能源也於 2019 年 7 月發布 NCMA 四元材料電池，並且計劃在 2020Q2 實現量產。
鋰電池的電化學反應主要發生於電極和電解液界面，因此可以通過表面塗層的方式改變三元材料的電化學性能。常見的塗層包括金屬氧化物（Al2O3、ZrO2、CeO2、ZnO 等）、氟化物（LiF、AlF3）、磷酸鹽（SnPO4、Li3PO4）。其原理主要是NCM 表面包覆可以消耗電池使用過程中產生的 HF、抑制過渡金屬的溶出、改善正極材料/電解液界面等。例如，Jeff Dahn 團隊在 2019 年提出了 Al2O3 塗層如何提升正極材料性能的新見解，他們認為，電解液中的 LiPF6 可以和 Al2O3 或者其他氧化物反應生成一種公認的電解液添加劑二氟磷酸鋰（LiPO2F2），該產物可以有效抑制電池阻抗的增長，提升鋰電池的循環穩定性和使用壽命。
2.1.3、磷酸鐵鋰
按照技術路線不同，動力電池主要分為三元電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等。對於動力電池的性能評價，一般包括成本（元/Wh）、體積能量密度（Wh/L）、質量能量密度（Wh/kg）、安全性、循環性、放電倍率、低溫性能等。相對於三元電池，磷酸鐵鋰電池的缺點主要是：1）能量密度較低，特別是體積能量密度過低，從而影響乘用車的續駛裡程；2）低溫性能較差，不適合在北方冬季環境下使用。但除了以上兩點之外，成本、安全性、循環性及放電倍率都是磷酸鐵鋰電池的優勢所在。
從過去幾年動力電池裝機數據來看，三元電池的份額越來越高，由 2016 年的 23%增長至 2019 年的 62%，而磷酸鐵鋰電池的裝機量佔比由 72%降至 32%。主要原因在於：（1）政策層面，補貼直接掛鈎續駛裡程、能量密度等指標，推動了乘用車三元化的趨勢；（2）技術層面，三元電池能量密度的提升空間更大，從而使得整車續駛裡程能夠持續提升；（3）成本層面， 三元電池技術進步推動成本下降，降本路徑更多，降本空間更大。因此，三元電池的裝機量佔比提升，而磷酸鐵鋰電池的裝機量佔比下降。
從近期情況來看，我們認為，有必要重新審視以上三個因素，磷酸鐵鋰電池的行業邏輯出現變化。變化之一：政策層面，推動乘用車三元化的政策因素逐步弱化，技術路線可能分化；變化之二：技術層面，2019 年以來寧德時代、比亞迪出現明顯技術進步，特別是比亞迪「刀片電池」方案更加適用於磷酸鐵鋰電池，這使得磷酸鐵鋰電池與三元電池體積能量密度的差距縮小；變化之三：成本層面，精簡結構可以從電池包層面實現降本，磷酸鐵鋰電池的降本空間超過預期，磷酸鐵鋰電池包的成本有望率先達到 0.5X 元/Wh 的水平。
寧德時代已與特斯拉籤訂了供貨協議，電池類型為磷酸鐵鋰電池，供貨有效期將從 2020 年 7 月 1 日開始，到 2022 年 6 月 30 號截止。近期工信部新車目錄顯示，採用磷酸鐵鋰的 Model 3 正在進行申報。
2.2 、矽碳負極：提升能量密度的重要手段
動力鋰電池在高能量密度的發展路徑上持續技術迭代， 正極方面NCM811 和 NCA 等高鎳三元材料將成為未來的主流路線，而負極方面在傳統的石墨負極的克容量已經充分挖掘潛力的情況下，未來隨著整個高鎳體系的逐步成熟，矽基負極技術有望成為提高電池容量和能量密度的重要手段。
現有的負極材料分為碳材料和非碳材料，碳系負極材料主要包括人造石墨、天然石墨和中間相炭微球等;非碳材料負極主要包括鈦基材料和矽基材料。其中具備成本低、工藝成熟、高導電率和較好穩定性的石墨負極材料佔據了目前約 90%的負極材料市場，但在能量密度方面石墨負極材料有其理論最大值(372mAh/g)的局限。而矽具有很高的理論比容量(4200 mAh/g)，是已商用化的石墨負極的 10 倍，同時具有較低的放電電位，有利於鋰離子電池輸出較高的電壓。但低導電率的矽材料在充放電的過程中存在以下限制：
