動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)件專題分析：空間、工藝、格局與投資機(jī)會(huì)

高容量、高倍率、低成本，特斯拉引領(lǐng)的新一代圓柱電池4680電池高能量密度、高充放電功率、低成本，具備眾多“黑科技”2020年特斯拉電池日上首次提出，目標(biāo)是容量提升5倍、車型續(xù)航提升16%、輸出功率提升6倍。4680電池指的是直徑46mm、高度80mm的圓柱電池，于2020年特斯拉電池日上首次亮相。根據(jù)特斯拉的測(cè)算，46mm直徑是在圓柱電池對(duì)于整車?yán)m(xù)航里程提升的最優(yōu)解，并且將帶來(lái)可觀的成本降低。4680電池相比2170電池容量提升5倍、車型續(xù)航提升16%、功率提升6倍。除尺寸上的變化外，4680電池搭載眾多“黑科技”，具備高能量密度、高充放電功率的同時(shí)，單kWh成本下降56%：黑科技一：高鎳正極+硅負(fù)極，提升能量密度。在2020年電池日活動(dòng)中，特斯拉介紹了4680將采用高鎳正極和硅負(fù)極材料。正極材料上，鎳含量提升一方面能夠增加電池的能量密度，另一方面相對(duì)價(jià)格昂貴的鈷含量降低，正極材料的成本亦降低；負(fù)極材料上，硅擁有比現(xiàn)有石墨體系更高的克容量，高克容量負(fù)極可以提高電池的能量密度。黑科技二：全極耳，減少電子流通路徑長(zhǎng)度，降低內(nèi)阻，支持大電流快充。傳統(tǒng)的2170圓柱電池采用單極耳結(jié)構(gòu)，即電子在集流體里流過(guò)整個(gè)卷繞極片的展向長(zhǎng)度；4680電池中采用全極耳設(shè)計(jì)，電子在集流體流過(guò)的路徑僅為軸向長(zhǎng)度，流通路徑縮短，傳導(dǎo)面積增加，電池內(nèi)阻降低。因此在電池充放電時(shí)溫升降低，支持更大電流快充放電。黑科技三：干法電極涂布，降低電芯生產(chǎn)成本。2019年特斯拉收購(gòu)掌握干法電極涂布技術(shù)的Maxwell公司，并在2020年電池日上展示干法電極涂布技術(shù)在4680上的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電極涂布采用濕法工藝，先將電極粉末與溶劑混合制成漿料，之后均勻地涂布在箔材集流體上，最后進(jìn)行烘干回收溶劑；而干法電極直接將電極粉末與粘結(jié)劑PTFE混合，通過(guò)輥壓的方式涂布在集流體上，省去了高能耗的烘干環(huán)節(jié)，從而降低電芯生產(chǎn)成本。黑科技四：CTC+結(jié)構(gòu)化電池，降低整車成本。CTC指的是Cell-to-Chassis，4680電芯直接集成在底盤上，作為結(jié)構(gòu)化電池（Structuralbattery）為底盤提供強(qiáng)度。這樣做的好處是節(jié)省電池包內(nèi)module級(jí)和pack級(jí)的結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步降低整車成本，提高系統(tǒng)集成度。特斯拉引領(lǐng)新一代圓柱動(dòng)力電池設(shè)計(jì)，車企、電池廠正在跟進(jìn)從1865到2170再到4680，特斯拉又一次引領(lǐng)圓柱動(dòng)力電池升級(jí)，4680電池未來(lái)有望成為下一代圓柱動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。圓柱動(dòng)力電池此前經(jīng)歷過(guò)一次升級(jí)，在早期的ModelS/X和第一批Model3中，特斯拉采用的是松下的1865電池；隨后在2017年，特斯拉與松下聯(lián)合研發(fā)的2170電池開始量產(chǎn)，2170電池相比1865電池能量密度更高、成本更低，隨后陸續(xù)搭載于特斯拉旗下車型，完成了圓柱動(dòng)力電池從1865到2170的升級(jí)換代。