千億美元市值的特斯拉如何推動動力電池材料的變革發(fā)展？《2020新材料研究報告》正式發(fā)布|睿獸分析

創(chuàng)業(yè)邦的創(chuàng)作者·2020-07-08

本文概述了動力電池的發(fā)展路徑，分析了特斯拉為代表的新造車勢力在動力鋰電池行業(yè)進行的變革，指出動力電池材料需要不斷創(chuàng)新以更好地支持純電動汽車的發(fā)展。

編者按：本文為創(chuàng)業(yè)邦原創(chuàng)報道，作者程奎元，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。

新材料是人類一切社會生活和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性要素，一次次推動著技術(shù)革命的進步；同樣，在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、國產(chǎn)替代需求以及新基建等的推動下，新材料也不斷地發(fā)展創(chuàng)新，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的更高要求。

《2020新材料產(chǎn)業(yè)研究報告》正式發(fā)布，報告從新材料的定義、特征、驅(qū)動力等方面對新材料進行了介紹，根據(jù)應(yīng)用對新材料進行了梳理，并分析了動力電池材料、3D打印材料、第三代半導體材料和人造肉材料的發(fā)展現(xiàn)狀、市場格局以及創(chuàng)新機會。

本文概述了動力電池的發(fā)展路徑，分析了特斯拉為代表的新造車勢力在動力鋰電池行業(yè)進行的變革，指出動力電池材料需要不斷創(chuàng)新以更好地支持純電動汽車的發(fā)展。

Part.1

動力電池發(fā)展史——電池材料的性能的決定性

1.鉛酸蓄電池的發(fā)明使動力汽車成為可能

動力電池的發(fā)展最早可以追溯到19世紀50年代末：1859年，法國物理學家加斯東·普蘭特（Gaston Planté）發(fā)明了鉛酸蓄電池。那個時代，蒸汽機的發(fā)明引發(fā)了第一次工業(yè)革命，但由于蒸汽機太過笨重，蒸汽車在那時并沒有大規(guī)模普及。

普蘭特發(fā)明的鉛酸電池原型，來源：公開資料

那時富人可以擁有私人馬車，其他人只能租賃馬車使用。所以人們亟需一種便宜、簡潔、安全的出行工具，鉛酸電池的發(fā)明，提供了這種可能。1881年，法國科學家卡米爾·阿方斯·富爾（Camille Alphonse Faure）改進了電池的設(shè)計，第一輛用鉛酸電池為動力的三輪車誕生。這臺電動三輪車的動力裝置由一臺電動機和六節(jié)鉛酸蓄電池組成，加上乘員后的總重量達160公斤，時速僅12公里。

第一輛鉛酸電池電動汽車，來源：公開資料

1884年，英國發(fā)明家和實業(yè)家托馬斯·帕克（Thomas Parker）用他自己專門設(shè)計的高容量可充電電池，在倫敦制造了第一輛實用的電動汽車。

動力電池材料的不斷進步使電池性能不斷提升，電動車的優(yōu)勢得以凸顯。當時的電動車不僅比燃油車安靜，而且其可靠性要遠高于燃油汽車，并且更易于駕駛，并且價格低廉。

2.車企嘗試不同動力電池裝車，但動力電池材料的性能劣勢限制了電動汽車的發(fā)展

隨著道路的逐步擴建和完善，遠距離出行也成為了需求，電動汽車續(xù)駛里程短的弊端顯現(xiàn)，當時電動車續(xù)航里程普遍在40-65公里范圍，最高時速約在30公里/小時。鉛酸電池因其體積大、質(zhì)量大、能量密度小、功率密度低等原因，如果使用鉛酸電池驅(qū)動家用汽車行駛200km以上，需要將近1噸的電池，無法達到實用，加上早期電力傳動系統(tǒng)的制造成本過高等問題，沒有最終流行。

