中國儲能網(wǎng)訊：4680大圓柱電池通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與材料體系改進(jìn)，提高電池安全性與能量密度，我們預(yù)計在特斯拉/松下/LG/億緯等國內(nèi)外廠商推動下有望迎來快速發(fā)展，最終有望在高端長續(xù)航電動車中占據(jù)一定市場份額。
摘要
圓柱電芯尺寸不斷增大，4680有望成為圓柱電池尺寸最優(yōu)解之一。從18650到21700電池，特斯拉是目前圓柱電池的最主要使用者。2020年特斯拉研究認(rèn)為46mm是兼顧經(jīng)濟性和電池性能的最佳直徑，并推出4680大圓柱電池。通過增大圓柱電池直徑可實現(xiàn)更高的活性物質(zhì)占比與更高能量密度，同時減少殼體用量并降低BMS管理難度，我們認(rèn)為有望成為下一代圓柱電池發(fā)展方向。
無級耳技術(shù)創(chuàng)新提升電池安全性，兼容激進(jìn)材料體系。圓柱電芯間為面接觸，不易發(fā)生熱失控傳導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)相比方形軟包電池具有天然的高安全性。另一方面，4680電池引入全極耳工藝，縮短電子流通路徑，直接減小電芯內(nèi)阻與產(chǎn)熱量，且全極耳增加了散熱通道，改善了散熱效果，進(jìn)一步增強電池的安全性。更高的安全性可兼容熱穩(wěn)定性較差的高鎳正極、且圓柱形狀的內(nèi)力均勻性可更好適配硅基負(fù)極的高膨脹性，高鎳+硅碳將助力4680圓柱電芯能量密度進(jìn)一步提升，我們認(rèn)為有望成為高端動力電池潛在發(fā)展方向。
4680電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展加速，推動新型材料放量。目前4680圓柱電池布局較領(lǐng)先的企業(yè)包括特斯拉、松下、LG、億緯等，其中特斯拉在加州、德州工廠已開始量產(chǎn)4680電池，松下目前已啟動中試線，其預(yù)計2023年啟動量產(chǎn)，LG與億緯等也均規(guī)劃大規(guī)模產(chǎn)能推動量產(chǎn)，我們預(yù)期2023年有望成為4680電池放量元年。參考21700對18650電池替代節(jié)奏，我們預(yù)期2023年4680電池裝機量有望超20GWh，2024年將超100GWh，終端整車廠應(yīng)用也有望從特斯拉逐步滲透至寶馬、戴姆勒等高端電動車廠商。同時，4680電池快速放量將帶動新型材料需求高增：我們預(yù)計至2025年，高鎳正極/硅碳負(fù)極/LiFSI/補鋰劑/導(dǎo)電劑/PVDF需求量將分別達(dá)39.1/16.3/2.0/1.2/1.9/3.1萬噸。
風(fēng)險
4680電池產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)不及預(yù)期。
正文
4680電池：工藝和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新集大成者，產(chǎn)業(yè)變革正當(dāng)時
復(fù)盤圓柱電池發(fā)展史：日韓主導(dǎo)，逐步向大容量發(fā)展
全球首款圓柱鋰電池始于日本，日韓電池企業(yè)技術(shù)發(fā)展較成熟，特斯拉Roadster拉開其在電動車領(lǐng)域商業(yè)化的序幕，縱觀圓柱電池發(fā)展簡史，有三個重要節(jié)點：
?1991年，圓柱電池誕生，最初盛行于3C市場：1991年，日本索尼公司發(fā)明了18650圓柱電池，18為直徑18mm，65為長度65mm，0指代圓柱形電池，該型號也是全球首批商用的鋰離子電池。隨著1990s全球3C、小家電市場快速發(fā)展，圓柱電池在日韓鋰電企業(yè)中流行開來。相較鋰離子電池，早期圓柱電池采用鎳氫材料成本低且更安全，在豐田混動車上有所應(yīng)用。
?2008年，特斯拉開啟車用圓柱鋰電池商業(yè)化時代：圓柱電池制作所采用的卷繞工藝是迄今為止發(fā)展最成熟、自動化程度最高、品質(zhì)最為穩(wěn)定的電池工藝之一，而日本企業(yè)在圓柱電池技術(shù)上積淀早而深，因此在2008年特斯拉的首款豪華轎跑車上市，便采用了松下的18650電池。2017年初，松下聯(lián)合特斯拉推出更高效的2170鋰電池裝載在Model 3上，采用了NCA+硅碳方案，使得單體能量密度提升20%。
