您的当前位置: 首页 > 服务中心
时间:2022-09-29 07:11:40 作者:火狐体育官网登录下载 来源:火狐体育在线登录

锂电池4680大圆柱专题研究:极致设计、极致安全、制造

  2020 年 9 月 22 日,马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代 4680 电芯(前两位数字代表 直径 46mm,后两位代表高度 80mm),相比 2170 直径增大两倍以上,容量是 2170 电芯的 5 倍,续航提升 16%,功率提高 6 倍。大圆柱的优势体现在高性价比、高安全性以及快充性能 潜力等方面,预计未来将替代部分软包和方形的市场份额。

  2020 年-2022 年,我国新能源汽车的补贴标准较上一年分别退坡 10%/20%/30%。根据 《关于 2022 年新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,2022 年之后上牌的车辆或将不 再享受补贴(在经济下行压力下,工信部等部门正在研究继续延续补贴至 2023 年的方案)。

  动力电池成本占电动车成本约 40%,动力电池降本对电动车降本贡献最大。后补贴时 代,动力电池降本压力增大。锂离子电池成本持续下降。根据 BloomerNEF 数据,锂离子电 池组价格从 2014 年到 2021 年下降了 77.6%,从 2017 年到 2021 年下降了 40%,加权平均值 达到 132$/kWh。降本通过多方面入手,电池材料体系优化、电池工艺优化、电池封装方式、 系统集成方式的改变,提高能量密度的同时降造成本。电池成本下降主要来源于能量密度的提升,根据工信部披露第一批次纯电动乘用车数据统计,从 2017 年到 2021 年提高了 49%,相当于成本下降 33%。

  白名单补贴政策助推方形占比提升。2015 年 3 月,国家工信部发布了《汽车动力蓄电池 行业规范条件》,进入推广目录的车企才能获得补贴,国内企业深度受益。2017 年宁德时代 增长 6 倍成为国内电池装机量第一,带动方形电池出货量占比增加。LG、SKI 等韩国软包龙 头企业排除在白名单之外,导致其主推的软包路线在国内份额持续下滑。海外市场,2020 年 欧洲电动车渗透率提升,带动 LG 软包电池海外放量。

  圆柱电池早期凭借其型号统一、标准化生产在动力市场站稳脚跟。2017 年,由于性价比 不占优势,圆柱电池转战电动工具、电动两轮车领域。2020 年,国产特斯拉model 3等车型 销量带动 LG 以及松下的圆柱电池在国内动力电池出货量提升,圆柱重返动力市场。2017 年 松下伴随特斯拉全球崛起,海外圆柱份额快速上升。

  仅外形尺寸变化,4680 每千瓦时的成本较 2170 降低 14%。单个电芯电量随体积增大提 升至 5.48 倍,外壳用料增加不到 3 倍。更少的电芯数量降低了组装时间,提升了成组效率, 进一步带来成本优势。仅外形尺寸变化,能量密度可以上升 10%;换用硅碳负极,能量密度 上升 20%至 300wh/kg 以上。

  随着制造流程简化、生产线效率提高、工艺提升,成本将减少 18%。特斯拉设计从电极 涂覆、卷绕、装配、化成等各个环节下手,提高生产效率。整体而言,大圆柱电池可以实现 连续不间断生产;制造工序少于软包和方形铝壳(大圆柱约 10 道工序);生产在线 天左右,方形和软包分别约 10 天和 12 天),提高了周转率,降低了库存率。

  干电极技术生产设备占地面积减少 10 倍,能耗减少 10 倍,成本降低 10%-20%。湿法 工艺需要先混合粉末和溶剂,涂覆到箔材上,然后放入干燥炉进行干燥,并回收溶剂。而干 法工艺则省去了溶剂环节,但均匀度、粘结度更难控制(该技术尚在研发阶段)。

  Maxwell 的干电极工艺采用 PTFE(聚四氟乙烯)粘结剂与电极粉末混合,通过挤出机形 成电极薄膜,随后利用压延机热压成型,省去溶剂、简化工序(涂布、烘干等),目前已进 行四次优化工艺,但仍在实验阶段。

  干电池电极具备以下四个优点:1)能量密度高:大于 300Wh/kg,并存在 500Wh/kg 的 实现路径;2)延长电池寿命:改善电池耐久性,电池寿命翻倍;3)节省成本:产能密度增 加 16 倍,与湿电极技术相比,成本降低 10%-20%;4)与行业趋势(无溶剂,无钴化,下 一代材料,固态电池)的高匹配度&保护环境。

  由于有极耳,电池生产就需要不停地启动和停止。而 4680 为全极耳,卷绕工艺可以实 现连续高速不间断生产,达到 300ppm 的高速制造,而方形铝壳一般仅为 10-20ppm。

  通过连续流水装配提高效率。特斯拉设计一条产线GWh,每条线的产量增加七 倍。特斯拉与 Grohmann 和 Hibar 机器设计团队垂直整合,将装配环节集成到一台机器上, 删减了中间不必要的运输步骤。

  通过提高化成效率,化成投资成本减少 86%,占地面积减少 75%。化成指对电池充放 电并检测电池的质量,典型化成对单节电池充放电,而特斯拉同时对上千节电池充放电,显 著提升化成设备的成本效益和密度。

  负极材料采用硅基材料,每千瓦时 1.2 美元,成本降低 5%,里程提高 20%。石墨负极 潜力挖掘完全,已接近理论容量 372mAh/g。硅基负极理论最高克容量可达 4200mAh/g,是 石墨的 10 倍多,具有大幅提高克容量潜力,目前量产克容量已超过 400mAh/g。 由于硅本身的特性,在充满锂离子时体积会膨胀四倍,压力会导致硅粒子绝缘,最终损 失电池容量。目前工业使用的硅多是经过高度加工的,例如氧化硅、碳化硅等,并且较为昂 贵。特斯拉使用原始硅作为负极材料,不对硅本身进行加工,而是从涂层设计和电极设计入手,使用弹性离子导电聚合物涂层稳定表面,并通过高弹性粘合剂形成的坚固网络将硅材料 集成到电极上。

  镍可兼顾价格与能量密度,正极材料采用高镍三元,进一步优化生产环节后,成本降低 12%。

  Model 3 的长续航版电池包由 4 个模块串联组成,大模块(黄色)包含 25 个串联电池 块,小模块(绿色)包含 23 个串联电池块,每个电池块由 46 个 2170 电芯并联构成,共计 4416 个电芯。4680 采用 CTC 技术,无模组装配,配合一体化压铸技术,可以节省 370 个零 部件,为车身减重 10%,将电池单位成本降低 7%。4680 电芯面积模组占比提高,电芯总容 量提高 15.9%,续航能力提升 16%,系统能量密度提升 25%。

  2021 年,我国新能源汽车保有量已达 784 万辆,占我国汽车总保有量的 2.6%。市场监 管总局已建立新能源汽车事故报告制度。截止 2021 年底,累计召回新能源汽车 229 次,涉及 198 万辆,安全问题成为新能源汽车的达摩克利斯之剑。 目前动力电池采用量较多的小容量电池进行串并联成组,以满足高能量的要求。近年发 生的动力电池事故,均是由于电池组中的某一个电池单体热失控后产生大量热,导致周围电 池单体受热,进而产生热失控蔓延。所以,导致电池组热失控的三个核心因素:单体释放能 量、周边电芯隔热能力、单位散热能力。

  圆柱单体能量低,单体释放的能量小,相较于方形和软包来说不易引起热蔓延。从单体 层面看安全性排序:小圆柱>大圆柱>软包>方形。从尺寸上来看,4680 目前的比例是一个 比较完美的临界点。在高度上可能还会继续做大,但在直径上做大,散热将会是问题。

