4680：全极耳助力圆柱电池再起航【31页】 一、4680大圆柱性能提升显著，特斯拉躬身入局引爆需求圆柱电池工艺最为成熟，防热扩散上亦有优势。按照封装方式不同，可以将... 

来源：雪球App，作者： 价值目录，（https://xueqiu.com/7697110006/233030877）

圆柱电池工艺最为成熟，防热扩散上亦有优势。按照封装方式不同，可以将锂离子电池分为圆柱、方形和软包，三种电池的组成要素区别不大，核心差异在于圆柱和方形电池采用了金属材料作为外壳，而软包电池采用了铝塑膜作为外壳。此外，在制造工艺上，圆柱和方形电池常采用卷绕的制造工艺，而软包电池常采用叠片的制造工艺。圆柱电池生产工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资成本、产品一致性等方面都有一定优势，例如在良品率方面松下的21700圆柱电池能够达到99%以上，远高于方形电池目前90%的水平。另外在安全性方面，圆柱电池单体容量低，单个电池热失控释放的能量小，且圆柱电池的弧形表面使得电芯之间的接触为线接触，相比于方形和软包的面接触，在一定程度上限制了电池之间的热传递，从而更不易引起热蔓延。

圆柱尺寸增加能够提升能量密度和成组效率，降低系统成本和BMS难度。圆柱电池按尺寸大小可分为各种型号，如常见的18650即直径18mm，高65mm的圆柱电池，此外还有常见型号21700、4680。随着尺寸的变大，圆柱电池性能也会发生改变：1）提高能量密度，特斯拉Model3的21700圆柱电池相较原来ModelS的18650圆柱电池单体容量提升35%，能量密度提升20%以上。2）提高成组效率，圆柱电芯直径变大后，电池支架板和集流片孔变大，相应重量减轻，电池系统中电芯数量减少，同时焊接配件的数量也相应减少，提高了空间利用率。3）降低系统成本，随着单体电芯容量增大，辅助结构件比例降低，将会降低PACK成本，如21700电池相较18650电池系统成本降低了9%，而特斯拉4680电池成本相比21700更是下降了14%。4）降低BMS难度，圆柱电池单体容量较小，因此整车需要圆柱电池数量较大，如特斯拉modelY采用18650需要7000+个，21700需要4000+个，4680需要960个，电芯数量减少的同时也降低了BMS的难度。

特斯拉4680大圆柱电池尺寸更为适宜，性能提升更为显著。圆柱电池尺寸增大虽然能够减少整车电芯节数，降低BMS难度，但是从直径46mm开始，整车的续航开始下降，同时降本的边际效益趋缓，因此从提高续航和降低成本的角度，直径46mm是圆柱电池的黄金尺寸。而在高度方面， 宝马采用的是4695方案，高度虽不及直径对性能的影响程度，但高度增加会提升径向散热难度，同时会增厚底盘厚度，影响设计美感和风阻。特斯拉4680大圆柱电池配合高镍正极、全极耳、高硅负极、干法电极、CTC等革命性技术，最终电池成本有望降低56%，续航里程提升54%，单位产能设备投资额下降69%。

特斯拉主导大圆柱电池，带动多家整车厂入场，我们预计25年大圆柱电池需求量有望超过280GWh。目前46系大圆柱电池最主要的推动者还是特斯拉，按照特斯拉计划，得州超级工厂产出的ModelY将搭载4680电池，一季度末将开启交付，预计到2022年年底，特斯拉4680电池产能将达到每年100GWh，2030年达到3TWh。宝马4695电池有望在2024年量产，或许会成为宝马未来纯电平台NeueKlasse的主力电池。此外，蔚来、江淮、保时捷、东风岚图等多家整车厂也明确表示旗下车型会搭载4680大圆柱电池。我们预计2025年46系大圆柱渗透率接近20%，需求量有望达到283.95GWh，接近21年全年动力电池装机量，年复合增速超过280%。