?2020年，4680推出，圓柱電池大型化更進(jìn)一步：2020年9月特斯拉在電池日上公布4680電池，電池直徑進(jìn)一步增加到46mm，大尺寸電芯降低了pack系統(tǒng)管理難度，減少了電池包金屬結(jié)構(gòu)件及導(dǎo)電連接件成本，每kWh成本下降約14%。同時4680采用了激光雕刻的無極耳技術(shù)，無極耳結(jié)構(gòu)使得電子運動距離大大縮短，內(nèi)阻減少，讓更安全、更高容量電芯成為可能，能量密度可達(dá)300Wh/kg。
圖表：圓柱電池發(fā)展歷程
資料來源：特斯拉官網(wǎng)，中金公司研究部
從出貨結(jié)構(gòu)上看，日韓企業(yè)主導(dǎo)全球圓柱電池市場，電動車是第一大應(yīng)用場景。根據(jù)日本B3數(shù)據(jù)，2021年全球圓柱鋰離子電池出貨量達(dá)62.25億支，同比增長27%。分企業(yè)來看，松下、LG和三星SDI三家日韓電池廠圓柱電池出貨量占據(jù)全球80%份額，格局高度集中；分應(yīng)用場景來看，電動車為第一大應(yīng)用場景，占比43%，其次為電動工具（包含園藝工具）占比24%。
圖表：圓柱電池出貨量以日韓企業(yè)為主，松下市占率38%
資料來源：B3，中金公司研究部
圖表：圓柱電池應(yīng)用場景以電動車為主，占比43%
資料來源：B3，中金公司研究部
直徑46mm是性能與經(jīng)濟性綜合均衡的最佳結(jié)果，高度可做靈活調(diào)整。增大圓柱電池直徑可實現(xiàn)：
?提升電芯活性物質(zhì)占比，提升電池能量密度。
?在相同電池包能量下，可減少電芯數(shù)量，可減少殼體用量并降低生產(chǎn)成本，同時可降低BMS管理難度。
但大電芯將影響鋰電池安全性與快充性能。更大的電池直徑將直接增加電池內(nèi)阻與電池發(fā)熱，對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出更高要求，同時更大的電芯容量也將影響鋰電池倍率性能與快充效率。
因此特斯拉研究認(rèn)為46mm是兼顧經(jīng)濟性和電池性能的最佳直徑。高度方面則可根據(jù)車型需要做靈活調(diào)整，例如比克的46家族電池，具備從80~120mm不等的高度、寶馬則選擇4695尺寸鋰電池。
圖表：46mm是兼顧經(jīng)濟性和電池性能的最佳直徑
資料來源：特斯拉官網(wǎng)，中金公司研究部
圖表：比克大圓柱動力電池產(chǎn)品-46家族
資料來源：比克電池，中金公司研究部
全極耳+大尺寸，4680是電池工藝和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的集大成者
相較于18650和2170，4680電池最大的創(chuàng)新是采用了無極耳結(jié)構(gòu)，又稱全極耳。極耳是從圓柱電芯中將正負(fù)極引出的金屬導(dǎo)電體，主要成分為鋁和銅，是電池進(jìn)行充放電的接觸點。鋰電池中電子在正極耳與負(fù)極耳之間移動，其流徑路徑與內(nèi)阻成正比，而內(nèi)阻與電池內(nèi)部損耗、發(fā)熱正相關(guān)。因此，縮短電子流通路徑可直接減小電芯內(nèi)阻與產(chǎn)熱量。
無級耳結(jié)構(gòu)大幅降低鋰電池內(nèi)阻。4680的全極耳則是改變了原有的引出金屬導(dǎo)體的極耳結(jié)構(gòu)，利用整個集流體尾部作為極耳，設(shè)計成集流盤結(jié)構(gòu)，電子流通路徑從原來的電芯卷繞長度（2170電池卷繞長度約1000mm）變?yōu)殇囯姵馗叨龋?680為80mm），流通路徑大大縮短，并降低電池內(nèi)阻。據(jù)《動力電池4680全極耳技術(shù)掃描》[1]估算，傳統(tǒng)極耳的21700內(nèi)阻約23mΩ，而無級耳結(jié)構(gòu)的4680電池內(nèi)阻僅2mΩ，實現(xiàn)內(nèi)阻數(shù)量級降低。
圖表：4680全極耳結(jié)構(gòu)使得電子流通路徑大大縮短
資料來源：智享新動力，中金公司研究部
無級耳結(jié)構(gòu)帶來電池安全性與性能提升：
?更低的產(chǎn)熱量與更高的安全性：更低的內(nèi)阻將在充放電時直接降低電池的產(chǎn)熱量，提升電池的安全性。同時全極耳增加了散熱通道，熱量散發(fā)從原先的兩極耳散熱到全極耳更大面積散熱，熱量傳輸通道寬闊，改善了散熱效果，進(jìn)一步增強了電池的安全性。
?更高的輸出功率與快充性能：由于電池內(nèi)阻的減少，內(nèi)部損耗降低，可帶來更高的輸出功率與更好的快充性能，在15分鐘內(nèi)可將電池電量從0充至80%，功率密度峰值可達(dá)1000W/kg以上。
