半岛彩票:4680行业深度：技术优势、市场空间及相关公司深度

　　从18650到21700电池，特斯拉是目前圆柱电池的最主要使用者。2020年特斯拉研究认为46mm是兼顾经济性和电池性能的最佳直径，并推出4680大圆柱电池。通过增大圆柱电池直径可实现更高的活性物质占比与更高能量密度，同时减少壳体用量并降低BMS管理难度，有望成为下一代圆柱电池发展方向。

　　下面我们从圆柱电池出发，通过对4680技术难点、技术优势、产业链等方面的分析了解4680相关公司及市场空间。

　　锂电池根据封装形式的差异具体可以分为圆柱电池、方形电池和软包电池三种。目前国内外以及不同的应用场景对于锂电池封装形式的布局也存在一定的差异：

　　1）圆柱电池：日本企业以圆柱电池路线为主，例如松下与特斯拉合作，将圆柱电池配套应用在动力电池的车上。

　　相较于方形电池和软包电池，大圆柱电池在全生命周期里结构稳定，此外，在电池寿命周期内，46系大圆柱电池不会因为膨胀产生内应力，致使电池内部的结构发生变化，因此有望成为未来高、中端车辆主要的电池封装形态。

　　4680也就是4680圆柱电池，全称为4680规格无极耳圆柱电池。圆柱电池：指的是电池壳外形为圆柱形；46：指的是圆柱电池直径为46mm；80：电池的高度为80mm。目前市场上还有4695、46105等电池型号，主要是考虑到专利限制的原因，由此针对电池壳体的高度做了一定的调整。

　　根据2020年特斯拉电池日首次公开发布的资料，相比较此前采用的2170电池，4680电池的电芯容量是2170电池的5倍，能够提高续航里程16%，输出功率是2170电池的6倍，大大提升了电池性能。

　　4680采用大圆柱电池，在能量密度、快充能力以及交流内阻等多方面都具备一定的比较优势。亿纬锂能董事长刘金城以“极致标准、极致可靠、极致制造与极致体系”4个“极致”强调了大圆柱优势。

　　特斯拉：2020年9月，特斯拉电池日发布4680全极耳电池；2022年1月，特斯拉宣布在美国加州弗里蒙特工厂第100万个4680电池成功下线，开启大圆柱电池规模生产新阶段。特斯拉目前已规划在美国加利福尼亚州、德克萨斯州、内华达州以及德国柏林的四个超级工厂自产4680电池。

　　日本松下：2022年上半年试生产4680电池，2023年期为特斯拉试生产4680电池，年产能达到10GWh。

　　亿纬锂能：2022年6月，亿纬锂能公布了多项重大电池项目投资，其中，“乘用车锂离子动力电池项目”总投资金额43.75亿元，项目达产后，将形成年产20GWh大圆柱46系列动力储能锂离子电池产能。2022年8月，亿纬锂能首件搭载46系列大圆柱电池的系列产品在研究院中试线成功下线系大圆柱规模化量产再进一步。

　　动力电池的性能决定整车性能，整车性能需求决定怎么定义动力电池性能，下面从安全性、续航里程、低温可靠性、快充和成本几个角度分析对比4680+高镍硅基、大方形+磷酸铁锂之间的优劣。

　　圆柱电芯在主流形态中热安全和机械安全性最高。1）单体电芯角度，与方型软包对比，圆柱电芯单体最小可以分散风险，此外，面临热膨胀时整个壳体均匀受热，不会出现方型电池侧面鼓胀、电池变形寿命下降的问题；2）模组级角度，圆柱电芯以蜂窝式排列，电芯之间留有天然空隙（热交换面积），此外每个单体有独立的定向泄压装置，保证单体电芯发生热控时不会蔓延到周围产生连锁反应；3）机械性能方面，圆柱电芯的壳体可提供一定的结构刚性，在受到外部冲击时形成有效的缓冲，使得形变不容易侵入电芯的内部，这使得蜂窝状排列的大圆柱电芯成为CTP/CTC等技术路线的理想选择。

　　高能量密度的高镍材料低温适应性强。续航里程除了理论能量密度外还需要考察不同场景，研究表明在-20℃时，磷酸铁锂电池容量只能达到常温的1/3，锂离子扩散系数较常温下下降两个数量级，当温度下降到-40℃时，磷酸铁锂只能保持常温容量的20%，磷酸铁锂的低温性能差主要是由于其本征电导率和锂离子的扩散系数都很低。相对而言，三元电池耐低温性能好，适应低温环境，成为在高纬度地区消费者的优先选择。

