4680電池采用新設計新構型，良率突破是量產關鍵。
相比2170電池單極耳結構，4680電池采取了全極耳+集流盤的設計，同時主流方案采取殼體槽底處打孔放正極柱、殼體槽口用蓋板激光焊封口的新構型。在加工工序方面，4680電池比2170電池增加了極耳模切、揉平、激光焊集流盤、開口化成、激光焊蓋板的工序。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+高鎳高硅+CTC”的“組合拳”，同時實現(xiàn)了1）續(xù)航長：4680能量密度提升>20%；2）充電快：全極耳優(yōu)化了電池的熱電性能，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由于其熱安全性能更優(yōu)、內應力分布均勻的優(yōu)勢，較方形更適配高鎳高硅體系，我們預計中低端車將多應用磷系方形+CTP方案，高端車將多應用高鎳高硅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布局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(fā)拐點。
4680電池技術為高能量高倍率主輔材應用帶來強驅動，為結構件和設備升級帶來新機遇。此前由于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、硅碳負極、補鋰劑、碳納米管、LiFSI、PVDF等主輔材滲透率/用量有望提升。結構件方面，由于4680采用新構型設計，制造門檻提升，使結構件轉向定制化、殼體+蓋板成套采購，格局優(yōu)化同時單品價值量提升。設備方面，激光模切、激光焊等工序用量增加、高精度要求提升相關設備價值量，頭部電池廠規(guī)劃新產能有釋放訂單。殼體沖壓設備有望實現(xiàn)國產替代。
1）什么是4680？4680電池，即直徑46mm，高80mm的電池。于2020年9月的特斯拉電池日首次公開發(fā)布，相較于特斯拉此前采用的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(xù)航里程，輸出功率6倍于2170電池。
2）4680目前兩種結構方案對比
傳統(tǒng)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，與正極端子焊接連接
采用脈沖激光穿透焊，將鋼殼基底通過凹槽與負極全極耳焊接連接
優(yōu)勢：無負極集流盤的結構不占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、負極集流盤連接，極柱通過正極集流盤和電芯電性連接，殼體和負極集流盤電性連接
蓋板和殼體的槽口連接，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(xiàn)和一致性的挑戰(zhàn)，影響電池良率
涂布：全極耳涂布的弧形邊緣對設備的精密度要求更高（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(xiàn)縫隙
激光焊：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：全極耳覆蓋后注液較難，影響連續(xù)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(yè)邏輯
1.1 為什么要用全極耳？——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電子在集流體里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(fā)熱減少（全極耳電池發(fā)熱僅為單極耳的1/5）；散熱方面，沿徑向形成強導熱路徑，可在僅底部布置冷板（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(xiàn)續(xù)航長、充電快
工：2170/18650的極片上需要將留出空白區(qū)域給極耳。全極耳可避免斑馬涂布，簡化工序
1.2為什么要用高鎳高硅？跟方形高鎳高硅+CTP的方案有何區(qū)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，高鎳高硅才能發(fā)揮出4680大圓柱較方形熱性能更優(yōu)、內應力分布均勻的優(yōu)勢
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能量密度：由于圓柱形電池集成效率較方形低，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。
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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(wěn)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(fā)揮方形集成度高的優(yōu)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(yōu)勢，可能未來在二輪車、電動工具上有應用。
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此外，由于負極添加硅后會膨脹，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，影響性能和壽命。因此，為極致提升電芯能量密度選擇高硅方案搭配高鎳。
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1.3高鎳高硅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，還有向外采供應商壓價的作用
因此，未來特斯拉的電池供應格局預計會出現(xiàn)：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分電池廠外供高鎳高硅4680+CTC
2）低成本實現(xiàn)路徑
低成本=大電芯攤薄非活性物質成本+盡可能做高能量密度攤薄總體單Wh成本+生產過程簡化節(jié)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(xù)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。后期量產后降價空間巨大（假設還能降本30%，單結構件就能比2170節(jié)省約2000元）。2170 vs 4680，Pack面積：2.7:2.57；Pack電量：95:82
盡可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/kg），硅碳+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(jié)約的成本——主要是前段的干電極技術：將正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）粘結劑混合，使其纖維化，直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，制備出正負極片。可省略繁復的輥壓、干燥等工藝，大幅簡化生產流程，提升生產效率，節(jié)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激光焊，單GWh投資額2.1億，僅略低于方形
2）特斯拉4680電池需求測算
3）產業(yè)鏈如何跟隨？——電池廠對于特斯拉來說，隨著4680的推廣，將來在國內需要有兩三家代工廠來實現(xiàn)更大的產能各大電池廠跟進布局4680電池，2023年有望迎來爆發(fā)元年。
海外：特斯拉2020年9月率先公布，將于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(xiàn)量產，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生產出第一款4680電池，計劃2024年實現(xiàn)量產。
