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圆柱形电池的发展可分为三代

动力电池是指为电动汽车提供动力的电池。有三种包装形式：圆柱形、方形和软包装。目前，动力电池主要包括锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池，其中锂离子电池占比超过99%，具有能量密度高、循环寿命长、倍率高、自放电低等优点。

锂离子电池是指以锂为能量载体的二次电池（最好的可充电电池之一），主要依靠锂离子在正极和负极之间移动，实现充电和放电。不同类型锂离子电池的结构、充电和放电原理基本相同，主要区别在于正极材料。

动力电池根据正极材料的不同分为三元电池和磷酸铁锂电池。三元正极材料是指由镍、钴和锰组成的正极材料。圆柱形动力电池的发展根据电池尺寸可分为三代：

● 第一代：18650圆柱形动力电池（2008年）

● 第二代：21700动力电池（2017年）

● 第三代：4680动力电池（2019）

2020年，中国圆柱形动力电池的销量得以恢复，主要得益于特斯拉的大规模生产。LGES支持特斯拉在其中国南京基地大规模生产21700圆柱形电池；2022H1年，圆柱形动力电池的装机容量约为4.43GWh，下降了17%。

 

性能优异的4680圆柱形电池

4680圆柱形电池具有高比能量、快速充电、高安全性、低成本和长寿命的特点。圆柱形动力电池通过三元正极材料增加镍并减少钴，石墨正极掺杂氧化硅。单个电池的能量密度继续领先。

● 快速充电：

依靠4680圆柱形电池的全极凸耳设计，导电和导热面积得到改善，可以实现4C-6C大电流充电，这明显高于方形和软包装电池。

● 高安全性：

4680圆柱形电池具有高一致性，减少了过充电、过放电和局部过热的危险；圆弧结构有利于电池之间的隔热，热失控屏障良好。

● 低成本：

依靠干电极工艺和超高镍正极材料、硅碳负极材料等新材料，4680圆柱形电池的成本大大降低。

● 长寿命：

4680电池的设计寿命约为2000次循环，单电池的一致性良好。电池系统的整体寿命相对较长，满足乘用车的动力需求。

2022年，Q2特斯拉德克萨斯州工厂已开始交付带有4680电池组的Model Y。截至2022年第三季度，该公司每周生产超过1000套4680电池组。根据标准续航型号Y的690电池，年生产能力为3.4GWh，预计到年底将达到6.8-10.2GWh。然而，距离特斯拉1000GWh的长期目标还有很大的增长空间。

 

 

发展趋势

降低成本

总体来看，正负极材料和生产工艺设备得到支撑，生产和设备投资成本有望减半。特斯拉正在大力推动松下、LGES等电池供应商制造和开发46系列大型圆柱形电池。

通过使用无钴正极材料、硅碳负极材料和离子聚合物涂层技术，特斯拉正在共同推动电池功耗成本从110-120美元降至48-53美元，降幅达56%。

参考松下、LGES和三星SDI在美国生产线的投资成本，单个GWh生产线的设备投资从1.09-1.33亿美元降至34-042亿美元，下降了69%。

 

协同效应

大圆柱形全极耳方案降低内阻/增加热传导，可实现4C-6C快速充电，快速充电时间缩短至15分钟。4680圆柱形电池具有高的一致性和良好的热失控屏障。

圆柱形电池是通过缠绕工艺制造的，通过加快旋转速度提高了生产效率，而软包和方壳堆叠工艺的效率提高受到限制。全球排名前五的堆叠电池公司。

4680圆柱形电池在分组时具有小的接触面积和良好的热失控屏障。从单体的角度来看，圆柱形电池的外壳在热膨胀过程中受热均匀，不会出现侧面凸起、变形等影响电池寿命的问题。

从模块的角度来看，圆柱形电池以蜂窝的方式布置，电芯填充有隔热灌封胶。电池之间的接触面积几乎为零。热量必须通过灌封胶，然后传递到周围的电池。电池具有良好的隔热效果，可防止热量失控扩散，从而有效提高电池热失控的安全性。

圆柱形结构适用于超高镍/硅碳，这进一步提高了电池的能量密度。目前，4680圆柱形电池使用NCM811正极和人造石墨负极。电池的能量密度达到244Wh/kg，比成熟的松下21700圆柱形电池低9.2%。

然而，在未来，通过减小壳壁厚度和使用硅碳负极，能量密度可以提高到292Wh/kg。

 

 

市场

从产能和规划预测来看，2022年至2024年，特斯拉、松下、LGES、三星SDI、EVE、CATL等公司的4680生产线将陆续投产。特斯拉是第一个实现大规模生产的公司。

到今年年底，它将初步实现约10GWh的容量，其次是松下。预计明年3月，它将初步实现10GWh 4680圆柱形电池容量，并逐步扩大容量。

LGES、三星SDI和EVE加快建设46系列大型圆柱形电池生产线，计划生产线约10GWh。CATL预计将在2024年建成一条12GWh 46系列大型圆柱形电池的新生产线，并实现量产。

预计2025年特斯拉全球销量将超过400万辆，年均增长44%。2022年至2025年，特斯拉全球新能源汽车产量将分别达到1.446亿辆、1.994亿辆、2.710亿辆和4.00亿辆。2025年的增长主要是由于新工厂和新车型的产能增加。

除了特斯拉，许多车企都看好46系列圆柱形电池的市场应用。宝马、Rimac、蔚来、江淮等车企正在大力布局46系列电池。宝马已于9月至10月分别与亿纬锂能、宁德时代和远景AESC达成46系列电池供应协议。

总体规模超过110GWh。按每辆车100kWh计算，整车生产和装车量达到110万辆。2025年，全球46系列大型气缸的装机容量将超过200GWh，市场规模将超过1000亿。

