1证券研究报告作者：行业评级：行业报告| 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明汽车强于大市2021年11月18日分析师于特SAC执业证书编号：S1110521050003特斯拉引领新技术系列一：4680电芯、CTC技术和一体化压铸技术行业专题研究 2•4680电芯：进一步优化能量、续航、功率和成本。4680电芯在设计方面采用了更大的46mm电芯直径和无极耳技术，在电池容量、能量、续航里程、功率和成本方面均进行优化提升。在电池材料的使用方面，阳极采用的新型硅材料，进一步降低电池成本；阴极材料多样化，根据不同的阴极材料特性适配不同需求的车型。并且简化了阴极材料的生产工艺，进一步降低电池组成本。我们认为4680电芯有可能以标准化产品的形式推进应用，并可能凭借快充能力优于方壳电芯的特点，影响动力电池的未来格局。•CTC技术：电池既是能源设备，也是结构本身。CTC技术以飞机的机翼为灵感，在物理层面实现创新。取消Pack设计，电池组既是能源设备，同时也作为车身结构的一部分，前后链接两个车身大型铸件，并将电池组上盖作为车身的座舱底板。CTC整包封装技术的应用，将有助于车辆的结构进一步单元化，从而降低车辆制造成本。特斯拉柏林工厂将采用CTC技术生产Model Y。我们认为，CTC方案是未来电动汽车电池成组技术的重要发展方向。•一体化压铸技术：减轻重量、减少部件、降低成本。Model Y将采用一体式压铸后地板总成，相比原来可减少部件数量，降低制造成本。特斯拉下一步将应用2-3个大型压铸件替换整个下车体总成，进一步减轻重量、减少部件、降低成本。由特斯拉和压铸机厂商联合定制的Giga Press压铸机，以及特斯拉的独家铝合金配方是特斯拉一体化压铸技术的主要壁垒。我们认为特斯拉未来可能实现白车身一次压铸成型，从而完全取消组装生产线。•【投资建议】伴随特斯拉新技术的应用、新工厂产能爬坡、自动驾驶技术升级以及新车型后续推出，我们看好特斯拉产业链的高增长机遇，建议关注受益于特斯拉产销扩大及国产化率提升的产业链核心标的【拓普集团、旭升股份、均胜电子、银轮股份、常熟汽饰、新泉股份、岱美股份、宁波华翔、宁德时代（电新团队覆盖）、三花智控（家电团队覆盖）】等。•风险提示：新能源汽车行业景气度下行风险、新能源汽车渗透率提升不及预期、缺芯影响汽车产量，供给受限。天风汽车团队摘要 目录3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明特斯拉产业链及潜在标的公司4680电芯：进一步优化能量、续航、功率和成本1、CTC技术：电池既是能源设备，也是结构本身2、一体化压铸技术：减轻重量、减少部件、降低成本3、4、 4680电芯：进一步优化能量、续航、功率和成本14请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5天风汽车团队1.1 实现可持续能源目标，需要更具扩展性的能源解决方案•三大方面：在2020年9月22日特斯拉电池日上，马斯克表示，可持续能源未来将由三个部分组成，分别是：可持续能源生产，储能和电动汽车。为了加速向可持续能源过渡，需要生产更多价格实惠的电动汽车、储能以及以更少的投资建设更多的电池工厂。•新的计量单位“太瓦时”：特斯拉提出了terawatt“太瓦时”（万亿度）这一新的计量单位，terawatt是gigawatt“吉瓦时”（十亿度）的一千倍。特斯拉认为,若实现真正向可持续能源的过渡，需要每年20 terawatt 的电池产量。按照现在内华达超级工厂每年150 gigawatt 的电池产量，需要建设135座超级工厂，显然这种方案的可拓展性不足。资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所图：单纯建设更多超级工厂的解决方案，可拓展性不足 6天风汽车团队1.1 实现可持续能源目标，需进一步改善成本曲线•改善电动车成本曲线，生产更多价格实惠的电动汽车，才能进一步实现向可持续能源的过渡。近年来，电池成本曲线的改善趋于平缓，因此若想在改善成本曲线上实现突破，需要重新思考电池的生产和设计方式。