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。
相比2170電池單極耳結(jié)構(gòu)，4680電池采取了全極耳+集流盤(pán)的設(shè)計(jì)，同時(shí)主流方案采取殼體槽底處打孔放正極柱、殼體槽口用蓋板激光焊封口的新構(gòu)型。在加工工序方面，4680電池比2170電池增加了極耳模切、揉平、激光焊集流盤(pán)、開(kāi)口化成、激光焊蓋板的工序。目前特斯拉1月已自產(chǎn)100萬(wàn)顆4680電池，平均良率達(dá)92%，最高良率達(dá)97%，良率已達(dá)可量產(chǎn)水平。
特斯拉打出4680電池“組合拳”，國(guó)內(nèi)外頭部電池供應(yīng)商跟進(jìn)。特斯拉圍繞4680電池打出“大電芯+全極耳+高鎳高硅+CTC”的“組合拳”，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了1）續(xù)航長(zhǎng)：4680能量密度提升>20%；2）充電快：全極耳優(yōu)化了電池的熱電性能，可承受4C以上高倍率電流；3）成本低：大電池+高能量密度攤薄單Wh成本。另外，4680由于其熱安全性能更優(yōu)、內(nèi)應(yīng)力分布均勻的優(yōu)勢(shì)，較方形更適配高鎳高硅體系，我們預(yù)計(jì)中低端車(chē)將多應(yīng)用磷系方形+CTP方案，高端車(chē)將多應(yīng)用高鎳高硅4680+CTC方案。此外，海外如LG、松下、三星，國(guó)內(nèi)如寧德時(shí)代、億緯鋰能等頭部電池供應(yīng)商亦跟進(jìn)布局4680電池。4680電池有望在特斯拉和頭部電池廠的推動(dòng)下迎來(lái)爆發(fā)拐點(diǎn)。
4680電池技術(shù)為高能量高倍率主輔材應(yīng)用帶來(lái)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，為結(jié)構(gòu)件和設(shè)備升級(jí)帶來(lái)新機(jī)遇。此前由于補(bǔ)貼退坡帶來(lái)降本訴求、安全性問(wèn)題凸顯，主輔材向高能量高倍率方向升級(jí)速度放緩，4680電池有望成為新的升級(jí)驅(qū)動(dòng)。高鎳正極、硅碳負(fù)極、補(bǔ)鋰劑、碳納米管、LiFSI、PVDF等主輔材滲透率/用量有望提升。結(jié)構(gòu)件方面，由于4680采用新構(gòu)型設(shè)計(jì)，制造門(mén)檻提升，使結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)向定制化、殼體+蓋板成套采購(gòu)，格局優(yōu)化同時(shí)單品價(jià)值量提升。設(shè)備方面，激光模切、激光焊等工序用量增加、高精度要求提升相關(guān)設(shè)備價(jià)值量，頭部電池廠規(guī)劃新產(chǎn)能有釋放訂單。殼體沖壓設(shè)備有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。
1）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(kāi)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(chē)型16%的續(xù)航里程，輸出功率6倍于2170電池。
2）4680目前兩種結(jié)構(gòu)方案對(duì)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(kāi)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(guò)凹槽與負(fù)極全極耳焊接連接
優(yōu)勢(shì)：無(wú)負(fù)極集流盤(pán)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(shì)：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(pán)直接焊接到正極柱，正極柱卡在殼體槽底的開(kāi)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(pán)連接，極柱通過(guò)正極集流盤(pán)和電芯電性連接，殼體和負(fù)極集流盤(pán)電性連接
蓋板和殼體的槽口連接，蓋板上刻蝕有防爆線
3）4680和2170生產(chǎn)流程對(duì)比
4）4680難點(diǎn)：新結(jié)構(gòu)帶來(lái)了工藝實(shí)現(xiàn)和一致性的挑戰(zhàn)，影響電池良率
涂布：全極耳涂布的弧形邊緣對(duì)設(shè)備的精密度要求更高（外圈比內(nèi)圈留白越來(lái)越多，極耳長(zhǎng)度越到外圈越長(zhǎng)）
極耳分切：工藝要求更高，如果邊不齊，造成極耳貼合出現(xiàn)縫隙
激光焊：全極耳與集流盤(pán)面焊，焊點(diǎn)增加（4680的焊點(diǎn)數(shù)量相比21700提高五倍以上），容易造虛焊或者溫度過(guò)高損傷隔膜
揉平：產(chǎn)生金屬碎屑
注液：全極耳覆蓋后注液較難，影響連續(xù)生產(chǎn)
Part 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)
1）特斯拉4680電池有內(nèi)在自洽的產(chǎn)業(yè)邏輯
1.1 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(guò)路徑，降低內(nèi)阻。2170電子在集流體里流過(guò)整個(gè)卷繞極片的展向長(zhǎng)度，路徑約1000mm，按銅的電導(dǎo)率測(cè)算，對(duì)應(yīng)阻抗>20mΩ；4680全極耳的電芯中，電子在集流體流過(guò)的路徑僅為軸向長(zhǎng)度，即80mm，對(duì)應(yīng)阻抗2mΩ
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(lái)2170是蛇形管冷卻側(cè)壁），熱管理難度與能耗降低。綜上，電、熱能損失小，打破了能量與功率密度不能同時(shí)提升的約束，實(shí)現(xiàn)續(xù)航長(zhǎng)、充電快
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(jiǎn)化工序
1.2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(shì)
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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。
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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(duì)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(shì)，但熱失控設(shè)計(jì)有難度的短板。4680+鐵鋰在乘用車(chē)上失去了4680的優(yōu)勢(shì)，可能未來(lái)在二輪車(chē)、電動(dòng)工具上有應(yīng)用。
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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。
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1.3高鎳高硅4680+CTC vs 磷系方形+CTP？
CTP是電芯廠向整車(chē)廠奪回pack的產(chǎn)值，CTC是整車(chē)廠向電芯廠搶話語(yǔ)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
因此，未來(lái)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
2）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(guò)程簡(jiǎn)化節(jié)省成本
非活性物質(zhì)成本：以結(jié)構(gòu)件為例，2170電池殼體+蓋帽2元，4680目前為10元左右，長(zhǎng)續(xù)航M3需要用2170/4680電芯4400/960個(gè)，目前對(duì)應(yīng)單車(chē)價(jià)值量8800/9600，因此單車(chē)電池結(jié)構(gòu)件成本基本持平。后期量產(chǎn)后降價(jià)空間巨大（假設(shè)還能降本30%，單結(jié)構(gòu)件就能比2170節(jié)省約2000元）。2170 vs 4680，Pack面積：2.7:2.57；Pack電量：95:82
盡可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/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 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680為0.8-0.9
生產(chǎn)過(guò)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(jiǎn)化生產(chǎn)流程，提升生產(chǎn)效率，節(jié)省成本
4680主要對(duì)自動(dòng)裝配線改動(dòng)較大，主要新增極耳揉平和正負(fù)集流盤(pán)激光焊，單GWh投資額2.1億，僅略低于方形
