什么是4680电池 4680目前两种结构方案对比

1. 4680电池采用新设计新构型，良率突破是量产关键

I. 什么是4680？为什么是4680？

什么是4680？4680电池，即直径46mm，高80mm的电池。于2020年9月的特斯拉电池日首次公开发布，相较于特斯拉此前采用的 2170电池，4680电池的电芯容量是其5倍，能够提高相应车型16%的续航里程，输出功率6倍于2170电池。

为什么是4680？46：从21mm到46mm，系增加单体电池尺寸可摊薄非活性物质占比，降低固定成本和BMS管理难度，46mm之后热管 理难度增加，降本收益为负，故46mm即为增大电芯尺寸后降本程度最大的最优点 ；80：80mm的高度相较此前70mm有所增加，可在径向散热不恶化的情况下增大单体容量。一般因各家底盘设计而异， 例如宝马采用4695。

II. 4680目前两种结构方案对比

传统方案：负极耳所在一端朝向钢壳槽底面；正极耳从开口端引 出，与正极端子焊接连接 ；采用脉冲激光穿透焊，将钢壳基底通过凹槽与负极全 极耳焊接连接；优势：无负极集流盘的结构不占用钢壳高度方向上的 空间，提高空间利用率 ；劣势：当电池壁厚增加，穿透焊难以将极耳与壳体底 部焊接牢靠。

新方案：正极集流盘直接焊接到正极柱，正极柱卡在壳体槽底的开口上，之间设有绝缘 密封件；电芯为全极耳结构，两端面分别和正、负极集流盘连接，极柱通过正极集流盘 和电芯电性连接，壳体和负极集流盘电性连接；盖板和壳体的槽口连接，盖板上刻蚀有防爆线。

2.特斯拉打出4680电池“组合拳”，全球头部电池供应商跟进

I. 特斯拉：4680+全极耳+高镍高硅+干电极+CTC=续航长、充电快、成本低

为什么要用全极耳？——打破了能量与功率密度不能同时提升的约束

电：减少电子流过路径，降低内阻。2170电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约1000mm，按铜的电导。

热：产热方面，电阻减小发热减少（全极耳电池发热仅为单极耳的1/5）；散热方面，沿径向形成强导热路径，可在仅 底部布置冷板（原来2170是蛇形管冷却侧壁），热管理难。

工：2170/18650的极片上需要将留出空白区域给极耳。全极耳可避免斑马涂布，简化工序。

为什么全极耳没有在2170上得到大规模应用？

彼时快充性能要求没有现在高；实际上，2170也有少数应用全极耳的案例，例如比克电池曾为一款跑车配套2170全极耳电池 ；相比于4680，2170空间受限，不易操作；同时集流盘占到电池体积比例比4680高，影响能量密度 ；因此，大电池是全极耳的应用前提。

为什么要用高镍高硅？跟方形高镍高硅+CTP的方案有何区别？

从原理上看，4680圆柱形电池只是一种封装形式，不限材料体系。但从应用层面上，高镍高硅才能发挥出4680大圆柱 较方形热性能更优、内应力分布均匀的优势。

能量密度：由于圆柱形电池集成效率较方形低，即要做成相同能量密度的pack，圆柱形的单体能量密度必须要比方形 高。因此，要达到更高的pack能量密度，天然要求圆柱搭配高镍。

高镍适配程度：圆柱比方形更适配高镍。核心原因是方形高镍为面接触，且单体电池大，体心内产热不易释放，热失 控设计不好控制；另一方面，铁锂化学性质稳定，对散热和热失控要求较三元低，因此方形CTP非常契合铁锂体系的 电池，充分发挥方形集成度高的优势，但热失控设计有难度的短板。4680+铁锂在乘用车上失去了4680的优势，可能 未来在二轮车、电动工具上有应用。

此外，由于负极添加硅后会膨胀，圆柱形比方形内部应力分散更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能 和寿命。因此，为极致提升电芯能量密度选择高硅方案搭配高镍。

高镍高硅4680+CTC vs 磷系方形+CTP？

CTP是电芯厂向整车厂夺回pack的产值，CTC是整车厂向电芯厂抢话语权的手段 ；特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术，还有向外采供应商压价的作用 ；因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分电池厂外供高 镍高硅4680+CTC。