  圆柱电池周边隔热能力更强。相比方形电池和软包电池电芯间的紧密连接,4680 的圆柱 弧形表面,能够一定程度上限制电池之间的热传递。 4680 采取顶部水冷和侧面水冷相结合的方式。顶部采用一块完整水冷板,侧面采用导热 发泡胶进行导热,在圆柱原有的侧面水冷上进一步提高冷却效率。4680 每度电水冷面积是方 形的 1.64 倍,是软包的 1.53 倍。

  无极耳进一步提高散热性。特斯拉 4680 电芯采用全极耳/无极耳方案,即去掉从各层引 出连接到一起的金属极耳,直接将电池两端改用导电材料,使其直接传输电流。虽然电池变 得更大,但电流路径更短,从 250 毫米缩减至 50 毫米,电流传导面积更大,阻抗大大减小, 使得大电流充放电的温升更小。4680 大幅提高电芯的散热面积,传热更均匀,对安全性更加 敏感的三元材料更具吸引力。

  补能焦虑不断提升的当下,电动汽车高速快充是发展的趋势之一。高速快充的落地需要 桩、车、电池三方联动,整个产业链协同共进。 充电桩方面,快充标准奠定基础。国内 2021 年 9 月落地的 ChaoJI 充电标准最高可支持 1500V 充电电压和 600A 充电电流。目前被国际上广泛接受的电动汽车直流充电技术标准, 无论是日本 CHAdemo、欧洲 CCS 还是中国 GB/T,均已确立 450kW 以上的充电功率目标。

  车企方面,国内热销车型普遍停留在电压平台 400-600V、充电倍率 2C 以下。特斯拉 Model 3 电压平台为 400V,理论充电倍率约为 1.85C,为行业较高水平。比亚迪汉EV 最大 充电系统电压为 569.6V,可实现 25 分钟 30%-80% SOC 的充电速度。如果新能源汽车可以搭 载 800V 电压平台,充电倍率可轻松实现 2.2C-6C,充电速度则大幅提升。保时捷Taycan是 第一款量产的 800V 架构电动车,同一个超快充阵营的欧美企业 Ionity 也有 800V 的产品规 划。与此同时,比亚迪、广汽埃安、华为、极氪、极星、小鹏、岚图、理想等都在打造高压 平台,各大车企基于 800V 高压技术方案的新车将在 2022 年之后陆续上市。

  电池方面,快充能力取决于锂离子的脱嵌和迁移速率。在高充电倍率下,锂离子脱嵌和 迁移的速率加快,部分锂离子来不及进入正负极形成副产物,导致活性物质损失,加速电池 寿命衰减。 与此同时,析锂现象容易加剧,所产生的锂枝晶一旦刺穿隔膜,将导致电池内部短路,造成起火等安全风险。快充对电池热管理能力要求高。大电流高电压更容易产生大量热,对 电池低阻抗、强散热要求更高。

  电池企业、车企在快充技术研发上各显身手。中国多家头部动力电池企业包括宁德时 代、孚能科技、蜂巢能源、欣旺达等,都在积极研发创新,也包括部分车企。

  蜂巢能源正极采用前驱体定向生长精准控制技术,通过控制前驱体合成参数,一次粒径 放射状生长,打造离子迁移“高速公路”,提高离子传导速度。负极表面改性技术,采用液 相包覆技术在石墨表面包覆无定形碳,降低阻抗,提升了锂离子通道工作效率。采用含硫添 加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系电解液,降低正负极界面成膜阻抗,从而提高电解液导 电率。 宁德时代的策略是正极领域采用超电子网充分纳米化的材料表面,搭建了四通八达的电 子网络,使得正极材料对充电信号的响应速度和锂离子脱出速率得到大幅度提升;负极导入 各向同性技术,使锂离子可 360 度嵌入石墨通道,显著提升充电速度,同时修饰多孔包覆层 的阳极材料表面,提供丰富的锂离子交换所需要的活性位点,极大地提高锂离子电荷交换速 度和锂离子的嵌入速率;引入拥有超强运输能力的超导电解液,提升锂离子在液相和界面的 传输速度,通过调控极片多孔结构的梯度分布,实现上层高孔隙率结构、下层高压实密度结 构等。

  广汽埃安石墨烯电池的镍钴锰酸锂三元正极材料与石墨烯混合制成形成一个近似球面的 三维结构,搭建高效立体导电网络,从而提升电荷传递效率。负极采用特有软碳硬碳石墨烯 包覆改性技术。同时采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液,提高电池的倍率性能和热稳定 性,使得电芯可进行高倍率持续充电。

  保时捷正在研发硅负极取代传统石墨负极的高性能电池,以获得更高能量密度和快充性 能。 以上技术多从材料端提高快充能力,4680 电池不仅从材料体系适配快充,同时改变结构 提高充电倍率。适配硅基负极,可获得更高的能量密度和倍率性能;电解液中添加新型锂 盐,提高电解液窗口,可提高充放电电压。采用全极耳/无极耳方案,阻抗更小(单极耳的阻 抗很难降低下来),电极倍率可提高 4-5 倍,更容易实现快充功能。以色列初创电池企业 StoreDot 官宣,已经生产出首款 4680 圆柱形电池,电池充满电只需要十分钟。

  方形电池宁德时代一家独大。CATL、比亚迪、中航锂电基本上都是以方形为主。

  在主流动力电池生产商中,孚能科技是唯一一家坚持三元软包路线的企业。旗下动力电 池主要供应戴姆勒。

  国产特斯拉装机带动 2021 年 LG 化学的圆柱电池占比达 68%。中国最早做圆柱电池的企 业以小作坊的形式居多,目前除国轩高科排名第二以外,其他中国企业如力神、银隆、比克 等份额较小。LG、松下、比克、亿纬都在积极布局 4680 电池。预计未来几年,在特斯拉 4680 大圆柱效应带动下,更多车企或将愿意尝试应用该类产品。

  4680 电池将在 2022-2024 年集中量产。目前进展最快的特斯拉已于 2021 年 9 月试生 产,计划 2022 年量产。其他厂商多在 22H1 开始试生产,2023 年开始量产,2024 年实现大 批量供货。

  特斯拉:公司在召开的电线 电池的试点产线)美国加州弗里蒙特工厂 兼开发基地:1 月份已生产 100 万块电池,对应 1000 辆车,目标产能 10GWh,配套车型为Model Y。二季度干电极流程实现电能输送的完全自动化,大量释放了产能,改善了产量。3 月以来每个月环比增速均达到约 35%;2)美国德州工厂:设备已装备进产线,二季度生产 出第一批 4680 电芯,三季度开始量产,计划在 2022 年底前,该工厂 4680 周产量超过加州工 厂;3)德国柏林:目前已生产出第一辆用于测试的配备 4680 电池的 Model Y。此外,松 下、LG、宁德为特斯拉 4680 的潜在供应商。 2021 年 8 月,宁德时代(300750.SZ)与上海市人民政府签订合作框架协议,计划在上 海临港建设工厂生产 4680 电池,已有中试产线 条线GWh。公司目前已 获宝马圆柱电池定点。

  目前,特斯拉海外车型基本都使用圆柱电池,国内高性能版搭载的是 2170,标准续航版 是 LFP 方形,主要目的为了降低成本,而高性能版和长续航版以及 Cybertruck、Semi 计划 采用 4680 大圆柱电池。量产后的第一批 4680 锂电池将率先用于位于美国德州和德国柏林的 Giga 超级工厂,装配到即将投产的 Model Y 车型上。Model 3 由于尺寸问题,被部分工程师 认为不适合装配 4680 电池。 特斯拉进度最快,预计今年装车,明年起量。参照 2170 对 1865 的替代速度,2022 年仍 以 2170 为主,2023 年后逐步转向 4680,并且海外进展将快于国内。目前 4680 已顺利装车, 预计 2022 年搭载 4680 的 Model Y 将在海外销售 8 万辆,对应装机量约 8GWh,当年车辆渗 透率约 5%。2023 年,除了 Model 3 的其他所有车型均将实现 4680 电池版本的销售,预计总 销量将达到 36 万辆,对应电池装机约 50GWh。到 2025 年,特斯拉 4680 车型销量预计有望 达到 121 万辆,对应电池装机量约 178GWh,当年车辆渗透率接近 30%。由此可得,2022-2025 年特斯拉 4680 装机量的复合增速 CAGR 将高达 186%。