圖表：無級耳電芯產(chǎn)熱量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)極耳
資料來源：《Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection》[2]，中金公司研究部
圖表：LG M50圓柱形電池不同極耳下放電一分鐘后電池升溫情況
資料來源：Shen Li, etc. “Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries” 2020，中金公司研究部
4680+高鎳硅基+高電壓+CTC協(xié)同應(yīng)用
由于4680大圓柱結(jié)構(gòu)、無級耳創(chuàng)新使得電芯整體安全系數(shù)大幅提升，我們認(rèn)為高鎳正極、硅基負(fù)極等高比容量的活性材料能更好發(fā)揮出4680電池的優(yōu)勢；同時圓柱電池高一致性的優(yōu)勢使4680電池更能適配800V高電壓，解決電動車快充難題；結(jié)合圓柱電池較方形和軟包電池更佳的結(jié)構(gòu)支撐性，4680也將將推動CTC的產(chǎn)業(yè)變革。
為什么4680更適配高鎳+硅基？1）硅基負(fù)極相比石墨負(fù)極具有更高的膨脹系數(shù)，圓柱電芯相比方形電芯內(nèi)應(yīng)力分布更均勻，不易造成內(nèi)部材料損毀；2）方形或軟包電芯間為面的接觸，單體電芯熱失控時易蔓延至周圍電芯產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，而圓柱電芯為線接觸，可更好避免熱失控傳導(dǎo)；3）圓柱電池的劣勢是成組效率較低（圓柱電池約70%，方形電池可達(dá)80%），因此圓柱電池想要實現(xiàn)和方形電池相同的能量密度必須在單體層面上使用更激進(jìn)的方案，因此4680的結(jié)構(gòu)與高鎳+硅基負(fù)極相得益彰，更為適配。
為什么4680電池能更好的適配800V高電壓？單個電芯的電壓只有3-4V，想要實現(xiàn)更高的電壓就需要串聯(lián)更多的電芯，比如800V高壓平臺需要約200個電芯進(jìn)行串聯(lián)，而串聯(lián)數(shù)越大對電芯一致性要求越高。相對于方形和軟包的封裝形式，圓柱電池在生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度和單體一致性方面優(yōu)勢突出，能更好地適配800V高電壓平臺。
圖表：三種電池封裝形式指標(biāo)對比
資料來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，中金公司研究部
為什么4680與CTC也有一定協(xié)同作用？CTC（Cell to Chassis）一體化設(shè)計中，取消電池了Pack設(shè)計，直接將電芯或模組安裝在車身上，電池既是能源設(shè)備提供續(xù)航，也充當(dāng)結(jié)構(gòu)硬件來提供一定強度。相比方形和軟包電芯，圓柱電芯所有單體的殼體都可以提供一定的結(jié)構(gòu)剛性，在受到外部沖擊時其蜂窩狀結(jié)構(gòu)可更好地防止形變影響電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。空間方面，特斯拉取消了4680電池陣列上的電池蓋板，電池上表面的零件與車身結(jié)構(gòu)連接集成了座椅固定及車身橫梁的功能，同時承擔(dān)了電池的密封功能，因此節(jié)約了一層上蓋板的設(shè)計，增加了空間利用率。制造成本方面，馬斯克表示采用了CTC+一體化壓鑄技術(shù)后，可節(jié)省370個零部件，為車身減重10%，將每千瓦時的電池成本降低7%。
圖表：特斯拉4680電芯+CTC方案
資料來源：特斯拉官網(wǎng)，中金公司研究部
綜合來看，特斯拉通過獨特的4680電芯結(jié)構(gòu)、匹配高容量的硅負(fù)極和高鎳材料、簡化生產(chǎn)工藝和CTC方案等技術(shù)實現(xiàn)了多環(huán)節(jié)的協(xié)同效應(yīng)，從而實現(xiàn)電池能量密度及續(xù)航里程大幅提升，單位成本及投資額大幅下降。根據(jù)特斯拉電池日公布的數(shù)據(jù)：相比于 2170，4680+高比容量正負(fù)極+CTC方案協(xié)同可將綜合續(xù)航里程提升 54%，這其中電芯設(shè)計占 16%、負(fù)極材料 20%、正極材料 4%、電芯底盤集成占 14%。單位制造費用下降 56%，電芯設(shè)計占 14%、電芯工廠占 18%、負(fù)極材料 5%、正極材料占 12%、電芯底盤集成占 7%。
