4680

電池製程、技術、產業鏈

Source from： Citic Securities

【

摘要

】

4680

電池採用新設計新構型，良率突破是量產關鍵。

相比2170電池單極耳結構，4680電池採取了全極耳+集流盤的設計，同時主流方案採取殼體槽底處打孔放正極柱、殼體槽口用蓋板鐳射焊封口的新構型。在加工工序方面，4680電池比2170電池增加了極耳模切、揉平、鐳射焊集流盤、開口化成、鐳射焊蓋板的工序。目前特斯拉1月已自產100萬顆4680電池，平均良率達92%，最高良率達97%，良率已達可量產水平。

特斯拉打出

4680

電池“組合拳”，國內外頭部電池供應商跟進。

特斯拉圍繞4680電池打出“大電芯+全極耳+高鎳高矽+CTC”的“組合拳”，同時實現了1）續航長：4680能量密度提升>20%；2）充電快：全極耳優化了電池的熱電效能，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由於其熱安全效能更優、內應力分佈均勻的優勢，較方形更適配高鎳高矽體系，我們預計中低端車將多應用磷系方形+CTP方案，高階車將多應用高鎳高矽4680+CTC方案。此外，海外如LG、松下、三星，國內如寧德時代、億緯鋰能等頭部電池供應商亦跟進佈局4680電池。4680電池有望在特斯拉和頭部電池廠的推動下迎來爆發拐點。

4680

電池技術為高能量高倍率主輔材應用帶來強驅動，為結構件和裝置升級帶來新機遇。

此前由於補貼退坡帶來降本訴求、安全性問題凸顯，主輔材向高能量高倍率方向升級速度放緩，4680電池有望成為新的升級驅動。高鎳正極、矽碳負極、補鋰劑、碳奈米管、LiFSI、PVDF等主輔材滲透率/用量有望提升。結構件方面，由於4680採用新構型設計，製造門檻提升，使結構件轉向定製化、殼體+蓋板成套採購，格局最佳化同時單品價值量提升。裝置方面，鐳射模切、鐳射焊等工序用量增加、高精度要求提升相關裝置價值量，頭部電池廠規劃新產能有釋放訂單。殼體衝壓裝置有望實現國產替代。

4680

佈局領先的電池企業：

寧德時代、億緯鋰能；

4680

電池爆發需求提升主輔材供應商：

中偉股份（高鎳）、當升科技（高鎳），璞泰來（矽碳）、杉杉股份（矽碳）、德方奈米（補鋰劑）、科達利（殼體）、天奈科技（碳奈米管）、天賜材料（LiFSI）、新宙邦（LiFSI），建議關注貝特瑞（高鎳+碳奈米管）、芳源股份（高鎳）、斯萊克（殼體）、海目星（鐳射模切裝置）、聯贏鐳射（鐳射焊裝置）、寧波精達（衝壓裝置）。

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Tesla 4680 -Making Batteries（Video）

1

）什麼是

4680

？

4680電池，即直徑46mm，高80mm的電池。於2020年9月的特斯拉電池日首次公開發布，相較於特斯拉此前採用的2170電池，4680電池的電芯容量是其5倍，能夠提高相應車型16%的續航里程，輸出功率6倍於2170電池。

2）4680目前兩種結構方案對比

傳統方案：

負極耳所在一端朝向鋼殼槽底面；正極耳從開口端引出，與正極端子焊接連線

採用脈衝鐳射穿透焊，將鋼殼基底透過凹槽與負極全極耳焊接連線

優勢：無負極集流盤的結構不佔用鋼殼高度方向上的空間，提高空間利用率

劣勢：當電池壁厚增加，穿透焊難以將極耳與殼體底部焊接牢靠

新方案

正極集流盤直接焊接到正極柱，正極柱卡在殼體槽底的開口上，之間設有絕緣密封件

電芯為全極耳結構，兩端面分別和正、負極集流盤連線，極柱透過正極集流盤和電芯電性連線，殼體和負極集流盤電性連線

蓋板和殼體的槽口連線，蓋板上刻蝕有防爆線

3

）

4680

和

2170

生產流程對比

4

）

4680

難點：新結構帶來了工藝實現和一致性的挑戰，影響電池良率

塗布：

全極耳塗布的弧形邊緣對裝置的精密度要求更高（外圈比內圈留白越來越多，極耳長度越到外圈越長）

極耳分切：

工藝要求更高，如果邊不齊，造成極耳貼合出現縫隙

鐳射焊：

全極耳與集流盤面焊，焊點增加（4680的焊點數量相比21700提高五倍以上），容易造虛焊或者溫度過高損傷隔膜

揉平：

產生金屬碎屑

注液：

全極耳覆蓋後注液較難，影響連續生產

Part 2:

特斯拉打出

4680

電池“組合拳”，全球頭部電池供應商跟進

1

）特斯拉

4680

電池有內在自洽的產業邏輯

1.1

為什麼要用全極耳？——打破了能量與功率密度不能同時提升的約束

電：減少電子流過路徑，降低內阻。

2170電子在集流體裡流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約1000mm，按銅的電導率測算，對應阻抗>20mΩ；4680全極耳的電芯中，電子在集流體流過的路徑僅為軸向長度，即80mm，對應阻抗2mΩ

熱：產熱方面，電阻減小發熱減少

（全極耳電池發熱僅為單極耳的1/5）；散熱方面，沿徑向形成強導熱路徑，可在僅底部佈置冷板（原來2170是蛇形管冷卻側壁），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提升的約束，實現續航長、充電快

工：

2170/18650

的極片上需要將留出空白區域給極耳。

全極耳可避免斑馬塗布，簡化工序

1.2

為什麼要用高鎳高矽？跟方形高鎳高矽+CTP

的方案有何區別？

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。但從應用層面上，高鎳高矽才能發揮出4680大圓柱較方形熱效能更優、內應力分佈均勻的優勢

能量密度：由於圓柱形電池整合效率較方形低，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，要達到更高的pack能量密度，天然要求圓柱搭配高鎳。

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，體心內產熱不易釋放，熱失控設計不好控制；另一方面，鐵鋰化學性質穩定，對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，充分發揮方形整合度高的優勢，但熱失控設計有難度的短板。4680+鐵鋰在乘用車上失去了4680的優勢，可能未來在二輪車、電動工具上有應用。

此外，由於負極新增矽後會膨脹，圓柱形比方形內部應力分散更均勻，方形在此方案下容易造成顆粒破碎，影響效能和壽命。因此，為極致提升電芯能量密度選擇高矽方案搭配高鎳。

1.3

高鎳高矽

4680+CTC vs

磷系方形

+CTP

？

CTP是電芯廠向整車廠奪回pack的產值，CTC是整車廠向電芯廠搶話語權的手段

特斯拉自制電池，除了掌握CTC技術，還有向外採供應商壓價的作用

因此，未來特斯拉的電池供應格局預計會出現：1）中低端：外採磷系方形+CTP；2）高階：自供+部分電池廠外供高鎳高矽4680+CTC

2

）低成本實現路徑

低成本=大電芯攤薄非活性物質成本+儘可能做高能量密度攤薄總體單Wh成本+生產過程簡化節省成本

非活性物質成本：以結構件為例，2170電池殼體+蓋帽2元，4680目前為10元左右，長續航M3需要用2170/4680電芯4400/960個，目前對應單車價值量8800/9600，因此單車電池結構件成本基本持平。後期量產後降價空間巨大（假設還能降本30%，單結構件就能比2170節省約2000元）。2170 vs 4680，Pack面積：2。7：2。57；Pack電量：95：82

儘可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/kg），矽碳+83系高鎳能量密度300wh/kg，91系目標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

生產過程中節約的成本——主要是前段的乾電極技術：將正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）粘結劑混合，使其纖維化，直接用粉末擀磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，製備出正負極片。可省略繁複的輥壓、乾燥等工藝，大幅簡化生產流程，提升生產效率，節省成本

4680

主要對自動裝配線改動較大，主要新增極耳揉平和正負集流盤鐳射焊，單

GWh

投資額

2.1

億，僅略低於方形

2

）特斯拉

4680

電池需求測算

3

）產業鏈如何跟隨？——電池廠

對於特斯拉來說，隨著4680的推廣，將來在國內需要有兩三家代工廠來實現更大的產能各大電池廠跟進佈局4680電池，2023年有望迎來爆發元年

海外：

特斯拉2020年9月率先公佈，將於2022Q1開始交付搭載4680電池的Model Y；松下計劃2022H1在日本開始試生產4680電池，2023年進行量產；LG將在韓國梧倉工廠擴建4680電池產能，計劃2022-2023年量產；三星SDI計劃2024年實現量產，以色列公司Storedot2021年9月宣佈成功生產出第一款4680電池，計劃2024年實現量產

國內：

寧德時代正加快研發節奏，計劃2024年量產；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圓柱產品，預計2023年量產；億緯鋰能2021Q4在荊門投產20GWh大圓柱電池產能專案，預計2024年可實現4680電池量產

Part 3

：

4680

驅動高能量高倍率主輔材應用，為結構件和裝置升級帶來新機遇

1

）高鎳正極：對能量密度的持續追求

2

）矽基負極：下一代主流負極材料，

4680

量產帶動需求爆發

矽基負極材料作為理想的下一代負極材料，純矽比容量是石墨的10倍，但純矽在充電過程中膨脹近3x，目前採用氧化矽摻雜，目前摻雜含量約5%，4680電池有望提升至10%以上

3

）補鋰劑：補齊矽碳負極首次庫倫效率短板

首次庫倫效率是矽碳負極的短板：鋰電池在首次充電過程中，有機電解液會在石墨等負極表面還原分解，形成固體電解質相介面（SEI）膜，永久地消耗大量來自正極的鋰，造成電池容量的不可逆損失，目前石墨不可逆容量損失＞6%，而對於具有高比容量的矽基負極，不可逆容量損失甚至10%～20%以上