為了提高車輛的安全性和續(xù)駛里程，車企開始嘗試將不同的電池技術(shù)應(yīng)用于電動汽車。20世紀初，歐洲逐步開始電動汽車的研究，標致106車型廣泛應(yīng)用于歐洲各國政府部門，其采用的是鎳鎘電池；1996年，世界第一輛現(xiàn)代電動汽車通用EV1開始量產(chǎn)。早期的EV1使用鉛酸電池組，續(xù)航僅為96公里。后期車型升級后，續(xù)航可以達到160公里。最后使用的鎳合金電池組，續(xù)航能夠到達260公里。但總體來看，EV1續(xù)航能力仍不足，未被消費者所接受。

通用EV1，來源：公開資料

對于鎳氫電池來說，其具有穩(wěn)定性高、生產(chǎn)成本低、低溫性能好、回收價值高等優(yōu)點。但是它的缺點也比較明顯，能量密度較低，并且循環(huán)次數(shù)也并不太高，因此，純電驅(qū)動的車輛采用鎳氫電池并不合適。鎳氫電池目前也基本用于混動汽車上，如豐田普銳斯混動汽車。

豐田普銳斯混動汽車，來源：一汽豐田

比電池汽車晚誕生的燃油汽車，在歐美實業(yè)家的努力下，從車廠走向街頭。1885年，戴姆勒和本茨幾乎同時制成了汽油發(fā)動機，裝在汽車上，以每小時12公里的速度行駛，獲得了成功。此外，意大利、俄國、美國的發(fā)明家也制造出內(nèi)燃機汽車。1908年，福特開發(fā)出T型車，燃油汽車開始進入平民家庭。汽車進入了內(nèi)燃機時代。而電動汽車受制于電池，并沒有明顯的進步，陷入了長達半個多世紀的停滯。

3.鋰電池的商業(yè)化正式開始了新電動車時代

1976年，英國的科學家M.Stanley Whittingham，造出了可以充放電的鋰電池，電壓超過2V，但是安全性上還有很大問題；四年后，美國的JohnB. Goodenough研究出了鈷酸鋰電池，電壓達到4V；1985年，日本吉野彰（Akira Yoshino）在Goodenough成果基礎(chǔ)上，用更安全的鋰離子替代了純鋰，發(fā)明了采用碳材料做負極的鋰離子電池，從而讓鋰電池獲得了更高的穩(wěn)定性，確立了現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。這三位諾貝爾化學獎獲得者的努力，推動了鋰離子電池的誕生和應(yīng)用，電池進展就此加快。1997年，John B. Goodenough又開發(fā)出低成本的磷酸鐵鋰正極材料，加快了鋰離子電池的商業(yè)化。這三位也因為在鋰電池上的卓越貢獻成為了2019年諾貝爾化學獎的獲得者。

鋰離子電池以容量大，電壓高，循環(huán)性能好等優(yōu)越性能脫穎而出，成為最理想最有前途的電池。鋰離子電池顯然比鉛酸、鎳氫更適合作為車輛動力。

世界上第一輛鋰電池汽車是Prairie Joy EV。1996年，日產(chǎn)成功制造出汽車世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的電動車Prairie Joy EV。這款車最高時速120公里/小時，每次充電行駛里程超過200公里，并且鋰電池使用的是日產(chǎn)自研的專用于汽車的鋰電池。自此，鋰離子電池汽車正式登上舞臺。

隨后，各路電池企業(yè)開始將電動汽車鋰電池的研發(fā)提上日程，如LG化學等公司。雖然各路企業(yè)都開始了研發(fā)，但都不敢冒風險進行將鋰電池進行純電動汽車的商業(yè)化。第一個吃螃蟹的，就是如今市值第一的車企——特斯拉。