  宝马计划应用于其大、中、小三个车型平台,均为 CTC 产品。4695 三元大圆柱已经开 始招标,预计 2023-2024 年或将有样车推出,2024-2025 年开始大批量生产,规模约 100-120 GWh。 全球掀起 4680 热潮。戴姆勒、苹果、Lucid、Rivian 以及小鹏、蔚来、一汽、江淮、大 众中国也在布局 4680。戴姆勒 2017 年以 6 千万美金投资的 StoreDot 正在研发 4680 电芯。江 淮汽车与 CBAK 新能源联合开发 4680 电池;作为与江淮汽车的合资企业,大众安徽(大众 持股 75%)旗下推出的车型可能采用其 4680 电池。计划造车的苹果公司在陷入与宁德时代 和比亚迪的谈判僵局后,与松下频频接触,或转向使用 4680 电池。美国新兴造车势力 Lucid、Rivian 早期即采用圆柱方案。

  受益于刀片电池以及 CTP 技术,铁锂方形成本低且安全性高,铁锂 4680 圆柱不具备明 显优势。铁锂版的 4680 电池在理论上是可以实现的,主打高循环性能,应用领域包括储能系 统、轻型车以及低价车型。宁德时代、亿纬锂能就已经公布了两轮车磷酸铁锂大圆柱电池方 案,目前正在推动产能建设。 三元 4680 圆柱降本后与铁锂方形成本相近,安全性也得到提升。4680 圆柱电池单体容 量约 24Ah,比典型方形电池 100-300Ah 要小、单体热失控影响小且泄压方向可控,叠加全 极耳设计,使得三元 4680 圆柱发热量小、热管理难度低。4680 圆柱电芯的成组效率(约 70%)比方壳电芯(>80%)的成组效率低,为了充分发挥圆柱电芯散热性能和内部应力分 布均匀的优势,4680 电芯唯有搭配高镍正极材料,硅碳负极材料才能极致提升电芯和系统能 量密度。

  三元材料由镍、钴、锰(或铝)三种金属组成,其中,镍是电极反应中关键的活性物 质,在充放电中参与氧化还原反应。三元材料整体能量密度高低的关键就在于镍含量。为了 实现正极更高的性能和更低的成本,不断减少钴含量、增加镍含量。高镍三元继续超高镍 化,从 NCM8 系、NCA8 系继续向 NCM9 系、NCA9 系、NCMA、无钴化发展。 NCMA 四元材料是基于目前两大主流三元高镍材料 NCM 与 NCA 混合而成,通过在 NCM 三元材料中掺杂 Al 粒子得到,本质是用 Al 替代 Co。NCMA 在提升镍含量的同时兼 顾了降本和材料稳定性。NCMA 的镍含量已达到 90%,提高了比容量;相对廉价的铝元素的 混入,大幅减少昂贵的钴元素含量至 5%以下;形成的 Al-O 化学键强度远大于 Ni(Co,Mn)- O 化学键,从化学性质上增强了正极的稳定性。 NCMA 的循环性能也明显优于比容量相似的 NCM 和 NCA。韩国 Un-Hyuck Kim 团队使 用 1C 电流在 25℃ 1000 次充放电循环后,NCMA89 电池的放电容量下降至原先的 84.5%, 而 NCM90 与 NCA89 的放电容量则分别下降至原先的 68.0%、60.2%。

  根据各家电池厂公布的方案来看,4680 电池正极材料目前以超高镍方向为主。不同企业 选择的体系不同,如特斯拉使用 NCM91,LG 使用 NCMA。根据公开资料,我们推测宁德时 代、亿纬锂能、SKI 将使用 NCM 高镍体系,松下、SDI 使用 NCA 高镍体系。

  根据高工锂电数据,2021 年国内三元材料总产量为 39.81 万吨,同比增长 89.5%;全球 三元材料总产量为 72.97 万吨,同比增长 79.3%。根据线 系以上高镍材料占比 达到 39.5%。国内高镍正极竞争格局较为集中,CR5 达到 86.4%。

  高镍体系具有超高能量密度的优点,但存在循环结构稳定性和安全性不足等劣势。其在 工作中会出现阳离子混排、晶格畸变、微裂纹、界面副反应和残余碱含量高等问题。相比普 通三元,高镍体系对生产工艺提出了更高要求。 前驱体工艺方面,以使用氢氧化物共沉淀法的前驱体制备工艺为例,原料为硫酸镍(氯 化镍)、硫酸钴(氯化钴)、硫酸锰(氯化锰)、氢氧化钠等,在反应釜混合后经过脱水、 洗涤、干燥、陈化等步骤得到前驱体成品。相比之下,超高镍材料的酸碱度控制更严格,由 于 Ni 含量极高,所以所需 pH 值也更高,需要很高浓度的氨水作为络合剂。

  超高镍体系正极工艺流程:将前驱体和氢氧化锂按一定比例在混料机中均匀混合,接着 将产物装入匣钵中放入窑炉煅烧,煅烧次数一般为 1~4 次,各厂家不同;每次煅烧之间需要 粉碎、洗涤、干燥、包覆等步骤,煅烧后需冷却,接着筛分除铁,最后进行批量包装。

  高镍三元材料的制造过程与普通三元不同的地方主要体现在:1)超高镍体系氧化性强易与电解液的表面副反应,需要包覆抑制电解液对活性物质的侵蚀;2)对能量密度和充放电 倍率要求高,使用氢氧化锂作为锂源。因为氢氧化锂不需过高的烧结温度,从而减少阳离子 混排,提高循环稳定性;3)Ni3+在高温固相反应中是不稳定的,所以很难在空气中合成理想 的高镍三元正极材料。为了降低阳离子混排概率、减少杂相生成,烧结需要使用纯氧;4) 煅烧温度要低。镍含量越高,Li/Ni 混排就越容易发生,所以需要煅烧温度越低;5)煅烧时 间长、耗电量大。一烧分为混料、烧结和破碎,对于设备的要求主要集中在烧结。一烧的时 间比二烧长,同样一吨的材料,一烧需要 22-24 个小时,二烧只要 7-8 个小时;6)对除湿、 磁控、密封性方面也有更高要求。为了减少杂相生成,需要在真空或氮气氛围下包装,全过 程需要严格控制湿度 10%以下。

  高镍正极生产设备方面,1)使用高速混合机代替球磨机作为混合设备。高速混合机的 残留混合、占地空间、混合效果及均匀性等优于球磨机。高混机的叶片结构使物料形成漩涡 状态的高速混合搅拌,加热干燥,设备在高速运转时将物料快速分散,搅拌桨利用重力和离 心力作用使下面物料向上抛起,上面的物料迅速下压,来回循环,从而达到高速混合的作 用。高镍三元正极全程需控制湿度,高速混合机的密封性要好,整个工作环境必须湿度控制 在 10%以下。同时高速混合机具有更好的耐腐蚀性。

  2)装钵工序是将锂化混合后的材料倒入特制匣钵中,匣钵是在煅烧时盛装高镍三元正极 的容器。对于设备密封性和耐腐蚀性要求更高,匣钵的氧化铝(刚玉)含量更高,以增加耐腐蚀性。由于高镍三元对闸钵的质量要求高,单个匣钵的装料量小于普通三元正极,单吨消 耗匣钵费用是普通三元近 6 倍。

  3)窑炉整条产线(包括炉膛、传动系统和辊棒等)同时具备高密封性、耐碱耐氧腐 蚀、控温精度高(5℃以内)、温度分布均匀性高。高镍三元产线一般使用辊道窑,用耐高 温的陶瓷辊棒直接驱动耐火板前进,装载产品的耐火板直接承载在辊棒上。相比推板窑,辊 道窑产线效率高,不容易发生“拱窑”现象。

