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4680大圆柱电池研究更新
2021-11-08 21:07:44· 来源：电动学堂
前言：20年9月特斯拉电池日提出4680新型电池，即直径46mm，高80mm的圆柱电池。根据特斯拉展望：4680将在2170的基础上能量（容量）提升5倍，里程提高16%，成本下
前言：
20年9月特斯拉电池日提出“4680”新型电池，即直径46mm，高80mm的圆柱电池。
根据特斯拉展望：4680将在2170的基础上能量（容量）提升5倍，里程提高16%，成本下降14%。
目前市场对4680的前景分歧较大：看好的人认为4680可能会颠覆现有电池技术路线，或许迎来圆柱电池的第二春；不看好的人认为4680只是噱头，量产遥遥无期。
图：特斯拉4680大圆柱电池构想
资料来源：特斯拉电池日
本篇报告主要回答三个问题：1）4680大圆柱的优势在哪里？未来替代的是哪部分市场？2）4680量产结节奏如何？3）产业链哪些标的受益？
核心结论为大圆柱兼备安全性高+成本低的双重优势，从车企和电池厂规划看，放量预计在23-24年，受益产业链有大圆柱电池+高镍三元+硅基负极+单壁碳管+LiFSi+结构件。
一、为什么看好4680大圆柱路线，未来替代的是哪部分市场？
大圆柱的优势体现在安全性高+成本低，预计未来将替代部分三元软包和三元方形的份额。
优势1安全性：“圆柱”的优势——是最有可能解决热失控的方案
电池组内的热失控蔓延是安全问题的主要关注点。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。因此汽车动力电池系统的安全问题就不再仅仅是电池单体，而是电池成组安全问题。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。
图：热失控蔓延影响因素总结
资料来源：《离子电池热失控蔓延问题研究综述》芮新宇
圆柱不易引起热失控蔓延的2个原因：
1）单体容量低，单个电池热失控释放的能量小，相较于方形和软包来说不易引起蔓延。从单体层面看安全性排序：小圆柱＞大圆柱＞软包＞方形。
图：不同形状三元电池单体容量对比
资料来源：各公司官网，其中4680电池按2170的5倍推算。
2）圆柱的弧形表面一定程度上限制电池之间热传递；而方形和软包的传热问题理论上是无解的。
-方形、软包电池由于具有平直的表面，组成模组后常常是平面紧密接触的状态，传热明显（特征主要为“侧向加热”）。
-圆柱电池由于其弧形表面，即使在充分接触的情况下仍存在较大间隙，一定程度上限制了电池之间的热量的传递。
目前主要通过热管理（大部分车企使用液冷）的手段，抑制热失控在电池之间的蔓延。其中圆柱电芯的设计，本身具备一定的热失控防护的阈值，因此模组层面有更多的容错空间（推测这也是特斯拉坚持圆柱路线的原因之一）。
优势2成本低：“圆柱”的优势——降低单体成本，“大”的优势——降低BMS难度
1）生产效率高→单体成本低
-圆柱：是最早商业化的锂电池，生产最为成熟，体现在装配效率高于方形和软包，例如亿纬新线1865/2170基本是200PPM（200个电池/min），国产线在150PPM以上；34大圆柱，例如宁德给两轮车做的，约100PPM。4680现在的量产效率未知，但圆柱的特性（同心圆卷绕）决定了其生产速度，即使大圆柱低于小圆柱，但也会比方形和软包的叠片快很多。
-方形和软包：200Ah以内的方形10-12PPM、200Ah以上的大方形10PPM以内。软包的生产效率则更低一些。
-以单车80KWh为例，2170圆柱需要4400个左右，单体容量250Ah方形需要300个左右，因此完成整车圆柱电池的生产大约需要20min，而方形则需要30min（按上限10PPM测算）。且圆柱的产线爬坡速度也要快于方形，例如圆柱生产设备3个月可以调试成功，方形则需要4-5个月。
2）圆柱变大→降低BMS难度
以上讲了2点圆柱的最大优势安全性高+单体成本低，但大规模使用1865/2170的主流车企仅有特斯拉一家：主要由于圆柱电池单体容量较小，要达到一定的动力性能，电池的总量必然巨大，例如18650需要7000+个、2170需要4000+个，对电池系统的连接和热管理技术提出极高要求。因此，圆柱电池路线让不少车企望而却步。但4680时代，需要的电池单体数量下降为960个，更少的单体数量意味着PACK时空间利用率提高，且需要的BMS大大简化（此处基于大圆柱散热问题被无极耳技术解决）。
3）成本展望
预计大圆柱在24-25年达到成熟，届时大圆柱单wh成本在0.45-0.5元，三元方形在0.5-0.55元，三元软包在0.55元，LFP方形在0.3-0.4元，而目前单wh三元方形的成本在0.6元+，LFP方形成本在0.5元+。
二、4680何时能落地？
1、车企态度
目前态度明确是特斯拉和宝马两家。特斯拉进度要更快些，预计22年可实现装车，起量预计在23年后；宝马预计24年SOP。
1）特斯拉
