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

；

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(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(yīng)用。此外，由于負極添加硅后會膨脹，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)商壓價的作用

；

因此，未來特斯拉的電池供應(yīng)格局預(yù)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。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?？墒÷苑睆偷妮亯骸⒏稍锏裙に?，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ModelY；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BatteryDay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。寶馬集團亦有4695電池開發(fā)計劃，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ModelY；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(yù)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(yù)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(yīng)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)

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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680電池應(yīng)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(yù)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險；非標品和行業(yè)壁壘提升格局更優(yōu)

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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（2170vs4680=0.2vs0.6mm），為了增加強度用預(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