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AG真人游戏 特斯拉自制电池深度梳理与猜想

2020-03-09 15:15:52 和记官网 已读

特斯拉16年引入三元正极开创者Jeff Dahn团队,致力于提高锂电池能量密度与寿命:Jeff Dahn通过精确限定了镍锰钴材料中镍的含量,显著提高了三元材料的性能,使三元正极材料可以成功规模商业化,因此Jeff Dahn是业界公认的三元材料技术的真正开创者和发明者。从1996年Jeff就职于达尔豪斯大学开始,就与3M集团开展了长达20年的深入合作,一直兼任3M集团加拿大公司的首席科学家。2015年6月,特斯拉与Jeff Dahn所领导的25人研究团队签订了为期5年的独家合同,而双方的正式合作已于2016年6月正式启动,Jeff主要为特斯拉提供提高锂电池的能量密度和使用寿命,降低成本相关研究。

1)核心专利1:正负极生产不使用溶剂NMP,大幅简化工艺降低成本:传统的正负极制造的粘合过程需要溶剂NMP,溶剂有毒必须小心回收、纯化和再利用。而且需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机。Maxwell已将这种工艺用于制造超级电容,若借鉴用于电池制造将大幅降低成本。

在过去的近40多年的时间里,海霸公司已经成为电池行业里一次电池及二次电池生产线的供应商。

干电池电极与传统锂电池工艺差异主要体现在电极片制造上:传统的锂电池制造使用有粘合剂材料的溶剂NMP与负极或正极粉末混合后,把浆料涂在电极集电体上并干燥,是湿法工艺。而干电池技术,不使用溶剂,而是将少量(约5-8%)细粉状PTFE粘合剂与正/负极粉末混合,然后通过挤压机形成薄的电极材料带,再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。

4)适用于下一代电化学体系,可长期布局:干电池电极技术最终仍可以和下一代材料体系、无钴体系、甚至固态电池体系,均可继续匹配。

超级电容具备大功率充放电性能及长循环寿命优势,主要应用于风电、铁轨、电网储能等领域。超级电容就相当于电力系统中的高速缓存。这样动能回收时发的电可以存在电容中而不是充进电池,急加速时电容和电池同时供电可以爆发更高功率,低温时不必加热电池就能保证加速和回收功率,高温时也避免了电池大功率充放电AG真人游戏,有效延长电池寿命。可以回避掉很多锂电池的固有缺陷AG真人游戏,产生质的提升。

2019年2月5日AG真人游戏,特斯拉在资金紧张的情况下,宣布以2.18亿美元溢价55%收购Maxwell,核心技术分为两块:干电池电极技术和超级电容。

来源 |锂程碑,锂电前沿

数据来源:东吴证券研究所

资料来源:Maxwell

2)锂电生产设备:海霸设备包括一次电池和二次电池,目前生产碱性电池生产流水线的速度可以达到1000PPM。公司也有成套的二次电池生产线,包括精密计量泵和注液分配系统、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。

原标题:特斯拉自制电池深度梳理与猜想

Maxwell发展历史:1965年成立,初期为政府提供理论物理研究,96年更名为Maxwell Tech。目前拥有员工超过500人,18年收入为0.9亿美元,主要分布中国、美国、德国、韩国等。公司目前主要专注市场为储能系统和干电池电极,2013年和SK合作研发超级电容和干电池电极,17年收购Nesscap energy加码超级电容布局,18年和吉利/沃尔沃开始合作。超级电容器广泛应用于风电、铁轨、电网储能等领域。

资料来源:Maxwell

图 干电极制作示意图

图 干法电池与湿法电池对比表

但是干电池生产工艺难度大,且该技术还未通过大规模应用,制作的极片易脱粉、倍率性能差,还需与设备配套厂商共同开发相应设备,技术有待提升,我们估计短期量产难度较大。

资料来源:Astroys

猜想特斯拉 电池技术为干电极 正极含钴超高镍/无钴高镍多元材料 负极硅碳 圆柱,推测特斯拉自制 电池最快有望在2022年装车。建议布局三条主线:1)特斯拉电池新技术受益标的(新宙邦、关注中国宝安、天奈科技、赣锋锂业、天齐锂业);2)特斯拉自制电池潜在供应商(科达利、恩捷股份、关注中国宝安、当升科技);3)电动化趋势加速明确,全球龙头:宁德时代、科达利、天齐锂业、宏发股份、璞泰来、恩捷股份、三花智控等。

