什么是4680电池，4680目前两种结构方案对比

很多朋友对什么是4680电池，4680目前两种结构方案对比不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

1、4680电池采用新设计、新配置，良率突破是量产关键

一、4680是什么？为什么是4680？

4680是什么？ 4680电池是直径为46mm、高度为80mm的电池。它在2020年9月的特斯拉电池日上首次发布。与特斯拉之前使用的2170电池相比，4680电池的电池容量是该电池的五倍，可以增加续航里程和输出功率。相应型号提高了16%。是2170电池的6倍。

为什么是4680？ 46：从21mm到46mm，增加单体电池尺寸可以稀释非活性材料比例，降低固定成本和BMS管理难度。 46mm之后，热管理难度增加，成本降低效益为负，因此46mm是增大电池片尺寸的最佳优势，是最大的成本降低； 80：80mm的高度比之前的70mm有所增加，可以在不恶化径向散热的情况下增加电池容量。一般来说，每个底盘设计不同，例如宝马采用4695。

二. 4680目前两种结构方案对比

传统方案：负极极耳末端朝向钢壳凹槽底部；正极极耳从开口引出并通过焊接与正极端子连接；采用脉冲激光熔深焊将钢壳底座通过坡口焊接到全负极极耳上；优点：无负极集电板的结构，不占用钢壳高度方向的空间，提高了空间利用率；缺点：当电池壁厚增加时，很难通过渗透焊将极耳牢固地焊接到壳体底部。

新方案：将正极集流板直接焊接到正极上，将正极卡在壳槽底部开口处，中间有绝缘密封；连接，极柱通过正极集电板与电芯电连接，外壳与负极集电板电连接；盖板与壳体的缺口连接，盖板上刻有防爆线。

2、特斯拉打出4680电池“组合拳”，全球领先电池供应商跟进

一、特斯拉：4680+全极+高镍高硅+干电极+CTC=长寿命、快充电、低成本

为什么要使用全极耳？ ——打破能量和功率密度无法同时提升的限制

电：减少电子的流动路径，降低内阻。 2170个电子流过集电器中整个绕组极片的展向长度，根据铜的电导，路径约为1000mm。

热量：在产热量方面，电阻减小，发热量减少（全极耳电池产生的热量仅为单极耳电池的1/5）；散热方面，沿径向形成较强的导热路径，只能在底部设置冷板（原2170是蛇形管冷却侧壁），热管理困难。

做工：2170/18650极片需要为极耳留出空白区域。所有标签都可以避免斑马涂层并简化流程。

为什么所有选项卡没有在2170上得到大规模应用？

那时候对快充性能的要求还没有现在那么高；事实上，2170也有少数使用全贴片电池的案例。例如，比克电池曾为一款跑车提供2170全片电池；手术；同时集流板占电池体积的比例比4680高，影响能量密度；因此，大电池是全极耳应用的前提。

为什么要用高镍、高硅？与方形高镍高硅+CTP方案有什么区别？

原则上，4680圆柱电池只是一种封装形式，并不局限于材料体系。但从应用层面来说，高镍高硅更能发挥4680大圆柱的优势，比方形圆柱具有更好的热性能和均匀的内应力分布。

能量密度：由于圆柱电池的集成效率低于方形电池，也就是说，要制作相同能量密度的Pack，圆柱电芯的能量密度必须高于方形电池。因此，要实现更高的电池组能量密度，自然需要高镍的气缸。

高镍兼容性：圆柱体比方形更适合高镍。核心原因是方形高镍是面接触，且单体电池体积较大，体内产生的热量不易释放，热失控设计不易控制；另一方面，铁锂的化学性质稳定，对散热和热失控的要求比较高。低，所以方形CTP非常适合铁锂系的电池，充分发挥了方形高集成度的优势，但热失控设计有一个棘手的缺点。 4680+锂铁已经失去了4680在乘用车上的优势，未来可能会用于两轮车和电动工具。

另外，由于负极加硅后会膨胀，因此圆柱体的内应力分布比方形更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能和寿命。因此，为了最大限度地提高电芯的能量密度，应选择高硅高镍的方案。

高镍高硅4680+CTC vs 磷方+CTP？

CTP意味着电芯厂从整车厂手中夺回Pack的产值，CTC则是整车厂向电芯厂抢夺话语权的手段；特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术外，还具有从外部供应商降价的效果。因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）低端：外购磷基方+CTP； 2）高端：自供+部分电池厂对外供应高镍高硅4680+CTC。