 

产业链

46系列大型圆柱形电池降本增效明显，市场前景广阔，对电池产业链影响较大。我们专注于锂电池制造、超高镍正极材料、硅碳正极材料和新型锂盐LiFSI等新的生产线和工艺。

 

锂电池制造

技术上，46系列大型圆柱形电池均采用超高镍+硅碳作为主要正极/负极材料。特斯拉阴极使用9系列高镍NCM阴极，后续目标是开发二元无钴阴极材料，即镍锰阴极（NMx）；

LGES选用9系列四元高镍NCMA；松下和三星SDI使用NCA；宁德时代、亿纬锂能和SKI都使用高镍NCM，未来将使用9系列。负极材料为硅碳负极，掺杂12%–15%的氧化硅，容量为550mAh/g。

 

 

从产品层面来看，特斯拉目前已实现4680装载，很可能在2023年实现量产。2022年，Q3特斯拉每周将生产约1000套4680电池组，年产能为3.5GWh，预计年底产能将达到6.8-10.2GWh。

从市场角度来看，2023年将是开发46系列大型圆柱形电池的第一年，2025年装机容量将超过200GWh。预计2025年46系列大型圆柱电池装机容量将达到207.8GWh，市场规模将超过1000亿元人民币。

从公司竞争来看，日本和韩国三大46系列大型圆柱电池的份额在全球领先，特斯拉自制的4680带动了46系列大型圆柱电池卷土重来。

据数据显示，2021，全球圆柱形电池市场主要由松下、LG和三星SDI占据，松下和LG将以特斯拉新能源汽车的销售为主导。

特斯拉在22年第二季度开始装载4680辆汽车，到年底的容量约为10GWh。领先的电池制造商已经追随了额外46系列的大型电池阵营，包括松下、LG、三星SDI、宁德时代、亿纬锂能和比克。

从供应链来看，上游材料技术高度成熟，电池生产线产能稳步攀升。4680的推广可能会影响中国以方形电池为主的电池格局。在中国拥有圆柱形电池生产能力和工艺积累的公司具有先发优势。

 

超高镍阴极材料

超高镍正极材料的发展主要包括以下几个方面：

● NCMA（镍钴锰铝）四元材料有助于提高循环寿命

● 高镍可以降低成本，提高效率，这是三元正极材料的发展趋势

● 高镍产品具有更高的技术壁垒，具有深厚技术的正极材料公司具有发展潜力

● 高镍三元正极产品具有高客户粘度

从全球业务发展来看，当升科技、华友钴业、贝特瑞和中伟的营业收入实现了快速增长。当升科技主要从事三元正极材料。2018年至2021，其海外业务收入增长迅速，年均增长率为53.9%。

华友钴业主要经营钴、镍、三元前体、铜等，在刚果（金）、印尼等国家和地区开展钴镍锂资源开发业务，2018年至2021年均增长58.9%。

 

硅碳阳极材料

从技术上讲，硅碳负极可以有效提高电池的能量密度。锂离子电池正极的商业化以人造/天然石墨为主，每克容量为365mAh/g，接近其理论比容量372mAh/g的极限，而硅的理论比容量高达4200mAh/g，是石墨负极材料的10倍以上。

 

 

锂没有发展潜力，其安全性优于石墨阳极材料。它的储量丰富，成本低廉。它是最有前途的下一代锂电池正极材料。

从市场层面来看，商用硅碳阳极适用于圆柱形电池，电池的大规模生产推动了硅碳阳极需求的快速增长。

由于方形电池和软包装电池对膨胀非常敏感，而4680具有应力均匀、高度自动化、高膨胀公差和制造高度自动化的优点，硅碳负极和高镍三元正极具有高能量密度的优点，在圆柱形电池的应用中更加突出。

从供应链来看，4680电池量产在即，圆柱形动力电池需求有望增加。

 

新型锂盐LiFSI

从技术角度来看，4680高镍和高电压对电解液性能的要求有所提高。首先，阴极材料中的镍含量增加。由于4价镍离子具有较高的氧化还原电位，它将催化电解质的氧化和分解，从而影响电池性能。

其次，在高镍电池系统的循环过程中，锰和钴等过渡金属会溶解，从而损坏负极表面的SEI膜。因此，应在高镍电池中添加过充电和阻燃剂等添加剂，以提高其安全性。

二氟磺酰亚胺锂（LiFSI）被认为是最好的替代品，特别适用于高镍正极和高压正极等活性电极材料。它可以大大增加电池的充电和放电次数，保持稳定性，提高安全性。预计其渗透率将进一步增加。

LiFSI具有良好的结构稳定性和电化学性能等优异的财产，已成为工业化进程最快的新型锂盐。

与LiPF6相比，LiFSI具有以下优点：

● LiFSI具有更高的热稳定性，其熔点为145℃，分解温度高于200℃，可承受更高的工作温度并抑制空气膨胀；

● LiFSI具有高电导率，高达9.8ms/cm（LiPF6仅为6.8ms/cm），有助于降低电池的内阻，减少发热，提高效率和安全性；

● LiFSI与SEI膜具有良好的相容性，并且对正极和负极具有高的化学稳定性。只有当温度高于160℃时，它才会与其部分成分发生置换反应。

目前，LiFSI作为添加剂的量有所增加。目前，只有一线电池公司和领先的电解质公司有各种配方的LiFSI作为添加剂和锂盐，而大多数二线公司只有配方作为添加剂。

LiFSI可以通过两种方式用作电解质锂盐：首先，它可以用作普通电解质LiPF6的添加剂；第二，LiPF6作为一种新型电解质，仍处于实验室阶段。