2018年6月Musk在Twitter上发文称“We use less than 3% cobalt in our bateries & will use none in next gen”。而目前锂电池无钴正极材料主要有几种:磷酸铁锂、锰酸锂、高压镍锰酸锂、富锂锰基。磷酸铁锂、锰酸锂特斯拉没有相应的技术储备且技术天花板低,估计特斯拉不会使用;高压镍锰材料与电解液之间的副反应较为严重,阻碍了其产业化进度;富锂锰基正极材料首次不可逆容量高、循环和倍率性能较差,尤其是充放电循环过程中放电中压不断降低,阻碍了产业化。

海霸精密由徳裔加拿大工程师Heinz Barall于1970年代初创立,自1974年研制出第一台精密计量泵以来,一直是精密计量泵和注液分配系统,也就是精密罐装的开拓与发展的领导者。在国际市场上以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而著名。海霸的产品广泛用于各种科研、电池行业、电子烟、电容器、缓冲器、针剂、果酱、化妆品、食品及医药工业。其中锂电池设备主要用于混动汽车、笔记本电脑等产品。

综合考虑,特斯拉的正极技术负责人为三元体系的领军人物,且致力于高镍材料研究,我们推测特斯拉自制电池初期或为含钴超高镍电池(如镍含量90% ),而下一步的无钴电池或使用的是无钴多元材料,如镍锰铝材料。

图 Maxwell相关专利

1)海霸计量泵:是一种高精密的定量注液泵,能将各种不同化学和物理性质的液体进行定量灌注或计量输送。海霸泵可以用于各种高性能电池的生产——将电解液和锌膏注入电池内。电池的种类包括:碱锰、镍氢镍镉、锂离子、锂锰、铅酸、锌空气电池和燃料电池等;此外还可以制造电容器、食品酱料和化妆品的灌注封装、各种的医药和生物制剂软胶囊的生产、墨水的灌注等。

3)无需使用NMP溶剂,省了涂布、极片烘干环节,理论成本较湿法电池降低10-20%以上:传统的正负极制造的粘合过程需要溶剂NMP MNP,溶剂有毒必须小心回收、纯化和再利用;而且需要巨大电极涂覆机。但实际生产中,需对极片切边等,产业化后成本优势还需论证。

特斯拉自06年就有电池相关专利,16年电池生产专利增加,主要涉及锂电池电解质添加剂、正极制备等。

2019年,Jeff Dahn团队发表论文《Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure》指出:在NCA类型的高镍(Ni>90%)材料中,Co起的作用很小或几乎没有。镍酸锂材料中掺杂Co认为可以防止Ni2 和Ni 的混排,抑制充放电过程中的相变,以提高材料的结构稳定性。但在高镍材料(Ni≥0.9)中掺杂少量的Co(≤0.1)所起的作用仍有存疑。在Jeff Dahn团队早期研究发现LiNi0.9Co0.05Al0.05O2和LiNi0.95Al0.05O2、LiNi0.95Mn0.05O2的电化学性能非常接近,正极材料中有望不再含有钴。同时,Jeff Dahn团队进一步系统研究了掺杂Al、Co、Mn、Mg(掺杂量为0.05和0.1)对镍酸锂电化学性能、结构和热稳定性的影响,因此得出结论,在NCA类型的高镍(Ni>90%)材料中,Co起的作用很小或几乎没有。

干电池电极技术目前主要优点:

资料来源:特斯拉

1.收购Maxwell掌握干电池技术,更易使用超高镍正极

超级电容技术对特斯拉电池可起到辅助作用:一方面可以应用并联超级电容来延长电池寿命,一方面可以应用于Semi等大车型,在启停状态造成的极端充放电电压,通过超级电容来实现,在加速时可起到功率平衡作用。

