鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2020年03月22日
特斯拉自制電池深度梳理與猜想
猜想特斯拉電池技術為干電極+正極含鈷超高鎳/無鈷高鎳多元材料+負極硅碳+圓柱,推測特斯拉自制電池最快有望在2022年裝車。建議布局三條主線:1)特斯拉電池新技術受益標的(新宙邦、關注我國寶安、天奈科技、贛鋒鋰業、天齊鋰業);2)特斯拉自制電池潛在供應商(科達利、恩捷股份、關注我國寶安、當升科技);3)電動化趨勢加速明確,全球龍頭:寧德時代、科達利、天齊鋰業、宏發股份、璞泰來、恩捷股份、三花智控等。
1.收購Maxwell掌握干電池技術,更易使用超高鎳正極
1.1干電池電極:差異在于電極片制作工藝,材料及鋰離子電池原理大體一致
2019年二月五日,特斯拉在資金緊張的情況下,宣布以2.18億美元溢價55%收購Maxwell,核心技術分為兩塊:干電池電極技術和超級電容。
Maxwell發展歷史:1965年成立,初期為政府供應理論物理研究,96年更名為MaxwellTech。目前擁有員工超過500人,18年收入為0.9億美元,重要分布我國、美國、德國、韓國等。公司目前重要專注市場為儲能系統和干電池電極,2013年和SK合作研發超級電容和干電池電極,17年收購Nesscapenergy加碼超級電容布局,18年和吉利/沃爾沃開始合作。超級電容器廣泛應用于風電、鐵軌、電網儲能等領域。
干電池電極與傳統鋰離子電池工藝差異重要體現在電極片制造上:傳統的鋰離子電池制造使用有粘合劑材料的溶劑NMP與負極或正極粉末混合后,把漿料涂在電極集電體上并干燥,是濕法工藝。而干電池技術,不使用溶劑,而是將少量(約5-8%)細粉狀PTFE粘合劑與正/負極粉末混合,然后通過擠壓機形成薄的電極材料帶,再將電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。
圖干法電池與濕法電池比較表
數據來源:東吳證券研究所
圖干電極制作示意圖
資料來源:Astroys
干電池電極技術目前重要優點:
1)電極壓實密度更高,且有利于負極補鋰,因此能量密度更高:目前已經實現300wh/kg,目標可以超過500wh/kg,對應續航里程超過1500公里。干電極密度更高,容納更多活性物質,能量密度更高;同時干法將鋰金屬添加到負極,可提升電池容量與能量密度,常規鋰離子電池第一次循環會生成SEI膜消耗鋰,造成容量損失,Maxwell18年有一項待審核專利,用干法將鋰金屬添加到負極,補償第一次循環的容量損失。此外,電池壽命提升2倍以上。
2)干電池更易使用超高鎳正極材料、硅碳負極:超高鎳材料堿性高,對環境濕度和粘結劑非常敏感,目前正極漿料通過管道運輸,容易團聚,導致流動性差,堵塞管道,進而影響生產效率和良品率;而干電池不存在這樣的問題。負極這邊,因為干電極的技術特點是容量性很強,硅碳負極的硅膨脹很大,干電極可以承受電極膨脹。
3)無需使用NMP溶劑,省了涂布、極片烘干環節,理論成本較濕法電池降低10-20%以上:傳統的正負極制造的粘合過程要溶劑NMP+MNP,溶劑有毒必須小心回收、純化和再利用;而且要巨大電極涂覆機。但實際生產中,需對極片切邊等,產業化后成本優勢還需論證。
4)適用于下一代電化學體系,可長期布局:干電池電極技術最終仍可以和下一代材料體系、無鈷體系、甚至固態電池體系,均可繼續匹配。
但是干電池生產工藝難度大,且該技術還未通過大規模應用,制作的極片易脫粉、倍率性能差,還需與設備配套廠商共同開發相應設備,技術有待提升,我們估計短時間量產難度較大。
圖干法電池優勢
資料來源:Maxwell
1.2超級電容:車用更多體現在啟停系統的功率補充上
