锂电池4680大圆柱专题研究.docx

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1、锂电池4680大圆柱专题研究一、4680冲击电芯格局2023年9月220,马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代4680电芯（前两位数字代表直径46mm,后两位代表高度80mm）,相比2170直径增大两倍以上，容量是2170电芯的5倍，续航提升16%,功率提高6倍。大圆柱的优势体现在高性价比、高安全性以及快充性能潜力等方面，预计未来将替代部分软包和方形的市场份额。（一）补贴退坡性价比为王，4680降本增效2023年-2023年，我国新能源汽车的补贴标准较上一年分别退坡10%20%30%o根据关于2023年新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知，2023年之后上牌的车辆或将不再享受补贴（在经济下行压力

2、下，工信部等部门正在研究继续延续补贴至2023年的方案）。动力电池成本占电动车成本约40%,动力电池降本对电动车降本贡献最大。后补贴时代，动力电池降本压力增大。锂离子电池成本持续下降。根据B1OOmerNEF数据，锂离子电池组价格从2014年到2023年下降了77.6%,从2017年到2023年下降了40%,加权平均值达到132$/kWh。降本通过多方面入手，电池材料体系优化、电池工艺优化、电池封装方式、系统集成方式的改变，提高能量密度的同时降低制造成本。电池成本下降主要来源于能量密度的提升，根据工信部披露第一批次纯电动乘用车数据统计，从2017年到2023年提高了49%,相当于成本下降33%

3、o白名单补贴政策助推方形占比提升。2015年3月，国家工信部发布了汽车动力蓄电池行业规范条件，进入推广目录的车企才能获得补贴，国内企业深度受益。2017年宁德时代增长6倍成为国内电池装机量第一，带动方形电池出货量占比增加。1G、SK1等韩国软包龙头企业排除在白名单之外，导致其主推的软包路线在国内份额持续下滑。海外市场，2023年欧洲电动车渗透率提升，带动1G软包电池海外放量。圆柱电池早期凭借其型号统一、标准化生产在动力市场站稳脚跟。2017年，由于性价比不占优势，圆柱电池转战电动工具、电动两轮车领域。2023年，国产特斯拉mode13等车型销量带动1G以及松下的圆柱电池在国内动力电池出货量提升

4、,圆柱重返动力市场。2017年松下伴随特斯拉全球崛起，海外圆柱份额快速上升。1、电芯设计仅外形尺寸变化，4680每千瓦时的成本较2170降低14机单个电芯电量随体积增大提升至5.48倍，外壳用料增加不到3倍。更少的电芯数量降低了组装时间，提升了成组效率，进一步带来成本优势。仅外形尺寸变化，能量密度可以上升10%；换用硅碳负极，能量密度上升20%至300whkg以上。2、电芯工厂随着制造流程简化、生产线效率提高、工艺提升，成本将减少18机特斯拉设计从电极涂覆、卷绕、装配、化成等各个环节下手，提高生产效率。整体而言，大圆柱电池可以实现连续不间断生产；制造工序少于软包和方形铝壳（大圆柱约10道工序）

5、；生产在线时间短（大圆柱约7天左右，方形和软包分别约10天和12天），提高了周转率，降低了库存率。2. 1涂覆工艺干电极技术生产设备占地面积减少10倍，能耗减少10倍，成本降低10%-20沆湿法工艺需要先混合粉末和溶剂，涂覆到箔材上，然后放入干燥炉进行干燥，并回收溶剂。而干法工艺则省去了溶剂环节，但均匀度、粘结度更难控制（该技术尚在研发阶段）。MaXWen的干电极工艺采用PTFE（聚四氟乙烯）粘结剂与电极粉末混合，通过挤出机形成电极薄膜，随后利用压延机热压成型，省去溶剂、简化工序（涂布、烘干等），目前已进行四次优化工艺，但仍在实验阶段。干电池电极具备以下四个优点：1）能量密度高：大于300Wh

6、kg,并存在500Whkg的实现路径；2）延长电池寿命：改善电池耐久性，电池寿命翻倍；3）节省成本：产能密度增加16倍，与湿电极技术相比，成本降低10%-20版4）与行业趋势（无溶剂，无钻化，下一代材料，固态电池）的高匹配度&保护环境。2 .2卷绕由于有极耳，电池生产就需要不停地启动和停止。而4680为全极耳，卷绕工艺可以实现连续高速不间断生产，达到300PPnI的高速制造，而方形铝壳一般仅为10-20ppmo3 .3装配通过连续流水装配提高效率。特斯拉设计一条产线产能为20GWh,每条线的产量增加七倍。特斯拉与GrOhmann和Hibar机器设计团队垂直整合，将装配环节集成到一台机器上，删减

