圓柱形電池的發(fā)展可分為三代

動(dòng)力電池是指為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的電池。有三種包裝形式：圓柱形、方形和軟包裝。目前，動(dòng)力電池主要包括鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池，其中鋰離子電池占比超過(guò)99%，具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、倍率高、自放電低等優(yōu)點(diǎn)。

鋰離子電池是指以鋰為能量載體的二次電池（最好的可充電電池之一），主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)充電和放電。不同類(lèi)型鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、充電和放電原理基本相同，主要區(qū)別在于正極材料。

動(dòng)力電池根據(jù)正極材料的不同分為三元電池和磷酸鐵鋰電池。三元正極材料是指由鎳、鈷和錳組成的正極材料。圓柱形動(dòng)力電池的發(fā)展根據(jù)電池尺寸可分為三代：

● 第一代：18650圓柱形動(dòng)力電池（2008年）

● 第二代：21700動(dòng)力電池（2017年）

● 第三代：4680動(dòng)力電池（2019）

2020年，中國(guó)圓柱形動(dòng)力電池的銷(xiāo)量得以恢復(fù)，主要得益于特斯拉的大規(guī)模生產(chǎn)。LGES支持特斯拉在其中國(guó)南京基地大規(guī)模生產(chǎn)21700圓柱形電池；2022H1年，圓柱形動(dòng)力電池的裝機(jī)容量約為4.43GWh，下降了17%。

 

性能優(yōu)異的4680圓柱形電池

4680圓柱形電池具有高比能量、快速充電、高安全性、低成本和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。圓柱形動(dòng)力電池通過(guò)三元正極材料增加鎳并減少鈷，石墨正極摻雜氧化硅。單個(gè)電池的能量密度繼續(xù)領(lǐng)先。

● 快速充電：

依靠4680圓柱形電池的全極凸耳設(shè)計(jì)，導(dǎo)電和導(dǎo)熱面積得到改善，可以實(shí)現(xiàn)4C-6C大電流充電，這明顯高于方形和軟包裝電池。

● 高安全性：

4680圓柱形電池具有高一致性，減少了過(guò)充電、過(guò)放電和局部過(guò)熱的危險(xiǎn)；圓弧結(jié)構(gòu)有利于電池之間的隔熱，熱失控屏障良好。

● 低成本：

依靠干電極工藝和超高鎳正極材料、硅碳負(fù)極材料等新材料，4680圓柱形電池的成本大大降低。

● 長(zhǎng)壽命：

4680電池的設(shè)計(jì)壽命約為2000次循環(huán)，單電池的一致性良好。電池系統(tǒng)的整體壽命相對(duì)較長(zhǎng)，滿(mǎn)足乘用車(chē)的動(dòng)力需求。

2022年，Q2特斯拉德克薩斯州工廠已開(kāi)始交付帶有4680電池組的Model Y。截至2022年第三季度，該公司每周生產(chǎn)超過(guò)1000套4680電池組。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航型號(hào)Y的690電池，年生產(chǎn)能力為3.4GWh，預(yù)計(jì)到年底將達(dá)到6.8-10.2GWh。然而，距離特斯拉1000GWh的長(zhǎng)期目標(biāo)還有很大的增長(zhǎng)空間。

 

 

發(fā)展趨勢(shì)

降低成本

總體來(lái)看，正負(fù)極材料和生產(chǎn)工藝設(shè)備得到支撐，生產(chǎn)和設(shè)備投資成本有望減半。特斯拉正在大力推動(dòng)松下、LGES等電池供應(yīng)商制造和開(kāi)發(fā)46系列大型圓柱形電池。

通過(guò)使用無(wú)鈷正極材料、硅碳負(fù)極材料和離子聚合物涂層技術(shù)，特斯拉正在共同推動(dòng)電池功耗成本從110-120美元降至48-53美元，降幅達(dá)56%。

參考松下、LGES和三星SDI在美國(guó)生產(chǎn)線的投資成本，單個(gè)GWh生產(chǎn)線的設(shè)備投資從1.09-1.33億美元降至34-042億美元，下降了69%。

 

協(xié)同效應(yīng)

大圓柱形全極耳方案降低內(nèi)阻/增加熱傳導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)4C-6C快速充電，快速充電時(shí)間縮短至15分鐘。4680圓柱形電池具有高的一致性和良好的熱失控屏障。

圓柱形電池是通過(guò)纏繞工藝制造的，通過(guò)加快旋轉(zhuǎn)速度提高了生產(chǎn)效率，而軟包和方殼堆疊工藝的效率提高受到限制。全球排名前五的堆疊電池公司。

4680圓柱形電池在分組時(shí)具有小的接觸面積和良好的熱失控屏障。從單體的角度來(lái)看，圓柱形電池的外殼在熱膨脹過(guò)程中受熱均勻，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)面凸起、變形等影響電池壽命的問(wèn)題。