•五大措施：特斯拉通过电芯设计、电芯工厂、阳极材料、阴极材料、整车整合这五大措施提升电池的性能和质量、车辆的续航里程，从而改善成本曲线。资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所图：特斯拉采取5大措施改善电动车成本曲线图：近年来电池成本曲线的改善趋于平缓 7天风汽车团队1.2 4680电芯：从第二代2170电芯到第三代4680电芯•2020年9月22日，马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代4680电芯，采用了无极耳、新型硅材料、无钴技术；4680在电池容量、能量、续航里程、功率和成本方面均进行优化提升。•命名方式：前两位代表直径，46mm；后两位代表高度，80mm。•亮点：第三代电芯具有更大的成本优势。2170作为特斯拉的第二代电芯，能量比第一代1865提升了50%；4680相比2170的能量提升5倍、续航里程提升16%、功率提升6倍、在电池组层面每千瓦时成本降低14%。•合作伙伴：目前，特斯拉的合作伙伴有松下、宁德时代和LG，未来可能有更多合作伙伴。图：第三代4680电芯亮点资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所图：相比第一代1865，第二代2170能量提升50% 8天风汽车团队1.2 4680电芯：46mm直径，更好地平衡电芯体积与续航提升•46mm直径，更好平衡电芯体积与续航提升。4680电芯采用圆柱体结构，46mm的直径，使得4680的电芯容量是2170的5倍，续航里程增加16%，功率提升6倍。•续航里程和成本改善随电芯直径的增加，呈边际递减。下图（右）所示，在46mm的直径尺寸，能够更好地平衡成本与续航里程。图：4680电芯，采用46mm直径资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所图：续航里程与成本改善，随电芯直径的增加边际递减 9天风汽车团队•4680电芯相比2170，在电池组层面，每千瓦时成本降低14%。单个4680电芯的体积是2170的5.48倍，但外壳表面积却不到2170的3倍，以更少的外壳用料实现了5倍的容量提升。•电芯数量与成组率：更少电芯数量，更高成组率。在同样用于75kWh的电动车里，需要4400个2170的电芯，若换为4680电芯仅需要950个；同时，更少的电芯数量降低了组装时间，提升成组效率，带来了成本优势。图：在电池组层面，4680电芯成本相比2170降低14%1.2 4680电芯：电池组层面，每千瓦时成本降低14%资料来源：特斯拉电池日发布会、爱卡汽车、天风证券研究所 10天风汽车团队1.2 4680电芯：无极耳技术，安全性能提升•4680电芯在安全性方面实现了突破：46mm的电芯直径，单位表面积的散热压力更大，从而影响充电速度和循环使用寿命。特斯拉采用的解决方法是采用无极耳技术。•无极耳技术可提高导电面积，降低内阻，提高电流，更易规模化生产：无极耳技术简化了电池生产过程中的绕制和涂料流程，提高导电面积，从而降低电芯内阻，提高电流。更低的内阻可以限制电池发热；更大的电流可以提升充电速度，4680电芯的充电速度可媲美2170电芯。•电芯单体体积增大，充分利用电芯空隙：相比方形电池和软包电池电芯间的紧密连接，4680的圆柱弧形表面，能够一定程度上限制电池之间的热传递。圆柱电芯即便充分接触，各电芯之间仍留有较大的间隙，从而减少电芯之间的热传递；并且，特斯拉通过电芯的横向排布，电芯间插入液冷散热片等方法，进一步优化温控效果，从而提升车辆的续航里程。图：传统电池中的极耳与无极耳的对比图：电芯横向排布，中间插入液冷散热片资料来源：特斯拉电池日发布会、太平洋汽车网、天风证券研究所 11天风汽车团队1.3 阳极：采用新型硅材料，成本降低5%，续航提升20%•高度加工的硅材料，成本较高，不具可扩性：由于硅本身的特性，在充满锂离子时其体积会膨胀四倍，压力会导致硅粒子绝缘，最终损失电池容量。因此，目前工业使用的硅都是经过高度加工的，例如以氧化硅、碳化硅等形式，并且较为昂贵。•新型硅材料，降低电池成本，提升续航里程：特斯拉使用原始的硅作为阳极材料，不对硅本身进行加工，而是通过电极设计和涂层设计入手。