圖表：高鎳硅基+4680+CTC協(xié)同作用，可將綜合續(xù)航里程提升54%
資料來源：特斯拉電池日，中金公司研究部
圖表：高鎳硅基+4680 +CTC協(xié)同作用，可使單位制造費用下降 56%
資料來源：特斯拉電池日，中金公司研究部
極耳焊接難度大，良品率持續(xù)提升
全極耳工藝創(chuàng)新帶來電池生產(chǎn)過程中的眾多工藝難點：1）分切環(huán)節(jié)：切疊法主要是是特斯拉采用的全極耳制作工藝，極耳在分切時需要斜切成片并疊起，使得表面起伏度較大，易造成極耳因接觸程度不一致而導(dǎo)致內(nèi)阻一致性差。2）注液環(huán)節(jié)：由于兩端被極耳封閉，難以連續(xù)注液生產(chǎn)。3）揉平環(huán)節(jié)：揉平法是國內(nèi)使用較多的一種全極耳方案，通過超聲波或機械將極耳揉成端面。極耳在揉平過程中容易產(chǎn)生金屬碎屑，導(dǎo)致電芯自放電過大，甚至發(fā)生內(nèi)短路，另外揉平后端面較為致密，電解液難以進(jìn)入電芯內(nèi)部。4）激光焊環(huán)節(jié)：從傳統(tǒng)兩個極耳的點焊到全極耳面焊，焊接工序和焊接量都變多，激光強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內(nèi)部或者沒有焊全。目前各企業(yè)4680電池難點主要集中于焊接環(huán)節(jié)，直接影響了4680電池良品率。
圖表：全極耳圓柱電池電芯生產(chǎn)流程
資料來源：國家專利局《一種全極耳圓柱電池電芯生產(chǎn)線》，中金公司研究部
從良品率看，2021年特斯拉4680試驗線良品率約在80%，2022年年初，據(jù)Tesla motors clubs上流出的信息，在2022年1月22日特斯拉佛里蒙特工廠共生產(chǎn)了6813顆4680電芯，平均良品率達(dá)92%，相比于2021年明顯提升。但相比于21700圓柱電池的95%+的良品率仍存在一定差距。我們預(yù)期隨各企業(yè)工藝改進(jìn)、產(chǎn)線跑通，4680電池良率有望持續(xù)提升。
圖表：2022年1月22日特斯拉4680電芯良率
資料來源：Tesla motors clubs，中金公司研究部
各電池企業(yè)快速推進(jìn)量產(chǎn)，潛在需求旺盛
特斯拉發(fā)布4680電池以來，國內(nèi)外各廠商迅速推進(jìn)布局，目前以特斯拉、松下產(chǎn)能布局最為領(lǐng)先，我們預(yù)期2023年有望成為4680電池放量元年。
?特斯拉：1）加州加藤路工廠：2020年特斯拉在加州弗里蒙特加藤路建立“試點工廠”，用以試生產(chǎn)4680電池，規(guī)劃目標(biāo)年產(chǎn)能10GWh。2022年1月，特斯拉宣布已制造出100萬塊4680電池，并于1Q22交付首批搭載4680電池的電動汽車（Model Y）。2）德州奧斯汀工廠：特斯拉德州奧斯汀工廠于2022年4月7日舉行“Cyber Rodeo”活動以慶祝其工廠投產(chǎn)，目前已正式開始生產(chǎn)4680電池，未來總規(guī)劃達(dá)100GWh。3）德國柏林工廠：目前正安裝4680電池產(chǎn)線設(shè)備，公司預(yù)計2022年底-2023年將陸續(xù)投產(chǎn)，總規(guī)劃產(chǎn)能達(dá)50GWh。
?松下：2021年松下在其內(nèi)達(dá)華州Gigafactory中建立4680新產(chǎn)線并進(jìn)行量產(chǎn)，同時在日本工廠啟動4680試驗線建設(shè)并于2022年年初測試生產(chǎn)；2022年2月，松下決定在日本西部的和歌山工廠建立4680生產(chǎn)基地，其預(yù)計將于2023年3月-2024年3月進(jìn)行量產(chǎn)。
?LG：2021年年初開始對其韓國梧倉工廠進(jìn)行改造，建設(shè)4680試驗線，公司預(yù)計最快將于2023年實現(xiàn)量產(chǎn)。
?億緯鋰能：與以色列初創(chuàng)公司StoreDot(專注于快充技術(shù))合作開發(fā)4680和4695，2021年11月公司公告投資32億元建設(shè)20GWh大圓柱電池產(chǎn)能，我們預(yù)計公司有望于2023年正式量產(chǎn)；2022年3月公司公告在海外匈牙利布局大圓柱產(chǎn)能，旨在滿足本土客戶訂單需求以及形成就近配套、強化客戶服務(wù)。