超級電容具備大功率充放電性能及長循環壽命優勢,重要應用于風電、鐵軌、電網儲能等領域。超級電容就相當于電力系統中的高速緩存。這樣動能回收時發的電可以存在電容中而不是充進電池,急加速時電容和電池同時供電可以爆發更高功率,低溫時不必加熱電池就能保證加速和回收功率,高溫時也防止了電池大功率充放電,有效延長電池壽命。可以回避掉很多鋰離子電池的固有缺陷,出現質的提升。
表Maxwell收購Nesscap拓寬超級電容器市場范圍
Maxwell超級電容在車上重要應用于啟停系統,也曾嘗試應用與混動汽車。Maxwell在汽車業務中的布局源于超級電容器的應用,重要用于啟停電壓穩定系統的儲能單元,截至2018年底全球有超過610萬輛汽車在使用其超級電容器技術。13年與SK合作邁向電動汽車,18年進入吉利,公司預計2020年進入快速放量期。Maxwell早期重要向鉛酸電池汽車產品供應發動機啟動模塊,13年開始和SK合作研發鋰離子電池和超級電容的結合。18年Maxwell超級電容技術將被用于吉利五款微混及插混車型,原計劃于2019年底前投入量產。
表18年超級電容器和吉利合作;公司預計2020年后進入快速上升期
資料來源:Maxwell
超級電容技術對特斯拉電池可起到輔助用途:一方面可以應用并聯超級電容來延長電池壽命,一方面可以應用于Semi等大車型,在啟停狀態造成的極端充放電電壓,通過超級電容來實現,在加速時可起到功率平衡用途。
表超級電容與電池并聯后的性能特點
資料來源:Maxwell
1.3Maxwell專利
Maxwell目前共200+專利,全面覆蓋干法電極材料制備、電解質自主配方、儲能裝置系統優化等。
1)核心專利1:正負極生產不使用溶劑NMP,大幅簡化工藝降低成本:傳統的正負極制造的粘合過程要溶劑NMP,溶劑有毒必須小心回收、純化和再利用。而且要巨大、昂貴且復雜的電極涂覆機。Maxwell已將這種工藝用于制造超級電容,若借鑒用于電池制造將大幅降低成本。
2)核心專利2:用干法將鋰金屬添加到負極,可提升電池容量與能量密度。常規鋰離子電池第一次循環會生成SEI膜消耗鋰,造成容量損失,Maxwell18年有一項待審核專利,用干法將鋰金屬添加到負極,補償第一次循環的容量損失。
圖Maxwell相關專利
資料來源:Maxwell
2.與三元正極發明者JeffDahn的團隊合作,開發無鈷材料
2018年六月Musk在Twitter上發文稱“Weuselessthan3%cobaltinourbateries&willusenoneinnextgen”。而目前鋰離子電池無鈷正極材料重要有幾種:磷酸鐵鋰、錳酸鋰、高壓鎳錳酸鋰、富鋰錳基。磷酸鐵鋰、錳酸鋰特斯拉沒有相應的技術儲備且技術天花板低,估計特斯拉不會使用;高壓鎳錳材料與電解液之間的副反應較為嚴重,阻礙了其產業化進度;富鋰錳基正極材料首次不可逆容量高、循環和倍率性能較差,尤其是充放電循環過程中放電中壓不斷降低,阻礙了產業化。
特斯拉16年引入三元正極開創者JeffDahn團隊,致力于提高鋰離子電池能量密度與壽命:JeffDahn通過精確限定了鎳錳鈷材料中鎳的含量,顯著提高了三元材料的性能,使三元正極材料可以成功規模商業化,因此JeffDahn是業界公認的三元材料技術的真正開創者和發明者。從1996年Jeff就職于達爾豪斯大學開始,就與3M集團開展了長達20年的深入合作,一直兼任3M集團加拿大公司的首席科學家。2015年六月,特斯拉與JeffDahn所領導的25人研究團隊簽訂了為期5年的獨家合同,而雙方的正式合作已于2016年六月正式啟動,Jeff重要為特斯拉供應提高鋰離子電池的能量密度和使用壽命,降低成本相關研究。
