4680大圆柱专题报告（一）：全极耳助力圆柱电池再起航，硅基负极蓄势待发

4680大圆柱专题报告（一）：全极耳助力 圆柱电池再起航，硅基负极蓄势待发 2022年10月15日 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 张鹏电力设备与新能源行业分析师 执业编号：S1500522020001 联系电话：18373169614 邮箱：zhangpeng1@cindasc.com 武浩电力设备与新能源行业首席分析 师 执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711 邮箱：wuhao@cindasc.com 看好 上次评级 看好 投资评级 电力设备与新能源 证券研究报告 行业专题研究 全极耳助力圆柱电池再起航，硅基负极蓄势待发 2022年10月15日 本期核心观点 4680大圆柱性能提升显著。1）特斯拉4680大圆柱电池配合高镍正极、全极耳、高硅负极、干法电极、CTC等革命性技术，相比21700最终电池成本降低56%，续航里程提升54%，单位设备投资强度下降69%；2）提升能量密度+成组效率+空间利用率，特斯拉Model3的21700圆柱电池相较原来ModelS的18650圆柱电池单体容量提升35%，能量密度提升20%以上，此外圆柱电芯直径变大后，空间利用率提高；3）降低BMS难度，圆柱电池单体容量较小，因此整车需要圆柱电池数量较多，如特斯拉modelY采用18650需要7000+个，21700需要4000+个，4680仅需960个，电芯数量减少的同时也降低了BMS的难度。我们认为特斯拉主导大圆柱电池，带动多家整车厂入场，我们预计2025年46系大圆柱渗透率接近20%，需求量有望达到283.95GWh，接近21年全年动力电池装机量，年复合增速超过280%。 全极耳设计，倍率+安全性能双提升，助力圆柱电池再起航。在工艺方面，全极耳设计对涂布、分切、卷绕等工艺要求更加严格，增加了焊接量，新增了揉平工艺。在性能方面，特斯拉4680电池采用的无极耳设计缩短了极耳传导距离，全极耳设计的电流传输最大距离是电极的高度而非长度，电极高度通常是电极长度的5%-20%，因此电阻相较单极耳减少了5-20倍，从而提高了传输效率，提高了电池的倍率性能。且全极耳在电池内部没有集中发热点，热在内部均匀分布，相比单极耳倍率性能和安全性能更佳。我们认为，全极耳设计可以提升锂电池续航里程，降低电池成本，或将拉动圆柱电池装机量。 4680引领材料变革，加速硅基负极产业化进程。在用户日益追求高能量密度的情形下，潜力巨大硅基负极逐步成为一种选择。4680作为特斯拉新一代电池，使用硅基负极，未来放量后或将带动整体硅基负极需求量，并拉动圆柱电池和其他厂商的应用布局，加速硅基负极的产业化进程，硅基负极性价比或将在不久的将来得到大幅提升。在使用量上，我们预计硅基负极掺杂比例将逐年提升，硅基负极需求2025年将达23.1万吨；此外，硅基负极提升或将带动单壁碳纳米管渗透需求。 投资建议：4680大圆柱性能提升明显，带动多家整车厂入场，电池厂商纷纷跟进，量产在即。在材料方面，4680引领材料变革，推动硅基负极产业进程加速，而硅基负极的加速将带动单壁碳纳米管渗透。建议关注杉杉股份、天奈科技、科达利、亿纬锂能、宁德时代。 风险因素：疫情导致产业链需求不及预期风险；技术路线变化风险；原材料价格波动风险；市场竞争加剧风险等。 