圖表：各企業(yè)4680電池布局進(jìn)度
資料來源：SNE，各企業(yè)公告，中金公司研究部
從終端需求來看，特斯拉為短期主要推動者，中長期我們認(rèn)為寶馬、戴姆勒等廠商有望逐步應(yīng)用。我們復(fù)盤松下21700對18650電池的替代節(jié)奏：2017年松下在內(nèi)達(dá)華工廠開始量產(chǎn)21700圓柱電池，2018年后快速放量，截至2020年，松下21700電芯產(chǎn)量已達(dá)30億顆，約占其圓柱總產(chǎn)量的3/7。
我們預(yù)計2022/2023年特斯拉產(chǎn)量將分別超150/200萬輛，參考松下21700圓柱電池放量節(jié)奏，我們假設(shè)2022/2023年特斯拉三元電池中4680滲透率分別為5%/20%，對應(yīng)約4.4/25.5GWh 4680電池需求，至2025年，我們預(yù)期4680滲透率有望達(dá)70%，對應(yīng)裝機需求有望超150GWh。
圖表：松下圓柱電芯累計產(chǎn)量
資料來源：Panasonic，中金公司研究部
4680大圓柱方案有望逐步滲透至其他車廠，推動圓柱電池裝機占比提升。除特斯拉外，目前寶馬也明確4695大圓柱電芯研發(fā)計劃，其預(yù)計在2024年實現(xiàn)量產(chǎn)，規(guī)劃7年時間內(nèi)量產(chǎn)100-120GWh 4695大圓柱電池。此外，我們預(yù)計隨大圓柱電池良品率提升與成本下降，其長續(xù)航里程、快充性能的優(yōu)勢將充分體現(xiàn)，預(yù)計其他車企也有望引入4680電池并推動圓柱電池滲透率提升。我們預(yù)計至2025年4680等大圓柱電池總裝機有望超200GWh，占動力電池總裝機量約16%。
圖表：4680電池需求量測算
資料來源：特斯拉官網(wǎng)，Marklines，中金公司研究部
投資機會
4680電池
我們認(rèn)為特斯拉率先應(yīng)用4680將在行業(yè)內(nèi)起到示范效應(yīng)，而4680帶來能量密度/快充性能提升、成本下降以及BMS門檻降低(圓柱用量減少)，有望向更多主機廠導(dǎo)入，成為電池技術(shù)發(fā)展的一條結(jié)構(gòu)主線，有望在2023年迎來放量。而4680大圓柱在材料體系、電池結(jié)構(gòu)和制造工藝較原有18650/21700體系存在較大差異，尤其全極耳的設(shè)計帶來激光焊工藝難點、成為當(dāng)前良品率提升的主要瓶頸環(huán)節(jié)，并且4680結(jié)構(gòu)非標(biāo)、各廠商方案有所差異(存在專利壁壘)，給電池廠的切入帶來較高壁壘。我們看好頭部及優(yōu)質(zhì)二線廠商，憑借技術(shù)、制造、產(chǎn)業(yè)鏈以及成本上的優(yōu)勢，有望把握4680大圓柱發(fā)展的結(jié)構(gòu)線，提升全球份額。
高鎳正極
電池組內(nèi)的熱失控蔓延是安全問題的主要關(guān)注點。目前動力電池包通過較多小容量電芯進(jìn)行串并聯(lián)成組，以滿足高能量的要求?？紤]電池組熱失控問題，主要從兩個維度解決：1）電芯單體熱失控問題；2）單體熱失控后向其他成組電池?zé)醾鲗?dǎo)問題?？紤]高鎳的熱穩(wěn)定性相比中低鎳差，對于安全性要求更為嚴(yán)苛，我們認(rèn)為4680是更為適配高鎳的封裝工藝：
圖表：在高溫下高鎳材料更容易分解釋氧
資料來源：Structural Changes and Thermal Stability of Charged LiNixMnyCozO2 Cathode Materials Studied by Combined In Situ Time-Resolved XRD and Mass Spectroscopy，中金公司研究部
圖表：高鎳材料發(fā)生相變時的溫度更低
資料來源：Structural Changes and Thermal Stability of Charged LiNixMnyCozO2 Cathode Materials Studied by Combined In Situ Time-Resolved XRD and Mass Spectroscopy，中金公司研究部
?圓柱在抑制熱失控上有天然優(yōu)勢。1）圓柱電池單體容量較小，單個電池?zé)崾Э蒯尫拍芰康?，相較于方形和軟包不易引起熱失控蔓延；2）圓柱單體電池接觸為線接觸，熱傳導(dǎo)較慢，且具備弧形表面，天然預(yù)留散熱空隙，而方形、軟包是面接觸、接觸面積較大，散熱空間小，一旦單體電池發(fā)生熱失控易蔓延至電池組。