低成本实现路径

低成本=大电芯摊薄非活性物质成本+尽可能做高能量密度摊薄总体单Wh成本+生产过程简化节省成本 。

非活性物质成本：以结构件为例，2170电池壳体+盖帽2元，4680目前为10元左右，长续航M3需要用2170/4680电芯 4400/960个，目前对应单车价值量8800/9600，因此单车电池结构件成本基本持平。后期量产后降价空间巨大（假设还 能降本30%，单结构件就能比2170节省约2000元）。2170 vs 4680，Pack面积：2.7:2.57；Pack电量：95:82 。（报告来源：未来智库）

尽可能做高能量密度：石墨+高镍能量密度283wh/kg（vs LG2170 247wh/kg），硅碳+83系高镍能量密度300wh/kg，91 系目标350-400Wh/kg

不同良率下能够做到的单Wh成本：97%-98%的石墨+高镍 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680为0.8-0.9。

生产过程中节约的成本——主要是前段的干电极技术：将正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂混合，使其纤维化， 直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。可省略繁复的辊压、干燥等工艺，大幅简化生产流程， 提升生产效率，节省成本。

II. 产业链：Rivan、Lucid已用2170，宝马立项，全球头部电池厂入局

产业链如何跟随

整车：特斯拉2021年全年交付量94万辆，同比+87%。2022年交付量目标增长+50% 。

特斯拉德州和柏林工厂已经开始试生产，本季度德州工厂将交付首批搭载4680的Model Y；同时，特斯拉2022年2月19 日在社交媒体上宣布，1月份已生产出第100万块4680电池 ；此前在2020年的Battery Day上，特斯拉曾计划到2022年电池产能达到100GWh，考虑到建设进度的延后，2022年有效 产能约在5-10GWh。美国造车新势力Rivian和Lucid Air均已应用2170电池，由三星SDI供应，后续LG有望切入。宝马集团亦有4695电池开发 计划，将在下一代车型上应用。

电池厂：对于特斯拉来说，随着4680的推广，将来在国内需要有两三家代工厂来实现更大的产能 。

各大电池厂跟进布局4680电池，2023年有望迎来爆发元年 。

海外：特斯拉2020年9月率先公布，将于2022Q1开始交付搭载4680电池的Model Y；松下计划2022H1在日本开始试生 产4680电池，2023年进行量产；LG将在韩国梧仓工厂扩建4680电池产能，计划2022-2023年量产；三星SDI计划2024 年实现量产，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生产出第一款4680电池，计划2024年实现量产 ；

国内：宁德时代正加快研发节奏，计划2024年量产；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圆柱产品，预计2023年量产；亿纬锂能2021Q4在荆门投产20GWh大圆柱电池产能项目，预计2024年可实现4680电池量产。

3. 4680驱动高能量高倍率主辅材应用，为结构件和设备升级带来新机遇

I. 主辅材

硅基负极：下一代主流负极材料，4680量产带动需求爆发

硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，纯硅比容量是石墨的10倍，但纯硅在充电过程中膨胀近3x，目前采用氧化硅 掺杂，目前掺杂含量约5%，4680电池有望提升至10%以上。

补锂剂：补齐硅碳负极首次库伦效率短板

首次库伦效率是硅碳负极的短板：锂电池在首次充电过程中，有机电解液会在石墨等负极表面还原分解，形成固体电解 质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成电池容量的不可逆损失，目前石墨不可逆容量损失＞6%，而对于 具有高比容量的硅基负极，不可逆容量损失甚至10%～20% 以上 ；

硅碳负极除首效低外，循环过程中SEI膜会“呼吸”再生，降低循环寿命，对补锂剂需求更强烈：硅碳负极的膨胀相较石 墨负极更为严重，致使负极材料不断粉化、脱落，增加与电解液接触的表面积，因此形成的SEI膜更厚；

正极补锂的原理：在正极合浆的过程中添加少量高锂容量、低脱锂电位的材料（补锂剂），在充电过程中Li+率先从补锂 剂中脱出，抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗，提高电池的有效容量，弥补硅碳负极在首次库伦效率上的短板。