电池厂家争先布局大圆柱，量产在即。自特斯拉2020年9月电池日发布4680电池后，全球电池巨头都在加速推进4680电池的研发和生产。1)目前进展最快的还是特斯拉自产电芯，2022年1月，特斯拉加州工厂成功下线100万颗4680电池，电池良率已从最开始的27%提高到了90%。2)松下在今年5月已经开始小量试产4680电芯，并计划2023年起为特斯拉提供4680电池，年产能10GWh，约满足15万辆汽车的电池需求。3)LG4680电池预计2023年下半年投产，规划产能9GWh；4)三星SDI计划2024年量产4680电池，规划产能8-12GWh。国内方面，1)宁德时代规划了12GWh的4680电池产能，预计2024年开始量产；2)亿纬锂能46系大圆柱电池今年8月完成中试，预计今年底将有一部分产能释放，远期产能40GWh；3)比克电池作为国内最早布局4680电池的企业，产品系列齐全，预计2024年开始量产。

特斯拉创新性地使用干法电极技术，能够有效降低生产成本。特斯拉4680创新性地使用了超级电容器中的干法电极技术，与传统湿法电极差别主要在于电极的制备方式上，湿法需要使用粘结剂材料的溶剂与活性材料混合再涂至电极上干燥。而干法无需溶剂，直接将挤出的电极材料带层压到电极上形成成品电极，省去了湿法的涂布和烘干工序，且无需溶剂回收装置，根据华起睿智新能源信息，干法电极工艺可以将生产成本降低20%以上，投资成本降低35%以上，电极生产占地减少70%以上。干法电极量产难度大，成为4680良率提升瓶颈。但干法电极量产难度较大，根据美国加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院对特斯拉4680电池的拆解结果，目前特斯拉只在负极中使用干法电极技术，而负极使用的是石墨，本身带润滑作用，在粉体传输和辊压过程中流动性极好，自支撑膜制作难度较低。而正极材料在纤维化完成后，由于材料呈黏性絮状性而且相互交联态，且正极材料本身自润滑性差，在连续传输过程中，极易出现偏析、架桥、结团等现象，自支撑膜制作难度极高，目前特斯拉量产进度不及预期主要在于干法电极迟迟无法投入大规模量产。

全极耳设计提高了倍率性能和安全性能，对制造工艺要求更加严格

特斯拉4680电池采用的无极耳设计缩短了极耳传导距离。极耳是电芯正负极引出来的金属导电体，与电池壳体或者外部模组结构件进行连接，电流必须流经极耳才能与电池外部连接。根据极耳数量、面积差异，极耳设计可以分为单极耳、双极耳、多极耳以及全极耳等类型。特斯拉电池日上宣称的“无极耳”即为一种全极耳，通过巧妙的结构设计直接利用整个集流体尾部作为极耳，并通过盖板（集流盘）结构设计增大极耳传导面积及其连接处的连接面积、缩短极耳传导距离。

全极耳设计相比单极耳倍率性能和安全性能更佳。1）传统的单极耳设计只能沿着集流体的长度方向传输电荷，传导距离长导致内阻较大，而全极耳设计的电流传输最大距离是电极的高度而非长度，电极高度通常是电极长度的5%-20%，因此电阻相较单极耳减少了5-20倍，从而提高了传输效率，较大的提高了电池的倍率性能，如以色列的StoreDot的4680电池可在10分钟内充满电。2）单极耳在充放电时，极耳及极耳与电芯或壳盖的连接处极易出现局部热量过大，无法满足大电流充放电条件下电池的散热要求。全极耳在电池内部没有集中发热点，热在内部均匀分布，对于电池的整包有热管理上的优势，因此全极耳设计安全性能更佳。参考钜大锂电官网上宁波久鼎新能源科技有限公司有关负责人访谈信息，全极耳（无极耳）工艺的圆柱型锂电池，能量密度高，输出功率提升数倍，同样空间下车用搭载这种锂电池续航里程增加13%，且电池成本每千瓦时可以降低10%以上。我们认为全极耳设计可以提升电池倍率+安全，提升电池续航和降低电池成本，有助于国内锂电池，尤其是大圆柱锂电池装机量再拓新的台阶。

