【平安电力设备】从专利角度窥探特斯拉百万英里电池

1.1 百万英里电池是什么？

2019年4月，马斯克宣布预计将于2020年投产一种新型电池，这种电池能够驱动特斯拉汽车行驶百万英里，是普通电池包寿命的2-3倍。

2019年9月，特斯拉电池合作伙伴Jeff Dahn和他的研究小组在《电化学学会杂志》上发表的一篇开创性论文指出，特斯拉可能很快就会拥有使他们的机器人出租车和长途电动卡车具有可行性的电池，这种类型的电池应该能够为一辆电动汽车提供累计超过100万英里的动力。这种电池使用单个大晶体替代大量的小晶体，这种单晶体的纳米结构更不容易在电池充电的过程中产生破裂（破裂导致电池寿命和性能衰减）。相比普通的锂电池只能提供1000-2000次的放电循环，百万英里电池放电1000次后，还有95%的寿命，放电4000次后还有90%。试验中采用的电池为NCM523体系，无法达到特斯拉“去钴”的要求，因此我们认为该电池不会直接用于特斯拉的量产电池中，而是会在此基础上进一步降低钴的含量。

2020年5月，据路透社报道，特斯拉计划在今年年底或明年年初首先在中国市场推出一款新型电池，其生命周期内的续航里程将提升到100 万英里，并有望将电动车的成本拉低到与传统动力汽车相近的水平；新型电池将由特斯拉与中国厂商宁德时代合作研发生产。至此，特斯拉的百万英里长寿命电池由试验阶段逐步进入量产阶段。

对于特斯拉百万英里电池的实现方式，我们可以通过两条技术渠道进行窥探，一条是特斯拉收购的子公司Maxwell，主要专利技术涉及干电极和补锂（具体原理在此前的报告《特斯拉的动力电池梦20200228》中有分析，在此不做赘述）。另一条是特斯拉及其合作伙伴Jeff Dahn团队，通过分析特斯拉及Dahn团队在2019-2020年申请的专利可以发现，主要专利技术致力于改善锂电池的循环寿命，涉及正极材料的制造工艺、电池的制造工艺和新型电解液添加剂（在第二章中重点阐述），研究目的正好与特斯拉的长寿命电池量产计划相契合。

因此，我们认为特斯拉百万英里电池的实现方式与19-20年申请的一系列专利有关，当中也有可能运用到Maxwell的技术。通过对各个专利结论和改善效果的分析，我们认为负极补锂、单晶三元、无极耳电极以及包含PDO添加剂的电解液体系在百万英里电池中应用的可能性较高。

1.2 特斯拉为何要量产百万英里电池？

从延长电池在私家车上的使用寿命来说，百万英里电池的宣传意义大于实际意义。有观点认为当前主机厂对动力电池的质保政策大多数限定在一定的使用年限或使用里程内，如果超出这些条件中的任何一个，消费者则需要对电池维修或更换付出额外的成本，这一现状引发了消费者对购买电动车可能带来的电池更换成本的疑虑和担忧；而特斯拉从电池本身出发，通过技术进步延长电池寿命，寿命甚至可以远远超过整车报废周期，从而一次性解决电池更换的问题。但我们认为，目前主流的8年或16万公里的质保政策完全能够满足大部分私家车的生命周期和使用习惯，无论是终身免费质保承诺还是使用百万英里电池都有服务过剩或者性能过剩的嫌疑，其宣传意义大于实际意义，但有可能稳定消费者预期，对产品销量形成正面影响。

从电动车转让流通的角度来说，百万英里电池有助于提升电动车保值率。目前电动车保值率较低，在二手车市场面临较大困境，主要原因在于电池衰减。目前主机厂在提供电池终身免费质保的时候普遍都限制消费者为首任车主（比亚迪等少数车企除外），这意味着二手车车主无法享受该项服务，因此无益于提升电动车的保值率。而特斯拉的百万英里电池能够极大地延长电池和电动车的使用寿命，意味着相同的使用周期内电池容量的衰减程度更低，即使多次转手也不会影响车辆的正常使用，因此产品的保值率有望得到极大提升，二手车市场也有望激活。

从公共运营的角度来说，百万英里电池适用于Robotaxi产业。特斯拉曾计划在2020年推出Robotaxi（无人驾驶出租车），并且在年底之前生产100万辆Robotaxi，届时特斯拉将把电动汽车加入到共享汽车Tesla Network车队中，特斯拉车主则可以将他们的汽车加入到这项服务中。电动出租车对电池试用寿命提出了更高的要求，如果按照一辆Robotaxi每天运行300公里计算，则百万英里电池则意味着这批车型在无需更换电池的情况下能够持续运营15年。因此我们认为特斯拉推出百万英里电池的目的之一是给Robotaxi项目做铺垫。