  石墨负极潜力挖掘完全。目前高端石墨克容量已经达到约 365mAh/g,接近理论克容量 372mAh/g。从负极材料角度,电芯能量密度的提升需要开发出具有更高克容量的负极材料。 硅基负极最具商业化前景。由 5Si+22Li++22e-=Li22Si5 可知,5 个硅的摩尔质量为 140.43g/mol,5 个硅原子结合 22 个 Li,则硅负极的理论容量可达 4200mAh/g,是石墨的 10 倍多。 硅基负极是非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据中国能源信息平台 数据,目前采用添加硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升 8%以上,体积能量 密度可以提升 10%以上。

  硅材料来源广,储量丰富。硅是地球上储量第二的化学元素,工业硅生产的上游原料清 晰,包括硅石和碳质还原剂,工业硅的主流生产方法为电弧炉法,实质是高温还原反应。电 弧炉耗电极大,电力成本在工业硅生产总成本中占据核心位置,用煤成本与硅石成本次之。

  解决枝晶问题,安全性得以提升。负极石墨电压平台接近锂的析出电位,易产生锂枝 晶,枝晶刺破隔膜,正负极将发生短路,严重威胁电池安全。硅的电压平台比石墨高,硅基 负极的电极反应优先于锂枝晶生成,使得锂离子不以枝晶形式析出。

  近几年硅基负极增长快。根据高工锂电数据,2016 年我国硅基负极材料出货量仅为 0.05 万吨,2021 年激增达到 1.1 万吨,同比增长 83.3%,约占当年全部负极材料的 1.5%。

  高速增长背后,一方面,来自于电动工具、智能家居锂电池市场需求旺盛,叠加国际电 动工具巨头、跨境电商等锂电池供应向国内转移,高容量、高倍率锂电池需求增加带动国内 硅基负极需求起量。另一方面,源于动力电池的稳定增长。动力电池方面,在目前量产车型 中,仅特斯拉长续航版本车型 Model 3 在负极中掺入少量的硅,车型销量的增长带动部分国 内硅基负极需求的增长。

  4680 正极多采用高镍三元,负极使用硅基可以更好地匹配正极的高能量密度。并且由于 4680 大圆柱对硅基负极的体积膨胀的容忍性更高,未来更加适配高镍+硅基负极体系。4680 电池中大幅增加了硅基材料的占比,预计添加量或将从 2170 的 5%提升至 10%左右,是一次 重要的技术改进。4680 大圆柱电池以及长续航快充车型的规模化量产,叠加硅基负极产业链 扩产提速,将推动硅基负极材料进入爆发式增长通道。预计 2025 年全球电池装机量达到 2500GWh,硅基负极在三元电池中的渗透率为 25%,SiOx 和石墨负极克容量约 1500mAh/g 和 350mAh/g,当 SiOx 含量在 11%-20%时,推算出硅基负极的市场空间可达 40-60 亿元。

  硅基负极材料亟待解决问题:体积剧烈变化。硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积 变化,最大膨胀可达 320%。相比之下,传统的石墨负极工作时,锂嵌入石墨六边形结构层 间的空隙,体积变化只有 16%。

  对于单质硅负极膨胀带来的以上问题,目前采用硅复合材料应对:当前具备商业化前景 的有两种:硅碳负极和硅氧负极。硅碳负极是指纳米硅与碳材料混合,硅氧负极则采用氧化 亚硅与碳材料复合。

  硅氧负极动力领域进展较快。氧化亚硅(SiO)在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小, 因此相对纯硅负极,其循环稳定性有较为明显改善,更适合应用于动力电池领域,目前各大 负极材料厂商对氧化亚硅负极均有所布局。但是氧化亚硅负极在充放电过程中会生产 Li2O 等 非活性物质,导致 SiOx 材料首次效率较低(约 70%)。相较之下,硅碳负极克容量高、首 效高,主要应用于消费电子和电动工具领域。

  改性方法 1:纳米化。当硅颗粒直径小于 150 纳米时,内外层反应差距不那么强烈,不 会出现产生裂纹和粉碎的现象。

  改性方法 2:碳复合。一方面可以将硅表面很好地保护起来,充当硅体积膨胀的缓冲 层,避免硅在充放电体积形变过程中,新鲜硅表面与电解液直接接触,反复生成 SEI 膜;另一方面可以增加颗粒的导电性,减少电极的电荷转移阻抗。 硅基复合负极材料通根据硅的分布方式不同可分为包覆结构、负载-分散结构,在合成工 艺上不尽相同。

  硅基复合负极材料相比石墨负极工艺复杂,技术路线仍在探索,且各家工艺均不同。目 前常用碳复合工艺如机械球磨法、化学气相沉积法等,通常为多种手段组合。

  预锂化是在锂离子电池工作之前向电极内部增加锂来补充锂离子。通过预锂化对电极材 料进行补锂,抵消形成 SEI 膜造成的不可逆锂损耗,以提高电池的总容量和能量密度。预锂 化技术包括负极补锂和正极补锂。 负极补锂——目前主要的补锂剂类型,技术成熟度高。负极补锂主要采用金属 Li 粉、Li 箔补锂、硅化锂粉补锂等方式。宁德时代在 2016 年申请的两项专利分别在负极表面通过静电控制的方式喷洒 Li 粉和在负极表面覆盖一层薄 Li 箔的方式进行补锂。

  金属锂补锂的优点是补锂效率高,反应后无残留,但是金属 Li 的活性很高,对环境控制 要求高,并且需要采用大型设备,成本投入也比较大,对现有生产工艺影响较大。同时也存 在较大的安全风险,特别是金属 Li 粉,悬浮的空气中可能会引起粉尘爆炸等风险。 硅化锂粉补锂是非常适合硅碳负极的一种补锂剂,通过加入已经合金化膨胀的含锂硅粉 进行预锂化,提高首次效率的同时使负极在初始时处于膨胀状态,可以缓解材料的挤压破 碎。 正极补锂——安全、便利,但产业化处于初级阶段。相比于负极补锂,正极补锂工艺最 大的优势在于安全性和便利性,可应用于各种体系的锂离子电池正极材料,不改变现有的生 产工艺,不需要引入新设备,仅仅是在匀浆过程中在正极浆料中加入部分高容量的含 Li 氧化 物(即补锂剂),如 Li2NiO2(LNO)、Li5FeO4(LFO)、Li2O,对于电池厂商而言是十分 理想的技术路线、产业化布局提速

  硅负极未来的竞争格局或将相对有序。目前跨界布局硅负极的企业相对较少,考虑到硅 负极较高的量产难度,加之需要和客户使用的电解液、正极、粘结剂等进行产业链配套,客 户粘性更高。相较石墨负极,硅负极将继续保持相对较高的进入壁垒,未来竞争格局或相对 有序。 目前各大负极材料厂商均有所布局。日本信越化学、韩国大洲以及杉杉股份、贝特瑞等 企业目前均有可以量产硅负极产品,在电动工具等领域已经得到了部分应用。目前,以贝特 瑞、江西紫宸、杉杉股份为代表的国内企业已经拥有较成熟产品,能解决膨胀和首效问题, 并拥有明显优于石墨负极的能量密度。

  碳纳米管(CNT)是石墨烯层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管状结 构。由于硅负极导电性弱于石墨负极,常规导电剂炭黑无法完全满足硅碳负极性能要求,而 以碳纳米管为代表的新型导电剂拥有更为优异的导电性能,可以部分缓解硅材料在充放电过 程中的结构坍塌,是更为适配硅基负极的导电剂材料。 由于碳纳米管形貌为一维管状结构,长径比和比表面积大,作为导电剂,可以与活性物 质形成线接触并能固定电极材料,导电性能更优,且能有效提升锂电池倍率性能。碳纳米管 用量少,仅为传统导电剂的 1/6 到 1/2,可以达到同样的导电效果。它还有具有优异的导热性 能,能够将电池中的热量较好传导出来,提升电池的高温性能。目前碳纳米管占整车成本仅 约 0.8%,相对于其可提升的综合性能,实用价值大,且存在涨价逻辑。