国内全极耳研究布局较早，近年来发展较快。国内圆柱全极耳锂离子电池最早在2003年开始萌芽，出现了正负极片单边留白、错位卷绕后形成极耳然后焊接在导电集流盘边缘的结构设计，但由于极耳形态不规则，电池生产工艺复杂，未能转化为实际产品。2009年国内开始有电池企业与装备企业共同投入圆柱全极耳研究，并真正形成了圆柱全极耳初始产品，据高工锂电不完全统计，国内全极耳电池专利最早从2010年开始。经过十几年的发展，国内已经形成了圆柱全极耳软连接与硬连接两种主流的连接形式，也有一端采用软连接一端采用硬连接的结合形式；其中软连接方式是汇集电流的集流盘带有一段宽而短的极耳连接壳体，硬连接方式多通过集流盘直接与壳体进行物理接触或机械连接，硬连接方式多属于“无极耳”连接。

全极耳设计对涂布、分切、卷绕、焊接等工艺要求更加严格，并新增了揉平工艺1）全极耳一定的弧形对涂布设备的精密度要求更高，外圈留白比内圈留白会更多；并且全极耳极片与单极耳和双极耳等极片涂布时不同，正极需要留白而负极可以实现整体涂布，如果涂布精度不够，会导致在极耳整形和焊接时出现问题。2）无极耳设计对极耳分切工艺要求更高：特斯拉采用了将全极耳切割成多个矩形极耳单体再进行揉平的工艺，但这种工艺在揉平速度过快时，极片会外翻，容易刮伤电池外壳的内壁；揉平时产生的金属屑较多，金属屑残留在电池内部容易造成短路；揉平后间隙过大，导致与集流盘的焊接稳定性差。亿纬锂能改进了模切工艺，将全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，提高了电池的良率。

3）无极耳设计对卷绕工艺要求更加严格：以特斯拉4680为例，特斯拉在卷绕工艺过程中，对留白区先预弯折，然后卷绕成卷芯，最后卷芯边缘进一步弯折到位，如果在卷绕过程中极耳交错折叠顺序错误，将会被判定为不良品。4）卷绕后的极耳与电芯的两个端面垂直，因此需要通过揉平工艺将极耳翻折到与电芯的端面平行，从而形成焊接平面。极耳通过揉平后形成密实体，有效地改善了焊接特性，但是会使大圆柱电池对电解液吸收难度加大。5）全极耳极片端面与集流盘的面焊增加了焊接工序和焊接量，对焊接工艺要求更高：4680的焊点数量相比21700提高五倍以上，单GWh电池产线增加了5台焊接设备，相比方形电池激光焊接工序从5道增加至7道。面焊的激光强度和焦距不轻易控制，激光焊接工艺不稳定可能会导致焊穿烧到电芯内部或者没有焊接到位，所以以往21700电池只需要脉冲激光器点焊，而4680要求激光点阵焊接，需要连续激光器，生产上全面提升。

3.1硅基负极潜力巨大，产业化应用逐步成熟

高能量密度成发展趋势，4680圆柱电池引领行业前沿。从目前动力电池发展情况来看，电池能量密度呈现增长趋势，终端用户对电池续航时间、里程等要求越来越高，轻量化、高能量密度需求的电池发展方向。特斯拉2020年发布的4680电池采用硅基负极，能量密度达到300Wh/kg。我们认为，目前用户对能量密度需求越来越高，在石墨负极逐渐难以满足更高能量需求情况下，使用其他负极成为一种选择，4680电池作为特斯拉追求高能量密度的一种设计方案，使用硅基负极，或将引领硅基负极应用趋势。

硅基负极理论容量高，石墨负极已逼近理论上限。石墨负极虽有高电导率和稳定性的优势，但目前商品化的锂离子电池石墨负极材料的可逆比容量已接近理论比容量372mAh/g。因此为提升锂电池的能量密度，需开发更高比容量的负极材料。硅负极材料储锂机理与石墨负极材料不同，其主要是通过与锂形成Li12Si7、Li13Si4、Li7Si3、Li22Si5等多种合金相，其中最高锂含量的合金相为Li22Si5，其理论比容量高达4200mAh/g，是石墨负极10倍左右，目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料。并且采用硅基负极材料的锂电池质量能量密度可以提升8%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%。