碳纳米管：硅碳负极将拉动单壁碳纳米管的用量

由于硅碳负极材料的导电性能差，因此需要添加碳纳米管（CNT）以增加活性物质之间的导电性，提升电池能量密度；根据石墨烯片的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：多壁碳纳米管具有较高的刚性，而单壁碳纳米管 柔韧性强、长径比更高、有效添加量仅为0.1%，可有效解决硅碳电池在充放电过程中导致的体积膨胀和裂缝问题 ；天奈科技目前是全球碳纳米管的龙头企业，公司已布局硅碳负极的导电浆料技术，可转债方案落地，产能扩张将加速推 进；此外，化工企业如石大胜华、炭黑龙头黑猫股份等企业也在积极布局碳管生产 ；4680电池带来硅碳负极用量的提高，将带动单壁碳纳米管的用量，单壁CNT粉体价格约为1300万元/吨，在负极添加比 例为0.1%左右。

LiFSi：适用于高镍高压高倍率电池的新型锂盐

4680电池应用高镍导致热稳定性降低、充放功率高要求电解液导电性能提升。三元正极随着镍含量提升热稳定性降低， 结构稳定性变差。4680采用全极耳结构，追求高倍率性能。高镍高倍率对锂盐性能要求提升。

双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)为一种新型电解液溶质锂盐，具有更好的低温放电和高温性能保持能力、更长的循环寿命、更高 倍率放电性能、更高的安全性能；

用量：两种用途，1）1%~3%， 一般可视为添加剂；2）3%~5%，成为LiPF6成的辅助锂盐。一般而言，5/8/9系用量为0. 5%-1%/1%-2%/2.5%。负极如果使用硅碳，用量有望达4%-5% ；

价格： LiFSi已完成50%降本，还有25%下探空间。此前由于其高昂的价格（售价40-45万元/吨）与六氟相比不具备经济 性优势，由于供需不平衡，目前六氟价格已达58万元/吨，LiFSI具备阶段性相对经济性优势，但绝对值仍处于较高位。另 一方面，LiFSI的降本仍在继续（2016年90万元/吨降至如今45万元/吨），目前LiFSI成本约20万元/吨，数据预测随着技 术突破，2022年LIFSI售价有望降至35万元/吨以内，最终成本有望降至15万元/吨以内。

PVDF：用量增加，供需缺口扩大

PVDF在电池中主要用在正极、隔膜中，充当粘结剂。正极：以油溶性PVDF为主，占到高达90%，用量占到正极材料的1%-3%。4680大圆柱电池高镍预计与2170相当 ；隔膜：在接触负极侧加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳负极粉的稳定性；2）贴得更紧，提升能量密度；3）提升保 液性。假设PVDF涂层1μm，PVDF密度为1.8g/cm³，1GWh用量约20吨 ；粘结剂（非活性物质）用量过降低能量密度和导电性能，预计4680电池PVDF总用量增加至正极材料质量分数6%左右。（报告来源：未来智库）

II. 结构件：新结构新设计，价高格局好

相比2170电池，4680电池结构件价值量提升 。4680各家方案不同，结构件定制化程度高，目前还是非标产品，价格提升（壳体+盖帽：2170 <2元 vs 4680 目前10元 左右），另一方面竞争格局比方形和2170优化；厂家采购意愿更趋于壳体和盖帽整套采购。一方面是非标品，合格供应商稀缺；另一方面主要系目前电池良率低，分开 采购增加不良率风险；

非标品和行业壁垒提升格局更优 ； 非标品，要求公司开模能力和know-how积累 ；壁垒提升：尺寸增加，加工精度控制更困难；壁厚增加（2170 vs 4680=0.2 vs 0.6 mm），为了增加强度用预镀镍钢带， 加工难度提升

III.设备：利好激光模切、激光焊设备与壳体生产设备供应商

全极耳因极耳排列紧密，采用五金模切难度高，且部分方案中极耳宽度沿着极片长度而变化，因此激光模切更适用。

激光焊设备受益于4680方案，叠加行业内主要电池厂亦规划有产能，有望迎来量利齐升 。4680方案增加了全极耳+集流盘的焊接，焊点数量相较于21700电池提高5倍以上，焊接设备数量增加3倍 ；焊接工艺难度大幅增加，设备可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，价值量增加。

国产壳体生产设备凭借高效率、价格和服务优势，有望在锂电结构件大幅扩产的阶段逐步形成国产替代 。 例如宁波精达设备价格是海外同类设备的50%-70%；壳体拉伸设备方面以“一出多”方式生产，效率提升且节约原材 料，同时预冲杯工艺可使整线效率提升。

编辑：黄飞