此次4680電池的提出，是特斯拉引領(lǐng)下的又一次圓柱動(dòng)力電池升級(jí)，未來(lái)4680有望替代2170電池成為新一代圓柱動(dòng)力電池標(biāo)品。兼具高能量密度、高功率密度、低成本優(yōu)點(diǎn)，受車企青睞，打開動(dòng)力圓柱電池市場(chǎng)空間天花板。4680電池不只是電池尺寸上的升級(jí)，4680電池配套眾多科技，具備高能量密度、高功率密度、低成本優(yōu)點(diǎn)，除一直在使用圓柱電池的特斯拉外，使用方形和軟包電池的寶馬集團(tuán)也在官網(wǎng)上宣布，在2025年推出的新平臺(tái)“NeueKlasse”上使用46系大圓柱電池，蔚來(lái)、小鵬已申請(qǐng)大圓柱電池相關(guān)專利，據(jù)TheElec報(bào)道，通用汽車正在考慮使用大圓柱電池。4680電池有望提升圓柱電池市場(chǎng)占有率，打開圓柱電池市場(chǎng)空間天花板。電池廠積極跟進(jìn)研發(fā)，2023年4680電池放量在即。在特斯拉提出4680電池后，寧德時(shí)代、松下、LGES、三星SDI、億緯鋰能、比克電池、遠(yuǎn)景動(dòng)力、國(guó)軒高科、蜂巢能源等主流電池廠都在進(jìn)行46系大圓柱的研發(fā)、產(chǎn)品驗(yàn)證、產(chǎn)線建設(shè)。根據(jù)各家產(chǎn)線建設(shè)規(guī)劃，2023年特斯拉的4680電池已經(jīng)開始量產(chǎn)，我們預(yù)計(jì)年內(nèi)松下、LGES的4680電池也將陸續(xù)投產(chǎn)。4680電池結(jié)構(gòu)件單GWh價(jià)值量與2170電池持平，預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)空間37億元從小圓柱到大圓柱，單GWh結(jié)構(gòu)件價(jià)值量提升當(dāng)前4680電池結(jié)構(gòu)件相比2170電池結(jié)構(gòu)件單GWh價(jià)值量基本持平。根據(jù)LimitingFactor的4680電池拆解和Munro的4680ModelY拆解結(jié)果，當(dāng)前4680電池的電芯單體帶電量為98Wh，標(biāo)續(xù)版本中電池包中電芯排列為69×10=690顆。當(dāng)前4680結(jié)構(gòu)件單電芯價(jià)值量約為4.5元，對(duì)應(yīng)單車電芯結(jié)構(gòu)件價(jià)值量為3105元，折合0.46億元/GWh，與當(dāng)前2170電池的單GWh價(jià)值量基本持平。隨著4680規(guī)模上量以及電芯能量密度提升，預(yù)計(jì)未來(lái)4680結(jié)構(gòu)件單GWh價(jià)值量將有所下降。當(dāng)前4680電池仍處于爬坡期，4680結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)規(guī)模較小，單價(jià)較高。我們預(yù)計(jì)隨著4680量產(chǎn)規(guī)模的提升，結(jié)構(gòu)件的大批量采購(gòu)價(jià)格將有所下降。另一方面，初代4680電池的電芯能量密度僅為276Wh/kg，高鎳正極、硅負(fù)極等技術(shù)暫未得到應(yīng)用。隨著4680自身的迭代升級(jí)，能量密度提升，預(yù)計(jì)單GWh結(jié)構(gòu)件價(jià)值量將有所下降。預(yù)計(jì)到2025年4680電池結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)約37億元下一代圓柱電池標(biāo)品，4680電池2025年需求有望超100GWh，相比2022年增長(zhǎng)10倍。特斯拉的4680電池于2022年開始投產(chǎn)，2023年是放量元年。