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薅羊毛电报群(www.tel8.vip):​特斯拉46系大圆柱电池即将大规模量产,2025年其市场规模将超千亿元

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特斯拉2023年将迎来4680圆柱电池大规模量产,国内电池企业、材料企业等相关企业跟随布局,将对相关的大圆柱电池企业、材料的技术路线和竞争格局产生深远影响。未来来看,4680圆柱电池制造上游不可或缺的超高镍正极材料、硅碳负极材料,以及新型锂盐LiFSI等领域具有技术领先、产品成熟度高、海外业务与产线布局等优势的企业有望率先受益。


降本:超高镍/硅碳、干法电极助力46系大圆柱电池持续降本


总体来看,正负极材料和生产工艺设备加持,生产和设备投资成本有望砍半。特斯拉正在大力推动松下、LGES等电池供应商制造和开发46系大圆柱电池,通过采用无钴正极材料(NMx)、硅碳负极材料及离子聚合物涂覆技术、整车电池一体化及干电极生产极片技术等,共同推动电池度电成本从110-120美元下降到48-53美元,降幅为56%(电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降14%、12%、5%、18%、7%),参考松下、LGES、三星SDI在美产线投资成本,单GWh产线的设备投资额从1.09-1.33亿美元下降到0.34-0.42亿美元,降幅为69%(电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降7%、16%、4%、34%、8%)。

超高镍和硅碳负极实现双降本,适配4680圆柱电池。参考亿纬锂能发布公告数据,结合各单价假设条件,初步得到以NCM811/Gr时,电池正极材料和负极材料成本分别为0.271、0.060元/Wh,当更换为超高镍Ni90正极和硅碳负极Gr-SiOx时,正极材料和负极材料成本分别降低为0.242、0.057元/Wh,分别降低11%、6%。假定其他条件不变时,正负极材料成本下降导致电池原材料成本由原来的0.521元/Wh下降到0.489元/Wh,降幅6%。超高镍正极和硅碳负极适配4680圆柱电池,且实现更低成本。正极适配方面,9系超高镍正极镍含量比8系更高,活性高,更容易和电解液发生副反应,圆柱电池电解液用量少,且壳体本身耐压能力强,对产气有较高的承受能力;负极适配方面,硅碳负极膨胀系数较高,圆柱电池耐压承受能力强,选用硅碳负极能有效提升电池能量密度。正极降本方面,一是材料本身成本低,9系高镍正极中钴含量低,后续价格比8系成本低;二是能量密度更高,9系镍含量比8系更高,导致能量密度更高,所以单Wh电池的正极材料用量减少。负极降本方面,随着硅碳负极工艺技术不断成熟,生产成本不断下降。


干法电极技术减少极片生产工序,实现降本增效。特斯拉4680电池创新性地使用超级电容器中的干法电极技术,实现降本增效。电极制备方式中,传统湿法电极技术需要使用粘结剂、溶剂与活性材料混合再涂至电极上干燥,而干法工艺无需溶剂,直接将活性电极材料颗粒与四氟乙烯(PTFE)粘结剂混合,使其纤维化,直接将粉末擀压成薄膜,然后热压到极片上,可省略辊压、干燥、NMP溶剂回收等工序,大幅简化生产流程,提升生产效率,节省成本。据特斯拉电池日预测,干法电极工艺可以将生产成本降低16%,产线投资成本降低34%,极片生产占地减少70%。目前特斯拉已实现负极干法电极量产,正在攻关正极干法技术。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,目前特斯拉已在负极中使用干法电极技术,其负极使用的是人造石墨,本身带润滑作用,在粉体传输和辊压过程中流动性较好。正极材料干法工艺难度较大,正极材料在纤维化完成后,由于材料呈黏性絮状并相互交联,同时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,自支撑膜制作难度较高,目前特斯拉仍在攻关该项技术。


增效:46系大圆柱电池具备快充、高安全、高比能优势


大圆柱全极耳方案减小内阻/增加热传导,可实现4C-6C快充,快充时间降至15分钟。大倍率充放电时正负极极耳温度最高,是快充的瓶颈。4680电池极片长度达到3.8米,如果采用单极耳,会导致电池内阻明显增加。将正负极集流体两端变成可以进行面接触的极耳,通过集流体与集流盘、正负极(盖板)的全面积连接,形成稳定的全极耳导电结构,使得集流体与正负极之间的电流传输方式由传统的线传输变为面传输,从而大幅提升导流面积和过电流能力,降低电池内阻和发热量,实现安全快充。Shen Li等人通过模拟仿真对全极耳电池和单极耳电池进行充放电过程发热对比,发现全极耳设计产热速率要比单极耳产热速率低两个数量级以上,验证了全极耳设计可以明显降低热效应。数据显示,4680圆柱电池能够在20分钟内完成从10%到80%SOC的快充,相较于21700电池的30分钟,时间缩短33%。


4680圆柱电池一致性高、热失控阻隔性好。圆柱电池是以卷绕工艺进行制造,通过加快转速来提高生产效率,而软包和方壳的叠片工艺的效率提高受限。在卷绕过程中,为保证电池具有高一致性,需要对卷绕张力进行控制。目前松下等国外企业对圆柱电池卷绕张力的控制较好,大批量生产的圆柱电池产品一致性高,良率能达到97%~99.0%,可以避免由于电池一致性差导致的过充、过放和局部过热等危险。