　　大圆柱电池单体电压高具备高度一致性，快充适用性强。当前电动车相比燃油车的一大痛点是充电速度，除了充电站数量不够以外，充电效率低是最大的问题，高压快充技术是有效的解决方法。高压快充需要将多只电芯串联起来，达到800伏甚至1000伏的高电压状态，多电芯串联对电芯的一致性提出了极高的要求，整串电芯的性能由其中最差的电芯决定（木桶效应）。大圆柱电芯因为其单体的电压高，一致性好等优势，使其可以非常好的匹配高压快充技术。此外大圆柱电芯具有的其他优势，比如便于高温高压充电时散热能力强、便于热管理，可以灵活利用异形空间高度标准化的形态，利于平台化及迭代等。

　　4680+高镍硅基电池成本下降可期，未来有望成为长续航里程车型主流技术路线日价格及相关假设做动力电池成本测算，假设两者折旧&人工&其他制造费用相同，只考虑材料端的差异，8系三元+硅基负极电池成本为0.97元/Wh，相比5系三元+人造石墨电池0.96元/Wh成本主要高在硅基负极和新型电解液成本上，按照特斯拉对未来电池技术方案及产线的设想，考虑材料端降本和生产工艺的升级，4680+高镍三元+硅基负极电池成本有56%的下降空间，对应0.43元/Wh，根据特斯拉的公开官方描述情况，特斯拉认为4680有望在22年可与竞品同台竞争，23年超越竞品。伴随材料成本下降和规模效应，4680高镍硅基体系的综合成本有望持续下降，在高端长续航里程车型中4680+高镍硅基有望成为主流技术路线技术难点

　　工艺上变化较大且要求较高的就是焊接技术，包括电阻焊、激光焊、超声焊等，目前4680生产工艺相对壁垒较高的就是激光焊接，4680相比21700在焊接数量和难度都大大提升，激光焊接要保证铜箔、铝箔跟集流盘的激光焊的完整性、电池内部的均匀性和致密性，同时要保证没有金属残渣残留在电池内部，大圆柱电池在某种意义上是随着焊接技术的逐渐成熟而应运而生的，焊接质量的好坏直接决定电芯的内阻自放电、密封性能，从而决定了电池包的性能。

　　前段干电极技术是将正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂混合，使其纤维化，直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。可省略繁复的辊压、干燥等工艺，大幅简化生产流程，提升生产效率，节省成本。当前特斯拉在突破干电极技术方面遇到一定障碍，干电极技术的突破将成为4680降本、量产的关键。

　　良率是衡量制造业规模量产的关键参数，通常锂电池制造需要达到95%以上的良率量产才具备经济性，目前特斯拉在加州弗里蒙特工厂试制备的4680电芯的良品率已经从最开始的20%左右逐步攀升至92%，国内布局4680的电池企业目前还处于B样阶段，良率在50%附近，焊接的高壁垒、生产一致性难度提高等导致国内电池厂的良率卡壳，未来还需要国内电池企业和设备厂商共同推进。此外4680未来主要搭配高镍和硅基负极材料体系，要求电池企业在新型材料有技术储备，制造工艺配合材料体系，发挥出4680的竞争优势。综合来看，未来率先良品率达标并可实现高能量密度体系量产的企业将成为4680技术的充分受益者。

　　动力电池逐步形成了专业化程度高、分工明确、各司其职的产业链体系，主要分为上、中和下游。上游包括钴、锰、镍矿、锂矿以及石墨矿，其中钴、锰、镍矿一般作为正极材料上游，锂矿应用最为广泛，石墨一般只作为负极材料。中游产业链由正极、负极、电解液、隔膜、铜箔等组成。下游产品则是由单体电池、模组、线束、连接器以及BMS管理系统整体组成的动力电池系统。上游产品同质化程度高，周期属性较强，下游产品的差异化较大，消费属性强。下面我们主要对中游环节进行探讨。