（1） 鋰離子的嵌入與脫出會使矽體積發生巨大的膨脹與收縮，體積變化過程中產生的應力會使矽顆粒相互擠壓、粉化、結構坍塌，進而失去電接觸導致容量迅速衰減；
（2） 對於矽材料來說，傳統的粘結劑（如 PVDF）無法承受矽材料巨大的體積變化，使得活性材料從集流體上脫落，導致電極結構被破壞，電池循環穩定性很差。
（3） 體積效應還會使 SEI 膜不穩定。體積效應使得矽表面 SEI 膜在充放電過程性中不斷的破裂、再生長，導致庫倫效率降低，電極的電子導電性變差，電池內阻增加等。
目前，通常採用矽負極材料納米化、複合化和合金化等方法來提高其結構穩定性，改善矽負極循環性能。
矽負極材料的納米化：為了改善矽基負極材料的循環穩定性，通常將矽材料納米化，包括矽納米顆粒、矽納米線、矽薄膜和 3D 多空矽等。納米矽材料作為嵌鋰材料可以增加比表面積，減少鋰離子電池脫/嵌深度和移動距離，改善了電極可逆嵌鋰容量小、循環能力差以及極化程度高等缺點，負極體積在高壓環境下變化較小，起到延長電池的循環壽命的作用。
矽負極材料的複合化和合金化：將具有較好機械性能和導電性能的金屬或者碳材料，同矽材料製備複合材料也可以有效改善矽基材料性能，吸收矽材料的內部應力，改善矽負極的導電性，並增強電極的倍率性能。1）矽/金屬複合材料：矽/金屬複合材料即 M-Si 體系，其中 M 包括無法與鋰反應的惰性金屬，也包括能與鋰參與脫嵌反應的金屬。2）矽/碳複合材料：矽與非金屬複合會形成一種核殼結構，該材料可以減緩內核矽顆粒的體積變化，可以有效解決循環過程中材料體積膨脹的問題，改善循環性能。
在矽碳複合材料中，目前石墨、碳納米管、石墨烯等已被廣泛應用。2012 年日本松下將矽碳負極材料應用於 NCA18650C 型號電池實現量產；2015 年 Maxwell 公司將其以「SiO-C」為負極材料的新式鋰電池成功地應用於智慧型手機產品中；2017 年特斯拉 Model 3 搭載的動力電池使用了矽碳負極；國內企業中 CATL 等也在開發自己的高鎳正極/矽碳材料體系。
受配套特斯拉的松下動力鋰電池需求快速增長帶動，2018 年全球矽基負極材料出貨量同比增長 52.2%至 1.75 萬噸。預計未來矽基負極材料市場仍將維持快速增長。
2.3 、電解液添加劑：降低阻抗，提升循環性
電解液添加劑是鋰電池設計的重要組成部分，它會影響電池的性能、安全性和壽命。電解液添加劑可以抑制電化學阻抗的增長，降低存儲過程中的自放電率，延長循環和日曆壽命並抑制氣體的產生。過去幾年，Jeff Dahn 對 DMI （ 1,3- 二 甲 基 -2- 咪 唑 啉 酮 ） 、 ODTO （ 1,2,6-Oxadithiane 2,2,6,6-tetraoxide）等電解液添加劑進行了研究。此外，特斯拉於 2018 年提交了名稱為《二惡唑酮與亞硫酸腈作為鋰電池電解液添加劑》的專利文件。
2.4 、碳納米管：性能優異的新型導電劑材料
鋰電池的主要材料包括正極材料、負極材料、電解液和隔膜。鋰電池正極常採用層狀鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等作為活性材料，這些活性材料導電性存在一定限制，導致電極的內阻較大、放電深度不夠，結果會導致活性材料的利用率低、電極的殘餘容量大。而導電劑作為一種關鍵輔材，可以增加活性物質之間的導電接觸，提升鋰電池中電子在電極中的傳輸速率，從而提升鋰電池的倍率性能和改善循環壽命。
目前常用導電劑包括炭黑類、導電石墨類、VGCF（氣相生長碳纖維）、碳納米管以及石墨烯等。其中，炭黑類、導電石墨類和 VGCF 屬於傳統的導電劑，其在活性物質之間各形成點、面或線接觸式的導電網絡；碳納米管和石墨烯屬於新型導電劑材料，其中碳納米管在活性物質之間形成線接觸式導電網絡，石墨烯在活性物質間形成面接觸式導電網絡。不同類型導電劑由於空間結構、產品形貌、接觸面積不同，其導電性能和對鋰電池能量密度、倍率性能、壽命性能和高低溫性能影響不同。