  缓解硅负极膨胀问题,改善循环性能。碳纳米管具有很好的机械拉伸强度,使得硅颗粒 之间的连接非常紧密、牢固,即使发生硅负极颗粒体积膨胀并开始分裂,这些颗粒仍可通过 单壁碳纳米管的“绑定”保持良好连接。 减少电解液损耗,提升寿命性能。碳纳米管作为空心管状结构,能够提升极片的吸液 性,从而降低电池使用过程中的电解液损耗,从而提升其寿命性能。

  根据石墨片层的多少,碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管 (SWCNT)管壁由一层碳原子组成,多壁碳纳米管(MWCNT)由几个或几十个单壁碳纳米 管同轴构成。

  单壁碳纳米管性能更优。目前市场上的碳纳米管以多壁碳纳米管居多,而单壁碳纳米管 的直径更小、长径比更大、热稳定性更高(高达 1600℃),添加后使得极片具有更好的柔韧 性和机械稳定性,在反复脱嵌锂膨胀过程中保持良好的导电网络,对电池循环性及容量的提 升更为明显,并且具有更低的阻抗,表现出优异的倍率性能。单壁碳纳米管用量更少,能够 进一步降低锂电池中导电剂的含量,从而降低成本。 单壁碳纳米管与硅负极的适配度更高。凭借高电导、高柔韧比和高长径比,单壁碳纳米 管可以更好地抑制硅的膨胀。根据 OCSiAl(海外单壁碳纳米管专业生产商)官网数据,添加 其旗下产品 TUBALL(商标名称)单壁碳纳米管 0.04%在硅基负极电池配方中,电池循环寿 命可提升 4 倍,助力硅负极电池实现 350Wh/kg 的能量密度,续航里程提升 15%以上,同时 满足电极快充快放。目前公司单壁碳纳米管产品尚处于中试阶段,预计有望于 2023 年实现量 产。

  目前单壁碳纳米管只用于少数高端产品。随着技术成熟度上升、成本下降,单壁碳纳米 管有望加速渗透。预计 2025 年全球电池装机量达到 2500GWh,硅基负极在三元电池中的渗 透率为 25%,SiOx 含量约 10%-20%,与之配套的单壁碳纳米管的添加量约 0.1%-0.15%,当 销售价格达到 1000-1300 万/吨时,推算出单壁碳纳米管的市场空间可达 16-30 亿元。 OCSiAl 引领单壁碳纳米管全球发展。OCSiAl(奥科希艾尔)是一家专注于单壁碳纳米 管生产的俄罗斯企业,占据全球 95%的单壁碳纳米管市场。公司研发的 TUBALL 单壁碳纳 米管的突出优势是极致纤细(管径 1.6nm,管长>5um),具有极高的长径比,可达 3000, 比表面积高可达到 900cm2 /g。TUBALL 的 G/D 达到市面产品中最高的 90,这意味着其导电 性能非常优秀。公司 2021 年产能达到 80 吨/年,可以满足 100GWh 以上的锂离子电池的导电 剂需求。OCSiAl 在中国有两家授权的合作伙伴,实现了本地化生产 TUBALL BATT 分散 液,并通过了多家知名电池企业的品质审核。

  4680 高镍化、高压化对电解液性能要求提升。首先,正极材料中镍含量增加,由于高镍 中的 4 价镍离子具有较高的氧化还原电位,会催化电解液氧化分解,影响电池性能。第二, 高镍体系电池循环过程中会有锰、钴等过渡金属溶出,会破坏负极表面的 SEI 膜。此外,高 镍电池需要添加过充和阻燃等添加剂来提升电池的安全性。

  LiFSI 具有更好的电化学性能:1)LiFSI 具有更高的热稳定性,其熔点可达 145℃,分 解温度高于 200℃。可耐受更高的工作温度,抑制气胀;2)LiFSI 电导率高,可达 9.8ms/cm (LiPF6 仅 6.8ms/cm),有助于降低电池内阻、减少发热、提升效率和安全性;3)LiFSI 与 SEI 膜有很好的相容性,只会在 160℃时与其部分成分发生置换反应,对于正负极的化学稳 定性高。 LiFSI 作为添加剂用量提高。LiFSI 主要应用于三元电池中,可以作为电解液的主电解质 直接替代 LiPF6,或者作为传统电解质 LiPF6 的添加剂使用。目前 LiFSI 尚未作为主电解质 使用,而是作为添加剂与 LiPF6 混用,用于三元动力电池电解液之中以改善性能。高镍三元 正极材料以及快充技术的应用带来了对于 LiFSI 的更大需求。根据多氟多公开资料,以 4680 电池为例,其中 LiFSI 的添加量或将是普通三元电池的五倍,从 3%提高到 15%。

  LiFSI 的纯度对产品性能影响较大,电池级 LiFSI 生产工艺难度较高。目前 LiFSI 的合成 主要采用氯磺酸法,中间产物双氟磺酰亚胺 HClSI 的收率(主产物占所有产物的比例大小) 对产品品质的把控至关重要。由于 HClSI 的合成对于温度敏感度高,可以通过精准的温度调 节来提高其总产率。降低成本的主要方法来自对于副产物的回收和综合利用。国内多家电解 液企业已经深耕多年,积累了大量先进技术储备,共同推动 LiFSI 的价格从 2017 年的 70 万 元/吨下降至 2021 年的 40 万元/吨。技术门槛也导致新进入者难以参与竞争。

  龙头企业把握核心工艺,专利布局提高行业门槛。纯度控制以及对敏感中间物的温度把 控决定了合成 LiFSI 较高的技术壁垒。目前只有一线电池企业、电解液龙头企业拥有 LIFSI 作为添加剂和锂盐的多种配方,而二线企业大多仅有作为添加剂的配方。国内电解液厂商有 能力布局并着手生产的包括天赐材料、多氟多、新宙邦、永太科技等。而宁德时代、比亚 迪、LG、三星、松下等电池龙头企业的专利数量遥遥领先。

  复合铜箔是以 PET 或 PP 作为导电薄膜、两边以铜箔(或铝箔)为镀层的夹层状动力电 池集流体材料,表现出部分“去金属”化,具有安全性高、能量密度高、寿命长的优势。

  传统铜箔的生产制备主要采用电解法,设备简单、成本较低。复合铜箔制备工艺更为复 杂,蒸镀是核心工序,其次为水电镀。制作流程:首先在厚度 3.5~6μm PET 薄膜表面,采用 磁控溅射或真空蒸镀的方式,在两面制作 20-80nm 的金属层,然后通过水电镀的方式,将金 属层加厚到 1μm。根据东威科技公开资料,一般生产 1GWh 电池需要 2 台线 台 镀膜设备,单台磁控溅射设备价值量为 3000 万,水镀铜设备 3750 万,产线投资成本较高。

  率先实现极薄化和复合铜箔等高端产品生产的铜箔企业优势更大。以铜价 5.6 万元/吨、 加工费 4-5 万元/吨测算,同样生产 6-6.5μm 铜箔,采用 3 万元/吨国产 PET 膜制作的复合铜 箔大致比传统铜箔的售价可以降低 25-30%(加工费等同),价格优势显著。但是如果铜价下跌或者 4.5μm 传统铜箔实现大规模应用,PET 复合铜箔的成本优势可能会缩小。 目前国内进军复合铜箔领域的企业主要包括 PET 薄膜材料厂商(以重庆金美新材料和双 星新材为代表)、传统铜箔龙头企业(嘉元科技、诺德股份等)以及 PCB 厂商(三孚新科 等)。PET 基膜作为复合铜箔主要原材料之一,PET 薄膜材料厂商可实现自供,控本优势明 显。电镀设备广泛应用于 PCB 行业,PCB 制造厂商积累了丰富的电镀经验,此外由于电镀 对环境有一定的污染,PCB 制造企业具备完善的环评资质与产业园。

