4680电池制程、技术、产业链

锂电联盟会长 2022-12-11 11:49

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【摘要】

4680电池采用新设计新构型，良率突破是量产关键。

相比2170电池单极耳结构，4680电池采取了全极耳+集流盘的设计，同时主流方案采取壳体槽底处打孔放正极柱、壳体槽口用盖板激光焊封口的新构型。在加工工序方面，4680电池比2170电池增加了极耳模切、揉平、激光焊集流盘、开口化成、激光焊盖板的工序。目前特斯拉1月已自产100万颗4680电池，平均良率达92%，最高良率达97%，良率已达可量产水平。

特斯拉打出4680电池“组合拳”，国内外头部电池供应商跟进。

特斯拉围绕4680电池打出“大电芯+全极耳+高镍高硅+CTC”的“组合拳”，同时实现了1）续航长：4680能量密度提升>20%；2）充电快：全极耳优化了电池的热电性能，可承受4C以上高倍率电流；3）成本低：大电池+高能量密度摊薄单Wh成本。另外，4680由于其热安全性能更优、内应力分布均匀的优势，较方形更适配高镍高硅体系，我们预计中低端车将多应用磷系方形+CTP方案，高端车将多应用高镍高硅4680+CTC方案。此外，海外如LG、松下、三星，国内如宁德时代、亿纬锂能等头部电池供应商亦跟进布局4680电池。4680电池有望在特斯拉和头部电池厂的推动下迎来爆发拐点。

4680电池技术为高能量高倍率主辅材应用带来强驱动，为结构件和设备升级带来新机遇。

此前由于补贴退坡带来降本诉求、安全性问题凸显，主辅材向高能量高倍率方向升级速度放缓，4680电池有望成为新的升级驱动。高镍正极、硅碳负极、补锂剂、碳纳米管、LiFSI、PVDF等主辅材渗透率/用量有望提升。结构件方面，由于4680采用新构型设计，制造门槛提升，使结构件转向定制化、壳体+盖板成套采购，格局优化同时单品价值量提升。设备方面，激光模切、激光焊等工序用量增加、高精度要求提升相关设备价值量，头部电池厂规划新产能有释放订单。壳体冲压设备有望实现国产替代。

4680布局领先的电池企业：宁德时代、亿纬锂能；

4680电池爆发需求提升主辅材供应商：中伟股份（高镍）、当升科技（高镍），璞泰来（硅碳）、杉杉股份（硅碳）、德方纳米（补锂剂）、科达利（壳体）、天奈科技（碳纳米管）、天赐材料（LiFSI）、新宙邦（LiFSI），建议关注贝特瑞（高镍+碳纳米管）、芳源股份（高镍）、斯莱克（壳体）、海目星（激光模切设备）、联赢激光（激光焊设备）、宁波精达（冲压设备）。

Tesla 4680 -Making Batteries(Video)

1）什么是4680？

4680电池，即直径46mm，高80mm的电池。于2020年9月的特斯拉电池日首次公开发布，相较于特斯拉此前采用的2170电池，4680电池的电芯容量是其5倍，能够提高相应车型16%的续航里程，输出功率6倍于2170电池。

2）4680目前两种结构方案对比

传统方案：

负极耳所在一端朝向钢壳槽底面；正极耳从开口端引出，与正极端子焊接连接
采用脉冲激光穿透焊，将钢壳基底通过凹槽与负极全极耳焊接连接
优势：无负极集流盘的结构不占用钢壳高度方向上的空间，提高空间利用率
劣势：当电池壁厚增加，穿透焊难以将极耳与壳体底部焊接牢靠

新方案

正极集流盘直接焊接到正极柱，正极柱卡在壳体槽底的开口上，之间设有绝缘密封件
电芯为全极耳结构，两端面分别和正、负极集流盘连接，极柱通过正极集流盘和电芯电性连接，壳体和负极集流盘电性连接
盖板和壳体的槽口连接，盖板上刻蚀有防爆线

3）4680和2170生产流程对比

4）4680难点：新结构带来了工艺实现和一致性的挑战，影响电池良率

涂布：全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度要求更高（外圈比内圈留白越来越多，极耳长度越到外圈越长）
极耳分切：工艺要求更高，如果边不齐，造成极耳贴合出现缝隙

激光焊：全极耳与集流盘面焊，焊点增加（4680的焊点数量相比21700提高五倍以上），容易造虚焊或者温度过高损伤隔膜
揉平：产生金属碎屑
注液：全极耳覆盖后注液较难，影响连续生产

