特斯拉動力鋰電池技術布局：長壽命&無鈷愿景

特斯拉技術專利的重要分布為電氣系統、動力鋰電池結構、溫控、連接等。電池材料核心內容重要發明人為J.R.Dahn教授，領域包括高鎳正極、電解液添加劑。高鎳（無鈷）正極的研究成果為LiNi0.95Al0.05O2芯殼結構材料，C/5循環400次容量保持率不足70%，降至約160mAh/g。考慮到鈷在阻礙鎳鋰混排方面的關鍵性用途，其大概率仍是高鎳體系動力鋰離子電池的必需元素。電解液添加劑及長壽命電池的研究成果為使用NMC532單晶正極、石墨負極的電池深度充放循環壽命高達4000次以上，還保留著超過90%的容量；日歷壽命推斷也較長。長壽命電池是實現整車“百萬英里”、油電“同壽同權”的關鍵。

特斯拉收購電池相關技術：理想與探索

特斯拉通過收購方式取得的技術是干法電極技術，可能還包括離子液體-富硅負極技術。

干法電極技術以粘結劑、導電劑等混合電極活性材料并壓延成膜，可節約溶劑、縮短工時、防止溶劑殘留、降低設備復雜度，但產品材料均勻性是較大挑戰。Maxwell有關專利顯示進展為NMC111正極，0.5C- 1C充放，深度循環2000次剩余容量85%，高鎳無壽命數據；硫系正極、預鋰化負極或也有前景。高鎳正極-離子液體-富硅負極樣品C/5充放、深度循環100次后能量密度大于300Wh/kg，剩余容量90%，但對溫度范圍敏感，成本高。

特斯拉電池日前瞻與分析：蹊徑未來

特斯拉作為追趕者涉足電池領域需布局優化需求強烈/有可能出現技術變革的方向。我們估計，特斯拉在電池日上將公布電池技術的進展和前瞻、電池技術和整車的協同情況、自建電池廠的路線圖、合作伙伴的有關供貨信息等內容。

特斯拉在動力鋰電池領域的入局相當程度上對提升產業景氣度、吸引人才進入相應領域有積極用途，但是現有動力鋰電池產業格局大概率不會被特斯拉顛覆，現有材料體系大概率在較長一段時間內仍是產業的主流選擇。我國動力鋰電池供應鏈和特斯拉的關系仍將以優勢互補為主，符合產業趨勢、技術實力強勁、成本控制到位的供應鏈公司有望持續獲取新能源汽車產業騰飛紅利。

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斯拉動力鋰電池技術布局：長壽命&無鈷愿景

1、特斯拉本體技術布局：電氣基本盤，電池占比低

“技術極客”是特斯拉公司的關鍵屬性。電子電氣架構、用能充能系統等的先進性奠定了其智能電動汽車產品的銷量和地位。特斯拉的重要技術專利重要包括自研、外部收購獲得這兩部分。

特斯拉（Tesla Motors Inc/Tesla Inc）截至2020年初已有2200余項專利公開，其重要分布為電氣系統、動力鋰電池結構、溫控、連接等。動力鋰電池子項總量和占比均不高。和傳統動力鋰電池龍頭相比，在動力鋰電池相關專利數量上的差距巨大。

特斯拉和動力鋰電池相關的重要專利細項對應IPC小組H01M10/0525，對應的重要發明者為鋰電先驅Jeffery Raymond Dahn教授。

Dahn教授的重要研究領域是高鎳正極（本征鎳酸鋰材料、高鎳復合金屬酸鋰材料）和電解液添加劑。其學術論文和專利一起可以作為特斯拉在動力鋰電池領域的前瞻性技術儲備（學術論文發表于期刊Journal of The Electrochemical Society，領域兼有二者；技術專利暫為長壽命電解液添加劑）。可見，對相關內容進行細致比較研究，可以推斷相應技術路線特斯拉已達到的水平；再深入進行有關機理分析，又可對其實現可能性進行一定程度的前瞻估計（電池的重要關注點為能量、倍率、壽命、成本、安全性；關于正負極，能量項等同于關注容量/對鋰電壓；充放倍率-充放深度-循環壽命同時供應時的數據信息量大；循環壽命/日歷壽命/能量和溫度關系也較大；安全性可通過電池的熱行為進行一定程度評估；紐扣電池/小容量軟包電池測試對應的技術成熟度不及商用封裝手段電池）。

2、高鎳無鈷正極：或臨倍率性能妥協？

Jeffery Raymond Dahn教授團隊在不同的論文中研究了鎳酸鋰及高鎳正極體系的相關內容。

在論文Updating the Structure and Electrochemistry of LixNiO2 for 0 ≤ x ≤ 1中，J.R. Dahn教授分析了鎳酸鋰（以氫氧化鋰為鋰源、氫氧化鎳為前驅體合成）的性能表現及其機理：充放循環過程中的材料相變是影響性能的關鍵因素。