炭黑類、導電石墨類和 VGCF 等作為傳統的導電劑在鋰電池中已經應用多年，目前主流的傳統導電劑如 SP、乙炔黑、科琴黑、KS 和 VGCF 等主要來自於美國卡博特（Cabot）、瑞士特密高（TIMCAL）、日本獅王（Lion）、日本電氣化學和日本昭和電工等企業。而相對於傳統導電劑而言，同樣的導電效果下，碳納米管的用量僅為傳統導電劑的 1/6~1/2，此外碳納米管可以使鋰電池循環過程中保持良好的電子和離子傳導，從而大幅提升鋰電池的循環壽命。根據國軒高科李婷婷等對 NCM111 體系下不同導電劑（炭黑SP/Ks-6、碳納米管、碳納米管與石墨烯、純石墨烯）電化學性能的研究， 發現在 2.0%的低導電劑含量時, 碳納米管具有最優電化學性能，1 C 放電比容量 165.8 m Ah/g，且 50 周循環後容量保持率達到 82.9%，此外低管徑（5 nm）的碳納米管具有更好的倍率性能,能分散均勻形成良好的導電網絡,且 3 C 倍率下容量保持率為 85.6%。
國內鋰電企業在傳統導電劑領域長期依賴進口，中國作為全球最大的電動車市場，鋰電池材料行業快速成長，隨著碳納米管生產技術的進步以及規模化，碳納米管作為新型導電劑的優勢開始逐步體現，逐漸開始導入下遊電池廠家。隨著碳納米管導電劑在鋰電應用的推廣，我國鋰電池導電劑市場的國產化率逐年提高，從 2014 年的 12.9%提升 2018 年的 31.2%。
為提高動力鋰電池的能量密度和循環壽命，各鋰電池企業在研發正負極新材料體系的同時，致力研究通過其他材料提升鋰電池能量密度。碳納米管憑藉其較高長徑比的特性，相較於炭黑能夠進一步提高鋰電池的倍率性能， 並可以通過更少的添加量來提升正極活性物質含量，從而提升鋰電池能量密度。儘管在市場應用的早期階段，較高的價格是碳納米管替代炭黑成為動力鋰電池主流導電劑的主要障礙，但碳納米管作為一種新型材料，隨著市場接受度的提升、大規模的產業化以及價格的持續下降，相比於炭黑等傳統導電劑在性價比上的差距持續縮小。2018 年國內三元動力鋰電池產量同比增長118%至 41.6GWh，而三元動力鋰電池所採用的新型導電劑主要以碳納米管導電漿料為主，受動力鋰電池市場增長和三元正極材料佔比持續提升驅動， 國內碳納米管導電劑市場規模迅速大幅增長，市滲透率快速提高。在嵌入型的矽碳複合材料中，矽顆粒被嵌入到持續緻密的碳基體中，因此鋰離子在複合材料中的擴散會受到阻礙，但通過調整碳基體的結構和形態可以顯著提高矽基負極的性能。不同類型的碳基體可以為離子和電子提供不同的運輸路線，並有利於電解液的潤溼。而碳納米管以其優良的機械強度、良好的導電性、高縱橫比和靈活的結構可以作為良好的柔性矽複合材料基體，在靜電紡絲的Si/C 複合材料過程中加入碳納米管可以增強高倍率性能。
3、結構層面
3.1 、CTP 方案：降本效果顯著
動力電池 Pack 主要由電芯、模組硬體、電池包硬體構成。根據我們的動力電池成本模型，電芯硬體在 Pack 中成本佔比不到 5%，模組硬體佔比約15%。因此，整合精簡電芯、模組硬體成為動力電池降本的重要路徑之一。
2019 年 9 月，在德國法蘭克福國際車展上，寧德時代推出了全新的 CTP 方案（Cell To Pack），改變了原有的電芯-模組-電池包結構，電芯直接集成到電池包。隨後，在北汽新能源總部，寧德時代和北汽新能源舉行了全球首款 CTP 揭幕儀式，北汽EU5 將成為首款搭載該電池的車型。根據寧德時代公布的資料，相比於傳統電池包，CTP 可以使空間利用率提升 15%-20%， 零件數量減少 40%，能量密度提升 10%-15%。
根據我們的動力電池成本模型，參考 CATL 提出的CTP 技術（Cell To Pack），假設模組硬體物料成本降低 80%，減掉相應的模組組裝設備和人員，那麼與 Pack 成本原值相比，結構精簡後的 Pack 成本下降約 10%-15%。