低成本实施路径

低成本=用大电池摊薄非活性材料成本+用高能量密度尽可能摊薄整体单位Wh成本+简化生产流程以节省成本。

非活性材料成本：以结构件为例，2170电池壳+帽2元，4680目前10元左右，长续航M3需要4400/960 2170/4680电池，目前对应一辆自行车价值8800/9600。因此，自行车电池结构件的成本基本相同。后期量产后，降价空间巨大（假设成本能降低30%，单个结构件比2170可节省2000元左右）。 2170 vs 4680，包装面积：2.7:2.57；电池组功率：95:82。 （报告来源：未来智库）

让能量密度尽可能高：石墨+高镍能量密度283wh/kg（对比LG2170 247wh/kg）、硅碳+83系列高镍能量密度300wh/kg、91系列靶材350-400Wh/kg

不同良率下可达到的单Wh成本：97%-98%石墨+高镍vs 95%方：0.65 vs 0.6。 60%-70%产率的4680为0.8-0.9。

——生产过程中节省的成本主要得益于前段的干电极技术：正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂混合使其呈纤维状，粉末直接压延成膜并压在铝箔或铜箔上，制备正极和负极。可以省略滚压、干燥等复杂工序，大大简化了生产工艺，提高了生产效率，节省了成本。

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

产业链如何走

整车：特斯拉2021年交付汽车94万辆，同比增长87%。 2022 年交付量目标增长50%。

特斯拉德克萨斯州和柏林工厂已开始试生产。本季度，德州工厂将交付首批搭载4680的Model Y； 10000颗4680电池；此前在2020年电池日上，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迟，2022年有效产能约为5-10GWh。美国新晋汽车制造商Rivian和Lucid Air都使用了2170电池，该电池由三星SDI供应，预计LG也将稍后进入。宝马集团还有4695电池开发计划，将用于下一代车型。

电池工厂：对于特斯拉来说，随着4680的推广，未来需要在中国建两到三个代工厂才能实现更大的产能。

各大电池厂跟进布局4680电池，2023年有望迎来爆发元年。

海外：特斯拉于2020年9月首次宣布，将于2022年第一季度开始交付搭载4680电池的Model Y；松下计划2022年上半年在日本开始试产4680电池，2023年实现量产； LG将扩大韩国梧仓4680电池产能，计划于2022-2023年实现量产；三星SDI计划2024年实现量产，以色列公司Storedot于2021年9月宣布已成功量产首款4680电池，计划2024年实现量产；

国内：宁德时代正在加快研发步伐，计划2024年量产；比克将于2021年3月在深圳CIBF展出大型圆柱形产品，预计2023年实现量产；亿纬锂能将于2021年第四季度在荆门投产20GWh大型圆柱电池，预计2024年实现4680电池量产。

3、4680驱动高能高倍主辅材料应用，为结构件和装备升级带来新机遇

一、主辅材料

硅基负极：下一代主流负极材料，4680量产带动需求爆发

硅基负极材料是理想的下一代负极材料。纯硅的比容量是石墨的10倍，但纯硅在充电过程中会膨胀近3倍。目前采用的是氧化硅掺杂，目前掺杂含量在5%左右。 4680电池预计增幅将达到10%以上。

补锂剂：补偿硅碳负极第一库仑效率短板

首次库仑效率是硅碳负极的短板：锂电池第一次充电过程中，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，会永久消耗正极的大量锂。造成电池容量不可逆转的损失。目前石墨的不可逆容量损失在6%以上，对于高比容量的硅基负极，不可逆容量损失甚至超过10%~20%；

除了硅碳负极首效较低之外，SEI膜在循环过程中会“呼吸”再生，降低循环寿命，对补锂需求更强：硅碳负极的膨胀电极比石墨负极更为严重，导致负极材料不断粉化。熔化、脱落，增加与电解液接触的表面积，因此形成的SEI膜较厚；

正极补锂原理：在正极混配过程中添加少量高锂容量、低脱锂电位的材料（补锂剂），在混锂过程中Li+最先从补锂剂中释放出来。充电过程抵消了SEI膜造成的不可逆性。锂损失，提高电池的有效容量，弥补硅碳负极在首次库伦效率方面的短板。