從模塊的角度來(lái)看，圓柱形電池以蜂窩的方式布置，電芯填充有隔熱灌封膠。電池之間的接觸面積幾乎為零。熱量必須通過(guò)灌封膠，然后傳遞到周?chē)碾姵?。電池具有良好的隔熱效果，可防止熱量失控?cái)U(kuò)散，從而有效提高電池?zé)崾Э氐陌踩浴?/p>

圓柱形結(jié)構(gòu)適用于超高鎳/硅碳，這進(jìn)一步提高了電池的能量密度。目前，4680圓柱形電池使用NCM811正極和人造石墨負(fù)極。電池的能量密度達(dá)到244Wh/kg，比成熟的松下21700圓柱形電池低9.2%。

然而，在未來(lái)，通過(guò)減小殼壁厚度和使用硅碳負(fù)極，能量密度可以提高到292Wh/kg。

 

 

市場(chǎng)

從產(chǎn)能和規(guī)劃預(yù)測(cè)來(lái)看，2022年至2024年，特斯拉、松下、LGES、三星SDI、EVE、CATL等公司的4680生產(chǎn)線將陸續(xù)投產(chǎn)。特斯拉是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的公司。

到今年年底，它將初步實(shí)現(xiàn)約10GWh的容量，其次是松下。預(yù)計(jì)明年3月，它將初步實(shí)現(xiàn)10GWh 4680圓柱形電池容量，并逐步擴(kuò)大容量。

LGES、三星SDI和EVE加快建設(shè)46系列大型圓柱形電池生產(chǎn)線，計(jì)劃生產(chǎn)線約10GWh。CATL預(yù)計(jì)將在2024年建成一條12GWh 46系列大型圓柱形電池的新生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

預(yù)計(jì)2025年特斯拉全球銷(xiāo)量將超過(guò)400萬(wàn)輛，年均增長(zhǎng)44%。2022年至2025年，特斯拉全球新能源汽車(chē)產(chǎn)量將分別達(dá)到1.446億輛、1.994億輛、2.710億輛和4.00億輛。2025年的增長(zhǎng)主要是由于新工廠和新車(chē)型的產(chǎn)能增加。

除了特斯拉，許多車(chē)企都看好46系列圓柱形電池的市場(chǎng)應(yīng)用。寶馬、Rimac、蔚來(lái)、江淮等車(chē)企正在大力布局46系列電池。寶馬已于9月至10月分別與億緯鋰能、寧德時(shí)代和遠(yuǎn)景AESC達(dá)成46系列電池供應(yīng)協(xié)議。

總體規(guī)模超過(guò)110GWh。按每輛車(chē)100kWh計(jì)算，整車(chē)生產(chǎn)和裝車(chē)量達(dá)到110萬(wàn)輛。2025年，全球46系列大型氣缸的裝機(jī)容量將超過(guò)200GWh，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1000億。

 

產(chǎn)業(yè)鏈

46系列大型圓柱形電池降本增效明顯，市場(chǎng)前景廣闊，對(duì)電池產(chǎn)業(yè)鏈影響較大。我們專(zhuān)注于鋰電池制造、超高鎳正極材料、硅碳正極材料和新型鋰鹽LiFSI等新的生產(chǎn)線和工藝。

 

鋰電池制造

技術(shù)上，46系列大型圓柱形電池均采用超高鎳+硅碳作為主要正極/負(fù)極材料。特斯拉陰極使用9系列高鎳NCM陰極，后續(xù)目標(biāo)是開(kāi)發(fā)二元無(wú)鈷陰極材料，即鎳錳陰極（NMx）；

LGES選用9系列四元高鎳NCMA；松下和三星SDI使用NCA；寧德時(shí)代、億緯鋰能和SKI都使用高鎳NCM，未來(lái)將使用9系列。負(fù)極材料為硅碳負(fù)極，摻雜12%–15%的氧化硅，容量為550mAh/g。

 

 

從產(chǎn)品層面來(lái)看，特斯拉目前已實(shí)現(xiàn)4680裝載，很可能在2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2022年，Q3特斯拉每周將生產(chǎn)約1000套4680電池組，年產(chǎn)能為3.5GWh，預(yù)計(jì)年底產(chǎn)能將達(dá)到6.8-10.2GWh。

從市場(chǎng)角度來(lái)看，2023年將是開(kāi)發(fā)46系列大型圓柱形電池的第一年，2025年裝機(jī)容量將超過(guò)200GWh。預(yù)計(jì)2025年46系列大型圓柱電池裝機(jī)容量將達(dá)到207.8GWh，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1000億元人民幣。

從公司競(jìng)爭(zhēng)來(lái)看，日本和韓國(guó)三大46系列大型圓柱電池的份額在全球領(lǐng)先，特斯拉自制的4680帶動(dòng)了46系列大型圓柱電池卷土重來(lái)。

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2021，全球圓柱形電池市場(chǎng)主要由松下、LG和三星SDI占據(jù)，松下和LG將以特斯拉新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售為主導(dǎo)。

特斯拉在22年第二季度開(kāi)始裝載4680輛汽車(chē)，到年底的容量約為10GWh。領(lǐng)先的電池制造商已經(jīng)追隨了額外46系列的大型電池陣營(yíng)，包括松下、LG、三星SDI、寧德時(shí)代、億緯鋰能和比克。