3.2 、刀片電池方案：磷酸鐵鋰電池體積能量密度大幅提升
2020 年 1 月 11 日，比亞迪董事長兼總裁王傳福在中國電動汽車百人會論壇（2020）上發言，比亞迪開發的「刀片電池」屬於新一代磷酸鐵鋰電池（超級磷酸鐵鋰電池），將於 2020 年量產，體積能量密度比傳統磷酸鐵鋰電池提升 50%，具有高安全、長壽命等特點，比亞迪「漢」將是全球首款搭載「刀片電池」的車型，計劃於 2020 年 6 月上市。該車型定位為中型轎車， 其中純電版的NEDC 工況續航超過 600km。
圖 28 是比亞迪「刀片電池」專利中電池結構示意圖，通常情況下，電芯長度：電池寬度=4~21，即將電芯設計成扁片長條形狀。通過設計電池的長度和寬度，可在一定體積下使電芯合理的扁長化，一方面利於在動力電池包內的整體排布，從而提高動力電池包的空間利用率、擴大動力電池包的能量密度；另一方面能夠保證電芯具有足夠大的散熱面積，能夠及時將內部的熱量傳導至外部，防止熱量在內聚集，從而匹配較高的能量密度。
表 5 中，以磷酸鐵鋰電池為例，對「刀片電池」的效果進行了比較。總體來看，通過改變電芯的排布、尺寸參數以及其它因素的設計（單體電池的長度與車身的單體電池長度延伸方向上的尺寸之比），空間利用率能夠突破現有動力電池包的限制，從而實現更高的能量密度；而且這種體積能量密度提升的效果與電池包體積正相關，即電池包體積越大，可以充分利用車身空間，同樣的設計帶來的能量密度提升更多。
4、工藝層面
4.1 、乾電極：可拓展至鋰電池，實現降本增效
乾電極是一種極片製作工藝，與溼電極工藝的核心區別在於是否使用溶劑。極片製作是生產電池的核心工序，目前應用廣泛的工藝是溼電極工藝， 首先將活性材料、粘結劑和溶劑進行攪拌，然後進行漿料塗布，後續步驟還包括烘乾、溶劑回收等。根據 Maxwell 披露的資料來看，其乾電極技術的主要步驟是：（1）乾粉（活性材料、導電劑、粘結劑）混合，（2）將乾粉制成薄膜，（3）將膜與集流體層壓，整個過程始終保持無溶劑乾燥狀態。
Maxwell 的研發人員曾發表論文《Dry Electrode Coating Technology》， 論證了其乾電極技術應用於鋰電池領域的可行性，從結果來看，乾電極工藝製備的 NCM811 電池表現出典型的放電曲線，矽碳負極的曲線也表現正常。因此，幹法電極技術理論上可以應用於鋰電池。
根據 Maxwell 在「21st Annual Needham Growth Conference」的公開資料，其幹法極片技術表現包括：
1） 能量密度：目前可以突破 300Wh/kg，並且可能有突破 500Wh/kg的潛力；
2） 循環壽命：可以改善電池的耐久性，壽命有望翻倍；
3） 成本方面：生產速度大幅提升，比現有的溼法電極工藝降本約10%-20%+；
4） 技術特色及環保方面：無溶劑生產，可應用於下一代材料、無鈷電池、固態電池等。
乾電極技術可節省設備投資，提升生產效率。從製備流程來看，與溼法電極技術相比，幹法電極可省去溶劑烘乾設備+回收設備，溼漿料攪拌機需要改為相應的粉末混合設備，需要增加粉末到膜的擠壓設備，塗布機+輥壓機需要合併改為相應的層壓設備。從 Maxwell 在「21st Annual Needham Growth Conference」的公開資料來看，乾電極技術可能會節省一部分設備投資，同時生產效率也會提升。
乾電極節省溶劑成本，但降本效果較小。以目前動力電池正極極片的製備為例，我們一般是設定活性材料、導電劑和粘結劑的配比，再與溶劑進行攪拌，通常正極材料的粘結劑為 PVDF，所用溶劑為 NMP；採用乾電極技術後，不再使用 NMP，PVDF 可能也需要更換。粘結劑和溶劑佔動力電池的成本比例很低，而且傳統溼法工藝下，溶劑回收效率很高，我們認為，乾電極節省的材料成本較小.