矽碳負極除首效低外，迴圈過程中SEI膜會“呼吸”再生，降低迴圈壽命，對補鋰劑需求更強烈：矽碳負極的膨脹相較石墨負極更為嚴重，致使負極材料不斷粉化、脫落，增加與電解液接觸的表面積，因此形成的SEI膜更厚

正極補鋰的原理：在正極合漿的過程中新增少量高鋰容量、低脫鋰電位的材料（補鋰劑），在充電過程中Li+率先從補鋰劑中脫出，抵消SEI膜造成的不可逆鋰損耗，提高電池的有效容量，彌補矽碳負極在首次庫倫效率上的短板

4

）碳奈米管：矽碳負極將拉動單壁碳奈米管的用量

由於矽碳負極材料的導電效能差，因此需要新增碳奈米管（CNT）以增加活性物質之間的導電性，提升電池能量密度

根據石墨烯片的多少，碳奈米管可分為單壁碳奈米管和多壁碳奈米管：多壁碳奈米管具有較高的剛性，而單壁碳奈米管柔韌性強、長徑比更高、有效新增量僅為0。1%，可有效解決矽碳電池在充放電過程中導致的體積膨脹和裂縫問題

天奈科技目前是全球碳奈米管的龍頭企業，公司已佈局矽碳負極的導電漿料技術，可轉債方案落地，產能擴張將加速推進；此外，化工企業如石大勝華、炭黑龍頭黑貓股份等企業也在積極佈局碳管生產

4680電池帶來矽碳負極用量的提高，將帶動單壁碳奈米管的用量，單壁CNT粉體價格約為1300萬元/噸，在負極新增比例為0。1%左右

5

）

LiFSi

：適用於高鎳高壓高倍率電池的新型鋰鹽

4680電池應用高鎳導致熱穩定性降低、充放功率高要求電解液導電效能提升。三元正極隨著鎳含量提升熱穩定性降低，結構穩定性變差。4680採用全極耳結構，追求高倍率效能。高鎳高倍率對鋰鹽效能要求提升

雙氟磺醯亞胺鋰（LiFSi）為一種新型電解液溶質鋰鹽，具有更好的低溫放電和高溫效能保持能力、更長的迴圈壽命、更高倍率放電效能、更高的安全效能

用量：兩種用途，1）1%~3%，一般可視為新增劑；2）3%~5%，成為LiPF6成的輔助鋰鹽。一般而言，5/8/9系用量為0。5%-1%/1%-2%/2。5%。負極如果使用矽碳，用量有望達4%-5%

價格：LiFSi已完成50%降本，還有25%下探空間。此前由於其高昂的價格（售價40-45萬元/噸）與六氟相比不具備經濟性優勢，由於供需不平衡，目前六氟價格已達58萬元/噸，LiFSI具備階段性相對經濟性優勢，但絕對值仍處於較高位。另一方面，LiFSI的降本仍在繼續（2016年90萬元/噸降至如今45萬元/噸），目前LiFSI成本約20萬元/噸，資料預測隨著技術突破，2022年LIFSI售價有望降至35萬元/噸以內，最終成本有望降至15萬元/噸以內

6

）

PVDF

：用量增加，供需缺口擴大

PVDF在電池中主要用在正極、隔膜中，充當粘結劑 正極：以油溶性PVDF為主，佔到高達90%，用量佔到正極材料的1%-3%。4680大圓柱電池高鎳預計與2170相當

隔膜：在接觸負極側加塗PVDF以增加粘性；1）提高矽碳負極粉的穩定性；2）貼得更緊，提升能量密度；3）提升保液性。假設PVDF塗層1μm，PVDF密度為1。8g/cm ，1GWh用量約20噸

粘結劑（非活性物質）用量過降低能量密度和導電效能，預計4680電池PVDF總用量增加至正極材料質量分數6%左右

7

）裝置：利好鐳射模切、鐳射焊裝置與殼體生產裝置供應商

全極耳因極耳排列緊密，採用五金模切難度高，且部分方案中極耳寬度沿著極片長度而變化，因此鐳射模切更適用

鐳射焊裝置受益於4680方案，疊加行業內主要電池廠亦規劃有產能，有望迎來量利齊升

——4680方案增加了全極耳+集流盤的焊接，焊點數量相較於21700電池提高5倍以上，焊接裝置數量增加3倍

——焊接工藝難度大幅增加，裝置可能會從原來的脈衝鐳射器變為連續鐳射器，價值量增加

國產殼體生產裝置憑藉高效率、價格和服務優勢，有望在鋰電結構件大幅擴產的階段逐步形成國產替代

——例如寧波精達裝置價格是海外同類裝置的50%-70%；殼體拉伸裝置方面以“一出多”方式生產，效率提升且節約原材料，同時預衝杯工藝可使整線效率提升。