锂电池行业之4680电池专题研究：新设计新技术引领产业变革

锂电池行业之4680电池专题研究：新设计新技术，引领产业变革1.4680电池采用新设计新构型，良率突破是量产关键I.什么是4680？为什么是4680？什么是4680？4680电池，即直径46mm，高80mm的电池。于2020年9月的特斯拉电池日首次公开发布，相较于特斯拉此前采用的2170电池，4680电池的电芯容量是其5倍，能够提高相应车型16%的续航里程，输出功率6倍于2170电池。为什么是4680？46：从21mm到46mm，系增加单体电池尺寸可摊薄非活性物质占比，降低固定成本和BMS管理难度，46mm之后热管理难度增加，降本收益为负，故46mm即为增大电芯尺寸后降本程度最大的最优点

；80：80mm的高度相较此前70mm有所增加，可在径向散热不恶化的情况下增大单体容量。一般因各家底盘设计而异，例如宝马采用4695。II.4680目前两种结构方案对比传统方案：负极耳所在一端朝向钢壳槽底面；正极耳从开口端引出，与正极端子焊接连接

；采用脉冲激光穿透焊，将钢壳基底通过凹槽与负极全极耳焊接连接；

优势：无负极集流盘的结构不占用钢壳高度方向上的空间，提高空间利用率

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劣势：当电池壁厚增加，穿透焊难以将极耳与壳体底部焊接牢靠。新方案：正极集流盘直接焊接到正极柱，正极柱卡在壳体槽底的开口上，之间设有绝缘密封件；电芯为全极耳结构，两端面分别和正、负极集流盘连接，极柱通过正极集流盘和电芯电性连接，壳体和负极集流盘电性连接；

盖板和壳体的槽口连接，盖板上刻蚀有防爆线。2.特斯拉打出4680电池“组合拳”，全球头部电池供应商跟进I.

特斯拉：4680+全极耳+高镍高硅+干电极+CTC=续航长、充电快、成本低为什么要用全极耳？——打破了能量与功率密度不能同时提升的约束电：减少电子流过路径，降低内阻。2170电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约1000mm，按铜的电导。热：产热方面，电阻减小发热减少（全极耳电池发热仅为单极耳的1/5）；散热方面，沿径向形成强导热路径，可在仅底部布置冷板（原来2170是蛇形管冷却侧壁），热管理难。工：2170/18650的极片上需要将留出空白区域给极耳。全极耳可避免斑马涂布，简化工序。为什么全极耳没有在2170上得到大规模应用？彼时快充性能要求没有现在高；

实际上，2170也有少数应用全极耳的案例，例如比克电池曾为一款跑车配套2170全极耳电池

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相比于4680，2170空间受限，不易操作；同时集流盘占到电池体积比例比4680高，影响能量密度

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因此，大电池是全极耳的应用前提。为什么要用高镍高硅？跟方形高镍高硅+CTP的方案有何区别？从原理上看，4680圆柱形电池只是一种封装形式，不限材料体系。但从应用层面上，高镍高硅才能发挥出4680大圆柱较方形热性能更优、内应力分布均匀的优势。能量密度：由于圆柱形电池集成效率较方形低，即要做成相同能量密度的pack，圆柱形的单体能量密度必须要比方形高。因此，要达到更高的pack能量密度，天然要求圆柱搭配高镍。高镍适配程度：圆柱比方形更适配高镍。核心原因是方形高镍为面接触，且单体电池大，体心内产热不易释放，热失控设计不好控制；另一方面，铁锂化学性质稳定，对散热和热失控要求较三元低，因此方形CTP非常契合铁锂体系的电池，充分发挥方形集成度高的优势，但热失控设计有难度的短板。4680+铁锂在乘用车上失去了4680的优势，可能未来在二轮车、电动工具上有应用。此外，由于负极添加硅后会膨胀，圆柱形比方形内部应力分散更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能和寿命。因此，为极致提升电芯能量密度选择高硅方案搭配高镍。高镍高硅4680+CTCvs磷系方形+CTP？CTP是电芯厂向整车厂夺回pack的产值，CTC是整车厂向电芯厂抢话语权的手段

；特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术，还有向外采供应商压价的作用

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因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分电池厂外供高镍高硅4680+CTC。低成本实现路径低成本=大电芯摊薄非活性物质成本+尽可能做高能量密度摊薄总体单Wh成本+生产过程简化节省成本。尽可能做高能量密度：石墨+高镍能量密度283wh/kg（vsLG2170247wh/kg），硅碳+83系高镍能量密度300wh/kg，91系目标350-400Wh/kg不同良率下能够做到的单Wh成本：97%-98%的石墨+高镍vs95%方形：0.65vs0.6。60%-70%良率的4680为0.8-0.9。生产过程中节约的成本——主要是前段的干电极技术：将正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂混合，使其纤维化，直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。可省略繁复的辊压、干燥等工艺，大幅简化生产流程，提升生产效率，节省成本。II.产业链：Rivan、Lucid已用2170，宝马立项，全球头部电池厂入局产业链如何跟随整车：特斯拉2021年全年交付量94万辆，同比+87%。2022年交付量目标增长+50%。特斯拉德州和柏林工厂已经开始试生产，本季度德州工厂将交付首批搭载4680的ModelY；同时，特斯拉2022年2月19日在社交媒体上宣布，1月份已生产出第100万块4680电池