從供應(yīng)鏈來(lái)看，上游材料技術(shù)高度成熟，電池生產(chǎn)線產(chǎn)能穩(wěn)步攀升。4680的推廣可能會(huì)影響中國(guó)以方形電池為主的電池格局。在中國(guó)擁有圓柱形電池生產(chǎn)能力和工藝積累的公司具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

 

超高鎳陰極材料

超高鎳正極材料的發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面：

● NCMA（鎳鈷錳鋁）四元材料有助于提高循環(huán)壽命

● 高鎳可以降低成本，提高效率，這是三元正極材料的發(fā)展趨勢(shì)

● 高鎳產(chǎn)品具有更高的技術(shù)壁壘，具有深厚技術(shù)的正極材料公司具有發(fā)展?jié)摿?/p>

● 高鎳三元正極產(chǎn)品具有高客戶(hù)粘度

從全球業(yè)務(wù)發(fā)展來(lái)看，當(dāng)升科技、華友鈷業(yè)、貝特瑞和中偉的營(yíng)業(yè)收入實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。當(dāng)升科技主要從事三元正極材料。2018年至2021，其海外業(yè)務(wù)收入增長(zhǎng)迅速，年均增長(zhǎng)率為53.9%。

華友鈷業(yè)主要經(jīng)營(yíng)鈷、鎳、三元前體、銅等，在剛果（金）、印尼等國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展鈷鎳鋰資源開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)，2018年至2021年均增長(zhǎng)58.9%。

 

硅碳陽(yáng)極材料

從技術(shù)上講，硅碳負(fù)極可以有效提高電池的能量密度。鋰離子電池正極的商業(yè)化以人造/天然石墨為主，每克容量為365mAh/g，接近其理論比容量372mAh/g的極限，而硅的理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨負(fù)極材料的10倍以上。

 

 

鋰沒(méi)有發(fā)展?jié)摿?，其安全性?xún)?yōu)于石墨陽(yáng)極材料。它的儲(chǔ)量豐富，成本低廉。它是最有前途的下一代鋰電池正極材料。

從市場(chǎng)層面來(lái)看，商用硅碳陽(yáng)極適用于圓柱形電池，電池的大規(guī)模生產(chǎn)推動(dòng)了硅碳陽(yáng)極需求的快速增長(zhǎng)。

由于方形電池和軟包裝電池對(duì)膨脹非常敏感，而4680具有應(yīng)力均勻、高度自動(dòng)化、高膨脹公差和制造高度自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，硅碳負(fù)極和高鎳三元正極具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，在圓柱形電池的應(yīng)用中更加突出。

從供應(yīng)鏈來(lái)看，4680電池量產(chǎn)在即，圓柱形動(dòng)力電池需求有望增加。

 

新型鋰鹽LiFSI

從技術(shù)角度來(lái)看，4680高鎳和高電壓對(duì)電解液性能的要求有所提高。首先，陰極材料中的鎳含量增加。由于4價(jià)鎳離子具有較高的氧化還原電位，它將催化電解質(zhì)的氧化和分解，從而影響電池性能。

其次，在高鎳電池系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程中，錳和鈷等過(guò)渡金屬會(huì)溶解，從而損壞負(fù)極表面的SEI膜。因此，應(yīng)在高鎳電池中添加過(guò)充電和阻燃劑等添加劑，以提高其安全性。

二氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）被認(rèn)為是最好的替代品，特別適用于高鎳正極和高壓正極等活性電極材料。它可以大大增加電池的充電和放電次數(shù)，保持穩(wěn)定性，提高安全性。預(yù)計(jì)其滲透率將進(jìn)一步增加。

LiFSI具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能等優(yōu)異的財(cái)產(chǎn)，已成為工業(yè)化進(jìn)程最快的新型鋰鹽。

與LiPF6相比，LiFSI具有以下優(yōu)點(diǎn)：

● LiFSI具有更高的熱穩(wěn)定性，其熔點(diǎn)為145℃，分解溫度高于200℃，可承受更高的工作溫度并抑制空氣膨脹；

● LiFSI具有高電導(dǎo)率，高達(dá)9.8ms/cm（LiPF6僅為6.8ms/cm），有助于降低電池的內(nèi)阻，減少發(fā)熱，提高效率和安全性；

● LiFSI與SEI膜具有良好的相容性，并且對(duì)正極和負(fù)極具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。只有當(dāng)溫度高于160℃時(shí)，它才會(huì)與其部分成分發(fā)生置換反應(yīng)。

目前，LiFSI作為添加劑的量有所增加。目前，只有一線電池公司和領(lǐng)先的電解質(zhì)公司有各種配方的LiFSI作為添加劑和鋰鹽，而大多數(shù)二線公司只有配方作為添加劑。

LiFSI可以通過(guò)兩種方式用作電解質(zhì)鋰鹽：首先，它可以用作普通電解質(zhì)LiPF6的添加劑；第二，LiPF6作為一種新型電解質(zhì)，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。