Maxwell 研發人員發表的論文《Dry Electrode Coating Technology》中， 為了驗證乾電極技術的可拓展性，將乾電極技術運用於鋰電池的負極極片（包括矽基材料、LTO）、正極極片（包括 NCM、NCA、LFP 等）。論文的結論是：Maxwell 的乾電極技術可應用於鋰電池，該技術可以降低阻抗， 從而增加極片上活性材料的厚度。
我們在《如何優雅地拆解動力電池成本？——動力電池成本系列報告之一》一文中分析過：材料塗層厚度越厚，電池的空間利用率越高，但離子遷移的路徑也就越長，導致內阻增加；而且從工藝角度來看，塗層越厚，脫粉的機率也會增加。因此，考慮化學性能和工藝，選擇合適的塗層厚度都是非常重要的。
4.2 、預補鋰：提升首效，改善性能
在鋰離子電池首次充電過程中，有機電解液會在負極表面還原分解，形成固體電解質相界面(SEI)膜，永久地消耗大量來自正極的鋰離子，造成首次循環的庫侖效率(ICE)偏低，降低了鋰離子電池的容量和能量密度。與現有的石墨材料有 5%～10%的首次不可逆鋰損耗，矽負極的首次不可逆容量損失達 15%～35%，較大的首次不可逆容量損失消耗大量的電解液和正極材料中脫出的鋰離子，導致較低的充放電效率、放電比容量及較差的穩定性，降低了電池的能量密度。
為了解決碳負極材料 SEI 膜造成的容量損失，目前通行的方法是通過負極材料的預鋰化，通過預鋰化對電極材料進行補鋰，抵消形成 SEI 膜所造成的不可逆鋰損耗，以提高電池的總容量和能量密度。目前常見的預鋰化方式有鋰箔補鋰、鋰粉補鋰、電化學補鋰、化學補鋰等。
4.2.1、銅箔補鋰
鋰箔補鋰是利用自放電機理進行補鋰的技術。金屬鋰的電位為－ 3.05V(vs.SHE，標準氫電極)，在所有電極材料中最低。由於電勢差的存在， 當負極材料與金屬鋰箔接觸時，電子自發地向負極移動，伴隨著 Li+在負極的嵌入。
儘管與鋰箔直接接觸，可以實現負極預鋰化，但預鋰化的程度不易精確控制。不充分的鋰化，不能充分提高 ICE; 而補鋰過度，可能會在負極表面形成金屬鋰鍍層。儘管利用鋰箔進行補鋰有較好的效果，但補鋰過程需要在臨時的電池或電化學裝置中完成，難以擴大規模。
4.2.2 、穩定化鋰金屬粉末( SLMP)
穩定的金屬鋰粉（stabilized lithium metal powder - SLMP ）是目前唯一一種可以工業化的預鋰化方法，是美國 FMC Lithium（www.fmclithium. com）公司開發的產品，由約 97%金屬鋰和約 3% Li2CO3 組成，尺寸為 5～ 50 μm，其比容量約為 3600 mA·h/g，Li2CO3 均勻地包覆在金屬鋰的表面阻止了副反應的發生，在乾燥空氣、NMP 溶劑以及不同溫度（25℃、55℃） 下具有優異的穩定性，因此可用於高容量合金負極、轉換反應材料、碳材料以及非鋰正極的首次不可逆容量損失。
SLMP 可以採用標準的漿料塗布技術加入負極。相比於其它預鋰化方式， 具有如下優點：
① 預鋰化程度可以通過控制鋰粉的添加量調節；
② 鋰粉可以較均勻分布在電極表面；
③ SLMP 空氣中較穩定，與現有的電池生產工藝具有高的兼容性；
④ 與電解液接觸後，即與負極反應，最終形成SEI 膜；
⑤ 預鋰化後，沒有剩餘的金屬鋰存在，不會造成鋰的沉積。SLMP 使用時， 需要使用壓力將表面的Li2CO3 包覆層壓碎，使金屬鋰暴露出來。
實踐表明，向矽電極中引入 0.7mg 的 SLMP，可補償 2068.8mAh/g 的可逆比容量損失。通過 SLMP 預鋰化後，負極的首次不可逆容量減少了20% ～ 40% 。
目前鋰電池正負極塗覆生產工藝均在溼法工藝環境下進行，溼法工藝首先將活性材料、粘結劑和溶劑進行攪拌，然後進行漿料塗布、烘乾。而將SLMP 應用於負極預鋰化，主要有兩種途徑: 在合漿過程中添加，或直接添加到負極片表面。常規的負極合漿，使用聚偏氟乙烯( PVDF) /甲基吡咯烷酮( NMP) 或丁苯橡膠( SBR) + 羧甲基纖維素( CMC) /去離子水體系，但SLMP 與現有的極性溶劑不兼容，只能分散於己烷、甲苯等非極性溶劑中， 因此不能在常規的合漿過程中直接加入。
