【研报】新能源汽车行业：特斯拉电池日前瞻专题报告再探“门口的野蛮人”-20200517[41页].pdf

1、 -1- 证券研究报告 2020 年 5 月 17 日 新能源汽车 再探“门口的野蛮人” 特斯拉电池日前瞻专题报告 行业深度 技术迭代驱动电池发展，特斯拉引领行业技术迭代驱动电池发展，特斯拉引领行业 回顾 200 多年的发展历史，总体来看，电池向更高的能量密度（体积 非碳材料负极主要包括钛基材料和硅基材 料。其中具备成本低、工艺成熟、高导电率和较好稳定性的石墨负极材料占 据了目前约 90%的负极材料市场， 但在能量密度方面石墨负极材料有其理论 最大值(372mAh/g)的局限。而硅具有很高的理论比容量(4200 mAh/g)，是已 商用化的石墨负极的 10 倍，同时具有较低的放电电位，有利于锂

2、离子电池 输出较高的电压。但低导电率的硅材料在充放电的过程中存在以下限制： （1）锂离子的嵌入与脱出会使硅体积发生巨大的膨胀与收缩，体积变 化过程中产生的应力会使硅颗粒相互挤压、粉化、结构坍塌，进而失去电接 触导致容量迅速衰减； （2）对于硅材料来说，传统的粘结剂（如 PVDF）无法承受硅材料巨 大的体积变化，使得活性材料从集流体上脱落，导致电极结构被破坏，电池 循环稳定性很差。 （3）体积效应还会使 SEI 膜不稳定。体积效应使得硅表面 SEI 膜在充 放电过程性中不断的破裂、再生长，导致库伦效率降低，电极的电子导电性 变差，电池内阻增加等。 图图 16：充电和放电期间硅体积膨胀示意：充电和

3、放电期间硅体积膨胀示意图图 资料来源：中国粉体网 目前，通常采用硅负极材料纳米化、复合化和合金化等方法来提高其结 构稳定性，改善硅负极循环性能。 硅负极材料的纳米化：硅负极材料的纳米化：为了改善硅基负极材料的循环稳定性，通常将硅 材料纳米化，包括硅纳米颗粒、硅纳米线、硅薄膜和 3D 多空硅等。纳 2020-05-17 新能源汽车 -18- 证券研究报告 米硅材料作为嵌锂材料可以增加比表面积， 减少锂离子电池脱/嵌深度和 移动距离，改善了电极可逆嵌锂容量小、循环能力差以及极化程度高等 缺点，负极体积在高压环境下变化较小，起到延长电池的循环寿命的作 用。 硅负极材料的复合化和合金化：硅负极材料的复

4、合化和合金化：将具有较好机械性能和导电性能的金属 或者碳材料，同硅材料制备复合材料也可以有效改善硅基材料性能，吸 收硅材料的内部应力，改善硅负极的导电性，并增强电极的倍率性能。 1）硅/金属复合材料：硅/金属复合材料即 M-Si 体系，其中 M 包括无法 与锂反应的惰性金属，也包括能与锂参与脱嵌反应的金属。2）硅/碳复 合材料：硅与非金属复合会形成一种核壳结构，该材料可以减缓内核硅 颗粒的体积变化，可以有效解决循环过程中材料体积膨胀的问题，改善 循环性能。 在硅碳复合材料中， 目前石墨、 碳纳米管、 石墨烯等已被广泛应用。 2012 年日本松下将硅碳负极材料应用于 NCA18650C 型号电池

5、实现量产；2015 年 Maxwell 公司将其以“SiO-C”为负极材料的新式锂电池成功地应用于智能 手机产品中；2017 年特斯拉 Model 3 搭载的动力电池使用了硅碳负极；国 内企业中 CATL 等也在开发自己的高镍正极/硅碳材料体系。 受配套特斯拉的松下动力锂电池需求快速增长带动，2018 年全球硅基 负极材料出货量同比增长 52.2%至 1.75 万吨。预计未来硅基负极材料市场 仍将维持快速增长。 2.3、电解液电解液添添加加剂：剂：降低降低阻抗阻抗，提升提升循环性循环性 电解液添加剂是锂电池设计的重要组成部分，它会影响电池的性能、安 全性和寿命。电解液添加剂可以抑制电化学阻抗的

6、增长，降低存储过程中的 自放电率，延长循环和日历寿命并抑制气体的产生。过去几年，Jeff Dahn 对 DMI （ 1,3- 二 甲 基 -2- 咪 唑 啉 酮 ） 、 ODTO （ 1,2,6-Oxadithiane 2,2,6,6-tetraoxide）等电解液添加剂进行了研究。此外，特斯拉于 2018 年 提交了名称为 二恶唑酮与亚硫酸腈作为锂电池电解液添加剂 的专利文件。 2020-05-17 新能源汽车 -19- 证券研究报告 图图 17：不同不同添加剂添加剂体系体系的的电池电池循环循环特征特征 资料来源：论文Electrolyte Development for High-Perf