馬丁·艾伯哈德與馬克·塔彭寧這兩位創(chuàng)始人對電池并沒有自研和生產(chǎn)的能力，唯一的選擇就是去市場上選取合適的電池。松下當時研發(fā)出了正極材料為鎳鈷鋁酸鋰的18650電池，相比鎳鈷錳酸鋰電池性能更好，電量更足，正滿足特斯拉對電池的需求。特斯拉創(chuàng)造性啟用6,831節(jié)松下制造的18650三元鋰電池，并基于其極為先進的電池管理系統(tǒng)（BMS），組成動力鋰電池，從而令電動車咸魚翻身。2008 年，特斯拉Roadster跑車面世。這是鋰電池首次進入商用純電動汽車。雖然18650電池是電子產(chǎn)品常用電池，其散熱和安全性并不是為汽車產(chǎn)品設(shè)計的，但特斯拉運用了號稱世界上最頂級的電池管理系統(tǒng)，來保證電池的穩(wěn)定性。

Roadster，來源：Tesla

隨著特斯拉Model S、Model X、Model 3的成功，以及世界各國開始逐漸對傳統(tǒng)燃油汽車帶來的污染和能源問題的逐漸重視，全世界開始刮起純電動汽車熱潮。傳統(tǒng)電池企業(yè)和新造車勢力一起推動純電動汽車極速前進。

現(xiàn)在，動力電池的研發(fā)開始以汽車的需求出發(fā)，要求電池企業(yè)配合實現(xiàn)。在決定發(fā)力新能源汽車后，大眾、寶馬、戴姆勒、現(xiàn)代等企業(yè)不約而同向上游布局動力電池。他們很多都建立了電池研發(fā)中心，有的設(shè)立獨資或合資企業(yè)生產(chǎn)電池。他們起手的標準，自然而然地，就是引用車規(guī)級零部件的要求，做車規(guī)級動力電池。

中國將新能源汽車作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，投入巨大資源。中國的動力電池企業(yè)也較早實現(xiàn)裝車并商用化，也開始了車規(guī)級動力電池的探索。其中代表的企業(yè)是比亞迪和寧德時代。比亞迪在F3DM之后，也在2011年開始推出純電動車型，并且從電動大巴、電動出租車切入，逐漸擴展到私人電動汽車產(chǎn)品。比亞迪既產(chǎn)汽車，又產(chǎn)電池，在應(yīng)用層面走在前列。比亞迪長期是全球第一大電動汽車生產(chǎn)商，如今雖然被特斯拉超越，但仍然是突出企業(yè)之一，在動力電池上，也一直按照汽車需求在改進提升。

寧德時代成立于2011年，其前身是消費電池巨頭ATL。寧德時代第一個動力電池業(yè)務(wù)就是與華晨寶馬合作。寶馬集團曾向?qū)幍聲r代提供了800多頁紙的動力電池生產(chǎn)標準。最終，寧德時代的動力電池裝載到了寶馬多款電動、插電式混動上，目前已經(jīng)是寶馬第一大動力電池供應(yīng)商。由于寶馬的“認證”效應(yīng)，其他車企紛紛采購。2018年起，寧德時代就成為全球第一大動力電池供應(yīng)商。特斯拉逐步開始國產(chǎn)化后，也與寧德時代達成了協(xié)議，后續(xù)為特斯拉部分車型提供動力電池。

目前，從全球范圍來看，目前車載鋰離子動力電池的競爭主要集中在中、日、韓三國。日本的松下，韓國的三星、SK、LG，以及中國的寧德時代、比亞迪被認為是目前全球電動汽車動力電池的龍頭企業(yè)，占據(jù)著主要的市場份額。根據(jù)SNE Research發(fā)布的2018年全球動鋰電池出貨數(shù)據(jù)顯示，日本松下的動力鋰電池出貨量成為全球動力鋰電池出貨量第一的企業(yè)，出貨量達到13.38GWh，而我國寧德時代以出貨量11.07GWh位居第二。前10名中，有6家企業(yè)來自中國。