Part 2: 特斯拉打出4680电池“组合拳”，全球头部电池供应商跟进

1）特斯拉4680电池有内在自洽的产业逻辑

1.1 为什么要用全极耳？——打破了能量与功率密度不能同时提升的约束

电：减少电子流过路径，降低内阻。2170电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约1000mm，按铜的电导率测算，对应阻抗>20mΩ；4680全极耳的电芯中，电子在集流体流过的路径仅为轴向长度，即80mm，对应阻抗2mΩ

热：产热方面，电阻减小发热减少（全极耳电池发热仅为单极耳的1/5）；散热方面，沿径向形成强导热路径，可在仅底部布置冷板（原来2170是蛇形管冷却侧壁），热管理难度与能耗降低。综上，电、热能损失小，打破了能量与功率密度不能同时提升的约束，实现续航长、充电快

工：2170/18650的极片上需要将留出空白区域给极耳。全极耳可避免斑马涂布，简化工序

1.2为什么要用高镍高硅？跟方形高镍高硅+CTP的方案有何区别？

从原理上看，4680圆柱形电池只是一种封装形式，不限材料体系。但从应用层面上，高镍高硅才能发挥出4680大圆柱较方形热性能更优、内应力分布均匀的优势

能量密度：由于圆柱形电池集成效率较方形低，即要做成相同能量密度的pack，圆柱形的单体能量密度必须要比方形高。因此，要达到更高的pack能量密度，天然要求圆柱搭配高镍。
高镍适配程度：圆柱比方形更适配高镍。核心原因是方形高镍为面接触，且单体电池大，体心内产热不易释放，热失控设计不好控制；另一方面，铁锂化学性质稳定，对散热和热失控要求较三元低，因此方形CTP非常契合铁锂体系的电池，充分发挥方形集成度高的优势，但热失控设计有难度的短板。4680+铁锂在乘用车上失去了4680的优势，可能未来在二轮车、电动工具上有应用。
此外，由于负极添加硅后会膨胀，圆柱形比方形内部应力分散更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能和寿命。因此，为极致提升电芯能量密度选择高硅方案搭配高镍。

1.3高镍高硅4680+CTC vs 磷系方形+CTP？

CTP是电芯厂向整车厂夺回pack的产值，CTC是整车厂向电芯厂抢话语权的手段
特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术，还有向外采供应商压价的作用
因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分电池厂外供高镍高硅4680+CTC

2）低成本实现路径

低成本=大电芯摊薄非活性物质成本+尽可能做高能量密度摊薄总体单Wh成本+生产过程简化节省成本
非活性物质成本：以结构件为例，2170电池壳体+盖帽2元，4680目前为10元左右，长续航M3需要用2170/4680电芯4400/960个，目前对应单车价值量8800/9600，因此单车电池结构件成本基本持平。后期量产后降价空间巨大（假设还能降本30%，单结构件就能比2170节省约2000元）。2170 vs 4680，Pack面积：2.7:2.57；Pack电量：95:82
尽可能做高能量密度：石墨+高镍能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/kg），硅碳+83系高镍能量密度300wh/kg，91系目标350-400Wh/kg
不同良率下能够做到的单Wh成本：97%-98%的石墨+高镍 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680为0.8-0.9
生产过程中节约的成本——主要是前段的干电极技术：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
4680主要对自动装配线改动较大，主要新增极耳揉平和正负集流盘激光焊，单GWh投资额2.1亿，仅略低于方形

2）特斯拉4680电池需求测算

3）产业链如何跟随？——电池厂

对于特斯拉来说，随着4680的推广，将来在国内需要有两三家代工厂来实现更大的产能各大电池厂跟进布局4680电池，2023年有望迎来爆发元年。

海外：特斯拉2020年9月率先公布，将于2022Q1开始交付搭载4680电池的Model Y；松下计划2022H1在日本开始试生产4680电池，2023年进行量产；LG将在韩国梧仓工厂扩建4680电池产能，计划2022-2023年量产；三星SDI计划2024年实现量产，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生产出第一款4680电池，计划2024年实现量产。
国内：宁德时代正加快研发节奏，计划2024年量产；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圆柱产品，预计2023年量产；亿纬锂能2021Q4在荆门投产20GWh大圆柱电池产能项目，预计2024年可实现4680电池量产。

Part 3：4680驱动高能量高倍率主辅材应用，为结构件和设备升级带来新机遇

1）高镍正极：对能量密度的持续追求

2）硅基负极：下一代主流负极材料，4680量产带动需求爆发

硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，纯硅比容量是石墨的10倍，但纯硅在充电过程中膨胀近3x，目前采用氧化硅掺杂，目前掺杂含量约5%，4680电池有望提升至10%以上