7、了中间不必要的运输步骤。2.4化成通过提高化成效率，化成投资成本减少86%,占地面积减少75虬化成指对电池充放电并检测电池的质量，典型化成对单节电池充放电，而特斯拉同时对上千节电池充放电，显著提升化成设备的成本效益和密度。3、硅基负极负极材料采用硅基材料，每千瓦时12美元，成本降低5%,里程提高20%。石墨负极潜力挖掘完全，已接近理论容量372mAhg硅基负极理论最高克容量可达4200mAhg,是石墨的10倍多，具有大幅提高克容量潜力，目前量产克容量已超过40OmAhg由于硅本身的特性，在充满锂离子时体积会膨胀四倍，压力会导致硅粒子绝缘，最终损失电池容量。目前工业使用的硅多是经过高度加工的，例

8、如氧化硅、碳化硅等，并且较为昂贵。特斯拉使用原始硅作为负极材料，不对硅本身进行加工，而是从涂层设计和电极设计入手，使用弹性离子导电聚合物涂层稳定表面，并通过高弹性粘合剂形成的坚固网络将硅材料集成到电极上。4、高镇正极银可兼顾价格与能量密度，正极材料采用高银三元，进一步优化生产环节后，成本降低12%o5、整车一体化MOdeI3的长续航版电池包由4个模块串联组成，大模块（黄色）包含25个串联电池块，小模块（绿色）包含23个串联电池块，每个电池块由46个2170电芯并联构成，共计4416个电芯。4680采用CTC技术，无模组装配，配合一体化压铸技术，可以节省370个零部件，为车身减重10%,将电池单

9、位成本降低7%。4680电芯面积模组占比提高，电芯总容量提高15.9%,续航能力提升16%,系统能量密度提升25%。（二）安全要求日益提高，4680热管理升级2023年，我国新能源汽车保有量已达784万辆，占我国汽车总保有量的2.6%。市场监管总局已建立新能源汽车事故报告制度。截止2023年底，累计召回新能源汽车229次，涉及198万辆，安全问题成为新能源汽车的达摩克利斯之剑。目前动力电池采用量较多的小容量电池进行串并联成组，以满足高能量的要求。近年发生的动力电池事故，均是由于电池组中的某一个电池单体热失控后产生大量热，导致周围电池单体受热，进而产生热失控蔓延。所以，导致电池组热失控的三个核心

10、因素：单体释放能量、周边电芯隔热能力、单位散热能力。圆柱单体能量低，单体释放的能量小，相较于方形和软包来说不易引起热蔓延。从单体层面看安全性排序：小圆柱大圆柱软包方形。从尺寸上来看，4680目前的比例是一个比较完美的临界点。在高度上可能还会继续做大，但在直径上做大，散热将会是问题。圆柱电池周边隔热能力更强。相比方形电池和软包电池电芯间的紧密连接，4680的圆柱弧形表面，能够一定程度上限制电池之间的热传递。4680采取顶部水冷和侧面水冷相结合的方式。顶部采用一块完整水冷板，侧面采用导热发泡胶进行导热，在圆柱原有的侧面水冷上进一步提高冷却效率。4680每度电水冷面积是方形的1.64倍，是软包的1.

11、53倍。无极耳进一步提高散热性。特斯拉4680电芯采用全极耳/无极耳方案，即去掉从各层引出连接到一起的金属极耳，直接将电池两端改用导电材料，使其直接传输电流。虽然电池变得更大，但电流路径更短，从250毫米缩减至50毫米，电流传导面积更大，阻抗大大减小，使得大电流充放电的温升更小。4680大幅提高电芯的散热面积，传热更均匀，对安全性更加敏感的三元材料更具吸引力。（三）快充成未来趋势，4680高倍率优势明显补能焦虑不断提升的当下，电动汽车高速快充是发展的趋势之一。高速快充的落地需要桩、车、电池三方联动，整个产业链协同共进。充电桩方面，快充标准奠定基础。国内2023年9月落地的ChaoJ1充电标准最