从梯次利用的角度来说，百万英里电池有利于降低电池的全生命周期成本。电池在结束第一阶段的生命周期后可以进行梯次利用或者回收，根据电池的状态又可以分为三种：1）将新车中取下来的电池用于特斯拉自身或其他车企更低配的车型中；2）不能再次用于整车的电池经过质量验证，可以用于特斯拉或其他企业的ESS储能等领域；3）电池本身无法再利用，回收提取原材料。与传统电池相比，由于百万公里电池的寿命足够长，使得其在单纯的整车环节的梯次利用具备可行性，因此有望进一步降低电池的全生命周期成本。

从树立行业标杆的角度来说，百万英里电池有望推动行业发展。除了特斯拉以外，宁德时代、通用等电池厂和主机厂也都着手长寿命电池的研发和商业化生产， 2020年5月，通用汽车透露正在开发一种使用寿命达100万英里的电动汽车电池，并已接近成功，但通用汽车方面并未给出百万英里电池的具体时间表；近期宁德时代也表示已经准备好生产其百万英里电池，这种新电池可持续运行16年，并且可使电动汽车持续行驶124万英里（约合200万公里），但与目前供应给电动汽车制造商的电池相比，这种电池的生产成本将高出10%。如果这种电池能够在行业内普及，则对企业降本、新车销量和二手车市场的推广都有较大的意义，不过这种方案对企业的研发实力提出了较高的要求，因此存在一定的技术壁垒。

2.1 百万英里电池猜想之一：单晶三元正极材料

单晶化能够显著提升材料的循环性能。高镍化是当前电池材料发展的一大趋势，高镍三元材料虽然容量高，但晶体结构的稳定性较差，在高电压下容易发生析氧反应，引起材料的表面相变；而单晶材料能够有效提升材料自身的结构稳定性，同时较小的比表面积也能够减少界面副反应的发生，从而显著提升材料的循环性能。

标准NCA和单晶NCM正极合成需要过量的锂源。在标准NCA锂化过程中，一水合氢氧化锂和NCA前驱体通过1.02:1的锂/其他金属的摩尔比进行混合，2%的过量锂源用来弥补高温烧结过程中锂的损失；在单晶NCM的锂化过程中，锂与其他金属的摩尔比更高（NCM523/622分别为1.2/1.1）。

对单晶三元材料来说，促进单晶生长需要较高的温度。如果直接在过量锂源和适宜单晶生长的高温条件下将NCA单晶化（类似单晶NCM的生成方法），则会导致Li5AlO4杂质的生成；如果降低锂盐的量（锂/其他金属摩尔比<1），虽然能够抑制杂质的形成，但会影响电池内部的电化学性能。

为了解决上述生产过程中的问题，特斯拉在专利中提出两段烧结法形成无杂质的单晶NCA。

1）以NCA前驱体和一水合氢氧化锂为原材料，控制锂/其他金属的摩尔比<1（专利试验中控制在0.6-0.975之间），然后进行首次烧结，烧结温度控制在800-950℃，时间1-24h，使得单晶生长的同时避免了Li5AlO4杂质的生成；

2）在一段烧结的产物中加入额外的锂源，使得总体锂/其他金属的摩尔比>1（一般控制在1-1.03之间），然后进行第二次烧结，烧结温度650-760℃，时间1-24h，使得最终成品锂/其他金属摩尔比接近1，并且不产生杂质。

2.2 百万英里电池猜想之二：无极耳电极

当前的圆柱电池采用卷绕工艺，正极、负极和隔膜卷在一起，通过正负极极耳连接到电池容器的正极和负极端子。电流沿着正极或负极通过极耳到达电池外接电路，这样就导致了欧姆电阻随着较长的电流移动路径而增加，内阻增加会带来电池自身热损耗增加，导致电池容量和性能下降。除此之外，极耳作为额外的电池部件增加了电池成本和制造难度。

特斯拉“无极耳电极电芯”介绍了一种新型的电池制造方法，正负电极中至少有一个电极没有传统的极耳结构，电芯主要包括第一基底、内隔膜、第二基底和外隔膜（可以省去），第一基底上面布有第一涂层，第一基底上沿宽度近端的部分由导电材料构成；第二基底上面布有第二涂层；第一基底和第二基底之间为内隔膜，第二基底另一边叠放外隔膜（可以省去）。第一基底、内隔膜、第二基底、外隔膜以连续堆叠的方式绕中心轴卷绕起来。简而言之，无极耳电极电芯的制造工艺部分或者完全取消了传统的极耳，在正极或者负极极片的边缘处增加导电涂层，让导电涂层直接与电池端盖接触，电流通过导电涂层和电池外壳到达电池外接电路。

