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，提高電池安全性與能量密度，我們預計在特斯拉/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，我們認為有望成為下一代圓柱電池發(fā)展方向。
無級耳技術創(chuàng)新提升電池安全性，兼容激進材料體系。圓柱電芯間為面接觸，不易發(fā)生熱失控傳導，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極的高膨脹性，高鎳+硅碳將助力4680圓柱電芯能量密度進一步提升，我們認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，我們預期2023年4680電池裝機量有望超20GWh，2024年將超100GWh，終端整車廠應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：我們預計至2025年，高鎳正極/硅碳負極/LiFSI/補鋰劑/導電劑/PVDF需求量將分別達39.1/16.3/2.0/1.2/1.9/3.1萬噸。
風險
4680電池產(chǎn)業(yè)化推進不及預期。
正文
4680電池：工藝和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新集大成者，產(chǎn)業(yè)變革正當時
復盤圓柱電池發(fā)展史：日韓主導，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)技術發(fā)展較成熟，特斯拉Roadster拉開其在電動車領域商業(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一步：2020年9月特斯拉在電池日上公布4680電池，電池直徑進一步增加到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，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)主導全球圓柱電池市場，電動車是第一大應用場景。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；分應用場景來看，電動車為第一大應用場景，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，對電池熱管理系統(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極引出的金屬導電體，主要成分為鋁和銅，是電池進行充放電的接觸點。鋰電池中電子在正極耳與負極耳之間移動，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。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體的極耳結(jié)構(gòu)，利用整個集流體尾部作為極耳，設計成集流盤結(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1000W/kg以上。
圖表：無級耳電芯產(chǎn)熱量遠低于傳統(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，我們認為高鎳正極、硅基負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）硅基負極相比石墨負極具有更高的膨脹系數(shù)，圓柱電芯相比方形電芯內(nèi)應力分布更均勻，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，而圓柱電芯為線接觸，可更好避免熱失控傳導；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的方案，因此4680的結(jié)構(gòu)與高鎳+硅基負極相得益彰，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)的標準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）一體化設計中，取消電池了Pack設計，直接將電芯或模組安裝在車身上，電池既是能源設備提供續(xù)航，也充當結(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，同時承擔了電池的密封功能，因此節(jié)約了一層上蓋板的設計，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)、匹配高容量的硅負極和高鎳材料、簡化生產(chǎn)工藝和CTC方案等技術實現(xiàn)了多環(huán)節(jié)的協(xié)同效應，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%，這其中電芯設計占 16%、負極材料 20%、正極材料 4%、電芯底盤集成占 14%。單位制造費用下降 56%，電芯設計占 14%、電芯工廠占 18%、負極材料 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。我們預期隨各企業(yè)工藝改進、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)外各廠商迅速推進布局，目前以特斯拉、松下產(chǎn)能布局最為領先，我們預期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100GWh。3）德國柏林工廠：目前正安裝4680電池產(chǎn)線設備，公司預計2022年底-2023年將陸續(xù)投產(chǎn)，總規(guī)劃產(chǎn)能達50GWh。
?松下：2021年松下在其內(nèi)達華州Gigafactory中建立4680新產(chǎn)線并進行量產(chǎn)，同時在日本工廠啟動4680試驗線建設并于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，其預計將于2023年3月-2024年3月進行量產(chǎn)。
?LG：2021年年初開始對其韓國梧倉工廠進行改造，建設4680試驗線，公司預計最快將于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)合作開發(fā)4680和4695，2021年11月公司公告投資32億元建設20GWh大圓柱電池產(chǎn)能，我們預計公司有望于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。
圖表：各企業(yè)4680電池布局進度
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，中長期我們認為寶馬、戴姆勒等廠商有望逐步應用。我們復盤松下21700對18650電池的替代節(jié)奏：2017年松下在內(nèi)達華工廠開始量產(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30億顆，約占其圓柱總產(chǎn)量的3/7。
我們預計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2022/2023年特斯拉三元電池中4680滲透率分別為5%/20%，對應約4.4/25.5GWh 4680電池需求，至2025年，我們預期4680滲透率有望達70%，對應裝機需求有望超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