?圓柱從21700到4680，高鎳安全性再升級。4680大圓柱通過全極耳的設(shè)計獲得更高的安全性：1）減少內(nèi)阻生熱。在電池工作中，內(nèi)阻的存在會降低輸出功率，降低充放電速率，產(chǎn)生的歐姆熱容易引發(fā)電池?zé)崾Э?。而極耳接觸面積越大，極耳間距越短，內(nèi)阻越小，電池?zé)崾Э馗怕试叫 ?680全極耳電池把整個正/負(fù)極集流體都變成極耳，通過集流體與電池殼體或集流盤的全面積連接，大幅降低電池內(nèi)阻，減少歐姆熱的產(chǎn)生。2）增加散熱通道。圓柱電池散熱為軸向居多，熱量從極耳出散出，傳統(tǒng)圓柱電池如21700只有兩個極耳，熱量傳輸通道窄，因此散熱效果不好，4680電池極耳面積增加，熱量傳輸通道寬闊，改善了散熱效果，增強了電池的熱穩(wěn)定性。
硅碳負(fù)極
4680是硅基負(fù)極推廣的重要抓手
?4680的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使得硅基負(fù)極率先得到應(yīng)用。傳統(tǒng)石墨負(fù)極通過嵌入反應(yīng)容納鋰離子，平均每6個碳原子能容納1個鋰離子，而硅負(fù)極通過合金化反應(yīng)容納鋰離子，每個硅原子最多與4.4個鋰離子結(jié)合成鋰硅合金，進(jìn)而使得硅負(fù)極材料理論比容量達(dá)到約4200 mAh/g，是傳統(tǒng)石墨負(fù)極的十倍。但與此同時其體積變化率也達(dá)到300%-400%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)石墨的12%。而4680的大圓柱鋼殼方案在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分配方面更具優(yōu)勢，也使得硅基負(fù)極率先得到應(yīng)用。
?4680電池的正極主要采用高鎳，配合硅基負(fù)極有望大幅提升電池能量密度。根據(jù)全電池能量密度和正負(fù)極的比容量對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)固定正極容量為180 mAh/g，若負(fù)極容量達(dá)到500 mAh/g，能量密度將提升10%，若負(fù)極容量達(dá)到800 mAh/g，能量密度將提高24%。
圖表：全電池能量密度與正負(fù)極比容量的關(guān)系
資料來源：GGII，中金公司研究部
圖表：人造石墨、天然石墨、硅基負(fù)極的性能對比
資料來源：GGII，中金公司研究部
硅基負(fù)極膨脹大、電位高、首效低， 對應(yīng)需要結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)鋰化、導(dǎo)電劑等一攬子的配套改善方案。從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，硅基負(fù)極目前兩大技術(shù)路徑主要是硅碳復(fù)合材料和硅氧復(fù)合材料，其中硅碳負(fù)極主要是通過減小硅的尺寸至納米級別進(jìn)而減小材料膨脹影響，而硅氧負(fù)極中的Si團(tuán)簇、Si02團(tuán)簇及其氧化界面，可以在合金化反應(yīng)過程中起到緩沖體積膨脹的作用。
圖表：硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極對比
資料來源：石大勝華，GGII，中金公司研究部
新型鋰鹽LiFSI
新型鋰鹽LiFSI性能可更好適配4680電池化學(xué)/結(jié)構(gòu)體系，我們預(yù)計添加比例有望從目前的約2-6%提升至近10%。4680使用更激進(jìn)的正負(fù)極材料實現(xiàn)高能量密度，但面臨高鎳帶來的熱穩(wěn)定性問題，在電解液中添加新型鋰鹽LiFSI可提升電解液熱穩(wěn)定性，同時可配合4680全極耳進(jìn)一步提升電池的快充性能。我們對比LiFSI和六氟磷酸鋰，添加LiFSI的電解液相比于僅含LiPF6的電解液具有如下幾點優(yōu)勢：
?熱穩(wěn)定性好，安全性更高。當(dāng)溫度大于200℃時，LiFSI仍然能夠穩(wěn)定存在，耐熱性好。同時，LiFSI混合電解液的阻抗更低，在遇到特殊情況下產(chǎn)生的熱量較少，不容易發(fā)生爆炸。且受熱時LiFSI可抑制HF氣體的產(chǎn)生，改善電池氣脹問題。
