鋰電池行業(yè)之4680電池專題研究：新設(shè)計(jì)新技術(shù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革

鋰電池行業(yè)之4680電池專題研究：新設(shè)計(jì)新技術(shù)，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革1.4680電池采用新設(shè)計(jì)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(yīng)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(fù)，故46mm即為增大電芯尺寸后降本程度最大的最優(yōu)點(diǎn)

；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(jì)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(fù)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(fù)極全極耳焊接連接；

優(yōu)勢：無負(fù)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

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劣勢：當(dāng)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(fù)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(fù)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(yīng)商跟進(jìn)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(shí)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(gè)卷繞極片的展向長度，路徑約1000mm，按銅的電導(dǎo)。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(qiáng)導(dǎo)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(yīng)用？彼時(shí)快充性能要求沒有現(xiàn)在高；

實(shí)際上，2170也有少數(shù)應(yīng)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

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相比于4680，2170空間受限，不易操作；同時(shí)集流盤占到電池體積比例比4680高，影響能量密度

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因此，大電池是全極耳的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dá)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(jì)不好控制；另一方面，鐵鋰化學(xué)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(jì)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(dòng)工具上有應(yīng)用。此外，由于負(fù)極添加硅后會(huì)膨脹，圓柱形比方形內(nèi)部應(yīng)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+CTCvs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(yīng)商壓價(jià)的作用

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因此，未來特斯拉的電池供應(yīng)格局預(yù)計(jì)會(huì)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(shí)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。盡可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vsLG2170247wh/kg），硅碳+83系高鎳能量密度300wh/kg，91系目標(biāo)350-400Wh/kg不同良率下能夠做到的單Wh成本：97%-98%的石墨+高鎳vs95%方形：0.65vs0.6。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(fù)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(fù)極片?？墒÷苑睆?fù)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(xiàng)，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(biāo)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ModelY；同時(shí)，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

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此前在2020年的BatteryDay上，特斯拉曾計(jì)劃到2022年電池產(chǎn)能達(dá)到100GWh，考慮到建設(shè)進(jìn)度的延后，2022年有效產(chǎn)能約在5-10GWh。美國造車新勢力Rivian和LucidAir均已應(yīng)用2170電池，由三星SDI供應(yīng)，后續(xù)LG有望切入。寶馬集團(tuán)亦有4695電池開發(fā)計(jì)劃，將在下一代車型上應(yīng)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(shí)現(xiàn)更大的產(chǎn)能。各大電池廠跟進(jìn)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ModelY；松下計(jì)劃2022H1在日本開始試生產(chǎn)4680電池，2023年進(jìn)行量產(chǎn)；LG將在韓國梧倉工廠擴(kuò)建4680電池產(chǎn)能，計(jì)劃2022-2023年量產(chǎn)；三星SDI計(jì)劃2024年實(shí)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(jì)劃2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

；國內(nèi)：寧德時(shí)代正加快研發(fā)節(jié)奏，計(jì)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(yù)計(jì)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(xiàng)目，預(yù)計(jì)2024年可實(shí)現(xiàn)4680電池量產(chǎn)。3.4680驅(qū)動(dòng)高能量高倍率主輔材應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)件和設(shè)備升級帶來新機(jī)遇I.主輔材硅基負(fù)極：下一代主流負(fù)極材料，4680量產(chǎn)帶動(dòng)需求爆發(fā)硅基負(fù)極材料作為理想的下一代負(fù)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(bǔ)鋰劑：補(bǔ)齊硅碳負(fù)極首次庫倫效率短板首次庫倫效率是硅碳負(fù)極的短板：鋰電池在首次充電過程中，有機(jī)電解液會(huì)在石墨等負(fù)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(fù)極，不可逆容量損失甚至10%～20%以上

；硅碳負(fù)極除首效低外，循環(huán)過程中SEI膜會(huì)“呼吸”再生，降低循環(huán)壽命，對補(bǔ)鋰劑需求更強(qiáng)烈：硅碳負(fù)極的膨脹相較石墨負(fù)極更為嚴(yán)重，致使負(fù)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(bǔ)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(bǔ)鋰劑），在充電過程中Li+率先從補(bǔ)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(bǔ)硅碳負(fù)極在首次庫倫效率上的短板。碳納米管：硅碳負(fù)極將拉動(dòng)單壁碳納米管的用量由于硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)、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(dǎo)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(fù)極的導(dǎo)電漿料技術(shù)，可轉(zhuǎn)債方案落地，產(chǎn)能擴(kuò)張將加速推進(jìn)；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)

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4680電池帶來硅碳負(fù)極用量的提高，將帶動(dòng)單壁碳納米管的用量，單壁CNT粉體價(jià)格約為1300萬元/噸，在負(fù)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680電池應(yīng)用高鎳導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低、充放功率高要求電解液導(dǎo)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(fù)極如果使用硅碳，用量有望達(dá)4%-5%

；價(jià)格：

LiFSi已完成50%降本，還有25%下探空間。此前由于其高昂的價(jià)格（售價(jià)40-45萬元/噸）與六氟相比不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，由于供需不平衡，目前六氟價(jià)格已達(dá)58萬元/噸，LiFSI具備階段性相對經(jīng)濟(jì)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(yù)測隨著技術(shù)突破，2022年LIFSI售價(jià)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(kuò)大II.結(jié)構(gòu)件：新結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)，價(jià)高格局好相比2170電池，4680電池結(jié)構(gòu)件價(jià)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(biāo)產(chǎn)品，價(jià)格提升（殼體+蓋帽：2170<2元vs4680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(biāo)品，合格供應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)；非標(biāo)品和行業(yè)壁壘提升格局更優(yōu)

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非標(biāo)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（2170vs4680=0.2vs0.6mm），為了增加強(qiáng)度用預(yù)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(yīng)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