作為上述研究的拓展，J.R. Dahn教授團隊在論文Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries?中進一步分析了不同摻雜元素的用途：鎂、錳、鋁可以不同程度抑制熱失控；在C/20、C/5的低倍率循環條件下，不同紐扣電池對應的NCA80/15/05（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）正極、NMg95/05（LiNi0.95Mg0.05O2）正極、NA95/05（LiNi0.95Al0.05O2）正極（前述正極鋰源均為氫氧化鋰）的名義容量/循環次數差別不大（后兩者循環電壓有調整）, NMg95/05的性能表現相對最好。故J.R. Dahn教授團隊認為，鎂、錳、鋁等元素的摻雜取代都可以阻礙鎳酸鋰基體在循環過程中的相變，而鈷并非必需；鎂、錳、鋁等元素同時可以抑制正極和電解液的副反應，提升安全性；他們同時樂觀地認為（We are optimistic that……原文如此）低含量摻雜/化學包覆改性可以對抗電池循環過程中的容量退降，使LiNi1-xMxO2型正極材料擺脫鈷元素。

進一步的研究工作體現在論文Cobalt-free Nickel-rich positive electrode materials with a core-shell structure中。J.R. Dahn教授團隊制備了以Ni(OH)2為芯、Ni0.83M0.17(OH)2為殼（M=Mg、Al、Mn）的正極前驅體，平均化學組成保持在Ni0.95M0.05(OH)2；后續和氫氧化鋰煅燒成正極材料。

煅燒過程結束后，鎂均勻分布于顆粒中，鋁和錳留存于顆粒表面；含錳材料在鋰層顯示出大量鎳，說明了鋰鎳混排現象加劇，含鋁、含鎂材料也有部分鋰鎳混排。

長時間低倍率循環（C/5）過程中，J.R. Dahn教授團隊認為阻抗新增、活性物質流失等因素導致了正極容量衰減。相對表現最好的LNO:NiAl83/17樣品在400次循環后僅剩余69.4%容量。

動力鋰電池的材料體系內涵豐富，不同基體-摻雜元素的用途已被學術界進行了廣泛而深入的研究。

發表于Advanced Energy Materials 上的論文Nickel-Rich and Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes: Progress and Perspectives歸納了高鎳體系下不同元素的用途：鈷關于降低鋰鎳混排有顯著用途（Co substitution was highly effective in lowering the cation mixing between the Li and TM layers，原文如此）；錳降低成本、改善熱穩定性，但是會一定程度新增鋰鎳混排；鎂可以改善熱穩定性、抑制相變與正極釋氧；鋁抑制相變，提升比重量容量。發表于Nature Energy上的論文High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries歸納：在保持可接受的功率、壽命和安全指標的同時，繼續推動提高能量密度、減少鈷等昂貴原材料的使用，要一套戰略性的成分、形貌和微觀結構設計以及高效的材料生產工藝；NCA材料的無鈷化比NCM的無鈷化相對可行。

發表于Sicence上的論文Cobalt in lithium-ion batteries（2020年二月二十八日刊出）深入地分析了鈷摻雜的機理。研究者認為：對一個高鎳正極層狀材料體系而言，除物相本身的不穩定性和雜相生成的可能性外，Ni具有相對強的磁矩，三個呈三角排布的鎳導致“磁挫”（magnetic frustration，原文如此），材料體系處于高能量不穩定狀態。鋰無磁矩，故有傾向進入鎳位使整個材料體系穩定化，但同時缺鋰的鋰氧層狀結構層間距減小，阻礙鋰的傳輸，導致正極的容量不可逆衰減。鈷的摻雜用途同樣是因為其無磁矩，可穩定材料體系，抑制不要的鋰鎳混排。作者同時分析了“無鈷化”的路徑：其一，用其他有類似用途的元素替代鈷，但可能影響正極體系容量，并在動力學上不利于倍率性能發揮；多個材料體系耦合，但可能有嚴重的相變存在；使用陰離子氧化還原對，但循環壽命可能有限；精細調控高鎳材料的組成、煅燒溫度、時間和氣氛，也許要機器學習手段進行輔助，最終可能將鈷含量壓縮到摻雜水平（1%）。作者也表示，鈷的用途也許不如先前假定的那么重要（the role of cobalt may not have been as critical to performance as initially presumed，原文如此）。

發表于Journal of power sources上的論文Effect of (Al, Mg) substitution in LiNiO2 electrode for lithium batteries顯示，采用NAM90/05/05（LiNi0.9Al0.05Mg0.05O2）正極的紐扣電池樣品在1.6cm2，0.2mA/cm2的倍率條件下可實現良好的循環性能并兼具約175mAh/g高容量。該論文接收于2005年、發表于2006年，彼時即認識到了無鈷電池的潛在優點（Although LiCoO2 is the predominant cathode material used in lithium batteries at present, its high cost and toxicity have led to much enormous interest in developing alternative cathode materials，原文如此），對高鎳材料進行了多元素摻雜與復合材料體系構建，取得了較好的正極性能，卻仍未有類似產品的工程化消息，這也說明了無鈷電池存在很高的技術難度。