?更好的低溫放電和高溫性能保持能力。以LiFSI為電解質(zhì)的電解液，與正負(fù)極材料之間保持著良好的相容性，提升鋰電池在極端溫度條件下的性能。
?電導(dǎo)率更高，高倍率放電性能好。加入LiFSI的電解液具有更高的電導(dǎo)率和更低的粘度，放電容量更高，提升動力電池的瞬時輸出功率。
?提升SEI膜的熱穩(wěn)定性，延長電池循環(huán)壽命。相比于LiPF6，LiFSI能與石墨負(fù)極形成更具熱穩(wěn)定性的SEI膜，減小電極與電解液之間副反應(yīng)發(fā)生的可能性，提高電池的循環(huán)性能和使用壽命。
圖表：LiFSI與LiPF6優(yōu)劣匯總對比
注：氧化電壓指在電解液不被氧化分解的最高可承受充電電壓，粘度、電導(dǎo)率為25℃時1.0M濃度鋰鹽測試所得參數(shù) 資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，康鵬科技，中金公司研究部
圖表：LiFSI電導(dǎo)率比LiPF6更高
資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部；注：圖表橫軸表示鋰鹽的摩爾數(shù)，縱軸表示電導(dǎo)率
圖表：使用不同的電解質(zhì)時，60Ah電池的充電參數(shù)
資料來源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部
補鋰劑
補鋰技術(shù)將促進(jìn)硅碳產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，進(jìn)一步提升電池能量密度并延長循環(huán)壽命。鋰離子電池化成過程中在負(fù)極表面SEI 生長會消耗活性鋰，導(dǎo)致電池能量損失。目前使用最廣泛的石墨負(fù)極的不可逆容量損失大于6%，而硅基負(fù)極不可逆容量高達(dá)10%～20%以上[3]，限制了硅碳體系高克容量優(yōu)勢的發(fā)揮。通過補鋰技術(shù)可補償活性鋰，能夠改善硅碳負(fù)極低首效的短板，充分發(fā)揮其高容量的優(yōu)勢。目前補鋰方式分成負(fù)極補鋰和正極補鋰兩種：
?負(fù)極補鋰起步早，但產(chǎn)業(yè)化難度較大。負(fù)極補鋰技術(shù)研究開發(fā)時間較早，包括基于金屬鋰的物理混合補鋰、化學(xué)補鋰多種補鋰方式。美國FMC 公司最早開發(fā)出穩(wěn)定化鋰金屬粉產(chǎn)品（97%鋰和3%碳酸鋰包覆層組成核殼結(jié)構(gòu)），通過噴灑或勻漿加入等工藝加入到負(fù)極之中實現(xiàn)補鋰。鋰箔補鋰相比鋰粉安全性有所提升，將金屬鋰箔碾壓至幾微米的厚度，然后與負(fù)極復(fù)合、碾壓。電池注液后金屬鋰迅速與負(fù)極反應(yīng)，嵌入負(fù)極材料之中，從而提升材料的首周效率。負(fù)極補鋰方式簡單高效，但受制于金屬鋰自身的安全風(fēng)險和工藝難度，暫無法大規(guī)模應(yīng)用。
圖表：負(fù)極鋰箔補鋰示意圖
資料來源：《鋰離子電池補鋰技術(shù)》[4]，中金公司研究部
?正極補鋰產(chǎn)業(yè)化即將到來。正極補鋰是向正極中添加具有高不可逆容量的含鋰化合物，根據(jù)化合物的種類不同，可以分為以Li2O、Li2O2、Li2S為代表的二元含鋰化合物，以Li6CoO4、Li5FeO4為代表的三元含鋰化合物和以Li2DHBN、Li2C2O4為代表的有機含鋰化合物。正極補鋰材料可以直接在正極漿料的勻漿過程中添加，無需額外的工藝改進(jìn)且成本較低，因而更加適合現(xiàn)在的鋰離子電池制造工藝。
圖表：富鋰鎳酸鋰與富鋰鐵酸鋰指標(biāo)對比
資料來源：深圳研一官網(wǎng)，中金公司研究部
導(dǎo)電劑
4680主要采用“硅基+高鎳”的方案，碳納米管導(dǎo)電劑的加入提升電池能量密度和循環(huán)、倍率等性能。碳納米管導(dǎo)電劑用量僅為傳統(tǒng)導(dǎo)電劑的1/6~1/2，最低可達(dá)0.4%的添加比例[5]，進(jìn)而降低PVDF等的用量間接提升電池能量密度。此外由于碳納米管的一維管狀結(jié)構(gòu)，長徑比和比表面積更大，較傳統(tǒng)導(dǎo)電劑導(dǎo)電性能更優(yōu)，進(jìn)而對于導(dǎo)電能力較弱的高鎳、硅基材料應(yīng)用更廣。
從4680增量角度來看，我們認(rèn)為隨著硅基負(fù)極滲透率的提升，單壁管需求也有望逐步放量。