而根據 Maxwell 披露的資料來看，其乾電極生產技術主要步驟：（1）乾粉（活性材料、導電劑、粘結劑）混合，（2）將乾粉支成薄膜，（3）將膜與集流體層壓。Maxwell 乾電極整個生產過程始終保持無溶劑乾燥狀態。從理論上來講，乾電極生產方式非常適合 SLMP 預鋰化，從而有望使得矽碳負極材料產業化進程提速。
從鋰電池體系演進以及正負極材料研發進程看，通過超高鎳三元材料應用有望降低鈷的用量，最終達到 Tesla 追求的極致「無鈷化」。而 Maxwell 乾電極生產工藝有望促進負極預鋰化，並使矽碳負極材料產業化提速。
5、其他體系
5.1 、超級電容：探索與鋰電結合的可能性
超級電容屬於第三代儲能裝置，第一代為機械式儲能，如飛輪、發條等； 第二代為化學式儲能，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等；而第三代就是以超級電容為代表的物理式儲能裝置。超級電容的優點包括快速充電、循環性極好、安全性好等。
超級電容的缺點也比較明顯，比如能量密度很低，不到鋰電池的 10%。因此，目前超級電容在電動汽車領域的應用並不常見。
鋰電池的缺陷主要是充電速度較慢、低溫性能較差以及使用壽命不夠長等方面。而超級電容器的擁有極短充放電時間、極佳使用壽命以及高可靠度。超級電容和鋰電池模組相結合可以實現對新能源汽車進行快速充放電，延長電池使用壽命，提升性能和效率，改善在全天候環境下的使用和安全性能。但目前這一應用方向應該仍處於試驗階段。
超級電容主要由極片、電解液、隔膜等構成，其中，極片由材料和集流體組成。超級電容器電極採用的電極材料是進行能量存儲的關鍵，是決定超級電容器性能的核心影響因素。雙電層超級電容器的材料主要是一些碳材， 包括活性炭、碳納米管等，贗電容超級電容器的材料包括導電聚合物、金屬氧化物等。
5.2 、固態電池：下一代鋰電技術
與液態鋰離子電池不同，固態電池中的固態電解質替代了液態鋰離子電池的液態電解質、隔膜。固態電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高（＞350 Wh/kg）和壽命更長（＞5000 次）的動力電池。
（1）安全性高，降低電池自燃、爆炸風險。固態電池將液態電解質替換為固態電解質，大大降低了電池熱失控的風險。半固態、準固態電池仍存在一定的可燃風險，但安全性優於液態鋰電池。
（2） 能量密度高，有望解決新能源汽車裡程焦慮問題。固態電池電化學窗口可達 5V 以上，高於液態鋰離子電池（4.2V），允許匹配高能正極，提升理論能量密度。固態電池無需電解液和隔膜，縮減電池包重量和體積，提高續航能力。電池負極可以採用金屬鋰，正極材料選擇面更寬。
（3） 固態電池可簡化封裝、冷卻系統，電芯內部為串聯結構，在有限空間內進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態鋰離子電池（石墨負極）可提升 70%以上。液態鋰離子電池以並聯結構相接，封裝複雜且體積龐大；固態電池無漏液風險，可簡化冷卻系統，電池以多電芯串聯結構相接，優化電池封裝，電池的體積能量密度大幅提升。
固態電池的技術發展採用逐步顛覆策略，液態電解質含量逐步下降，全固態電池是最終形態。依據電解質分類，鋰電池可分為液態、半固態、準固態和全固態四大類，其中半固態、準固態和全固態三種統稱為固態電池。固態電池的迭代過程中，液態電解質含量將從 20wt%降至 0wt%，電池負極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至 500Wh/kg，電池工作溫度範圍擴大三倍以上。預計在 2025 年前後，半固態電池可以實現量產，2030 年前後實現全固態電池的商業化應用.