对于这种特殊设计的新型无极耳电极，马斯克发推表示“这项技术比听起来更加重要”。然而，该专利只是对无极耳电极的原理做了解释，对优点进行了理论说明，并没有公布与现有工艺的对比试验结果；我们预计在电池日上会有更多相关信息释出。

从理论上来讲，无极耳电极工艺主要从三个方面改善电池的循环寿命以及其他性能：

1）电流移动路径缩短减小内阻。传统的电池设计结构决定了为发生电化学反应，电流应当沿电极长度方向移动，移动的距离与极耳的位置有关（电极中间或电极两端）；而无极耳电极工艺提供了一种电极集流体与电池端盖内表面之间更加一致的电接触方式，使得电流移动的最大距离变成电极的高度而非长度。而一般电极的高度是长度的5%-20%，因此在电化学循环中无极耳电极的内阻可以减小5-20倍。

2）显著降低电流偏移现象。电流偏移现象代表电极的某些区域经过比别的区域更多或者更少的电流；在不考虑其他因素的情况下，电流将会沿着电极上内阻最小的路径接近极耳，这样局部会产生大的过电位，导致不必要的化学反应的发生，降低电池寿命。而无极耳电极工艺使得内阻降低，电流的路径更短、分布更加均衡，因此能够避免过电位的产生，改善电池寿命。

3）产热和散热能力得到显著改善。在产热方面，由于内阻降低，产生的热量也减少。在散热方面，传统的电极极耳与电池端盖只有极小的接触面积，而无极耳电极中的导电涂层与电池端盖的有效接触面积达到100%，接触面积的增加使得散热能力提升，进一步优化电池性能、延长循环寿命。

特斯拉Battery Day受到海外疫情影响一再推迟，预计将于9月中旬举行。结合近期特斯拉百万英里电池以及购买锂电设备着手电池自产的消息频频见诸报道，我们认为电池日的主题大概率会围绕百万英里电池展开，具体包括：1）补充专利或论文中未解答的问题，比如无极耳电极的实证效果、单晶正极的配方和烧结温度的改进、综合最优的电解液添加剂方案等，新型电池的实现方式将成为重要看点之一，最终方案有待揭晓；2）新型电池的量产计划，包括时间节点、产能规模、生产地点、车型应用等信息，其与宁德时代的合作细节也将是一大看点。

特斯拉创立至今，动力电池一直采用外供模式，早期起步时为松下独供，2019年后为开辟新的中国市场，又陆续引入LG和宁德时代，以为其产能和降本战略服务。从特斯拉申请专利和对Maxwell等的投资收购动作来看，其规模化自产电池应只是时间问题。在强大的品牌和足够的需求加持下，对于特斯拉而言，制造出一流水准的动力电池并非特别难事，其更关注的或是如何造出超水准的电池，以进一步彰显其差异性。

后续特斯拉在电池环节的影响力将逐步显化，所探索的技术创新点也将是产业热点趋势之一。与之相近的是，国内电池和主机厂在电池领域的研发和投资方向主要为高能量密度、长寿命、高安全性、低成本等指标，正极材料往高镍化、单晶化方向发展，兼顾高能量密度和长寿命；负极材料满足快充性、低膨胀性，硅碳负极是研发方向之一；隔膜和电解液用于改善电池的各项性能，其中安全性是研发重点。

在投资方向上，建议把握以下几点：

1）特斯拉已确定和宁德时代合作量产百万英里电池，而宁德时代也表示已经开发出一款可能使用16年或200万公里的电池，已经做好生产准备，并且与特斯拉的合作将不仅限于磷酸铁锂电池、不仅限于国内市场。若双方合作实现电池量产，则意味着宁德时代与特斯拉实现较为深度的绑定，有望进一步巩固其动力电池行业的龙头地位，关注相关供应链企业。

2）单晶化有利于改善电池循环寿命，无钴化有利于降低生产成本，因此单晶高镍正极有望成为兼顾低成本、高能量密度和长循环寿命的电池的重要实现方式之一。关注在高镍正极和单晶正极方面有较为深厚的技术储备的电池材料企业。

3）Jeff团队在电解液方向上申请的专利较多，寻找低成本、高性能的添加剂组合将成为电池性能持续改善的重要推手之一。关注在电解液添加剂方面有技术储备和成熟应用的电池材料企业。