目录 一、4680大圆柱性能提升显著，特斯拉躬身入局引爆需求5 二、4680全极耳设计，倍率+安全双提升11 三、4680引领材料变革，硅基负极产业化进程加速17 3.1硅基负极潜力巨大，产业化应用逐步成熟17 3.24680推动硅基负极产业布局加速21 3.3适配硅基负极，碳纳米管渗透率或将提升24 四、推荐标的26 4.1杉杉股份：硅基龙头企业26 4.2天奈科技：硅基负极拉动单壁碳纳米管需求，龙头企业有望受益26 4.3亿纬锂能：锂电池集大成者，圆柱突围蓄势待发27 4.4宁德时代：龙头地位稳固，全球化布局彰显王者之气27 五、风险因素28 图表目录 图表1：不同形状三元电池对比6 图表2：不同尺寸圆柱电池对比6 图表3：圆柱电池对续航和成本的影响7 图表4：特斯拉4680大圆柱电池性能提升显著7 图表5：整车厂4680布局情况8 图表6：全球46系大圆柱电池需求测算8 图表7：电池厂4680布局情况9 图表8：亿纬锂能大圆柱电池性能9 图表9：亿纬锂能大圆柱电池的高效率制造9 图表10：比克电池46系大圆柱电池产品9 图表11：干法电极和湿法电极对比10 图表12：干法电极和湿法电极对电池倍率性能的影响10 图表13：特斯拉4680全极耳结构示意图11 图表14：单极耳、多极耳、全极耳对比示意图11 图表15：不同尺寸圆柱电池电阻对比12 图表16：特斯拉2170电池与4680电池快充性能对比12 图表17：单极耳与全极耳热分布12 图表18：国内极耳设计演变13 图表19：国内全极耳专利申请数量13 图表20：国内全极耳专利申请排行13 图表21：全极耳制造工艺14 图表22：特斯拉4680电池横切面图表15 图表23：亿纬锂能极片切割线分布15 图表24：特斯拉大圆柱极耳折边工艺15 图表25：46系列圆柱全极耳电芯自动装配线15 图表26：特斯拉4680电池整体结构16 图表27：特斯拉4680电池集流盘横截面图16 图表28：2016-2020动力电池单体及系统能量密度变化趋势（元/Kh）17 图表29：石墨与硅单质性能对比17 图表30：不同形貌的锂沉积图18 图表31：锂枝晶刺破隔膜示意图18 图表32：石墨负极与硅基负极对比18 图表33：硅薄膜和颗粒在循环过程中容易粉碎19 图表34：SEI膜重复生长，不断消耗电解液19 图表35：硅基负极体积膨胀效应解决方案20 图表36：硅基路线分为硅氧和硅碳两类20 图表37：硅氧负极和硅碳材料优劣势对比21 图表38：硅基负极下游应用情况22 图表39：硅基负极扩产情况22 图表40：各负极厂家产品性能对比23 图表41：中国历年硅基负极出货量（万吨）23 图表42：全球硅基负极需求预测（万吨）23 图表43：全球硅基负极需求测算24 图表44：不同导电剂电池材料的接触方式24 图表45：CNT工作原理24 图表46：添加TUBALL单壁碳纳米管可以提升硅基负极循环性能25 图表47：2021国内负极材料企业市占率26 图表48：2021国内人造石墨负极材料产量排名26 图表49：2021年国内碳纳米管导电浆料市场格局27 与市场不同的观点 4680大圆柱性能提升显著，我们认为特斯拉主导带动多家整车厂入场，我们预计4680大圆柱的渗透率或将在23年左右进入快速放量期。同时，4680对能量密度的追求也带动多项工艺和材料端的变化，如硅基负极及单壁碳纳米管的应用，而随着4680圆柱电池量产和电池厂的跟进，或将加速硅基等材料的产业布局，我们认为随着硅基负极、碳纳米管在动力电池领域渗透加速，未来产业化和规模化将降低售价，叠加中游材料厂让利等因素，相关材料负极性价比将逐渐提升。 一、4680大圆柱性能提升显著，特斯拉躬身入局引爆需求 圆柱电池工艺最为成熟，防热扩散上亦有优势。按照封装方式不同，可以将锂离子电池分为圆柱、方形和软包，三种电池的组成要素区别不大，核心差异在于圆柱和方形电池采用了金属材料作为外壳，而软包电池采用了铝塑膜作为外壳。此外，在制造工艺上，圆柱和方形电池常采用卷绕的制造工艺，而软包电池常采用叠片的制造工艺。