特斯拉及寶馬集團(tuán)未來(lái)明確使用46系大圓柱電池，根據(jù)特斯拉及寶馬集團(tuán)的車型及產(chǎn)能規(guī)劃，我們測(cè)算到2025年，4680電池需求超100GWh。預(yù)計(jì)2025年4680結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)規(guī)模約為37億元。我們預(yù)計(jì)到2025年4680電池需求達(dá)129GWh。當(dāng)前4680電池結(jié)構(gòu)件單GWh價(jià)值量約為0.46億元，預(yù)計(jì)到2025年有所下降，2025年4680電池需求對(duì)應(yīng)電池結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)空間為37億元。4680帶來(lái)結(jié)構(gòu)件材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的變化與升級(jí)當(dāng)前市場(chǎng)上主流的電芯形狀是以寧德時(shí)代、比亞迪為代表的方型電池，以及以特斯拉為代表的小圓柱電池，4680大圓柱電池的結(jié)構(gòu)件在材料、工藝和構(gòu)造上有變化和升級(jí)。材料：4680動(dòng)力電池需使用鍍鎳鋼殼，制造門檻比鋁殼更高4680大圓柱動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)件使用鋼殼，和小圓柱動(dòng)力電池相同，與方型電池的鋁殼不同。動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)件主要分為鋼殼和鋁殼兩類。其中鋼殼的剛度大，機(jī)械性能優(yōu)異，鋼材成本低，但同時(shí)重量更重，加工性能差；鋁殼更加輕量化，易成形加工，但鋁材價(jià)格更高，抗壓耐變形能力較弱。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，方型電池主要采用鋁殼，而1865、2170、4680等圓柱電池采用鋼殼。尤其是4680在CTC中作為結(jié)構(gòu)化電池，更需要使用機(jī)械性能好的鋼殼作為結(jié)構(gòu)件，提供支撐。電池的鋼殼需要進(jìn)行鍍鎳處理，預(yù)鍍鎳比后鍍鎳鍍層更均勻，電池一致性更好。為了防止電池正極活性材料對(duì)鋼殼氧化，需要對(duì)鋼殼進(jìn)行鍍鎳處理，增強(qiáng)耐腐蝕性。鍍鎳處理有兩種方式，預(yù)鍍鎳和后鍍鎳。顧名思義，預(yù)鍍鎳指先在鋼材上鍍鎳，再用鍍鎳鋼材加工成殼體；后鍍鎳指先將鋼材沖壓成殼，再將殼體通過(guò)滾筒鍍鎳。預(yù)鍍鎳是在形狀簡(jiǎn)單的鋼材上鍍鎳，因此預(yù)鍍鎳的鍍層厚度更均勻；此外，由于后鍍鎳采用的是滾鍍鎳工藝，鍍層表面容易有劃痕、鎳粉脫落，容易造成電池內(nèi)部微短路。因此預(yù)鍍鎳工藝下電池的一致性更好。預(yù)鍍鎳鋼材比鋁材加工性能差，鍍鎳鋼殼制造門檻更高。鋼材比鋁材具有更高的屈服強(qiáng)度、硬度和彈性模量，材料的塑性更差。對(duì)于沖壓等塑性加工而言，塑性差的材料達(dá)到相同的塑性形變需要更大的沖壓力，模具容易變形，影響精度，沖切元件容易斷裂，刃口容易崩刃，因此鋼材的加工性能比鋁更差。此外，對(duì)于預(yù)鍍鎳鋼材，若工藝使用不當(dāng)，沖壓時(shí)鍍鎳層會(huì)產(chǎn)生開裂。預(yù)鍍鎳鋼材更難加工，制造門檻更高。生產(chǎn)工藝：沖壓拉伸仍是4680主流工藝，新型工藝有應(yīng)用潛力沖壓拉伸仍是4680的主流工藝，區(qū)別在于對(duì)于沖壓設(shè)備的加工能力要求提升。沖壓加工具備效率高、易于自動(dòng)化、一致性好的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前的方形電池和小圓柱電池結(jié)構(gòu)件采用沖壓拉伸工藝。