  重庆金美新材料(宁德时代、中国宝安参股投资)是最早开发 PET 铜箔的企业,2015 年便启动了复合集流体项目,2017 年与宁德时代签订独家协议,2022 年已初步实现量产。公 司现有产能 400 万平方米/年的复合铝膜和 2400 万平方米/年的复合铜膜。据重庆金美新型铜 铝导电膜项目环评报告,綦江区项目总投资 1.5 亿元,一期达产后产能达到 0.48 亿平米复合 铝箔与 2.95 亿平米复合铜箔。2021 年 8 月公司扩建的“电子复合铝膜、电子复合铜膜”项目 各 6 条生产线GWh 电池产能,计划于 2022 年引进先进生产设备,优化生产工 艺,提高产品产能、产值以及良率,力争在 2022 年实现量产。

  4680 电池尺寸更大,一般采用高精度、低成本、兼容更高长度的钢质电池壳。制作过程 需要克服以下几大难点:1)尺寸一致性要高。壳体是精密结构件,对尺寸公差敏感,电池 层级需要百分级精度要求;2)热扩散要求高。钢材需满足热扩散要求,钢比铝硬度高延展 性差,无法直接使用易拉罐的工艺参数制造;3)电池高度可能会继续增加。从电池过流和 发热来看,电池高度可能会进一步提高,壳体工艺需要兼容长电池壳。 高效生产是卧式冲压切入 4680 电池壳体领域的关键要素。传统机械件制造以立式冲压 为主,生产精度更高但是生产节拍较慢,每分钟产出 60 件左右。而卧式冲压通常用来加工精 度比较高、尺寸比较薄的易拉罐罐体。卧式冲压与圆柱电池对称性、标准化、低成本的产品 需求同源,在圆柱型动力电池领域具有可行性。卧式拉伸配重高,工序动作不需要克服重力 做功,因此生产速度高,每分钟可产出 1200 件。此外,卧式冲压自动化程度高,对模具精度 要求高。斯莱克、昇兴股份公司基于原有易拉罐业务的技术切入电池结构件产业链,现已均 处于打样阶段。

  4680 大圆柱电池从内到外的主要结构依次是极柱、卷芯、正负极集流盘、钢壳等。

  大圆柱生产流程主要包括卷芯制造、电芯组装,以及搭载了 CTC 压铸创新一体化生产。 其中,大尺寸电芯+全极耳+干电池涂布+钢质外壳是核心。由于一些结构的变化(比如全极 耳),与传统圆柱对比,涂布、极耳模切、焊接等环节采用了较为明显的差异化方案。

  电池卷芯制作的第一步是制作正负极极片:将正负极导电剂、粘结剂和活性物质混合搅 拌,再均匀涂覆在集流体上,形成附着了导电物质的片状材料。涂布方法分为较为传统的湿 法涂布和特斯拉在 4680 电池上采用的干粉涂布技术。湿法涂布是将搅拌均匀的浆料均匀地涂 覆在集流体上,并将浆料中的有机溶剂进行烘干。干法涂布是将正负极颗粒与粘结剂 PTFE 混合,使用喷射磨机对混合物施加高剪切力,以机械拉伸方式形成网状纤维薄膜层后,将其 辊压到铝箔或铜箔上,制备出正负极片。

  相比湿法涂布,干法涂布不需要溶剂,在环节方面省去了浆料搅拌、干燥、有害溶剂回 收等环节,节省了材料、时间、厂房和人工等生产成本。在产品性能方面,干法电极涂布电 极更厚,能量密度更高,与 4680 电池适配度高。首先,4680 大圆柱电池内围尺寸更大,允 许卷绕在内的干法涂布更厚。其次,粘结剂 PTFE 化学性质不活泼,且弹性较大,适配 4680 的高镍和硅基负极的方案。另外,干法涂布技术是生产下一代固态电池的必要条件。

  传统极片切割方法采用步进运动式模切工艺,即按照电池规格,对经过辊压的电池极片 进行分条的装备,生产效率低、成本较高,需要更换设备尺寸。由于全极耳设计,4680 采用 了非传统的切割方式,在极片切割的过程中直接在极片一侧空箔上连续切割极耳成型。在切 割技术、速度、精度以及产品质量方面,对高速制片设备提出了更高要求。

  当把极片边缘切割成多个平行四边形的极耳单体代替长方形单体时,不仅能够在揉平过 程中杜绝极片外翻,在与电池外壳组装时,不易刮伤电池外壳的内壁;且能够减少金属屑的 产生,避免短路;同时,这种平行四边形结构能够有效减少揉平时的辊压力,从而避免活性 材料的脱落,大大提高良品率。

  在电池电芯制造和模组 PACK 制造过程中,焊接是非常重要的工序。电池电极、导线、 外壳等包含钢、铝、铜、镍等多种材料,各种材料之间的焊接对工艺提出了很高的要求。锂 电池焊接主要有超声焊接和激光焊接两种。超声焊接的优点是工艺简单,但占用空间大,模 组的体积成组效率低。而激光焊接灵活、精确、高效,特别适用于锂电池制造,已成为主流 工艺。 在动力电池生产中,使用激光焊接的环节主要包括:1)中道工序:极耳焊接(包括预焊 接)、电芯入壳预焊、外壳顶盖密封焊接、注液口密封焊接等;2)后道工序:包括电池模组 Pack 的连接片焊接,以及模组盖板上的防爆阀焊接等。

  传统圆柱电池有两个极耳,只需要进行两个极耳的点焊。4680 大圆柱电池存在多个极 耳,正负极整体与集流盘焊接,集流盘上细丝焊缝数量较多,焊点数量大幅增加(4680 焊接 点位较 21700 增加了 5 倍),并且一般需要使用连续激光焊接设备。 4680 电池全极耳与集流盘或壳体连接中,激光焊接面临很多技术难题需要攻克:1)激 光连续焊接可能造成虚焊和穿焊;2)保证电池内部均匀性和致密性,以及集流盘的完整性; 3)金属残缺碎屑废料问题;4)焊接时热堆积;5)全极耳形态不受控。 在后道工序中,防爆阀焊接对于工艺要求极为严格。电池的防爆阀(泄压阀)是电池封 口板上的薄壁阀体,当电池内部压力超过规定值时,防爆阀阀体破裂,可以有效防止电池爆 裂。安全阀结构较为精细,之前都是采用脉冲激光器焊接(通过焊点与焊点的重叠覆盖来实 现持续密封焊接,但焊接效率低、密封性差),持续激光焊接可以实现高速高质量焊接,焊 接稳定性、焊接效率以及良品率都能够得到保障。

  虽然圆柱数量变少、焊接区域变大(特斯拉 4680 Pack 里的电芯数量仅约 800 个,且其 焊接区域比 1865 至少大 2 倍),但相较于方形和软包电池,4680 电池成组过程中的焊接量 依然较大。根据联赢激光官网信息,相比方形电池,大圆柱全极耳所需的面焊,其激光焊接 工序从 5 道增加至 7 道,大圆柱电池的焊接设备价格也有所提升。所需焊接设备也更多,一 般情况下,单 GWh 相较于 1865 和 2170 电池产线 台模切机。 此外,电池质量一致性问题以及报废成本仍然较大。

  CTC 是“Cell to Chassis”的缩写,直译就是“将电池放到底盘之中”,产生的背景是对 单车带电量提升以及新能源汽车降本的极致追求。CTC 工艺一方面降低了电池电芯以外的部 件体积,另一方面充分利用了电池对车身的结构支撑作用,减少了车身零件数量和整体重 量,从而节省了成本。

  CTC 是电池组装工艺发展的重要方向。对下游整车厂而言,CTC 与传统车厂推崇的底 盘平台化的核心逻辑是相通的,即通过强化底盘总成的集成度,来达到降本增效的目的。对 中游电池厂而言,MTP 到 CTC 是一个持续提高能量密度的过程,在强度可靠的前提下逐步减少机械件的占比,从而提高能量密度,降低单位电量的成本。另外,CTC 技术对于热管理 提出了更高要求,而掌握领先技术优势的电池厂商将从中受益。