氧化物固態電解質各方面性能較為均衡，其他類型固態電解質普遍存在性能短板，尚不能達到大規模應用的要求。固態電解質是固態電池的核心部件，在很大程度上決定了固態電池的各項性能參數，如功率密度、循環穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。固態電池距離高性能鋰離子電池系統仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三類固態電解質的性能參數各有優劣。
聚合物固態電解質率先實現應用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題。目前主流的聚合物固態電解質是聚環氧乙烷（PEO）電解質及其衍生材料。2011 年法國Bollore 公司推出固態電池為動力系統的電動車，聚合物固態電池率先實現商業化。聚合物電解質在室溫下導電率低，能量上限不高， 升溫後離子電導率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商業化的難度。
氧化物固態電解質綜合性能好，LiPON 薄膜型全固態電池已小批量生產，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO 型富鋰電解質室溫離子導電率為 10-4 S/cm、電化學窗口寬、鋰負極兼容性好，被認為是最有吸引力的固態電解質材料之一，制約其發展的重要因素是電解質和電極之間界面阻抗較大，界面反應造成電池容量衰減。
硫化物固態電解質電導率最高，研究難度最高，開發潛力最大，如何保持高穩定性是一大難題。LGPS 電解質的離子電導率高達 1.2x10-2 S/cm，可與液態電解質相媲美。雖然硫化物電解質與鋰電極的界面穩定性較差，但由於離子電導率極高、電化學穩定窗口較寬（5V 以上），受到了眾多企業的青睞，尤其是日韓企業投入了大量資金進行研究。
我們認為，目前氧化物體系進展最快，硫化物體系緊隨其後，高能聚合物體系仍處於實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。
1） 近年多家中國企業建立氧化物固態電池生產線。2018 年 11 月蘇州清陶固態鋰電池生產線在江蘇崑山建成投產，單體能量密度達 400Wh/kg 以上，擬於 2020 年進入動力電池應用領域。江蘇衛藍新能源電池有限公司也計劃於近期嘗試進一步探索。2019 年 4 月輝能科技宣布與南都電源合作， 計劃建立國內首條 1GWh 規模的固態電池生產線，2019 年底，輝能科技宣布將於 2020 年建成固體電池生產線，2020 年 4 月輝能科技完成D 輪融資， 本輪融資將用於加速固態電池商業化落地和工廠建設。
2） 2020 年日本豐田計劃推出搭載硫化物固態電池的新能源汽車，並於 2022 年實現量產。十幾年前豐田已開展固態電池研發工作，不僅獲得了固態電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利，還研發了一整套的正極材料和硫化物固態電解質材料回收的技術路線和回收工序。
3）美國 Sakti3 宣布研發出超高能量密度聚合物固態電池。2019 年 12 月，Sakti3 號稱開發出了能量密度超 1000 Wh/kg 的固態電池，但該電池至今還未在實驗室之外進行過測試，絕大多數技術細節並未公開。
6、投資建議
每次電池的技術更新都會出現新的投資機會，因此關注技術路線十分重要；特斯拉是全球領先的電動車企業，搭載的動力電池始終引領行業，有必要對其電池戰略加以重視。特斯拉近兩年收購了 Maxwell 和 Hibar，並且與著名的鋰電池專家 Jeff Dahn 合作多年，也正在與寧德時代進行聯合研究。我們通過公開信息整理了一些主流的技術創新方向，供投資者參考。
繼續提升能量密度、改善循環壽命以及降低成本是特斯拉在鋰電池研發方面的主要目標。我們認為，材料層面和工藝層面的創新是特斯拉的重點布局方向，其中材料層面的具體方向包括無鈷化（高鎳+包覆改性等）和電解液添加劑等，工藝層面的具體方向包括預補鋰和乾電極技術等。建議投資者積極關注相關企業。
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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源：光大證券）
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