國內：寧德時代正加快研發(fā)節(jié)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大圓柱電池產能項目，預計2024年可實現(xiàn)4680電池量產。
Part 3：4680驅動高能量高倍率主輔材應用，為結構件和設備升級帶來新機遇
1）高鎳正極：對能量密度的持續(xù)追求
2）硅基負極：下一代主流負極材料，4680量產帶動需求爆發(fā)硅基負極材料作為理想的下一代負極材料，純硅比容量是石墨的10倍，但純硅在充電過程中膨脹近3x，目前采用氧化硅摻雜，目前摻雜含量約5%，4680電池有望提升至10%以上
3）補鋰劑：補齊硅碳負極首次庫倫效率短板
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首次庫倫效率是硅碳負極的短板：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，形成固體電解質相界面(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%，而對于具有高比容量的硅基負極，不可逆容量損失甚至10%～20% 以上
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硅碳負極除首效低外，循環(huán)過程中SEI膜會“呼吸”再生，降低循環(huán)壽命，對補鋰劑需求更強烈：硅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n
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正極補鋰的原理：在正極合漿的過程中添加少量高鋰容量、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，彌補硅碳負極在首次庫倫效率上的短板
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4）碳納米管：硅碳負極將拉動單壁碳納米管的用量
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由于硅碳負極材料的導電性能差，因此需要添加碳納米管（CNT）以增加活性物質之間的導電性，提升電池能量密度
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根據石墨烯片的多少，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：多壁碳納米管具有較高的剛性，而單壁碳納米管柔韌性強、長徑比更高、有效添加量僅為0.1%，可有效解決硅碳電池在充放電過程中導致的體積膨脹和裂縫問題
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天奈科技目前是全球碳納米管的龍頭企業(yè)，公司已布局硅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(yè)如石大勝華、炭黑龍頭黑貓股份等企業(yè)也在積極布局碳管生產
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4680電池帶來硅碳負極用量的提高，將帶動單壁碳納米管的用量，單壁CNT粉體價格約為1300萬元/噸，在負極添加比例為0.1%左右
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5）LiFSi：適用于高鎳高壓高倍率電池的新型鋰鹽
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4680電池應用高鎳導致熱穩(wěn)定性降低、充放功率高要求電解液導電性能提升。三元正極隨著鎳含量提升熱穩(wěn)定性降低，結構穩(wěn)定性變差。4680采用全極耳結構，追求高倍率性能。高鎳高倍率對鋰鹽性能要求提升。
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雙氟磺酰亞胺鋰(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性能保持能力、更長的循環(huán)壽命、更高倍率放電性能、更高的安全性能。
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用量：兩種用途，1）1%~3%，一般可視為添加劑；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%。負極如果使用硅碳，用量有望達4%-5%。
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價格： LiFSi已完成50%降本，還有25%下探空間。此前由于其高昂的價格（售價40-45萬元/噸）與六氟相比不具備經濟性優(yōu)勢，由于供需不平衡，目前六氟價格已達58萬元/噸，LiFSI具備階段性相對經濟性優(yōu)勢，但絕對值仍處于較高位。另一方面，LiFSI的降本仍在繼續(xù)（2016年90萬元/噸降至如今45萬元/噸），目前LiFSI成本約20萬元/噸，數據預測隨著技術突破，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。
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6）PVDF：用量增加，供需缺口擴大
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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，占到高達90%，用量占到正極材料的1%-3%。4680大圓柱電池高鎳預計與2170相當。
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隔膜：在接觸負極側加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳負極粉的穩(wěn)定性；2）貼得更緊，提升能量密度；3）提升保液性。假設PVDF涂層1μm，PVDF密度為1.8g/cm3，1GWh用量約20噸。
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粘結劑（非活性物質）用量過降低能量密度和導電性能，預計4680電池PVDF總用量增加至正極材料質量分數6%左右。
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7）設備：利好激光模切、激光焊設備與殼體生產設備供應商
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全極耳因極耳排列緊密，采用五金模切難度高，且部分方案中極耳寬度沿著極片長度而變化，因此激光模切更適用。
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激光焊設備受益于4680方案，疊加行業(yè)內主要電池廠亦規(guī)劃有產能，有望迎來量利齊升。
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--4680方案增加了全極耳+集流盤的焊接，焊點數量相較于21700電池提高5倍以上，焊接設備數量增加3倍。
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--焊接工藝難度大幅增加，設備可能會從原來的脈沖激光器變?yōu)檫B續(xù)激光器，價值量增加。
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國產殼體生產設備憑借高效率、價格和服務優(yōu)勢，有望在鋰電結構件大幅擴產的階段逐步形成國產替代。
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