4680再次站上风口 将成圆柱电池终极形态?

随着特斯拉宣布4680电池版Model Y即将向北美用户交付,大圆柱电池再次站上了风口。   亿纬锂能董事长刘金成表示,4680大圆柱电池可谓“极致标准、极致可靠、极致制造和极致体系”。而自4680电池在2020年9月特斯拉“电池日”上首次亮相后,海内外动力电池企业似乎嗅到了新的商机,从松下、LG新能源、三星SDI,到国内的亿纬锂能(300014.SZ)、比克、蜂巢能源等均开始争相布局。   相较于此前的18650等小圆柱电池,4680此番为何备受关注?刘金成甚至认为,大圆柱电池可能是动力电池终极技术方向,因其体现出“绝对安全与成本优势”。   事实真是如此吗?   从18650到4680,圆柱电池不断“长大”   特斯拉与松下的合作可以说是见证了圆柱电池的发展历程。   圆柱电池最早出现在1991年前后,是日本索尼研制的18650,即直径为18mm、长度为65mm的圆柱形锂电池。这款电池是全球首批商用的锂离子电池,也是目前市场上最常见的圆柱电池型号,多应用于工业和消费领域。   特斯拉随后开启了车用圆柱锂电池的商业化时代。   2008年,特斯拉推出首款车型Roadster.由于当时动力电池方案并不十分成熟,而松下18650电池有深厚的技术积淀,安全性和一致性都达到了非常高的水准,于是特斯拉首次用它作为车辆的动力电池,每块动力电池大约包含6831节松下18650电池。此后,松下将18650的电池容量从2Ah提升到4Ah,开始在Model S上大规模使用。   为进一步提高电芯能量密度并降低成本,2017年特斯拉与松下共同研发的21700圆柱电池成功问世,并将该电池应用在Model 3上。21700圆柱电池采用NCA(镍钴铝)+硅碳方案,能量较18650提升了50%。同时,21700的系统售价约为170美元/Wh,相比于18650电池系统的185美元/Wh下降约了9%。   此后,特斯拉继续致力于圆柱电池的大型化。2019年,特斯拉申请4680大圆柱专利。2020年9月,特斯拉在股东大会暨电池日活动现场率先发布了无极耳、硅负极、无钴技术加持的4680电池。实验显示,4680电池从10%充电至80%仅需15分钟,而21700电池电量充到70%就需要25分钟,预计4680大圆柱电池能量将提升5倍、续航里程提升16%、功率提升6倍。   2022年5月,特斯拉宣布拟正式向普通用户交付4680电池版Model Y.该车型搭载特斯拉4680电池及结构电池组,目前仅面向得州厂附近用户交付。同时,特斯拉也在要求松下加快开发其4680电池。 4680再次站上风口 将成圆柱电池终极形态?插图  三大优势吸睛,特斯拉力推4680大幅降本   特斯拉为什么选择4680?主要原因是能量密度、安全性的提升,以及成本的下降。   能量密度方面,4680单体电芯的能量密度能达到300Wh/kg,高于目前铁锂单体160-200Wh/kg及三元的200-300Wh/kg。   特斯拉电池日官方材料显示,从21700到4680,电芯体积增加448%,表面积却只增加了180%,即结构件质量占电池包总重量的比例随着圆柱电池直径的增大而下降,大圆柱电池的电池能量密度则有所提升。   从应用材料来看,正极方面主流厂商仍采用三元电池所应用的NCM811高镍方案。重点是负极材料,目前大多数电池使用石墨负极,实际应用上的石墨比容量达到了约330—370mAh/g,已触及理论比容量372mAh/g的天花板;硅的比容量超石墨10倍,能达4200mAh/g.特斯拉早在2017年搭载21700电池时就已经引入了“掺硅”技术,大约掺了5%—6%的硅合金,占比较小。由于4680的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收硅在充放电过程中的膨胀力,未来硅的掺杂比例或超10%。   但是,新材料的应用也存在一定问题。华安证券新能源与汽车首席陈晓对第一财经表示,前期的固定资产投资、单位投资、加工成本相对会较大,需要一定时间把整个产线跑通,提升良品率。   圆柱电池的安全性主要体现在热失控方面。方形、软包电池表面平直,组成模组后几乎没有缝隙,造成热失控时热量传递明显。而圆柱电池的弧形表面即使在充分接触时仍会存在较大缝隙,单体能量也较低,可以在一定程度上阻碍电池之间的热量传递。   有锂电池技术专家表示,圆柱电池设计的最大特点就是,当圆柱电池的规格给到供应商以后,电芯工程师只要关注电芯的特性、常规比例、容量提高,后续模组和pack工程师就可以在这个规格上试验不同的热管理方案,所以圆柱电池在安全方面的可塑性比较强。   成本方面,4680主要通过扩大电池尺寸、CTC(Cell to Chassis,电池底盘一体化技术)设计等手段进行降本。   “从整个封装线来看,圆柱比方壳的投资成本可能要降低30%-40%。”上述锂电池技术专家称。4680的电池数量可以从18650的6000多个减至960个,这意味着PACK空间利用率提高、BMS(电池管理系统)控制难度降低。   从电池成本来看,圆柱电池的优势已经显现,当前21700电池成本约为0.698元/Wh,2025年4680电池成本预计为0.323元/Wh.