?單壁較多壁而言，在長徑比、機械強度等有更高的優(yōu)勢。單壁碳納米管是一層石墨烯卷曲而成，根據(jù)鑫欏鋰電數(shù)據(jù)，單壁碳納米管的管徑約為1-2nm，而多壁碳納米管的管徑約為7-100nm，進(jìn)而使得單壁碳納米管擁有更好的長徑比，使得在電池應(yīng)用中具備更低的阻抗和更高的倍率性能。
圖表：單壁碳納米管在硅基負(fù)極中能夠更好地維持循環(huán)性能
資料來源：鑫欏鋰電官網(wǎng)，中金公司研究部
?單壁碳納米管有效提升硅基負(fù)極的循環(huán)和力學(xué)等性能。相比于多壁碳納米管，單壁碳納米管具有極高的長徑比，提供更好的機械強度和柔韌性，在低劑量的添加就能夠在硅基負(fù)極產(chǎn)生3-4倍體積膨脹的情況下仍然提供穩(wěn)定且豐富的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并在硅顆粒之間建立緊密、長久的連接，進(jìn)而提升循環(huán)壽命，此外緊緊包裹在硅基負(fù)極表面還能改善極片的力學(xué)性能。
圖表：單壁碳納米管在硅基負(fù)極中能夠更好地維持循環(huán)性能
資料來源：CNKI，中金公司研究部（注：SWCNT代表單壁碳納米管，MWCNT代表多壁碳納米管）
結(jié)構(gòu)件
4680帶來全新的圓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造和加工壁壘較21700提升：
?4680殼體的尺寸和壁厚增加(4680壁厚約0.6mm、2170壁厚約0.2mm)，且材料變更為預(yù)鍍鎳不銹鋼、強度較21700鋁合金更高，使得4680殼體整體的沖壓難度提升(保證鍍鎳層在沖壓過程中不破裂)；
?4680采用全新蓋帽結(jié)構(gòu)、頭部/底部均設(shè)計防爆閥。傳統(tǒng)21700、18650蓋帽包括頂蓋、防爆片、隔離圈、連接片、密封圈等部件，由頂蓋依次連接防爆片、隔離圈和連接片，結(jié)構(gòu)零件較多，且當(dāng)電池內(nèi)部壓力過大時，在頂蓋結(jié)構(gòu)約束下，防爆片上弱化線若不及時斷開，易引起電池短路。4680采用了全新適配全極耳設(shè)計的蓋帽，整個蓋帽包括防爆閥、隔離圈、連接片和密封圈，取消了頂蓋的設(shè)計，減少了結(jié)構(gòu)件用量，同時也降低了頂蓋泄壓失效的風(fēng)險和內(nèi)阻。并且，由于4680全極耳設(shè)計，底部將正極集流盤與極柱直接焊接，在頂部和底部均設(shè)計了帶防爆閥的蓋帽，而傳統(tǒng)21700、18550僅在頂部設(shè)計定向爆破。
4680各廠商結(jié)構(gòu)涉及均有所差異、結(jié)構(gòu)件非標(biāo)，需要結(jié)構(gòu)件供應(yīng)商具備較強的開發(fā)設(shè)計及生產(chǎn)制造能力；同時，由于全新的蓋帽設(shè)計，為提升殼體、蓋帽在開發(fā)及生產(chǎn)制造過程中更好的協(xié)同性，廠商更傾向于將蓋帽和殼體同時定點。
圖表：21700和4680圓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計對比
資料來源：比克電池專利，《全極耳圓柱鋰電池帽蓋及全極耳圓柱鋰電池專利》，2020，中金公司研究部
盈利彈性測算
4680是未來高端電池發(fā)展方向之一，將帶動高鎳正極、硅碳負(fù)極、新型鋰鹽LiFSI、補鋰劑、導(dǎo)電劑等加速放量。基于4680需求量測算，我們預(yù)計至2025年，高鎳正極/硅碳負(fù)極/LiFSI/補鋰劑/導(dǎo)電劑/PVDF需求量將分別達(dá)39.1/16.3/2.0/1.2/1.9/3.1萬噸。
圖表：4680電池帶動各新型材料放量
資料來源：中金公司研究部
4680電池帶動材料體系演變，我們預(yù)期具備技術(shù)與成本優(yōu)勢的各龍頭企業(yè)將在其中占據(jù)更高市場份額。我們預(yù)期貝特瑞/當(dāng)升/天賜/天奈在硅碳負(fù)極/高鎳正極/LiFSI/碳納米管份額將分別達(dá)50%/30%/50%/30%。
我們嘗試測算在不同4680電池產(chǎn)量下，相關(guān)材料廠商利潤彈性。我們對各環(huán)節(jié)龍頭企業(yè)市單位價格、單噸盈利能力做出一定假設(shè)。詳情請見報告原文。
[1] 趙宇龍，2022年
[2] Thomas George Tranter, Robert Timms, Paul R. Shearing, 2020
[3] 金浪CLE南京鋰電展
[4] 黃學(xué)杰，2021
[5] 天奈科技招股說明書