4680圆柱电池成组时相互接触面积小,热失控阻隔性好。从单体角度看,圆柱电池热膨胀时壳体均匀受热,不会出现侧面鼓胀、变形等影响电池寿命的问题。从模组角度看,圆柱电池蜂窝式排列,电芯间填充隔热灌封胶,电芯之间接触面积几乎为零,热量必须经过灌封胶再传至周边电芯,电芯隔热效果好,能做到热失控不蔓延,从而有效提高电池热失控安全性。


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圆柱结构适配超高镍/硅碳,进一步提升电池能量密度。目前4680圆柱电池采用NCM811正极和人造石墨负极,电池能量密度达到244Wh/kg,相对于成熟的松下21700圆柱电池能量密度低9.2%,但是未来可以通过降低外壳壁厚和改用硅碳负极,可以将能量密度提升至292Wh/kg。另外,超高镍正极材料及无钴材料等的应用将继续提升4680圆柱电池的能量密度。46系大圆柱电池正极可以用9系高镍,其钴含量低,后续成本比8系便宜,能量密度更高。电解液方面,应用高安全新型锂盐LiFSI,进一步稳固电池安全性。在负极中掺杂硅或氧化亚硅可显著提升电池容量,但硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化(硅在充放电过程中容易产生300%的体积膨胀,而石墨只产生10.6%的体积膨胀),从而引发SEI膜破裂使未钝化的表面暴露出来,导致电池充放电循环期间电解液在硅表面持续分解,致使电池容量衰减。4680电池的不锈钢壳体机械强度大,可充分吸收负极的膨胀力,同时卷绕结构的4680电池极片各个位置膨胀力均匀,减少破损和褶皱的出现,而方型电池在R角处易出现应力集中而导致破损和褶皱。


市场:预计25年46系大圆柱动力电池需求量将超过200GWh


从产能投产及规划预测来看,2022-2024年特斯拉、松下、LGES、三星SDI、亿纬锂能、宁德时代等企业4680产线将陆续投产。最早实现量产的是特斯拉,到今年年底初步实现约10GWh产能,其次是松下,预计明年3月份初步实现10GWh 4680圆柱电池产能并逐步放量。LGES、三星SDI、亿纬锂能加快构建46系大圆柱电池产线,规划产线均为10GWh左右,宁德时代预计到2024年建成12GWh的46系大圆柱电池新产线并实现量产。

特斯拉 4680 圆柱电池市场需求预测

预计特斯拉2025年全球销量突破400万辆,年均增长44%。参照特斯拉美国加利福尼亚工厂、中国上海工厂、柏林工厂、美国得州工厂、美国雷诺工厂及两座新工厂(预测规划年产能超过100万辆)建设及产能爬升速度,预测特斯拉2022-2025年全球新能源汽车产量将分别达到144.6、199.4、271.0、400.5万辆,YOY分别达到54.4%、37.9%、35.9%、47.8%。2025年增速提升主要系新工厂及新车型产能爬升放量所致。


预计2025年特斯拉搭载4680电池的车型销量预计接近150万辆,占特斯拉当年总销量的37.2%,装机量预计达167.8GWh,2022-2025年年均增长率达到234%。2023年4680圆柱电池量产在即,特斯拉领衔推广,未来市场需求明确。特斯拉4680电池需求量测算假设边际条件如下:1)4680电池与高镍+硅碳三元电池体系适配度高,预计在Model Y、Cybetruck等中高端车型中渗透率逐步提升,预测在高端电车Model S/X上也将大批量使用。2)参考21700替代18650圆柱电池的速度,预计到25年Model Y市场替代率为50%。21700圆柱电池量产3年后对18650市场替代率提升至50%。随着4680圆柱电池技术不断成熟,22年上半年已实现装机,23年将实现规模量产。3)根据Troy Teslike预测,单个4680圆柱电池容量依次为2022-2025年分别为26.5/29.3/32.0/32.0Ah,按照标准版(690块电池)和长续航版(828块电池)平均电池数量推导出特斯拉Model Y车型带电量分别达到74.4/82.2/89.7/89.7kWh。同时Model S、Model X和Cybetruck单车的电池容量分别预测为100/100/200kWh。暂未计入Model 3、SEMI、新车型上可能应用的4680电池用量。

整车厂 4680 圆柱电池布局情况

除了特斯拉,多家车企看好46系圆柱电池市场应用。宝马、Rimac、蔚来、江淮等车企均在大力布局46系大圆柱,其中宝马在9-10月分别与亿纬锂能、宁德时代、远景动力达成46系大圆柱电池供货协议,总规规模超110GWh,按照每辆车100kWh计算,满产装车量达到110万辆。

25年全球46系大圆柱装机规模将突破200GWh,市场规模超过千亿。特斯拉德州工厂已开始向客户交付带4680电池组的Model Y。截至2022年Q3,预计年底能够达到6.8-10.2GWh。按照特斯拉、宝马等车企46系大圆柱电池需求规划,预估2025年46系大圆柱电池装机量将达到207.8GWh,全球动力电池装机量市占率将达到14.0%。假设导2025年三元动力电池单价降至0.5元/Wh,推测46系大圆柱电池市场规模将超过1000亿元。


来源:电力电子研究院、Wind万得

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