时间规划：21Q3交流会表示将于22年初美国工厂实现4680装车。预测国内至少在23年才会上4680。
车型规划：不会把4680镍基用于所用车，主要在长续航的车辆中使用；标续版的车用LFP（非4680）。4680将首先用于Model Y；其他可能搭载的车型有cybertruck、semi等。Model 3由于尺寸问题，被部分工程师认为不适合装配4680，因此我们假设Model 3三元版仍使用2170。
销量预测：
-LFP占比假设：根据特斯拉二季报交流，马斯克规划未来特斯拉车型中1/3~2/3将使用LFP。我们假设22年及以后LFP版MODEL Y：国内占比50%；美国及欧洲销量占比约1/3。
-2170&4680假设：参照2170对18650的替代速度，因此假设22年以2170为主，23年后逐步转向4680，24年4680完全替代2170（Model 3除外）。海外进展将快于国内。
-带电量假设：Model Y标续版带电量约75度，按照4680带来16%续航提升计算，长续航带电量约87度电；电动皮卡200度电；Model 3平均80度电。
-销量：基于上述假设，我们预计如果明年年初实现顺利装车，22年全年10万辆Model Y（在美国销售的长续航版）将使用4680电池，对应装机9GWh。23年进入大规模放量期，预计国内5+美国42+欧洲12共59万辆，对应73GWh。预计24年将完成4680对2170的全面替代（Model 3）除外，预计国内30+美国67+欧洲25共122万辆，对应148GWh。
-渗透率：从22年开始进入加速渗透期，预计22-24年4680在特斯拉销量的渗透率为7%、27%、45%，此后进入稳定期。由于4680用于带电量高的车型，因此装机的渗透率要高于销量的渗透率，预计22-24年渗透率为6%、34%、50%。
2）宝马
时间规划：宝马4695三元大圆柱预计开标100-120GWh，7年周期，SOP时间2024年。
车型规划：目前计划应用于宝马大、中、小三个车型平台，均为CTC产品（可以理解成只有一个pack的CTP）。
2、电池厂进展
目前进展最快的是特斯拉自产电芯，预计明年实现量产；其次为松下，同样是明年实现生产；亿纬锂能（除特斯拉外，大圆柱产能规划最大的电池厂）、LG化学预计在23年之后开始放量。
特斯拉：自产4680电芯目前在弗雷蒙德工厂试生产，且测试顺利。量产基地在德州，计划在22年底产能达100GWh（特斯拉口径偏乐观）。目前特斯拉4680电池的试点产线良率已由去年的20%提升至70%-80%（批量生产良率要在90%以上）。
亿纬锂能：与StoreDot（以色列一家专注于快充的初创公司，对硅负极有独到理解）联合开发，布局的是4680和4695两个大圆柱电池，目前成品已出。目前已经公告的产能为20GWh，预计22H1开始建设，23年达产；预计24年产能将达到40GWH（新闻口径）。
宁德：4680规划8条线，共12GWh。
松下：21年1月消息：计划在大阪工厂投资一条试验线，预计 2022 年开始投产。21年9月消息：4680型电池的研发目前正在进行中，松下暗示将在这方面加大投入。21年10月消息：计划22年3月在日本开始试生产4680电池。
LG化学：21年3月消息：LG化学的4680电芯试生产线已经开始建设，组装和电镀设备已经安装完毕，目标是在松下大规模生产电池之前完成试产。计划最早在 2023 年实现量产。
三、哪些产业链上的标的将收益？
1、电池公司
【宁德时代】（规划12GWh）、【亿纬锂能】（已公告20GWh，22H1开始建设，4680进展走在前列）。
2、材料公司
核心逻辑是我们认为4680电池的推出是追求更高的能量密度（圆柱电池叠加高能量密度相比软包、方形要安全），从技术层面寻求单wh成本的下降，结合产业链调研发现，4680进展和高性能材料紧密相关如硅负极、单壁碳管等，故我们推荐几个高性能材料产业链：
高镍：【华友钴业】、【中伟股份】。市场担心LFP对NCM的全面替代，而实际4680进一步推动高镍、超高镍的发展，在这个过程中看好高镍一体化的龙头构建壁垒，其他关注【长远锂科】、【当升科技】、【容百科技】。
硅基负极：【中国宝安】（贝特瑞）。我们预计2170电池硅添加量为5%，4680里添加量为10%，目前硅基负极单价22万元/吨，单吨净利润在6.5万元，则对应2170单GWh盈利为406万元，4680为813万元。
碳纳米管：【天奈科技】。硅基负极本身导电性能差，因此会增加碳纳米管的使用，且为单壁碳纳米管，假设初期粉体价格在900万元/吨（现在多壁碳管价格在50万元/吨左右），在负极添加比例为0.1%，60%毛利率下单吨净利润在450万元，对应单GWh盈利在563万元。
LiFSI：【天赐材料】。LiFSI具有较好的热稳定性、电化学稳定性、更高电导率，提升电池性能。目前LiFSI价格超过40万/吨，假设在电解液的添加比例5%，预计单吨净利润10万元，对应单GWh盈利600万元。
结构件：【科达利】。2170
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