2）特斯拉4680電池需求測(cè)算
3）產(chǎn)業(yè)鏈如何跟隨？——電池廠對(duì)于特斯拉來(lái)說(shuō)，隨著4680的推廣，將來(lái)在國(guó)內(nèi)需要有兩三家代工廠來(lái)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(lái)爆發(fā)元年。
海外：特斯拉2020年9月率先公布，將于2022Q1開(kāi)始交付搭載4680電池的Model Y；松下計(jì)劃2022H1在日本開(kāi)始試生產(chǎn)4680電池，2023年進(jìn)行量產(chǎn)；LG將在韓國(guó)梧倉(cāng)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(guó)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(mén)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)。
Part 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(jí)帶來(lái)新機(jī)遇
1）高鎳正極：對(duì)能量密度的持續(xù)追求
2）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(guò)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
3）補(bǔ)鋰劑：補(bǔ)齊硅碳負(fù)極首次庫(kù)倫效率短板
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首次庫(kù)倫效率是硅碳負(fù)極的短板：鋰電池在首次充電過(guò)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(lái)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(duì)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
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硅碳負(fù)極除首效低外，循環(huán)過(guò)程中SEI膜會(huì)“呼吸”再生，降低循環(huán)壽命，對(duì)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n
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正極補(bǔ)鋰的原理：在正極合漿的過(guò)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(guò)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(kù)倫效率上的短板
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4）碳納米管：硅碳負(fù)極將拉動(dòng)單壁碳納米管的用量
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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
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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(zhǎng)徑比更高、有效添加量?jī)H為0.1%，可有效解決硅碳電池在充放電過(guò)程中導(dǎo)致的體積膨脹和裂縫問(wèn)題
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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(lái)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(wàn)元/噸，在負(fù)極添加比例為0.1%左右
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5）LiFSi：適用于高鎳高壓高倍率電池的新型鋰鹽
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4680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(duì)鋰鹽性能要求提升。
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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(zhǎng)的循環(huán)壽命、更高倍率放電性能、更高的安全性能。
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用量：兩種用途，1）1%~3%，一般可視為添加劑；2）3%~5%，成為L(zhǎng)iPF6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%。
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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(wàn)元/噸）與六氟相比不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，由于供需不平衡，目前六氟價(jià)格已達(dá)58萬(wàn)元/噸，LiFSI具備階段性相對(duì)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，但絕對(duì)值仍處于較高位。另一方面，LiFSI的降本仍在繼續(xù)（2016年90萬(wàn)元/噸降至如今45萬(wàn)元/噸），目前LiFSI成本約20萬(wàn)元/噸，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)隨著技術(shù)突破，2022年LIFSI售價(jià)有望降至35萬(wàn)元/噸以內(nèi)，最終成本有望降至15萬(wàn)元/噸以內(nèi)。
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6）PVDF：用量增加，供需缺口擴(kuò)大
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PVDF在電池中主要用在正極、隔膜中，充當(dāng)粘結(jié)劑? 正極：以油溶性PVDF為主，占到高達(dá)90%，用量占到正極材料的1%-3%。4680大圓柱電池高鎳預(yù)計(jì)與2170相當(dāng)。
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隔膜：在接觸負(fù)極側(cè)加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳負(fù)極粉的穩(wěn)定性；2）貼得更緊，提升能量密度；3）提升保液性。假設(shè)PVDF涂層1μm，PVDF密度為1.8g/cm3，1GWh用量約20噸。
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粘結(jié)劑（非活性物質(zhì)）用量過(guò)降低能量密度和導(dǎo)電性能，預(yù)計(jì)4680電池PVDF總用量增加至正極材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%左右。
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7）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
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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(zhǎng)度而變化，因此激光模切更適用。
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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(lái)量利齊升。
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--4680方案增加了全極耳+集流盤(pán)的焊接，焊點(diǎn)數(shù)量相較于21700電池提高5倍以上，焊接設(shè)備數(shù)量增加3倍。
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--焊接工藝難度大幅增加，設(shè)備可能會(huì)從原來(lái)的脈沖激光器變?yōu)檫B續(xù)激光器，價(jià)值量增加。
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國(guó)產(chǎn)殼體生產(chǎn)設(shè)備憑借高效率、價(jià)格和服務(wù)優(yōu)勢(shì)，有望在鋰電結(jié)構(gòu)件大幅擴(kuò)產(chǎn)的階段逐步形成國(guó)產(chǎn)替代。
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