12、高可支持150OV充电电压和600A充电电流。目前被国际上广泛接受的电动汽车直流充电技术标准，无论是日本CHAdem0、欧洲CCS还是中国GB/T,均已确立45OkW以上的充电功率目标。车企方面，国内热销车型普遍停留在电压平台400-600V、充电倍率2C以下。特斯拉ModeI3电压平台为400V,理论充电倍率约为1.85C,为行业较高水平。比亚迪汉EV最大充电系统电压为569.6V,可实现25分钟30%-80%S0C的充电速度。如果新能源汽车可以搭载80OV电压平台，充电倍率可轻松实现2.2C-6C,充电速度则大幅提升。保时捷TayCan是第一款量产的800V架构电动车，同一个超快充阵营的欧

13、美企业IorIity也有800V的产品规划。与此同时，比亚迪、广汽埃安、华为、极氮、极星、小鹏、岚图、理想等都在打造高压平台，各大车企基于800V高压技术方案的新车将在2023年之后陆续上市。电池方面，快充能力取决于锂离子的脱嵌和迁移速率。在高充电倍率下，锂离子脱嵌和迁移的速率加快，部分锂离子来不及进入正负极形成副产物，导致活性物质损失，加速电池寿命衰减。与此同时，析锂现象容易加剧，所产生的锂枝晶一旦刺穿隔膜，将导致电池内部短路，造成起火等安全风险。快充对电池热管理能力要求高。大电流高电压更容易产生大量热，对电池低阻抗、强散热要求更高。电池企业、车企在快充技术研发上各显身手。中国多家头部动力电

14、池企业包括宁德时代、孚能科技、蜂巢能源、欣旺达等，都在积极研发创新，也包括部分车企。蜂巢能源正极采用前驱体定向生长精准控制技术，通过控制前驱体合成参数，一次粒径放射状生长，打造离子迁移“高速公路”，提高离子传导速度。负极表面改性技术，采用液相包覆技术在石墨表面包覆无定形碳，降低阻抗，提升了锂离子通道工作效率。采用含硫添加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系电解液，降低正负极界面成膜阻抗，从而提高电解液导电率。宁德时代的策略是正极领域采用超电子网充分纳米化的材料表面，搭建了四通八达的电子网络，使得正极材料对充电信号的响应速度和锂离子脱出速率得到大幅度提升；负极导入各向同性技术,使锂离子可360度嵌入

15、石墨通道，显著提升充电速度，同时修饰多孔包覆层的阳极材料表面，提供丰富的锂离子交换所需要的活性位点，极大地提高锂离子电荷交换速度和锂离子的嵌入速率；引入拥有超强运输能力的超导电解液，提升锂离子在液相和界面的传输速度，通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率结构、下层高压实密度结构等。广汽埃安石墨烯电池的锲钻镒酸锂三元正极材料与石墨烯混合制成形成一个近似球面的三维结构，搭建高效立体导电网络，从而提升电荷传递效率。负极采用特有软碳硬碳石墨烯包覆改性技术。同时采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液,提高电池的倍率性能和热稳定性，使得电芯可进行高倍率持续充电。保时捷正在研发硅负极取代传统石墨负极的

16、高性能电池，以获得更高能量密度和快充性能。以上技术多从材料端提高快充能力，4680电池不仅从材料体系适配快充，同时改变结构提高充电倍率。适配硅基负极，可获得更高的能量密度和倍率性能；电解液中添加新型锂盐，提高电解液窗口，可提高充放电电压。采用全极耳/无极耳方案，阻抗更小（单极耳的阻抗很难降低下来），电极倍率可提高4-5倍，更容易实现快充功能。以色列初创电池企业StoreDOt官宣，已经生产出首款4680圆柱形电池，电池充满电只需要十分钟。（四）大势所趋，特斯拉等头部企业争相入局1、电池厂商方形电池宁德时代一家独大。CAT1.比亚迪、中航锂电基本上都是以方形为主。在主流动力电池生产商中，孚能科技是唯一一家坚持三元软包路线的企业。旗下动力电池主要供应戴姆勒。国产特斯拉装机带动2023年1G化学的圆柱电池占比达68%。中国最早做圆柱电池的企业以小作坊的形式居多，目前除国轩高科排名第