硅基负极安全性能更佳。硅基负极材料具有较低的脱嵌锂电位（~0.4Vvs.Li/Li+），略高于石墨（~0.05Vvs.Li/Li+），在充电时可以避免表面的析锂现象，而石墨负极电压平台接近锂的析出电位，易产生锂枝晶，枝晶刺破隔膜，将导致电池短路，威胁电池安全。

硅在锂化时的严重体积效应是硅基材料商业化的最大限制。硅在完全锂化时，硅的体积会发生超过300%的膨胀，巨大的体积变化会带来一系列问题。1）体积效应导致电池内部应力大，容易挤压极片，造成硅负极材料产生裂纹直至粉化。2）体积膨胀效应使得电极材料容易失去与集流体的接触，使得活性材料从极片上脱离，引起电池容量的快速衰减。3）体积膨胀效应容易形成不稳定的固体电解质界面膜SEI膜，由于硅体积发生变化SEI会随之破裂，新暴露在表面的硅会生产新的SEI膜，同时会不断消耗电解液中的锂离子，导致不可逆的容量损失和低初始充电效率。并且SEI厚度会随着电化学循环不断增加，过厚的SEI层阻碍电子转移和Li+离子扩散，导致阻抗增大。其次，随着硅含量的提升，首次库伦效率会越来越低。硅材料的首次充电不可逆循环损耗最高达到30%（石墨为5-10%）。电解液溶剂和锂盐发生副反应，会在锂离子电池的负极形成一层固体电解质相界面(SEI)膜，该反应会消耗锂。体积变化使得SEI不能在Si电极表面稳定生成，SEI层反复破裂，消耗大量Li+离子；同时SEI厚度随着电化学循环不断增加，过厚的SEI层阻碍电子转移和Li+离子扩散，阻抗增大，极化增加。

为解决硅基材料膨胀、失效问题，现有行业采用的硅基负极改性方法包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等。其中复合化、硅氧化、纳米化技术、预锂化技术已较为成熟，已开始应用于产业化中。1）氧化硅技术：采用氧化硅掺杂，掺杂含量约5%，氧化亚硅负极体积膨胀较小，但在充放电过程中会生产Li2O等非活性物质，导致SiOx材料首次效率较低（约70%）。目前，各大负极材料厂商对氧化亚硅负极均有布局，日本信越化学、韩国大洲、中国杉杉股份及贝特瑞均可量产硅氧负极。2）纳米化：通过降低硅基材料粒径至纳米级别，也可以改善硅基材料在充放电过程中发生的体积变化，但存在生产成本较高，材料均一性不好等缺陷。3）复合化：通过复合其他材料来制备硅基复合材料。硅碳复合材料（硅碳负极）由于具有稳定性好，体积变化小和导电性优异等优点，是产业化进展最为迅速的制备方法。广汽集团发布的海绵硅负极，特斯拉于2021年收购的SiILion公司持有的硅负极专利实质上均为硅与碳材料复合形成的复合结构。4）预锂化：预锂化技术是改善硅负极首次效率低的重要途径。为保障硅基负极性能，需要对在首次循环中损失的锂离子进行补充。预锂化技术主要包括电化学预锂化和在正负极材料中添加预锂化添加剂（补锂剂）两种形式，其中添加补锂剂的方法已相对成熟。

目前硅碳复合材料和硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。硅碳负极是指纳米硅与碳材料混合，通过降低硅基材料粒径至纳米级别，可以拥有更多的空隙，用于缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。硅氧负极采用氧化亚硅（SiOx）和石墨材料混合，SiOx相比Si材料，SiOx材料在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小（SiOx嵌锂过程中体积膨胀118%左右，硅则为300%以上），其循环性能得到较大提升，目前硅氧进展较快，市场上出货量最大的为氧化亚硅负极材料，而硅碳负极材料的制备工艺相对复杂，尚未形成标准化制备方法，规模化生产存在一定困难。

3.24680推动硅基负极产业布局加速

当前硅基负极主要应用在消费电子、电动工具等领域，而4680电池将规模应用拓展到动力电池领域。目前硅基负极市场价在20-30万元/吨，与5万元/吨人造石墨（中端）相比价格高出4-6倍，而硅基负极的毛利率也能达到50%，目前应用上依然缺乏性价比。但参考2022年5月，石大胜华3万吨年硅碳负极项目可行性报告，规划硅基负极产能3万吨/年，测算的销售价格7万元/吨左右。我们认为，随着硅基负极在动力电池领域渗透加速，未来产业化和规模化将降低硅基售价，叠加中游材料厂让利等因素，硅基负极性价比将逐渐提升。