2)干电池更易使用超高镍正极材料、硅碳负极:超高镍材料碱性高,对环境湿度和粘结剂非常敏感,目前正极浆料通过管道运输,容易团聚,导致流动性差,堵塞管道,进而影响生产效率和良品率;而干电池不存在这样的问题。负极这边,因为干电极的技术特点是容量性很强,硅碳负极的硅膨胀很大,干电极可以承受电极膨胀。

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2.与三元正极发明者Jeff Dahn的团队合作,开发无钴材料

3.特斯拉正电池相关专利

2)核心专利2:用干法将锂金属添加到负极,可提升电池容量与能量密度。常规锂电池第一次循环会生成SEI膜消耗锂,造成容量损失,Maxwell18年有一项待审核专利,用干法将锂金属添加到负极,补偿第一次循环的容量损失。

1.1 干电池电极:差异在于电极片制作工艺,材料及锂电池原理大体一致

1.3 Maxwell专利

1)电极压实密度更高,且有利于负极补锂,因此能量密度更高:目前已经实现300wh/kg,目标可以超过500wh/kg,对应续航里程超过1500公里。干电极密度更高,容纳更多活性物质,能量密度更高;同时干法将锂金属添加到负极,可提升电池容量与能量密度,常规锂电池第一次循环会生成SEI膜消耗锂,造成容量损失,Maxwell18年有一项待审核专利,用干法将锂金属添加到负极,补偿第一次循环的容量损失。此外,电池寿命提升2倍以上。

表 超级电容与电池并联后的性能特点

1.2 超级电容:车用更多体现在启停系统的功率补充上

Maxwell目前共200 专利,全面覆盖干法电极材料制备、电解质自主配方、储能装置系统优化等。

图 特斯拉电池相关专利

图 干法电池优势

资料来源:Maxwell

资料来源:Maxwell

收购海霸,提升特斯拉电池产线设计、建设能力,为扩产做准备:2018年12月先导智能与特斯拉签订4300万锂电设备采购合同,包括卷绕机设备、圆柱电池组装线设备及化成分容系统;目前特斯拉正在弗里蒙特(Fremont)建设电池中试生产线。在招聘清单中,特斯拉的电池制造工程团队正在寻找设备开发工程师,以加快下一代电池制造计划,而海霸具备锂电后端设备生产能力。

2019年7月-10月,特斯拉秘密收购了一家加拿大的电池设备公司,海霸精密设备公司(HIBAR SYSTEM LIMITED),以完善自己的电池领域布局。该公司的总部位于加拿大安大略省的列治文山,除在北美设有工厂,Hibar还在欧洲,韩国,日本,马来西亚和中国设有主要制造工厂。

4.特斯拉收购锂电设备公司,为电池产能扩张做准备

Maxwell超级电容在车上主要应用于启停系统,也曾尝试应用与混动汽车。Maxwell在汽车业务中的布局源于超级电容器的应用,主要用于启停电压稳定系统的储能单元,截至2018年底全球有超过610万辆汽车在使用其超级电容器技术。13年与SK合作迈向电动汽车,18年进入吉利,公司预计2020年进入快速放量期。Maxwell早期主要向铅酸电池汽车产品提供发动机启动模块,13年开始和SK合作研发锂电池和超级电容的结合。18年Maxwell超级电容技术将被用于吉利五款微混及插混车型,原计划于2019年底前投入量产。

表 18年超级电容器和吉利合作;公司预计2020年后进入快速增长期

5.市场规模预估

产品:

特斯拉电池技术预计会在4月BatteyDay上宣布,后续再进行产能建设、成本控制,预计稳定装车最快要到2022年,短期还是以外购为主。目前特斯拉电池三个供应商产能为,松下在美超级共产35gwh,年底或扩至54gwh;LG南京目前7gwh,年底或增加至10gwh;宁德时代尚不确定采购规模,这三个供应商基本能够满足美国、上海一期和部分二期需求。特斯拉上海工厂二期、欧洲工厂电池采购尚不明朗,预计未来有望配套部分自产电池。

表 Maxwell收购Nesscap拓宽超级电容器市场范围

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