1. 4680電池采用新設(shè)計新構(gòu)型，良率突破是量產(chǎn)關(guān)鍵

I. 什么是4680？為什么是4680？

什么是4680？4680電池，即直徑46mm，高80mm的電池。于2020年9月的特斯拉電池日首次公開發(fā)布，相較于特斯拉此前采用的 2170電池，4680電池的電芯容量是其5倍，能夠提高相應車型16%的續(xù)航里程，輸出功率6倍于2170電池。

為什么是4680？46：從21mm到46mm，系增加單體電池尺寸可攤薄非活性物質(zhì)占比，降低固定成本和BMS管理難度，46mm之后熱管 理難度增加，降本收益為負，故46mm即為增大電芯尺寸后降本程度最大的最優(yōu)點 ；80：80mm的高度相較此前70mm有所增加，可在徑向散熱不惡化的情況下增大單體容量。一般因各家底盤設(shè)計而異， 例如寶馬采用4695。

II. 4680目前兩種結(jié)構(gòu)方案對比

傳統(tǒng)方案：負極耳所在一端朝向鋼殼槽底面；正極耳從開口端引 出，與正極端子焊接連接 ；采用脈沖激光穿透焊，將鋼殼基底通過凹槽與負極全 極耳焊接連接；優(yōu)勢：無負極集流盤的結(jié)構(gòu)不占用鋼殼高度方向上的 空間，提高空間利用率 ；劣勢：當電池壁厚增加，穿透焊難以將極耳與殼體底 部焊接牢靠。

新方案：正極集流盤直接焊接到正極柱，正極柱卡在殼體槽底的開口上，之間設(shè)有絕緣 密封件；電芯為全極耳結(jié)構(gòu)，兩端面分別和正、負極集流盤連接，極柱通過正極集流盤 和電芯電性連接，殼體和負極集流盤電性連接；蓋板和殼體的槽口連接，蓋板上刻蝕有防爆線。

2.特斯拉打出4680電池“組合拳”，全球頭部電池供應商跟進

I. 特斯拉：4680+全極耳+高鎳高硅+干電極+CTC=續(xù)航長、充電快、成本低

為什么要用全極耳？——打破了能量與功率密度不能同時提升的約束

電：減少電子流過路徑，降低內(nèi)阻。2170電子在集流體里流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約1000mm，按銅的電導。

熱：產(chǎn)熱方面，電阻減小發(fā)熱減少（全極耳電池發(fā)熱僅為單極耳的1/5）；散熱方面，沿徑向形成強導熱路徑，可在僅 底部布置冷板（原來2170是蛇形管冷卻側(cè)壁），熱管理難。

工：2170/18650的極片上需要將留出空白區(qū)域給極耳。全極耳可避免斑馬涂布，簡化工序。

為什么全極耳沒有在2170上得到大規(guī)模應用？

彼時快充性能要求沒有現(xiàn)在高；實際上，2170也有少數(shù)應用全極耳的案例，例如比克電池曾為一款跑車配套2170全極耳電池 ；相比于4680，2170空間受限，不易操作；同時集流盤占到電池體積比例比4680高，影響能量密度 ；因此，大電池是全極耳的應用前提。

為什么要用高鎳高硅？跟方形高鎳高硅+CTP的方案有何區(qū)別？

從原理上看，4680圓柱形電池只是一種封裝形式，不限材料體系。但從應用層面上，高鎳高硅才能發(fā)揮出4680大圓柱 較方形熱性能更優(yōu)、內(nèi)應力分布均勻的優(yōu)勢。

能量密度：由于圓柱形電池集成效率較方形低，即要做成相同能量密度的pack，圓柱形的單體能量密度必須要比方形 高。因此，要達到更高的pack能量密度，天然要求圓柱搭配高鎳。