各大负极厂商纷纷布局硅基负极。杉杉股份和贝特瑞在硅基负极布局较早，产品最为成熟，已实现量产并批量供货，并且在电动工具等领域得到了部分运用。石大胜华、硅宝科技、杰瑞股份等公司目前虽普遍处于中试阶段，但扩产力度不小，硅基负极产能有望得到进一步释放。

贝特瑞和杉杉股份硅基负极处行业领先水平。贝特瑞已开发至第三代硅碳负极产品，比容量提升至1500mAh/g，并且硅基负极已批量供应三星和松下，2019年出货量达2255吨，位列全球第一。杉杉股份突破硅基负极材料前驱体批量化合成核心技术，已经完成了第二代硅氧产品的量产，正在进行第三代硅氧产品和新一代硅碳产品的研发。杉杉高容量硅基负极于2017年实现量产并供货，2018年开始给宁德时代供货测试，21年硅氧负极实现百吨出货，2022年底宁波4万吨硅基负极项目预计开工建设，有望进一步强化规模化优势。

硅基负极渗透或将加速。根据高工锂电数据，2015年我国硅基负极材料出货量仅为0.03万吨，2021年激增至1.1万吨，同比增长83.3%。一方面电动工具、高端数码锂电池需求旺盛，高容量、高倍率锂电池产品需求增加带动硅基负极产量扩张。另一方面源于高能量密度动力电池更受青睐，下游客户对快充性能、续航时间提出更高要求，因此硅基负极优势更加凸显。

4680大圆柱放量推动硅基负极需求快速增长。由于4680大圆柱具有受力均匀、自动化程度高、膨胀容忍度高等优势，硅基负极搭配能量密度较高的高镍三元正极优势更加突出。4680大圆柱电池以及长续航快充车型放量，有望推动硅基负极材料快速增长。通过统计高镍三元锂电池对硅基负极的需求，我们预计硅基负极掺杂比例将逐年提升，硅基负极需求2025年将达23.1万吨。

3.3适配硅基负极，碳纳米管渗透率或将提升

碳纳米管导电性能优，适配硅基负极。碳纳米管（CNT）是一种新型导电剂，可以降低降低锂电池的内阻，提高锂电池极片的粘结强度和电池循环寿命。与炭黑相比，碳纳米管可以在活性物质之间形成的线接触式、面接触式导电网络更为充分，能够更加明显的提升导电性能，碳纳米管可以有效降低阻抗，导电性能更好。在达到相同导电效果，碳纳米管的用量仅为炭黑的1/6-1/3。此外，碳纳米管可以缓解硅材料充放电过程中由于膨胀造成的结构坍缩，适配硅基负极。

单壁碳纳米管+硅负极性能更优，循环性能提升四倍。单壁碳纳米管解决了硅负极的关键和根本性问题，在硅负极颗粒体积膨胀并开始出现裂缝时，这些颗粒仍可通过TUBALL单壁碳纳米管保持较好的连接，防止负极材料破裂，提升硅负极循环寿命和循环性能，循环性能可以提升四倍。

单壁碳纳米管提升15%电池续航里程。据OCSiAI，添加TUBALL单壁碳纳米管可生产内含20％SiO的负极，电池能量密度可高达300Wh/kg和800Wh/l，实现快充性能。在续航上，与目前市场优质的锂离子电池相比，含单壁碳纳米管的电池续航里程可提升15％以上。此外，添加单壁碳纳米管后可以将负极中的SiOX含量提高到90％，能量密度可以实现达到350Wh/kg。我们认为4680电池将带动硅基负极应用量提升，这或将带动单壁碳纳米管渗透率提升。