Part.2

特斯拉不斷改變著動力鋰電池行業(yè)規(guī)則，推動動力鋰電池行業(yè)的變革

從選擇18650電池讓鋰電池正式在純電動車上商用開始，特斯拉通過卓越的電池管理系統(tǒng)（BMS）和對電池的自研滲透，不斷改變著動力鋰電池的行業(yè)規(guī)則。

1.先進的BMS使三元鋰電池成為主流

2008 年特斯拉首次使用松下的18650三元鋰電池電芯作為車輛的動力電池，并且在 Roadster 上試驗過之后，開始在Model S上大規(guī)模使用。

借助三元鋰電池在能量密度上的優(yōu)勢，特斯拉Model S的續(xù)航能力大幅突出同年份使用磷酸鐵鋰、錳酸鋰作為動力電池的純電動汽車。而當時普遍認為三元鋰電池不過是消費電子中使用的電池，并不符合車規(guī)的需求，并且在循環(huán)壽命上遠低于磷酸鐵鋰電池。但是特斯拉巧妙地通過先進的BMS管理好了這 6,000 多節(jié)電池，而大幅提升的續(xù)航能力也規(guī)避了三元鋰電池在循環(huán)壽命上的短板。

特斯拉通過技術(shù)手段，成功地利用了三元鋰電池的優(yōu)點，規(guī)避了缺點。在特斯拉率先嘗試了三元鋰電池之后，整個行業(yè)對三元鋰電池的看法逐漸開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，而中國新能源補貼政策中能量密度的門檻也在不斷提升，通過政策的手段引導車企放棄磷酸鐵鋰，換用三元鋰電池。這是特斯拉第一次引導整個行業(yè)技術(shù)路線的轉(zhuǎn)變。

來源：容百科技招股書，公開信息，睿獸分析

特斯拉也在不斷探索能增效降本的鋰電池材料。

2016年，這一年特斯拉推出了全新的2170三元鋰電池，正極材料中“鎳”的比例大幅提升，“鈷”的比例大幅下降，正極材料中“鎳”的比例達到了90%，而 2016年行業(yè)的主流水平只有 40%。

更高比例的“鎳”可以提高電芯的能量密度，但是帶來的弊端是更差的熱穩(wěn)定性，極低的“鈷”含量可以大幅降低電芯的物料成本，但是帶來的弊端是更低的快充速度。

但是從結(jié)果來看，特斯拉成功地利用了高能量密度以及低成本的優(yōu)勢，通過在Pack中布置更長的液冷管路、預(yù)留泄壓孔、單個電芯設(shè)置熔斷保護裝置等方式克服了高能量密度2170電芯的缺點。

這又是一個通過技術(shù)手段，規(guī)避缺點利用優(yōu)點的案例。而現(xiàn)在乘用車動力電池發(fā)展方向也是通過提高“鎳”的比例來提高電池能量密度，做到更長的續(xù)航。

特斯拉一直在打破這個行業(yè)的物理認知，引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展，自從特斯拉使用磷酸鐵鋰電池的計劃曝光之后，已經(jīng)有廠家在打算從三元鋰換到磷酸鐵鋰，這種影響力不可謂不大。

在Model S上，特斯拉采用了松下的18650電芯，Pack的封裝為特斯拉獨立完成。

到Model 3上，不僅Pack的封裝技術(shù)是特斯拉的，采用的 2170 電芯也是特斯拉與松下共同研發(fā)，并且在特斯拉Gigafactory 1生產(chǎn)的。

2016年與Jeff Dahn研究小組達成5年合作。Jeff Dahn研究小組2008年開始研究儲能材料的物理和化學性質(zhì)（主要是在鋰離子電池領(lǐng)域），他們的目標就是提高電池的能量密度、提升電池安全性、降低成本并提高電池的循環(huán)壽命，從而降低汽車和儲能應(yīng)用的成本。