2019年,JeffDahn團隊發表論文《Cobalt-freeNickel-richpositiveelectrodematerialswithacore-shellstructure》指出:在NCA類型的高鎳(Ni>90%)材料中,Co起的用途很小或幾乎沒有。鎳酸鋰材料中摻雜Co認為可以防止Ni2+和Ni+的混排,抑制充放電過程中的相變,以提高材料的結構穩定性。但在高鎳材料(Ni≥0.9)中摻雜少量的Co(≤0.1)所起的用途仍有存疑。在JeffDahn團隊早期研究發現LiNi0.9Co0.05Al0.05O2和LiNi0.95Al0.05O2、LiNi0.95Mn0.05O2的電化學性能非常接近,正極材料中有望不再含有鈷。同時,JeffDahn團隊進一步系統研究了摻雜Al、Co、Mn、Mg(摻雜量為0.05和0.1)對鎳酸鋰電化學性能、結構和熱穩定性的影響,因此得出結論,在NCA類型的高鎳(Ni>90%)材料中,Co起的用途很小或幾乎沒有。
綜合考慮,特斯拉的正極技術負責人為三元體系的領軍人物,且致力于高鎳材料研究,我們推測特斯拉自制電池初期或為含鈷超高鎳電池(如鎳含量90%+),而下一步的無鈷電池或使用的是無鈷多元材料,如鎳錳鋁材料。
3.特斯拉正電池相關專利
特斯拉自06年就有電池相關專利,16年電池生產專利新增,重要涉及鋰離子電池電解質添加劑、正極制備等。
圖特斯拉電池相關專利
資料來源:特斯拉
4.特斯拉收購鋰電設備公司,為電池產量擴張做準備
2019年七月-十月,特斯拉秘密收購了一家加拿大的電池設備公司,海霸精密設備公司(HIBARSYSTEMLIMITED),以完善自己的電池領域布局。該公司的總部位于加拿大安大略省的列治文山,除在北美設有廠,Hibar還在歐洲,韓國,日本,馬來西亞和我國設有重要制造廠。
海霸精密由徳裔加拿大工程師HeinzBarall于1970年代初創立,自1974年研制出第一臺精密計量泵以來,一直是精密計量泵和注液分配系統,也就是精密罐裝的開拓與發展的領導者。在國際市場上以精密計量泵、注液系統及電池制造系統而著名。海霸的產品廣泛用于各種科研、電池行業、電子煙、電容器、緩沖器、針劑、果醬、化妝品、食品及醫藥工業。其中鋰離子電池設備重要用于混動汽車、筆記本電腦等產品。
在過去的近40多年的時間里,海霸公司已經成為電池行業里一次電池及二次電池生產線的供應商。
產品:
1)海霸計量泵:是一種高精密的定量注液泵,能將各種不同化學和物理性質的液體進行定量灌注或計量輸送。海霸泵可以用于各種高性能電池的生產——將電解液和鋅膏注入電池內。電池的種類包括:堿錳、鎳氫鎳鎘、鋰離子、鋰錳、鉛酸、鋅空氣電池和燃料動力電池等;此外還可以制造電容器、食品醬料和化妝品的灌注封裝、各種的醫藥和生物制劑軟膠囊的生產、墨水的灌注等。
2)鋰電生產設備:海霸設備包括一次電池和二次電池,目前生產堿性電池生產流水線的速度可以達到1000PPM。公司也有成套的二次電池生產線,包括精密計量泵和注液分配系統、自動化電池制造和工藝設備、自含義包裝設備、鋰離子電池裝配和自動真空灌裝系統等。
收購海霸,提升特斯拉電池產線設計、建設能力,為擴產做準備:2018年十二月先導智能與特斯拉簽訂4300萬鋰電設備采購合同,包括卷繞機設備、圓柱電池組裝線設備及化成分容系統;目前特斯拉正在弗里蒙特(Fremont)建設電池中試生產線。在招聘清單中,特斯拉的電池制造工程團隊正在尋找設備開發工程師,以加快下一代電池制造計劃,而海霸具備鋰電后端設備生產量力。
5.市場規模預估
特斯拉電池技術預計會在四月BatteyDay上宣布,后續再進行產量建設、成本控制,預計穩定裝車最快要到2022年,短時間還是以外購為主。目前特斯拉電池三個供應商產量為,松下在美超級共產35gwh,年底或擴至54gwh;LG南京目前7gwh,年底或新增至10gwh;寧德時代尚不確定采購規模,這三個供應商基本能夠滿足美國、上海一期和部分二期需求。特斯拉上海廠二期、歐洲廠電池采購尚不明朗,預計未來有望配套部分自產電池。
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