3）补锂剂：补齐硅碳负极首次库伦效率短板

首次库伦效率是硅碳负极的短板：锂电池在首次充电过程中，有机电解液会在石墨等负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成电池容量的不可逆损失，目前石墨不可逆容量损失＞6%，而对于具有高比容量的硅基负极，不可逆容量损失甚至10%～20% 以上
硅碳负极除首效低外，循环过程中SEI膜会“呼吸”再生，降低循环寿命，对补锂剂需求更强烈：硅碳负极的膨胀相较石墨负极更为严重，致使负极材料不断粉化、脱落，增加与电解液接触的表面积，因此形成的SEI膜更厚
正极补锂的原理：在正极合浆的过程中添加少量高锂容量、低脱锂电位的材料（补锂剂），在充电过程中Li+率先从补锂剂中脱出，抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗，提高电池的有效容量，弥补硅碳负极在首次库伦效率上的短板

4）碳纳米管：硅碳负极将拉动单壁碳纳米管的用量

由于硅碳负极材料的导电性能差，因此需要添加碳纳米管（CNT）以增加活性物质之间的导电性，提升电池能量密度
根据石墨烯片的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：多壁碳纳米管具有较高的刚性，而单壁碳纳米管柔韧性强、长径比更高、有效添加量仅为0.1%，可有效解决硅碳电池在充放电过程中导致的体积膨胀和裂缝问题
天奈科技目前是全球碳纳米管的龙头企业，公司已布局硅碳负极的导电浆料技术，可转债方案落地，产能扩张将加速推进；此外，化工企业如石大胜华、炭黑龙头黑猫股份等企业也在积极布局碳管生产
4680电池带来硅碳负极用量的提高，将带动单壁碳纳米管的用量，单壁CNT粉体价格约为1300万元/吨，在负极添加比例为0.1%左右

5）LiFSi：适用于高镍高压高倍率电池的新型锂盐

4680电池应用高镍导致热稳定性降低、充放功率高要求电解液导电性能提升。三元正极随着镍含量提升热稳定性降低，结构稳定性变差。4680采用全极耳结构，追求高倍率性能。高镍高倍率对锂盐性能要求提升。
双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)为一种新型电解液溶质锂盐，具有更好的低温放电和高温性能保持能力、更长的循环寿命、更高倍率放电性能、更高的安全性能。
用量：两种用途，1）1%~3%，一般可视为添加剂；2）3%~5%，成为LiPF6成的辅助锂盐。一般而言，5/8/9系用量为0.5%-1%/1%-2%/2.5%。负极如果使用硅碳，用量有望达4%-5%。
价格： LiFSi已完成50%降本，还有25%下探空间。此前由于其高昂的价格（售价40-45万元/吨）与六氟相比不具备经济性优势，由于供需不平衡，目前六氟价格已达58万元/吨，LiFSI具备阶段性相对经济性优势，但绝对值仍处于较高位。另一方面，LiFSI的降本仍在继续（2016年90万元/吨降至如今45万元/吨），目前LiFSI成本约20万元/吨，数据预测随着技术突破，2022年LIFSI售价有望降至35万元/吨以内，最终成本有望降至15万元/吨以内。

6）PVDF：用量增加，供需缺口扩大

PVDF在电池中主要用在正极、隔膜中，充当粘结剂 正极：以油溶性PVDF为主，占到高达90%，用量占到正极材料的1%-3%。4680大圆柱电池高镍预计与2170相当。
隔膜：在接触负极侧加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳负极粉的稳定性；2）贴得更紧，提升能量密度；3）提升保液性。假设PVDF涂层1μm，PVDF密度为1.8g/cm³，1GWh用量约20吨。
粘结剂（非活性物质）用量过降低能量密度和导电性能，预计4680电池PVDF总用量增加至正极材料质量分数6%左右。

7）设备：利好激光模切、激光焊设备与壳体生产设备供应商

全极耳因极耳排列紧密，采用五金模切难度高，且部分方案中极耳宽度沿着极片长度而变化，因此激光模切更适用。
激光焊设备受益于4680方案，叠加行业内主要电池厂亦规划有产能，有望迎来量利齐升。
--4680方案增加了全极耳+集流盘的焊接，焊点数量相较于21700电池提高5倍以上，焊接设备数量增加3倍。
--焊接工艺难度大幅增加，设备可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，价值量增加。
国产壳体生产设备凭借高效率、价格和服务优势，有望在锂电结构件大幅扩产的阶段逐步形成国产替代。
--例如宁波精达设备价格是海外同类设备的50%-70%；壳体拉伸设备方面以“一出多”方式生产，效率提升且节约原材料，同时预冲杯工艺可使整线效率提升。

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱ibatteryalliance@163.com。

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