對(duì)于4680電池而言，沖壓拉伸依舊是主流生產(chǎn)工藝，但由于4680在尺寸、材料上的變化，設(shè)備需要具備更大的沖壓力，以及更大的最大拉伸高度，對(duì)沖壓設(shè)備的加工能力要求提升。DWI新型工藝本質(zhì)上也是一種沖壓拉伸工藝，在大圓柱電池上有應(yīng)用潛力。當(dāng)前的電池殼體生產(chǎn)采用級(jí)進(jìn)連續(xù)沖壓，被加工工件在各個(gè)工位上逐次沖壓后轉(zhuǎn)移至下一工位，一級(jí)一級(jí)加工至最終形狀。DWI工藝本質(zhì)上也是一種沖壓拉伸工藝，區(qū)別在于被加工工件在同一工位上，連續(xù)通過(guò)不同內(nèi)徑的模具，一次沖壓成形。DWI工藝目前應(yīng)用于鋁制易拉罐的大規(guī)模生產(chǎn)上，未來(lái)有望在大圓柱電池上有應(yīng)用潛力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：殼體和蓋帽價(jià)值量重新分布，殼體單Wh用量提升4680大圓柱電池結(jié)構(gòu)件與方形電池結(jié)構(gòu)件差別較大，與2170小圓柱電池結(jié)構(gòu)件相近。4680電池結(jié)構(gòu)件和2170電池結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上主要存在3點(diǎn)變化，一為熱電分離，二為新增集流盤，三為壁厚增加。熱電分離設(shè)計(jì)下，殼體和蓋帽價(jià)值量重新分布2170電池中，端子和泄壓閥都集中在電池上方蓋帽。在2170電池結(jié)構(gòu)中，泄壓機(jī)構(gòu)和正極端子（正極蓋）整合于電池的上方蓋帽中，電氣區(qū)域和泄壓區(qū)域在空間上重疊。4680電池采用熱電分離設(shè)計(jì)，正、負(fù)極端子位于電池上表面，泄壓閥、注液孔位于電池下表面。根據(jù)特斯拉4680電池的專利文件，4680電池的上表面包含正、負(fù)極端子，兩者由絕緣墊圈相隔，上表面盡可能平整，用于匯流排焊接；電池的下表面整合了所有非平面、非端子功能，包括泄壓閥、注液孔等結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)下，電氣端子與泄壓結(jié)構(gòu)在空間上分開，采用“熱電分離”設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜度、工序數(shù)目決定了其價(jià)值量，熱電分離設(shè)計(jì)下，殼體和頂蓋的價(jià)值量重新分布。結(jié)構(gòu)件具體可拆分為殼體和蓋帽，殼體和蓋帽各自的復(fù)雜度、工序數(shù)目決定了其價(jià)值量。在傳統(tǒng)的2170電池中，端子和泄壓閥都位于電池上表面的蓋帽中，因此2170電池中蓋帽復(fù)雜度更高、工序更多；而在4680電池中，采用了熱電分離設(shè)計(jì)，端子和泄壓機(jī)構(gòu)位于電池兩側(cè)，蓋帽上的部分結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到殼體上，殼體和蓋帽價(jià)值量重新分布。當(dāng)前4680電池結(jié)構(gòu)件存在多種方案，不同方案下殼體和蓋帽價(jià)值量分布各不相同。根據(jù)LimitingFactor的4680拆解結(jié)果，特斯拉的4680電池的殼體為上表面與側(cè)面，包含正負(fù)極端子，蓋帽為下表面，包含泄壓機(jī)構(gòu)；根據(jù)LGES的專利說(shuō)明，LGES的4680電池的殼體為上表面與側(cè)面，包含泄壓機(jī)構(gòu)，蓋帽為上表面，包含正負(fù)極端子。當(dāng)前4680電池結(jié)構(gòu)件存在多種方案，不同方案下殼體和蓋帽所含結(jié)構(gòu)不同，價(jià)值量分布也各不相同。