高鎳適配程度：圓柱比方形更適配高鎳。核心原因是方形高鎳為面接觸，且單體電池大，體心內(nèi)產(chǎn)熱不易釋放，熱失 控設(shè)計不好控制；另一方面，鐵鋰化學性質(zhì)穩(wěn)定，對散熱和熱失控要求較三元低，因此方形CTP非常契合鐵鋰體系的 電池，充分發(fā)揮方形集成度高的優(yōu)勢，但熱失控設(shè)計有難度的短板。4680+鐵鋰在乘用車上失去了4680的優(yōu)勢，可能 未來在二輪車、電動工具上有應用。

此外，由于負極添加硅后會膨脹，圓柱形比方形內(nèi)部應力分散更均勻，方形在此方案下容易造成顆粒破碎，影響性能 和壽命。因此，為極致提升電芯能量密度選擇高硅方案搭配高鎳。

高鎳高硅4680+CTC vs 磷系方形+CTP？

CTP是電芯廠向整車廠奪回pack的產(chǎn)值，CTC是整車廠向電芯廠搶話語權(quán)的手段 ；特斯拉自制電池，除了掌握CTC技術(shù)，還有向外采供應商壓價的作用 ；因此，未來特斯拉的電池供應格局預計會出現(xiàn)：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分電池廠外供高 鎳高硅4680+CTC。

低成本實現(xiàn)路徑

低成本=大電芯攤薄非活性物質(zhì)成本+盡可能做高能量密度攤薄總體單Wh成本+生產(chǎn)過程簡化節(jié)省成本 。

非活性物質(zhì)成本：以結(jié)構(gòu)件為例，2170電池殼體+蓋帽2元，4680目前為10元左右，長續(xù)航M3需要用2170/4680電芯 4400/960個，目前對應單車價值量8800/9600，因此單車電池結(jié)構(gòu)件成本基本持平。后期量產(chǎn)后降價空間巨大（假設(shè)還 能降本30%，單結(jié)構(gòu)件就能比2170節(jié)省約2000元）。2170 vs 4680，Pack面積：2.7:2.57；Pack電量：95:82 。（報告來源：未來智庫）

盡可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vs LG2170 247wh/kg），硅碳+83系高鎳能量密度300wh/kg，91 系目標350-400Wh/kg

不同良率下能夠做到的單Wh成本：97%-98%的石墨+高鎳 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680為0.8-0.9。

生產(chǎn)過程中節(jié)約的成本——主要是前段的干電極技術(shù)：將正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）粘結(jié)劑混合，使其纖維化， 直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，制備出正負極片。可省略繁復的輥壓、干燥等工藝，大幅簡化生產(chǎn)流程， 提升生產(chǎn)效率，節(jié)省成本。

II. 產(chǎn)業(yè)鏈：Rivan、Lucid已用2170，寶馬立項，全球頭部電池廠入局

產(chǎn)業(yè)鏈如何跟隨

整車：特斯拉2021年全年交付量94萬輛，同比+87%。2022年交付量目標增長+50% 。

特斯拉德州和柏林工廠已經(jīng)開始試生產(chǎn)，本季度德州工廠將交付首批搭載4680的Model Y；同時，特斯拉2022年2月19 日在社交媒體上宣布，1月份已生產(chǎn)出第100萬塊4680電池 ；此前在2020年的Battery Day上，特斯拉曾計劃到2022年電池產(chǎn)能達到100GWh，考慮到建設(shè)進度的延后，2022年有效 產(chǎn)能約在5-10GWh。美國造車新勢力Rivian和Lucid Air均已應用2170電池，由三星SDI供應，后續(xù)LG有望切入。寶馬集團亦有4695電池開發(fā) 計劃，將在下一代車型上應用。

電池廠：對于特斯拉來說，隨著4680的推廣，將來在國內(nèi)需要有兩三家代工廠來實現(xiàn)更大的產(chǎn)能 。

各大電池廠跟進布局4680電池，2023年有望迎來爆發(fā)元年 。

海外：特斯拉2020年9月率先公布，將于2022Q1開始交付搭載4680電池的Model Y；松下計劃2022H1在日本開始試生 產(chǎn)4680電池，2023年進行量產(chǎn)；LG將在韓國梧倉工廠擴建4680電池產(chǎn)能，計劃2022-2023年量產(chǎn)；三星SDI計劃2024 年實現(xiàn)量產(chǎn)，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生產(chǎn)出第一款4680電池，計劃2024年實現(xiàn)量產(chǎn) ；