  4680 电池运用 CTC 工艺具有先天优势。首先,CTC 对电池的结构强度有一定的要求, 电池本身要承担相当的机械强度,相较于 1865 和 2170,4680 单体电池结构强度更高,且外 壳一般采用不锈钢材质。其次,对比方壳电池,圆柱电池的布局会更灵活,能适应各种不同 的底盘,再结合全极耳高能量密度高充放功率的优势,未来在 HEV 和 PHEV 领域的潜力也 很大。 特斯拉拥有 CTC 电池系统专利《INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM》。特斯 拉 CTC 4680 系统将电池正极朝上、从车身横向布置,侧面冷却,最后进行胶粘剂填充。系 统下箱体采用蜂窝状结构,一方面起到热阻隔功能,另一方面吸收并分散来自车辆底部的撞 击能量,降低电芯损坏风险。蛇形冷却管为结构胶的交叉流通提供了通道,且起到了对于电 芯的限位作用,以应对惯性冲击和震动载荷。包裹在电芯四周的结构胶也有定位和约束的作 用。4680 电芯的钢壳是不带电的,不需要额外增加绝缘材料。电子器件基本都集中在电芯侧 面,与蛇形冷却板平行;而泄压阀布置在电池 Pack 纵向的外侧。

  CTC 工艺是由特斯拉在 2020 年率先提出,目前主机厂商方面,特斯拉、零跑、比亚迪 已经发布了应用 CTC 技术的最新车型,并且预计年内正式上线。宁德时代明确表示将配合 特斯拉开发适合 CTC 的电池产品,此外,大众、一汽大众、LG 化学及吉利、沃尔沃也有布 局 CTC 的意向。

  一体化压铸是指通过大吨位压铸机,将多个单独、分散零部件高度集成,再一次成型压 铸为 1-2 个大型铸件,从而替代多个零部件先冲压再焊接的传统汽车制造方式。一体化压铸 的优势明显:1)减轻重量:有助于轻量化的实现,根据特斯拉电池日公布数据,Model Y 后 地板总成采用一体压铸后,重量降低了 30%;2)提高效率:可以省掉大部分生产工序,采 用该技术的 Model Y 后车架的制造时间从 1-2 小时缩短至不到 2 分钟;3)降低成本:可以降 低生产、土地、人工等成本,特斯拉应用一体化压铸的后地板,制造成本下降了 40%。

  特斯拉 4680 装载车型使用 CTC 一体化压铸技术生产汽车底盘。特斯拉的开创性在于将 一体化压铸的应用范围从较小的零部件拓展到了体积超大的结构件,并且实现了规模化量 产。Model Y 是其首款使用 CTC 一体压铸结构件的车型,对后底板位置进行零件整合压铸: 溶解状态的铝水被注入到模具中,在 6000 吨的压力下成型,直接变成一体式 Model Y 车身 后底板,然后组装在整车上。在未来的车型中,特斯拉会将车身地板与电池上盖合二为一, 铝合金减震将采用高压真空压铸。特斯拉的引领下,越来越多的主机厂采用压铸一体化技 术。

  一体化压铸虽然在高压铸造形式上较为简单,但其工艺设计极为复杂,压铸件增大后, 工艺难度呈指数型增长。难点主要体现在以下几个方面:1)冲型问题。流动通道越复杂,边 角结构越多,造成紊流,导致在冲型过程中无法良好填充,会导致内部严重的缺陷,还包括 有杂质和氧化皮的风险;2)排气问题。通过改良压铸设备设计(真空技术和使用惰性气体) 可减少浇筑气体,但成本较高;3)热胀冷缩问题。大零件的冷缩过程可能导致没有足够的液态金属缩补而产生缺陷,另外要防止热孤岛问题;4)尺寸问题。冷却后有形变,形变量很 难预测和控制。所以,一体化压铸使用的材料需要具备高强高韧、热固性质和均匀性良好的 特性,目前铝合金材料是首选。

  除此之外,一体化压铸还面临诸多挑战:1)前期投入及定制化问题。在工厂里布置大 吨位压铸机,需要重新规划产线。由于是一体成型,导致通用性较差,只能应用于特定车 型。如果对应的车型销量不佳,配套设备的高昂成本就无法分摊;2)综合成本问题。除了 压铸机,还有压铸模具、熔炼炉、喷涂设备、拾取设备、冷却设备、修边机、输送带、油温 机、高真空设备等。这些周边设备和压铸机组成一个压铸岛,维持整个压铸岛运转的成本较 高;3)后期维修问题。一体成型的车架一旦遭遇碰撞后很难维修,可能直接报废。 压铸机是一体化压铸制造过程中最重要的生产设备。特斯拉使用的巨型压铸机长 19.5 米、高 5.3 米、重达 410 吨,合模力达 6000 吨,用于压铸特斯拉 model Y 组件。该设备来自 IDRA 公司,其为全球有色金属压铸机历史最悠久的制造商之一,是中国力劲集团的全资子 公司。

  消费电池业务多点开花。多重因素推动消费电池高增长:1)电子烟领域,公司为国内 外知名电子雾化器企业提供小型软包电池,参股电子雾化设备龙头思摩尔国际。2021 年政府 强化了对电子烟市场的管控,小企业或将逐步出清,有利于公司发挥头部企业优势;2) TWS 耳机市场正高速增长,公司研发的豆式电池体积小,能量密度高;3)电动工具无绳化 趋势明显,公司在制造和规模上均有优势;4)物联网设备数量快速增加。 动力电池业务盈利改善。公司今年动力电池放量较快,主要客户有小鹏、东风、广汽、现代起亚及戴姆勒、宝马、捷豹路虎、博世等国内外头部车企。公司动力电池市场份额由 2021 年的 1.6%提升至 2022 年 7 月的 2%。随着哪吒和广汽销量快速增长,动力电池有望快 速放量。今年一季度公司与客户达成了成本加成的价格联动机制,盈利能力在持续改善中。 战略性率先布局储能市场。公司已经与国内主要电信运营商、通讯设施龙头、多地电网公司 在通信储能或电网侧配套等领域开展业务合作,并在家庭储能、工商业储能细分领域积累了 一批国内外知名品牌客户。目前,公司是储能市场最主要的参与者之一。

  4680 电池年底试产。公司在 2018 年获得戴姆勒九年长单,2020 年拿下宝马方形电池订 单,而宝马和戴姆勒均有应用 4680 趋势。2021 年公司宣布与 StoreDot 联合开发 4680 和 4695 两大圆柱电池路线。StoreDot 为以色列一家专注于快充的初创公司,对硅负极有独到理 解,被戴姆勒 6,000 万美金投资。公司在荆门规划 20GW 在建产能,预计 2022 年四季度建成 试产,2023 年下半年实现出货,2024 年产能将达到 40GWh。 多方位布局保障供应链安全。公司获得大柴旦盐湖(储备 29 万吨氯化锂资源)37.4%面 积的采矿权,将与金昆仑投资建设远期 3 万吨碳酸锂和氢氧化锂项目。公司分别与川能动 力、紫金锂业等设立锂盐合资厂,锁定 2024 年以后每年 91GWh 产能供应。子公司亿纬亚洲 与永瑞控股、华友钴业等联合在印尼建设红土镍矿湿法冶炼项目。另外,在电池材料方面, 亿纬亚洲与贝瑞特、SKI 设立合资公司投建约 5 万吨高镍三元正极材料项目;与德方纳米成 立合资公司,计划建设 10 万吨磷酸铁锂项目;与新宙邦成立合资公司,布局电解液供应。