2019 年2月特斯拉宣布以溢價55%的價格收購了Maxwell公司，這家公司掌握的兩項核心技術(shù)分別為干電極技術(shù)和超級電容技術(shù)。其中干電極技術(shù)帶來的好處是可以提升10% 的電池能量密度，并降低10%的成本，同時還可以提高電池的生產(chǎn)效率。

特斯拉也開始了自產(chǎn)電池的計劃。據(jù)Electrek 報道，特斯拉在Fremont工廠建設(shè)了一條電芯的試生產(chǎn)線，這是特斯拉的一個秘密項目，代號Roadrunner，該項目的目標是應(yīng)用“機器制造機器”的策略來大規(guī)模生產(chǎn)便宜的電池。

Part.3

動力電池材料和技術(shù)的創(chuàng)新是純電動汽車發(fā)展的強大驅(qū)動力

特斯拉在動力電池材料、技術(shù)等方面的持續(xù)創(chuàng)新和突破是其保持持續(xù)突出的重要原因。動力電池作為純電動汽車的核心部件，對電池的技術(shù)話語權(quán)決定了純電動車企推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能力，也決定了未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展走向。如果沒有足夠研發(fā)投入，產(chǎn)品的上限只能取決于供應(yīng)商的能力。這也是蘋果自研芯片進一步整合生態(tài)的決定要素之一。

所以不斷地在電池材料和技術(shù)等方面進行創(chuàng)新，從而提升電池性能，才能持續(xù)推動純電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。掌握了電池核心技術(shù)的企業(yè)也掌握了產(chǎn)業(yè)的話語權(quán)，能進一步造成產(chǎn)業(yè)的質(zhì)變，為電動汽車行業(yè)帶來新的增長動能。

動力電池領(lǐng)域仍存在大量的創(chuàng)新機會，正負極材料、固態(tài)電解質(zhì)材料、BMS等都有巨大的創(chuàng)新潛力。以下羅列了世界部分動力電池創(chuàng)新企業(yè)，相信它們會和各車企和傳統(tǒng)電池企業(yè)一道，共同創(chuàng)造純電動汽車的未來。

Part.4

《新材料研究報告》其他內(nèi)容概述

新材料的“新”在于性能新、工藝新、應(yīng)用新、需求新

新材料定義：應(yīng)用在傳統(tǒng)行業(yè)或新興行業(yè)中，基于新工藝技術(shù)而生產(chǎn)的出具有高壁壘和難替代性的，使傳統(tǒng)材料性能明顯提升、或擁有傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)異性能或特殊性能的材料，從而滿足原有產(chǎn)業(yè)需求升級或新需求。

新材料與人類生產(chǎn)生活的發(fā)展相輔相成

新材料是人類一切社會生活和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性要素，一次次推動著技術(shù)革命的進步；反過來，滿足社會發(fā)展的需求是材料不斷創(chuàng)新與發(fā)展的源動力。

我國新材料行業(yè)規(guī)模2019年占全球22.8%；發(fā)達國家新材料行業(yè)整體突出，我國在細分領(lǐng)域已取得優(yōu)勢突破

發(fā)達國家在國際新材料產(chǎn)業(yè)中占突出主導地位。龍頭企業(yè)集中在歐美、日本。巨頭憑借其技術(shù)開發(fā)、資金和人才等優(yōu)勢在高技術(shù)含量、高附加值的新材料產(chǎn)品中占主導地位，并加速全球新材料產(chǎn)業(yè)的壟斷。例如，英國鋁業(yè)、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化學、日本帝人、日本TORAY、韓國LG等大型跨國公司．正加速對全球新材料產(chǎn)業(yè)的壟斷。

亞太地區(qū)尤其是中國，新材料產(chǎn)業(yè)憑借政策、資金等扶植處在一個快速發(fā)展的階段，產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善。中國已在新材料細分領(lǐng)域取得優(yōu)勢性突破，如半導體照明、稀土永磁材料、人工晶體材料等領(lǐng)域。