綜合上述有效信息，我們估計：特斯拉的無鈷電池產品可能依托鎳酸鋰正極基材出發，Ni以外以采用Al/Mg/Mn之一或共摻雜構建材料體系的概率最大；鑒于目前學術論文對應樣品存在的低倍率（C/5）循環壽命測試結果較短（400次循環容量保持率不足70%）、容量不高（200次循環衰減至不足180mAh/g，400次循環衰減至不足160mAh/g）、紐扣電池可參考性不夠大等問題，以及考慮到鈷在改善鎳鋰混排、提升倍率性能方面的關鍵性用途，形成無鈷電池產品，尤其是高容量、長壽命、滿足快充和快放需求的高性能無鈷電池產品，仍需相當程度的科學-技術-工程層面努力；鈷大概率仍是高鎳動力鋰離子電池的必需元素。

3、電解液添加劑：踏上電池長壽命征途

公司電解液添加劑方面的技術布局同樣由Jeffery Raymond Dahn教授領銜。除前述學術文章外，還有若干技術專利，見下表（同一技術或有多地申請專利現象，不重復列入，下同）。相關專利所指應用領域涵蓋儲能和新能源汽車；測試電池多為容量1Ah以內的軟包電池，電解液采用NMC532/622正極搭配天然/人造石墨負極的經典組合；采取C/3充放倍率，若干循環后輔以一次準靜態充放；循環容量保持率從95%以上到不足80%不等。

J.R. Dahn教授團隊的學術論文對電解液添加劑相關工作進行了闡釋。

發表于Journal of The Electrochemical Society上的論文Dioxazolone and Nitrile Sulfite Electrolyte Additives for Lithium-Ion Cells（和專利DIOXAZOLONES AND NITRILE SULFITES AS ELECTROLYTE ADDITIVES FOR LITHIUM-ION BATTERIES同體系）以高單體電壓、高環境溫度存儲穩定性為目標，關注電解液添加劑在抑制石墨負極剝落、優化正極壽命表現方面的積極用途，測試了MDO、PDO、BS等可于室溫合成的電解液添加劑在鎳鈷錳三元正極-石墨負極軟包電池中的多項性能表現。

電池儲存過程中的產氣量和電池日歷壽命有較高相關性。J.R. Dahn教授團隊研究認為，添加劑PDO的性能優勢明顯。同時也可以看出，NMC532樣品的產氣量低于NMC622樣品，這也從側面證明，高鎳含量電池的化學活性高于低鎳電池；高鎳無鈷電池的實現確有技術難度。

進一步的分析表明，PDO協同VC，在4.3V、60oC、500h的儲存過程中優勢明顯，電壓降相比于其他組合最低；532正極電池的電壓降低于622電池。

3/C倍率、2.8-4.3V、40oC的電池循環壽命測試中，添加劑PDO也體現出了性能優勢，在和DTD、LFO協同的條件下性能最好。

研究最后肯定了PDO在負極成膜方面的積極用途，并認為添加劑的相互用途和性能優化是工作重點。我們估計，如上述結果可以線性外推，則添加劑組合對應的中等鎳含量NMC電池在較溫和的深充深放條件下有可能獲得循環壽命超過4000次的表現；以單車帶電量對應續航500km計，則生命周期續航或可超過百萬英里。

作為上述研究的部分深化，J.R. Dahn教授團隊2019年發表了論文A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies，認為20、40和55oC的長周期充放、長時間儲存測試可以作為電池壽命的參考基準，而且給出了基于單晶NMC532電池的測試結果。

測試使用的單晶NMC532軟包電池正極可逆容量175mAh/g，負極可逆容量350mAh/g，隨正負極活性物質載量新增體積能量密度提升。

關于電池而言，高倍率的充放電一定會影響有效容量；但是部分樣品顯示，有效容量基本未隨倍率的提高、循環次數的新增而逐步衰減。這意味著高倍率導致的極化現象雖然影響了電池有效容量的發揮，但電池和電解液的副反應有可能是可控、可抑制甚至是一定條件下（圖示中截止電壓降低，意味著充電深度降低）可阻止的。我們認為，這一方面有賴于電解液配方的調節、電解液-電極用途機理的研究（如作者團隊分析認為低倍率下長時間循環電池容量的衰減源于相對低壓條件下的存量鋰損失），一方面也有賴于優質單晶正極的使用及電池整體的性能優化。

最后，J.R. Dahn教授團隊認為，40oC條件下整車使用10年電池容量衰減至70%，行駛里程超過100萬公里；20oC條件下整車在25年的使用后電池容量還可以保留約90%。

綜合上述有效信息，我們認為：動力鋰電池的長壽命化是新能源車產品競爭力增強、保值率提升、消費者認可的關鍵內容之一；包括電解液添加劑在內的底層材料領域的開發是實現上述目的的核心路徑。特斯拉在相關方面的研究初步體現出了較強的競爭力（~4000次以上深充深放），而重要動力鋰電池公司同樣在此領域持續進行研發投入與成果轉化。在不太遠的將來，新能源汽車有望實現和燃油汽車的“同壽同權”。另外，長壽命電池和高鎳的兼容性相對較差，適當的鈷含量則大有裨益，這也說明動力鋰電池對鈷仍將有相當程度有效需求。