  产品定位高端。公司是国内锂电正极材料的龙头企业,主要从事钴酸锂、多元材料及锰 酸锂等小型锂电、动力锂电正极材料的研发、生产和销售。公司集自主创新、成果转化、产 业运营于一体。公司在今年 7 月召开的新品全球发布会上重磅公布了六款产品。其中,双相 复合固态锂电正极材料、固态电解质解决了正极与电解质固固界面难题;新型富锂锰基产品 开发进展顺利;新一代钠电正极材料已向国内主流电池生产商送样,客户给予高度评价,产 品性能指标优于市场同类产品。 高镍产品匹配 4680 圆柱。公司目前主推的 NCM、8 系、9 系产品均已实现批量销售, 主要面向海外市场,部分运用在 4680 圆柱电池上。公司高镍产品出货量大幅增长,占比不断 提升。年报显示,公司 Ni95 产品已完成国际客户验证,超高镍产品 Ni98 正在开展客户认证 工作。高镍及超高镍产品广泛应用于欧美客户的各类动力电池,为特斯拉、宝马、大众、日 产、三菱等一批海外高端车企提供配套。

  拥有多项自主知识产权。公司研发投入大,高投入助力专利成果。公司开发了具有自主 知识产权的多元素球形前驱体共沉淀技术、正极材料均匀锂化与结晶技术、多元素掺杂协同 改性技术、掺杂-包覆改性一步合成技术、微粉级颗粒表(界)面多层次协同修饰技术、前驱 体废水梯次利用与综合回收再利用技术等 40 多项关键技术。 客户开拓出色,海外基因深远。公司目前是全球唯一一家同时向中、日、韩、欧美高端 锂电客户提供高品质锂电正极材料的供应商。全球前十大锂电巨头均是公司客户。公司与核 心客户三星 SDI、LG 化学、SKI 等的合作持续深入,动力方面的出货逐渐放量,海外业务占 比不断提升。22H1 公司锂电材料实现销售收入 31.39 亿元,占锂电锂电材料总收入的 45%。 公司海外客户的渗透率远高于其他正极材料企业。随着海外新能源车销量的爆发成为全球主 力市场,未来公司海外业务收入的占比有望持续提升,带来超预期的业绩增量。 产能利用率高,盈利能力强。公司产能利用率连续多年行业领先,均达到 94%以上。公 司 2021 年利用率约 110%(通过技改和外协实现),远高于可比公司。产能利用率高有利于 公司摊薄折旧、人工等刚性成本,维持单吨毛利水平。在全行业受到疫情影响的情况下,公 司 2021 年锂电材料的单吨毛利润达到约 3 万元/吨,处于行业领先水平。

  天然石墨龙头。公司深耕负极领域 20 多年。2013 年以来,公司负极材料出货量连续 7 年位列全球第一。22H1 公司负极材料销量超过 14 万吨,实现销售收入 63.6 亿元,同比增长 166%,根据鑫椤资讯统计,中国市场占有率为 26%。公司在天然石墨领域具备绝对领先优 势,深度绑定松下、LG、三星等海外电池企业。公司加快人造石墨布局,2021 年人造石墨 市占率达到 14%,国内排名第三(江西紫宸 20%,杉杉股份 17%)。2022 年 5 月,云南大理 20 万吨负极材料一体化基地项目开工,一期建设 5 万吨石墨化及 10 万吨负极成品产能,预 计于 2023 年 7 月开始投产。印尼“年产 8 万吨新能源锂电池负极材料一体化项目”正在推进 中。此外,公司还在通过合资或自建的方式,不断提升石墨化自给率。 硅基负极先行者,4680 电池技术及超高镍技术进步带来增量。作为国内最早量产硅基负 极的企业之一,公司硅基负极配合三星、松下较早实现量产,目前已实现第三代产品迭代。 比容量从第一代的 650mAh/g 提升至第三代的 1500mAh/g。公司正在开发更高容量的第四代 硅碳负极材料产品。产能方面,公司现有 3000 吨硅基负极产能,新扩产 2000 吨/年,预计今 年下半年投产,未来将继续扩产 4.5 万吨硅基负极产品。“高镍+高硅”是最适合 4680 电池 方案,公司在布局硅基和高镍方面全面领先,预计将率先从中受益。

  正极聚焦高镍三元,打造第二增长极。公司完成磷酸铁锂资产及业务转让,坚定聚焦 NCA、NCM811 为代表的高镍三元正极。公司正极业务增长势头良好。22H1 正极材料销量 超过 1.2 万吨,实现营业收入 35.3 亿元,同比增长 123%,占总收入的比例达到约 35%。根 据鑫椤资讯统计,22H1 国内高镍三元材料产量为 11.41 万吨,公司市占率为 12%。公司现有 高镍正极材料产能为 3.3 万吨,与 SKI、亿纬锂能合资 5 万吨三元产线正在建设中(公司持 股 51%)。产品配套 SKI、松下等大客户,出货确定性高,高镍业务进入收获期。 研发水平位居行业前列。2017 年以来公司研发费用持续增长,累计已达 19.07 亿元, 22H1 为 5.14 亿元,同比增长 113%。公司组建了院士、博士后工作站、广州海关化验中心合 作实验室,获得了国家企业技术中心等认证,形成了行业领先的自主创新能力。同时,公司 也在积极布局前沿技术,包括钠离子电池材料、全固态电解质、锂金属负极、燃料电池材 料、石墨烯高导热材料及电池材料回收技术等,寻求在产品及技术开发上的不断突破。

  碳纳米管龙头,单壁碳纳米管量产在即。公司是一家生产销售碳纳米管粉体以及导电浆 料的高新技术企业,2021 年市占率高达 43.4%。自 2007 年成立以来,在获得清华大学专利 授权的基础上,一直专注于 CNT 碳纳米管在电池材料中的研发和应用。碳纳米管的结构特性 决定,相较导电炭黑和石墨烯等材料,具有更加优异的导电性,有助于提高电池的倍率性能 和循环寿命。公司拥有多壁碳纳米管、单壁纳米碳管制备的国际专利,是全球一系列碳纳米 管材料标准的制定者。公司掌握的纳米聚团流化床宏量制备碳纳米管技术解决了碳纳米管无 法连续化宏量制备生成的难题。公司也是最早成功将碳纳米管通过浆料形式导入锂电池的企 业之一,推动了碳纳米管在锂电池领域的广泛应用。同时,公司掌握的碳纳米管催化剂制备 技术,对未来产品的升级以及顺利投产和量产打下了坚实的基础。2022 年 7 月,公司拟新建 产能 450 吨,生产更加适配 4680 电池硅基负极的单壁碳纳米管粉体,其中一期项目 150 吨最 早将于 2024 年建成投产。 技术储备深厚,产销快速增长。公司覆盖了粉体制造和浆料制造两个环节,通过催化热 解法自主生产 CNT 分体,并且攻克了粉体分散的技术难题,成为了掌握 CNT 浆料全链条核 心技术的公司,其中 CNT 制备催化剂体系的自主研发又成为公司灵活开发各种不同结构 CNT 的前提,实现了公司三代产品的开发。通过大量研发分散技术,制备 CNT 浆料提供给 锂电池厂,实现了 CNT 材料性能的有效利用。根据公司公告,22H1 公司实现 CNT 浆料销售 额达 9.52 亿元,同比增长 83.4%,公司拟建 CNT 导电浆料项目超过 11000 吨,单壁碳纳米 管项目 450 吨,有望在 4680 电池中实现添加。以上项目将有效保障公司面对下游需求的供应 能力。

  集中服务优质客户,海外市场有望放量。公司客户涵盖 CATL、ATL 比亚迪、中航锂 电、孚能科技、欣旺达等国内一流锂电池生产企业。2019 年以来,公司前五大客户销售金额 占当期收入的比例约 60%左右,集中度相对较高。在海外市场方面,目前公司已经和日韩知 名动力锂电池企业共同开发碳纳米管导电浆料在硅基负极中的应用,并且测试情况良好,预 计未来将实现大批量供货。在海外市场逐步打开,销售有望放量的情况下,未来公司营收增 速预计将会继续提高。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)