并且在此方法下，相同的硅材料可生产的电池数量将大幅提升。在电池组层面，阳极每千瓦时成本降低5%，成本降至1.2$/KWh，车辆的续航里程增加20%。•硅材料处理过程：使用弹性离子导电聚合物涂层稳定表面。该涂层通过一种非常可扩展化的方法应用于表面，没有化学气相沉积，然后通过由高弹性粘合剂形成的坚固网络将其集成到电极中。图：硅的体积膨胀，最终导致电池容量损失图：新型硅材料处理过程资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所 12天风汽车团队1.4 阴极：无钴化“高镍阴极”•无钴化“高镍阴极”：阴极可采用铁、钴、镍等材料，不同的材料的区别在于：结构的稳定性、可以容纳的锂离子数量。钴的结构最为稳定但是成本较高，镍可以更好的兼具成本和能量密度。特斯拉采用无钴化的“高镍阴极”，每千瓦时成本降低15%。图：阴极结构图：“高镍阴极”，每千瓦时成本降低15%资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所 13天风汽车团队1.4 阴极：材料多样化，三个电池组级别•阴极材料多样化：由于阴极的不同材料其成本和结构稳定性不同，以及考虑到镍的供给，因此，特斯拉采用“多样化阴极”的方法，即不同阴极材料的电池将搭载在不同车型上，以更好的平衡成本和性能。•三个电池组级别：单纯从能量密度的角度，镍的能量密度约为铁的两倍，但从电池组层面，综合各方面因素，镍比铁具有50%-60%的性能优势。因此特斯拉将电池组分为三个级别，分别搭载不同车型。•铁为阴极材料的电池，将搭载在中程续航的车型上，优先考虑电池寿命；•镍锰（2:1）为阴极材料的电池，将搭载在中长续航的车型上，优先考虑电池的续航里程；•高镍电池将搭载在Cybertruck和Semi车型上，优先考虑电池的能量密度。图：多样化阴极方法，适配不同车型资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所 14天风汽车团队1.4 阴极：简化阴极生产工艺•传统的阴极生产工艺，生产工艺复杂、阴极材料转换效率低，且产生大量废水和副产品。•新的阴极生产工艺，以水和金属为原料，简化加工步骤，最终得到阴极材料和可循环的水。•效果：简化后的阴极生产工艺可降低投资成本66%，降低生产成本76%，零废水排放，更具规模化效应。•更有效的回收: 新的阴极生产工艺可以直接使用镍粉作为原料，简化金属冶炼步骤，更加环保。并且可以更加有效地利用回收的电动汽车和电网电池中的金属粉末。图：传统与新型阴极生产流程的对比图：新型阴极生产流程的效果资料来源：特斯拉电池日发布会、天风证券研究所 15天风汽车团队1.5 4680电芯的挑战：一致性•电芯的一致性问题是提升电池容量带来的挑战之一。4680电芯相比2170直径增大两倍以上，容积是2170电芯的5倍，这导致在电芯的生产过程中可能出现电芯容量、电芯内阻的不一致性问题。•电池组遵循“木桶原理”：电池组由电芯单体组成，电池组遵循“木桶原理”，即电池组的容量、寿命取决于容量最低、寿命最短的那根电芯。电芯容量的不一致性，会导致电池组的容量损失；内阻的不一致性会导致单个电芯的发热量不同，相同的电流，大内阻电芯的发热量更大，因此劣化速度更快，折损整个电池组的寿命。图：电池放电示意图图：电池组资料来源：特斯拉电池日发布会、太平洋汽车、天风证券研究所 16天风汽车团队1.5 4680电芯的挑战：量产•4680电芯的量产具有一定的难度，90% 的良品率是实现量产的要求。根据IT之家的报道，在早些时候，4680电芯的良品率仅为20%，在经过不断的技术改良之后，良品率已提高至70%-80%。•目前，在美国的德克萨斯州的“试点工厂”已经在少量生产4680电池，德国柏林超级工厂也在开展关于4680的新型电池的工作。•在2021年10月特斯拉柏林工厂开放日的讲话中，马斯克表示德国的电芯工厂预计在2022年年底前实现量产,在此之前,电池将很有可能由中国上海的特斯拉超级工厂供应。图：美国德克萨斯州特斯拉超级工厂试点生产4680电池资料来源：特斯拉电池日、特斯拉柏林工厂开放日演讲、IT之家、天风