而方型电芯成本2022年为0.75元/Wh,兴业证券预计2025年为0.55元/Wh。   由于4680有着双重结构,不仅可作为供能设备,也可以作为结构件,可灵活运用于各种车型的CTC设计。相比于21700电池,4680可减少370个零件数量。   特斯拉电池日公开信息显示,特斯拉有信心将4680单位成本下降56%,其中,电芯设计占14%、电芯工厂占18%、负极材料5%、正极材料占12%、电芯底盘集成占7%。 4680再次站上风口 将成圆柱电池终极形态?插图1  但就实际情况来看,专家认为,目前圆柱电池的成本曲线还处在相对比较高的位置,真正实现特斯拉的目标成本可能需要较长的时间,特别是当前高镍材料的价格和电池相关的配方还是偏贵的。   国内电池厂商加速布局,何时量产仍需观察   2017年之后受新能源车补贴退坡影响,初期配套圆柱电池的短续航低端车型无法得到补贴,圆柱电池受到方形电池挤压,市场份额从2017年的27.2%下滑至2020年的9.7%,以圆柱路线为主的比克一度陷入债务危机,而沃特玛于近日宣告破产。   随着4680的出现,国内厂商再次将目光投向了圆柱电池。   “想做都能做的,圆柱电池产线扩张更快,资本开支更低,比方形电池生产容易。”有新能源基金经理称。   亿纬锂能2021年11月发布公告称,将投建年产能20GWh的乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目,投资总额约为32亿元;2022年6月,公司公布了多项重大电池项目投资,其中,“乘用车锂离子动力电池项目”总投资金额43.75亿元,项目达产后,将形成年产20GWh大圆柱46系列动力储能锂离子电池产能。   亿纬锂能董事长刘金成曾表示,大圆柱电池和叠片铁锂电池将是公司在动力电池领域重点布局和发展的产品方向。当前,亿纬锂能开发进度有目共睹,但是关于快充的能力、内阻、对应的能量密度等可能还没有达到高标准要求。   近日,有消息称,宁德时代(300750.SZ)已收到客户宝马公司《定点通知书》,将为宝马新款电动车型提供圆柱形电池供应。为降低电池成本,宝马考虑从2025年开始,在新电动平台使用圆柱形电池。   业内人士表示,宁德时代在溧阳有圆柱产线,2021年产量约2-3GWh.对宁德时代来讲,切入特斯拉要求的速度会比预期要快。   此外,江淮汽车(600418.SH)、蜂巢能源、比克电池等在大圆柱方面均有布局。   2021年2月,江淮汽车与CBAK能源科技签署了一项为期三年的联合产品开发战略协议,双方将联合开发4680锂电池及电池组;蜂巢能源2021年切入大圆柱领域,公司曾在上海车展创新日展示4680电芯研发成果,采用与特斯拉相同的无极耳结构;比克是国内首发4680全极耳大圆柱电池的电池企业,此前预计4680电芯样品在2021年内批量下线。   业内人士称,亿纬锂能、宁德时代等国内企业在圆柱电芯开发和量产方面在全球处在比较有利的位置。从建造电池厂到投产,中国保持着8-10个月的高效记录,在厂房到位、入场施工、设备调试时间点上,中国优势非常明显。因此,国内的投产速度相比国外更快,可能二、三年就能起量。   但目前新势力和一些老牌企业,主要还在做圆柱电池的前期研究,后续模组设计、制造工艺仍需评估。并且,这些企业真正规划了多少量、能量产的靠谱供应商有几家、能够稳定出货的量有多少并不确定。   技术迭代速度快,4680难成圆柱电池终极形态   从各大厂商加速布局4680的动向来看,大家并不怀疑特斯拉在电池层面的选择。   伴随特斯拉交付搭载4680电池的车辆,光大证券预计2025年特斯拉搭载4680电池的车型销量将超160万辆,占总销量的近50%,装机量预计达123GWh.在特斯拉销量高企、4680技术不断成熟的背景下,预计2025年全球4680电池装机量预计将达264GWh,在全球动力电池装机量、圆柱电池装机量的渗透率分别达到22%、68%。   商业化前景较为光明的预测下,有观点称4680很可能将成圆柱电池终极形态。但多位业内人士对第一财经表示,这种说法大概率是不成立的。   “技术的东西不好说,都是走一步看一步,感觉(4680成为圆柱电池最终形态)不太可能。”上述基金经理表示。   虽然4680圆柱电池当下风头很足,但并不是所有电池厂商都一窝蜂地去做大圆柱。陈晓称,说是最终形态有点儿绝对,因为有的厂家并不着急向高镍方向发展,还有一些是只做方壳,或只做小圆柱。当前行业还处在发展阶段,什么都有可能,大家都是在摸索。   事实上,不止圆柱电池的技术在进步,方形电池也在加速更迭。   前有比亚迪(002594.SZ)片电池将体积利用率提升了50%以上,升级后拥有从30%充至80%仅20分钟的快充速度和6kW的对外放电功率,后有宁德时代推出的第三代CTP技术,即“麒麟电池”。在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池包的电量相比4680系统可以提升13%。   华东汽车新材料技术研究院研究员林澍文表示,在未来一段时间内,大圆柱电池有可能与方形电池共存,正如目前三元锂电池与磷酸铁锂电池共存一样,为用户减少焦虑的多种技术探索都是有价值的。

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