4.1杉杉股份：硅基龙头企业$杉杉股份(SH600884)$ 

深耕负极材料多年，人造石墨领先企业。根据ICC鑫椤资讯数据，2021年中国负极材料产量为81.59万吨，全球市占率为92%。上海杉杉全球市占率为11%，排名靠前。从产量来说，杉杉股份2021年人造石墨负极产量排名全球第一。

硅基负极龙头企业，先发优势明显。杉杉股份已经完成了第二代硅氧产品的量产，正进行第三代硅氧产品和新一代硅碳产品的研发。其硅氧产品已率先实现在消费和电动工具领域的应用，动力领域已通过了全球优质动力客户的产品认证，有望迎来规模放量。同时公司内蒙古包头年产10万吨负极材料一体化项目二期产线已于2022年上半年达产，云南安宁年产30万吨一体化基地项目和宁波年产4万吨硅基负极材料项目已启动。这将进一步提升公司一体化产能规模，实现持续降本增效，巩固和提升公司在高端负极材料领域的全球领先地位，公司有望享受硅基负极市场的放量增长。

4.2天奈科技：硅基负极拉动单壁碳纳米管需求，龙头企业有望受益$天奈科技(SH688116)$ 

碳纳米管行业龙头，市场份额超40%。天奈科技作为最早成功商业化并将纳米管通过浆料形式导入锂电池的企业，打破了锂电池领域国外企业对导电剂产品的垄断，改变了原有材料依赖进口的局面，2021年公司市占率在国内的40%以上，是行业龙头。

产能有望逐步投产。从产能上看，截止2021年底，公司有3.5万吨的导电浆料产能，随着前期IPO募投项目“年产300吨纳米碳材与2000吨导电母粒、8000吨导电浆料项目”和“碳纳米管与副产物氢及相关复合产品生产项目”（1万吨导电浆料、6000吨碳纳米管、900吨副产物氢）、可转债“用于年产5万吨导电浆料、5000吨导电塑料母粒以及新增3000吨/年碳管纯化加工能力”项目等若全部投产，公司产能将进一步提升。此外，公司6月拟在眉山投资建设生产基地项目，将建设年产120,000吨导电浆料及15,500吨碳管纯化生产基地项目，假设项目的顺利进行，公司导电浆料产能将超过20万吨。单壁碳纳米管方面，2022年6月公司拟在镇江投资约12亿元建设天奈科技年产450吨单壁碳纳米管项目，2022年9月公司拟投资约2亿元年产20,000吨单壁纳米导电浆料及500吨单壁纳米功能性材料项目。

4.3亿纬锂能：锂电池集大成者，圆柱突围蓄势待发

动力储能电池持续加码，圆柱电池产能持续释放。动力方面，2022H1公司惠州潼湖基地磷酸铁锂电池产能已经进入稳定生产状态，惠州二期磷酸铁锂动力电池项目正在建设。公司是国内率先掌握三元大圆柱电池技术的厂商之一，在国内率先完成了46系列等三元高比能大圆柱电池产品的布局，首件搭载自主研发46系列大圆柱电池的系统产品在研究院中试线成功下线。储能方面，公司在通信储能与电网侧配套等领域与龙头企业开展合作。消费电池方面，圆柱电池产能持续巩固，公司第十三工厂扩产项目达产后年产能可达7.5亿只，生产效率达300ppm，小圆柱电池总产能将达15亿只。

4.4宁德时代：龙头地位稳固，全球化布局彰显王者之气

全球化布局，龙头地位稳固。公司22H1电池系统产能154.25GWh，在建产能100.46GWh，产量125.32GWh，产能利用率81.25%，公司装机量占国内动力电池装机量为50%，龙头地位稳固。扩产动作频繁，7月公司拟建设济宁新能源电池产业基地项目；8月公司新增匈牙利产能规划，总规划100GWh，预计将于今年年内开工建设，有望于2024年部分放量。我们认为公司持续加大产能投入，欧洲市场布局再进一步，未来或将持续巩固公司在锂电池行业的龙头地位。$亿纬锂能(SZ300014)$ 

研报来源和作者：信达证券[武浩,张鹏]

研报原文PDF：电气设备-电力设备与新能源：4680大圆柱专题报告（一）：全极耳助力圆柱电池再起航，硅基负极蓄势待发-信达证券[武浩,张鹏]-20221015【31页】