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此前在2020年的BatteryDay上，特斯拉曾计划到2022年电池产能达到100GWh，考虑到建设进度的延后，2022年有效产能约在5-10GWh。美国造车新势力Rivian和LucidAir均已应用2170电池，由三星SDI供应，后续LG有望切入。宝马集团亦有4695电池开发计划，将在下一代车型上应用。电池厂：对于特斯拉来说，随着4680的推广，将来在国内需要有两三家代工厂来实现更大的产能。各大电池厂跟进布局4680电池，2023年有望迎来爆发元年。海外：特斯拉2020年9月率先公布，将于2022Q1开始交付搭载4680电池的ModelY；松下计划2022H1在日本开始试生产4680电池，2023年进行量产；LG将在韩国梧仓工厂扩建4680电池产能，计划2022-2023年量产；三星SDI计划2024年实现量产，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生产出第一款4680电池，计划2024年实现量产

；国内：宁德时代正加快研发节奏，计划2024年量产；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圆柱产品，预计2023年量产；

亿纬锂能2021Q4在荆门投产20GWh大圆柱电池产能项目，预计2024年可实现4680电池量产。3.4680驱动高能量高倍率主辅材应用，为结构件和设备升级带来新机遇I.主辅材硅基负极：下一代主流负极材料，4680量产带动需求爆发硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，纯硅比容量是石墨的10倍，但纯硅在充电过程中膨胀近3x，目前采用氧化硅掺杂，目前掺杂含量约5%，4680电池有望提升至10%以上。补锂剂：补齐硅碳负极首次库伦效率短板首次库伦效率是硅碳负极的短板：锂电池在首次充电过程中，有机电解液会在石墨等负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成电池容量的不可逆损失，目前石墨不可逆容量损失＞6%，而对于具有高比容量的硅基负极，不可逆容量损失甚至10%～20%以上

；硅碳负极除首效低外，循环过程中SEI膜会“呼吸”再生，降低循环寿命，对补锂剂需求更强烈：硅碳负极的膨胀相较石墨负极更为严重，致使负极材料不断粉化、脱落，增加与电解液接触的表面积，因此形成的SEI膜更厚；正极补锂的原理：在正极合浆的过程中添加少量高锂容量、低脱锂电位的材料（补锂剂），在充电过程中Li+率先从补锂剂中脱出，抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗，提高电池的有效容量，弥补硅碳负极在首次库伦效率上的短板。碳纳米管：硅碳负极将拉动单壁碳纳米管的用量由于硅碳负极材料的导电性能差，因此需要添加碳纳米管（CNT）以增加活性物质之间的导电性，提升电池能量密度；根据石墨烯片的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：多壁碳纳米管具有较高的刚性，而单壁碳纳米管柔韧性强、长径比更高、有效添加量仅为0.1%，可有效解决硅碳电池在充放电过程中导致的体积膨胀和裂缝问题

；天奈科技目前是全球碳纳米管的龙头企业，公司已布局硅碳负极的导电浆料技术，可转债方案落地，产能扩张将加速推进；此外，化工企业如石大胜华、炭黑龙头黑猫股份等企业也在积极布局碳管生产

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4680电池带来硅碳负极用量的提高，将带动单壁碳纳米管的用量，单壁CNT粉体价格约为1300万元/吨，在负极添加比例为0.1%左右。LiFSi：适用于高镍高压高倍率电池的新型锂盐680电池应用高镍导致热稳定性降低、充放功率高要求电解液导电性能提升。三元正极随着镍含量提升热稳定性降低，结构稳定性变差。4680采用全极耳结构，追求高倍率性能。高镍高倍率对锂盐性能要求提升。双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)为一种新型电解液溶质锂盐，具有更好的低温放电和高温性能保持能力、更长的循环寿命、更高倍率放电性能、更高的安全性能；用量：两种用途，1）1%~3%，一般可视为添加剂；2）3%~5%，成为LiPF6成的辅助锂盐。一般而言，5/8/9系用量为0.5%-1%/1%-2%/2.5%。负极如果使用硅碳，用量有望达4%-5%

；价格：

LiFSi已完成50%降本，还有25%下探空间。此前由于其高昂的价格（售价40-45万元/吨）与六氟相比不具备经济性优势，由于供需不平衡，目前六氟价格已达58万元/吨，LiFSI具备阶段性相对经济性优势，但绝对值仍处于较高位。另一方面，LiFSI的降本仍在继续（2016年90万元/吨降至如今45万元/吨），目前LiFSI成本约20万元/吨，数据预测随着技术突破，2022年LIFSI售价有望降至35万元/吨以内，最终成本有望降至15万元/吨以内。PVDF：用量增加，供需缺口扩大II.结构件：新结构新设计，价高格局好相比2170电池，4680电池结构件价值量提升。4680各家方案不同，结构件定制化程度高，目前还是非标产品，价格提升（壳体+盖帽：2170<2元vs4680目前10元左右），另一方面竞争格局比方形和2170优化；厂家采购意愿更趋于壳体和盖帽整套采购。一方面是非标品，合格供应商稀缺；另一方面主要系目前电池良率低，分开采购增加不良率风险；非标品和行业壁垒提升格局更优

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非标品，要求公司开模能力和know-how积累

；壁垒提升：尺寸增加，加工精度控制更困难；壁厚增加（2170vs4680=0.2vs0.6mm），为了增加强度用预镀镍钢带，加工难度提升III.设备：利好激光模切、激光焊设备与壳体生产设备供应商全极耳因极耳排列紧密，采用五金模切难度高，且部分方案中极耳宽度沿着极片长度而变化，因此激光模切更适用。激光焊设备受益于4680方案，叠加行业内主要电池厂亦规划有产能，有望迎来量