新增集流盤結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)結(jié)構(gòu)件附加值提升為了配合全極耳結(jié)構(gòu)，4680電池結(jié)構(gòu)件新增正負(fù)極集流盤。2170電池為單極耳設(shè)計(jì)，單個(gè)極耳直接與正負(fù)極端子相連；4680電池為了降低內(nèi)阻、增強(qiáng)充放電性能，采用了全極耳結(jié)構(gòu)，為了將全極耳的電流匯聚到正負(fù)極端子，4680中新增了集流盤設(shè)計(jì)，使電流傳導(dǎo)面積進(jìn)一步增大，并將極耳與正負(fù)極端子連通。集流盤與端子通過(guò)焊接連接，工序增加帶動(dòng)附加值提升。集流盤與電極端子需通過(guò)焊接方式相連，焊接的質(zhì)量影響電池的內(nèi)阻、可靠性，對(duì)電池性能有影響。由于焊接位置在圓筒內(nèi)部，空間狹小，焊接工藝難度高。因此，新增的集流盤不僅僅是結(jié)構(gòu)上BOM價(jià)值的增加，同時(shí)也是增加了工序，帶動(dòng)結(jié)構(gòu)件價(jià)值量提升。壁厚增加，單Wh殼體用量提升35%4680電池結(jié)構(gòu)件相比2170電池結(jié)構(gòu)件，壁厚由0.2mm增加至0.6mm。根據(jù)LimitingFactor對(duì)于特斯拉4680電池的拆解數(shù)據(jù)，4680電池的壁厚在0.5-0.6mm，相比2170電池的壁厚0.125-0.25mm明顯增加。我們預(yù)計(jì)是結(jié)構(gòu)化電池下，對(duì)于電芯殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高，因此壁厚增加。壁厚提升，單Wh殼體用量增加35%。分別根據(jù)2170和4680的直徑、高度和壁厚來(lái)測(cè)算單個(gè)電芯殼體的金屬用量，2170電池單個(gè)電芯殼體體積為924mm3，4680電池單個(gè)電芯殼體體積為6937mm3。根據(jù)LimitingFactor測(cè)算的4680的電芯帶電量，我們測(cè)算4680的單Wh結(jié)構(gòu)件用量為71mm3/Wh，相比2170電池增加35%。隨著電芯能量密度提升、殼體壁厚減薄，未來(lái)單Wh殼體用量會(huì)有下降。當(dāng)前特斯拉的4680電池處于初代，部分技術(shù)還未搭載，后續(xù)仍有迭代空間。我們預(yù)計(jì)，隨著高鎳正極和硅基負(fù)極的應(yīng)用，4680電池電芯能量密度后續(xù)有望提升；隨著結(jié)構(gòu)件技術(shù)的迭代，殼體壁厚有減薄的趨勢(shì)。因此在電芯能量密度提升、殼體壁厚減薄的趨勢(shì)下，未來(lái)單Wh殼體用量會(huì)有所下降。4680對(duì)整體結(jié)構(gòu)件格局影響有限，細(xì)分領(lǐng)域中先驅(qū)者享受增長(zhǎng)紅利圓柱與方形結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)未來(lái)方形仍是主流從材料、結(jié)構(gòu)上看，圓柱電池結(jié)構(gòu)件與方形電池結(jié)構(gòu)件相對(duì)獨(dú)立。材料上，動(dòng)力圓柱電池主要采用鍍鎳鋼殼，而方型動(dòng)力電池主要采用鋁殼；結(jié)構(gòu)上，圓柱電池結(jié)構(gòu)件與方形電池結(jié)構(gòu)件的極柱、泄壓閥等設(shè)計(jì)有較大不同。圓柱電池結(jié)構(gòu)件與方形電池結(jié)構(gòu)件在技術(shù)上有較大差異，二者市場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立。圓柱電池占比有望提升，國(guó)內(nèi)方型仍是未來(lái)主流電池封裝路線。由于4680大圓柱電池具備高容量、高倍率、低成本優(yōu)勢(shì)，部分使用軟包和方型的車企正在專利布局和研發(fā)大圓柱的車型平臺(tái)