　　电池卷芯制作的第一步是制作正负极极片：将正负极导电剂、粘结剂和活性物质混合搅拌，再均匀涂覆在集流体上，形成附着了导电物质的片状材料。涂布方法分为较为传统的湿法涂布和特斯拉在4680电池上采用的干粉涂布技术。湿法涂布是将搅拌均匀的浆料均匀地涂覆在集流体上，并将浆料中的有机溶剂进行烘干。干法涂布是将正负极颗粒与粘结剂PTFE混合，使用喷射磨机对混合物施加高剪切力，以机械拉伸方式形成网状纤维薄膜层后，将其辊压到铝箔或铜箔上，制备出正负极片。

　　相比湿法涂布，干法涂布不需要溶剂，在环节方面省去了浆料搅拌、干燥、有害溶剂回收等环节，节省了材料、时间、厂房和人工等生产成本。在产品性能方面，干法电极涂布电极更厚，能量密度更高，与4680电池适配度高。首先，4680大圆柱电池内围尺寸更大，允许卷绕在内的干法涂布更厚。其次，粘结剂PTFE化学性质不活泼，且弹性较大，适配4680的高镍和硅基负极的方案。另外，干法涂布技术是生产下一代固态电池的必要条件。

　　传统极片切割方法采用步进运动式模切工艺，即按照电池规格，对经过辊压的电池极片进行分条的装备，生产效率低、成本较高，需要更换设备尺寸。由于全极耳设计，4680采用了非传统的切割方式，在极片切割的过程中直接在极片一侧空箔上连续切割极耳成型。在切割技术、速度、精度以及产品质量方面，对高速制片设备提出了更高要求。

　　在电池电芯制造和模组PACK制造过程中，焊接是非常重要的工序。电池电极、导线、外壳等包含钢、铝、铜、镍等多种材料，各种材料之间的焊接对工艺提出了很高的要求。锂电池焊接主要有超声焊接和激光焊接两种。超声焊接的优点是工艺简单，但占用空间大，模组的体积成组效率低。而激光焊接灵活、精确、高效，特别适用于锂电池制造，已成为主流工艺。

　　传统圆柱电池有两个极耳，只需要进行两个极耳的点焊。4680大圆柱电池存在多个极耳，正负极整体与集流盘焊接，集流盘上细丝焊缝数量较多，焊点数量大幅增加（4680焊接点位较21700增加了5倍），并且一般需要使用连续激光焊接设备。

　　在后道工序中，防爆阀焊接对于工艺要求极为严格。电池的防爆阀（泄压阀）是电池封口板上的薄壁阀体，当电池内部压力超过规定值时，防爆阀阀体破裂，可以有效防止电池爆裂。安全阀结构较为精细，之前都是采用脉冲激光器焊接（通过焊点与焊点的重叠覆盖来实现持续密封焊接，但焊接效率低、密封性差），持续激光焊接可以实现高速高质量焊接，焊接稳定性、焊接效率以及良品率都能够得到保障。

　　CTC是“Cell to Chassis”的缩写，直译就是“将电池放到底盘之中”，产生的背景是对单车带电量提升以及新能源汽车降本的极致追求。CTC工艺一方面降低了电池电芯以外的部件体积，另一方面充分利用了电池对车身的结构支撑作用，减少了车身零件数量和整体重量，从而节省了成本。

　　CTC是电池组装工艺发展的重要方向。对下游整车厂而言，CTC与传统车厂推崇的底盘平台化的核心逻辑是相通的，即通过强化底盘总成的集成度，来达到降本增效的目的。对中游电池厂而言，MTP到CTC是一个持续提高能量密度的过程，在强度可靠的前提下逐步减少机械件的占比，从而提高能量密度，降低单位电量的成本。另外，CTC技术对于热管理提出了更高要求，而掌握领先技术优势的电池厂商将从中受益。

　　4680电池运用CTC工艺具有先天优势。首先，CTC对电池的结构强度有一定的要求，电池本身要承担相当的机械强度，相较于1865和2170，4680单体电池结构强度更高，且外壳一般采用不锈钢材质。其次，对比方壳电池，圆柱电池的布局会更灵活，能适应各种不同的底盘，再结合全极耳高能量密度高充放功率的优势，未来在HEV和PHEV领域的潜力也很大。特斯拉拥有CTC电池系统专利。CTC工艺是由特斯拉在2020年率先提出，目前主机厂商方面，

　　一体化压铸是指通过大吨位压铸机，将多个单独、分散零部件高度集成，再一次成型压铸为1-2个大型铸。