碳纳米管：硅碳阳极会拉量单壁碳纳米管

由于硅碳负极材料的导电性较差，需要添加碳纳米管（CNT）来增加活性材料之间的导电性，提高电池的能量密度；根据石墨烯片的数量，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：多壁碳纳米管具有高刚性，而单壁碳纳米管具有柔性，具有较高的长径比，有效添加量仅为0.1%，可有效解决硅碳电池问题。充放电过程引起的体积膨胀、裂纹问题；天奈科技是目前全球碳纳米管龙头企业。公司已布局硅碳负极导电浆料技术，可转债计划已实施，产能扩张将加速；此外，实达盛华、炭黑龙头黑茂股份等化工企业也在积极布局碳管生产； 4680电池带来硅碳负极用量增加，将带动单壁碳纳米管用量、单壁CNT粉价格约1300万元/吨，负极中添加比例约为0.1%。

LiFSi：用于高镍高压高倍率电池的新型锂盐

4680电池中使用高镍导致热稳定性降低，高充放电功率需要提高电解液的电导率。随着镍含量的增加，三元正极的热稳定性下降，结构稳定性变差。 4680采用全拉片结构，追求高倍率性能。高镍、高倍率提高了锂盐的性能要求。

双氟磺酰亚胺锂（LiFSi）是一种新型电解质溶质锂盐，具有更好的低温放电和高温性能保持性、更长的循环寿命、更高的倍率放电性能、更高的安全性能；

用量：两种用途，1）1%~3%，一般视为添加剂； 2）3%~5%，作为LiPF6的辅助锂盐。一般来说，5/8/9系列的用量为0.5%-1%/1%-2%/2.5%。如果负极采用硅碳，用量预计可达4%-5%；

价格：LiFSi已完成50%的成本降低，还有25%的降低空间。此前，由于其与六氟相比价格较高（40万-45万元/吨），不具备经济优势。由于供需不平衡，目前六氟价格已达到58万元/吨。 LiFSI具有阶段性相对经济优势，但绝对值仍处于较高水平。另一方面，LiFSI的成本降低仍在持续（从2016年的90万元/吨降至如今的45万元/吨），目前LiFSI的成本约为20万元/吨。价格预计将回落至35万元/吨以内，最终成本预计将回落至15万元/吨以内。

PVDF：消费增加，供需缺口扩大

PVDF主要用于电池中的正极和隔膜中作为粘合剂。正极：主要是油溶性PVDF，占比高达90%，用量占正极材料的1%-3%。 4680大型圆柱电池高镍含量预计与2170相当；隔膜：与负极接触的一面涂有PVDF，以增加粘度； 1）提高硅碳负极粉体的稳定性； 2）粘得更紧，增加能量密度；液体。假设PVDF涂层为1m，PVDF密度为1.8g/cm3，1GWh用量约为20吨；粘结剂（非活性物质）用量过多，会降低能量密度和电导率。 关于。 （报告来源：未来智库）

二.结构件：结构新颖、设计新颖、价格高、布局好

与2170电池相比，4680电池的结构件价值有所提高。 4680方案各异，结构件定制化程度高。目前还是非标产品，价格有所上涨（外壳+上限：2170 2元对比4680目前10元左右）。另一方面，竞争格局比square和2170更加优化；制造商的采购意愿更倾向于购买外壳和盖帽封装。一方面，产品非标存在，合格供应商稀缺；另一方面，主要原因是目前电池良率较低，单独采购增加了不良率风险；

非标产品及行业壁垒格局较好；非标产品需要公司的开模能力和技术积累；壁垒增加：尺寸增大，加工精度控制更加困难；壁厚增加（2170 vs 4680=0.2 vs 0.6 mm），为了增加预镀镍钢带的强度，加工难度增加

三设备：适合激光模切、激光焊接设备、外壳生产设备供应商

由于极耳排列紧密，很难对所有极耳都采用金属模切，并且在某些方案中极耳的宽度沿着极耳的长度变化，因此激光模切更适合。

激光焊接设备受益4680计划，叠加行业各大电池厂也计划具备产能，有望迎来量的快速增长。 4680方案增加了所有极耳+集流体的焊接。与21700电池相比，焊点数量增加5倍以上，焊接设备数量增加3倍；焊接工艺难度大幅增加，设备可能由原来的脉冲激光器改为连续激光器，价值量增加。

凭借高效、价格、服务等优势，国产外壳生产设备有望在锂电池结构件大幅扩张阶段逐步形成国产替代。例如，宁波精达设备的价格是国外同类设备的50%-70%；壳拉伸设备采用“一出多”的方式生产，提高了效率，节省了原材料。同时，预灌杯工艺可以提高整条线的效率。

黄飞

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