國內(nèi)：寧德時代正加快研發(fā)節(jié)奏，計劃2024年量產(chǎn)；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圓柱產(chǎn)品，預計2023年量產(chǎn)；億緯鋰能2021Q4在荊門投產(chǎn)20GWh大圓柱電池產(chǎn)能項目，預計2024年可實現(xiàn)4680電池量產(chǎn)。

3. 4680驅(qū)動高能量高倍率主輔材應用，為結(jié)構(gòu)件和設(shè)備升級帶來新機遇

I. 主輔材

硅基負極：下一代主流負極材料，4680量產(chǎn)帶動需求爆發(fā)

硅基負極材料作為理想的下一代負極材料，純硅比容量是石墨的10倍，但純硅在充電過程中膨脹近3x，目前采用氧化硅 摻雜，目前摻雜含量約5%，4680電池有望提升至10%以上。

補鋰劑：補齊硅碳負極首次庫倫效率短板

首次庫倫效率是硅碳負極的短板：鋰電池在首次充電過程中，有機電解液會在石墨等負極表面還原分解，形成固體電解 質(zhì)相界面(SEI)膜，永久地消耗大量來自正極的鋰，造成電池容量的不可逆損失，目前石墨不可逆容量損失＞6%，而對于 具有高比容量的硅基負極，不可逆容量損失甚至10%～20% 以上 ；

硅碳負極除首效低外，循環(huán)過程中SEI膜會“呼吸”再生，降低循環(huán)壽命，對補鋰劑需求更強烈：硅碳負極的膨脹相較石 墨負極更為嚴重，致使負極材料不斷粉化、脫落，增加與電解液接觸的表面積，因此形成的SEI膜更厚；

正極補鋰的原理：在正極合漿的過程中添加少量高鋰容量、低脫鋰電位的材料（補鋰劑），在充電過程中Li+率先從補鋰 劑中脫出，抵消SEI膜造成的不可逆鋰損耗，提高電池的有效容量，彌補硅碳負極在首次庫倫效率上的短板。

碳納米管：硅碳負極將拉動單壁碳納米管的用量

由于硅碳負極材料的導電性能差，因此需要添加碳納米管（CNT）以增加活性物質(zhì)之間的導電性，提升電池能量密度；根據(jù)石墨烯片的多少，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：多壁碳納米管具有較高的剛性，而單壁碳納米管 柔韌性強、長徑比更高、有效添加量僅為0.1%，可有效解決硅碳電池在充放電過程中導致的體積膨脹和裂縫問題 ；天奈科技目前是全球碳納米管的龍頭企業(yè)，公司已布局硅碳負極的導電漿料技術(shù)，可轉(zhuǎn)債方案落地，產(chǎn)能擴張將加速推 進；此外，化工企業(yè)如石大勝華、炭黑龍頭黑貓股份等企業(yè)也在積極布局碳管生產(chǎn) ；4680電池帶來硅碳負極用量的提高，將帶動單壁碳納米管的用量，單壁CNT粉體價格約為1300萬元/噸，在負極添加比 例為0.1%左右。

LiFSi：適用于高鎳高壓高倍率電池的新型鋰鹽

4680電池應用高鎳導致熱穩(wěn)定性降低、充放功率高要求電解液導電性能提升。三元正極隨著鎳含量提升熱穩(wěn)定性降低， 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。4680采用全極耳結(jié)構(gòu)，追求高倍率性能。高鎳高倍率對鋰鹽性能要求提升。

雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSi)為一種新型電解液溶質(zhì)鋰鹽，具有更好的低溫放電和高溫性能保持能力、更長的循環(huán)壽命、更高 倍率放電性能、更高的安全性能；