我們認為特斯拉率先應用4680將在行業(yè)內(nèi)起到示范效應，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入，成為電池技術發(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，尤其全極耳的設計帶來激光焊工藝難點、成為當前良品率提升的主要瓶頸環(huán)節(jié)，并且4680結(jié)構(gòu)非標、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、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注點。目前動力電池包通過較多小容量電芯進行串并聯(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熱傳導問題?？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苛，我們認為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，單個電池熱失控釋放能量低，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，熱傳導較慢，且具備弧形表面，天然預留散熱空隙，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)電池熱失控。而極耳接觸面積越大，極耳間距越短，內(nèi)阻越小，電池熱失控概率越小。4680全極耳電池把整個正/負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。
硅碳負極
4680是硅基負極推廣的重要抓手
?4680的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使得硅基負極率先得到應用。傳統(tǒng)石墨負極通過嵌入反應容納鋰離子，平均每6個碳原子能容納1個鋰離子，而硅負極通過合金化反應容納鋰離子，每個硅原子最多與4.4個鋰離子結(jié)合成鋰硅合金，進而使得硅負極材料理論比容量達到約4200 mAh/g，是傳統(tǒng)石墨負極的十倍。但與此同時其體積變化率也達到300%-400%，遠超傳統(tǒng)石墨的12%。而4680的大圓柱鋼殼方案在結(jié)構(gòu)應力分配方面更具優(yōu)勢，也使得硅基負極率先得到應用。
?4680電池的正極主要采用高鎳，配合硅基負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極的比容量對應關系，當固定正極容量為180 mAh/g，若負極容量達到500 mAh/g，能量密度將提升10%，若負極容量達到800 mAh/g，能量密度將提高24%。
圖表：全電池能量密度與正負極比容量的關系
資料來源：GGII，中金公司研究部
圖表：人造石墨、天然石墨、硅基負極的性能對比
資料來源：GGII，中金公司研究部
硅基負極膨脹大、電位高、首效低， 對應需要結(jié)構(gòu)設計、預鋰化、導電劑等一攬子的配套改善方案。從結(jié)構(gòu)設計來看，硅基負極目前兩大技術路徑主要是硅碳復合材料和硅氧復合材料，其中硅碳負極主要是通過減小硅的尺寸至納米級別進而減小材料膨脹影響，而硅氧負極中的Si團簇、Si02團簇及其氧化界面，可以在合金化反應過程中起到緩沖體積膨脹的作用。
圖表：硅碳負極和硅氧負極對比
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/結(jié)構(gòu)體系，我們預計添加比例有望從目前的約2-6%提升至近10%。4680使用更激進的正負極材料實現(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
補鋰技術將促進硅碳產(chǎn)業(yè)化進程，進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極表面SEI 生長會消耗活性鋰，導致電池能量損失。目前使用最廣泛的石墨負極的不可逆容量損失大于6%，而硅基負極不可逆容量高達10%～20%以上[3]，限制了硅碳體系高克容量優(yōu)勢的發(fā)揮。通過補鋰技術可補償活性鋰，能夠改善硅碳負極低首效的短板，充分發(fā)揮其高容量的優(yōu)勢。目前補鋰方式分成負極補鋰和正極補鋰兩種：
?負極補鋰起步早，但產(chǎn)業(yè)化難度較大。負極補鋰技術研究開發(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，然后與負極復合、碾壓。電池注液后金屬鋰迅速與負極反應，嵌入負極材料之中，從而提升材料的首周效率。負極補鋰方式簡單高效，但受制于金屬鋰自身的安全風險和工藝難度，暫無法大規(guī)模應用。
圖表：負極鋰箔補鋰示意圖
資料來源：《鋰離子電池補鋰技術》[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對比
資料來源：深圳研一官網(wǎng)，中金公司研究部
導電劑
4680主要采用“硅基+高鎳”的方案，碳納米管導電劑的加入提升電池能量密度和循環(huán)、倍率等性能。碳納米管導電劑用量僅為傳統(tǒng)導電劑的1/6~1/2，最低可達0.4%的添加比例[5]，進而降低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)導電劑導電性能更優(yōu)，進而對于導電能力較弱的高鎳、硅基材料應用更廣。
從4680增量角度來看，我們認為隨著硅基負極滲透率的提升，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，進而使得單壁碳納米管擁有更好的長徑比，使得在電池應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極的循環(huán)和力學等性能。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)定且豐富的導電網(wǎng)絡，并在硅顆粒之間建立緊密、長久的連接，進而提升循環(huán)壽命，此外緊緊包裹在硅基負極表面還能改善極片的力學性能。
圖表：單壁碳納米管在硅基負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險和內(nèi)阻。并且，由于4680全極耳設計，底部將正極集流盤與極柱直接焊接，在頂部和底部均設計了帶防爆閥的蓋帽，而傳統(tǒng)21700、18550僅在頂部設計定向爆破。
4680各廠商結(jié)構(gòu)涉及均有所差異、結(jié)構(gòu)件非標，需要結(jié)構(gòu)件供應商具備較強的開發(fā)設計及生產(chǎn)制造能力；同時，由于全新的蓋帽設計，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、硅碳負極、新型鋰鹽LiFSI、補鋰劑、導電劑等加速放量?；?680需求量測算，我們預計至2025年，高鎳正極/硅碳負極/LiFSI/補鋰劑/導電劑/PVDF需求量將分別達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，我們預期具備技術與成本優(yōu)勢的各龍頭企業(yè)將在其中占據(jù)更高市場份額。我們預期貝特瑞/當升/天賜/天奈在硅碳負極/高鎳正極/LiFSI/碳納米管份額將分別達50%/30%/50%/30%。
我們嘗試測算在不同4680電池產(chǎn)量下，相關材料廠商利潤彈性。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。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] 黃學杰，2021
[5] 天奈科技招股說明書