用量：兩種用途，1）1%~3%， 一般可視為添加劑；2）3%~5%，成為LiPF6成的輔助鋰鹽。一般而言，5/8/9系用量為0. 5%-1%/1%-2%/2.5%。負極如果使用硅碳，用量有望達4%-5% ；

價格：?LiFSi已完成50%降本，還有25%下探空間。此前由于其高昂的價格（售價40-45萬元/噸）與六氟相比不具備經(jīng)濟 性優(yōu)勢，由于供需不平衡，目前六氟價格已達58萬元/噸，LiFSI具備階段性相對經(jīng)濟性優(yōu)勢，但絕對值仍處于較高位。另 一方面，LiFSI的降本仍在繼續(xù)（2016年90萬元/噸降至如今45萬元/噸），目前LiFSI成本約20萬元/噸，數(shù)據(jù)預測隨著技 術(shù)突破，2022年LIFSI售價有望降至35萬元/噸以內(nèi)，最終成本有望降至15萬元/噸以內(nèi)。

PVDF：用量增加，供需缺口擴大

PVDF在電池中主要用在正極、隔膜中，充當粘結(jié)劑。正極：以油溶性PVDF為主，占到高達90%，用量占到正極材料的1%-3%。4680大圓柱電池高鎳預計與2170相當 ；隔膜：在接觸負極側(cè)加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳負極粉的穩(wěn)定性；2）貼得更緊，提升能量密度；3）提升保 液性。假設(shè)PVDF涂層1μm，PVDF密度為1.8g/cm3，1GWh用量約20噸 ；粘結(jié)劑（非活性物質(zhì)）用量過降低能量密度和導電性能，預計4680電池PVDF總用量增加至正極材料質(zhì)量分數(shù)6%左右。（報告來源：未來智庫）

II. 結(jié)構(gòu)件：新結(jié)構(gòu)新設(shè)計，價高格局好

相比2170電池，4680電池結(jié)構(gòu)件價值量提升 。4680各家方案不同，結(jié)構(gòu)件定制化程度高，目前還是非標產(chǎn)品，價格提升（殼體+蓋帽：2170 <2元 vs 4680 目前10元 左右），另一方面競爭格局比方形和2170優(yōu)化；廠家采購意愿更趨于殼體和蓋帽整套采購。一方面是非標品，合格供應商稀缺；另一方面主要系目前電池良率低，分開 采購增加不良率風險；

非標品和行業(yè)壁壘提升格局更優(yōu) ；?非標品，要求公司開模能力和know-how積累 ；壁壘提升：尺寸增加，加工精度控制更困難；壁厚增加（2170 vs 4680=0.2 vs 0.6 mm），為了增加強度用預鍍鎳鋼帶， 加工難度提升

III.設(shè)備：利好激光模切、激光焊設(shè)備與殼體生產(chǎn)設(shè)備供應商

全極耳因極耳排列緊密，采用五金模切難度高，且部分方案中極耳寬度沿著極片長度而變化，因此激光模切更適用。

激光焊設(shè)備受益于4680方案，疊加行業(yè)內(nèi)主要電池廠亦規(guī)劃有產(chǎn)能，有望迎來量利齊升 。4680方案增加了全極耳+集流盤的焊接，焊點數(shù)量相較于21700電池提高5倍以上，焊接設(shè)備數(shù)量增加3倍 ；焊接工藝難度大幅增加，設(shè)備可能會從原來的脈沖激光器變?yōu)檫B續(xù)激光器，價值量增加。

國產(chǎn)殼體生產(chǎn)設(shè)備憑借高效率、價格和服務(wù)優(yōu)勢，有望在鋰電結(jié)構(gòu)件大幅擴產(chǎn)的階段逐步形成國產(chǎn)替代 。?例如寧波精達設(shè)備價格是海外同類設(shè)備的50%-70%；殼體拉伸設(shè)備方面以“一出多”方式生產(chǎn)，效率提升且節(jié)約原材 料，同時預沖杯工藝可使整線效率提升。

編輯：黃飛

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