圆柱电池生产工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资成本、产品一致性等方面都有一定优势，例如在良品率方面松下的21700圆柱电池能够达到99%以上，远高于方形电池目前90%的水平。另外在安全性方面，圆柱电池单体容量低，单个电池热失控释放的能量小，且圆柱电池的弧形表面使得电芯之间的接触为线接触，相比于方形和软包的面接触，在一定程度上限制了电池之间的热传递，从而更不易引起热蔓延。 图表1：不同形状三元电池对比 三元软包 三元方形 三元圆柱 壳体 铝塑膜 钢壳或铝壳 钢壳或铝壳 制造工艺 叠片 卷绕 卷绕 平均能量密度（Wh/kg） 260 240 250 工作电压（V） 3.71 3.71 3.65 单体容量（Ah） 30-80 100-300 3.5-24 循环寿命（次） 1500 2000 1500 成组效率 70% 75% 65% 安全性 好 差 中 生产效率 低 中 高 标准化程度 低 低 高 一致性 低 低 高 资料来源：孚能科技招股书，电动知家，信达证券研发中心 圆柱尺寸增加能够提升能量密度和成组效率，降低系统成本和BMS难度。圆柱电池按尺寸大小可分为各种型号，如常见的18650即直径18mm，高65mm的圆柱电池，此外还有常见型号21700、4680。随着尺寸的变大，圆柱电池性能也会发生改变：1）提高能量密度，特斯拉Model3的 21700圆柱电池相较原来ModelS的18650圆柱电池单体容量提升35%，能量密度提升20%以上。2）提高成组效率，圆柱电芯直径变大后，电池支架板和集流片孔变大，相应重量减轻，电池系统中电芯数量减少，同时焊接配件的数量也相应减少，提高了空间利用率。3）降低系统成本，随着单体电芯容量增大，辅助结构件比例降低，将会降低PACK成本，如21700电池相较18650电池系统成本降低了9%，而特斯拉4680电池成本相比21700更是下降了14%。4）降低BMS难度，圆柱电池单体容量较小，因此整车需要圆柱电池数量较大，如特斯拉modelY采用18650需要7000+个，21700需要4000+个，4680需要960个，电芯数量减少的同时也降低了BMS的难度。 图表2：不同尺寸圆柱电池对比 型号 电池规格 电池容量 能量密度 4680 直径46mm*长度80mm 22Ah 284.4Wh/kg 21700 直径21mm*长度70mm 4Ah 254Wh/kg 18650 直径18mm*长度65mm 2.65Ah 211Wh/kg 资料来源：电池中国，车知知，电车测试等，信达证券研发中心 特斯拉4680大圆柱电池尺寸更为适宜，性能提升更为显著。圆柱电池尺寸增大虽然能够减少整 车电芯节数，降低BMS难度，但是从直径46mm开始，整车的续航开始下降，同时降本的边际效益趋缓，因此从提高续航和降低成本的角度，直径46mm是圆柱电池的黄金尺寸。而在高度方面，宝马采用的是4695方案，高度虽不及直径对性能的影响程度，但高度增加会提升径向散热难度， 同时会增厚底盘厚度，影响设计美感和风阻。特斯拉4680大圆柱电池配合高镍正极、全极耳、高硅负极、干法电极、CTC等革命性技术，最终电池成本有望降低56%，续航里程提升54%，单位产能设备投资额下降69%。 图表3：圆柱电池对续航和成本的影响 资料来源：42号车库，信达证券研发中心 图表4：特斯拉4680大圆柱电池性能提升显著 资料来源：华起睿智新能源，信达证券研发中心 特斯拉主导大圆柱电池，带动多家整车厂入场，我们预计25年大圆柱电池需求量有望超过 280GWh。目前46系大圆柱电池最主要的推动者还是特斯拉，按照特斯拉计划，得州超级工厂产出的ModelY将搭载4680电池，一季度末将开启交付，预计到2022年年底，特斯拉4680电池产能将达到每年100GWh，2030年达到3TWh。宝马4695电池有望在2024年量产，或许会成为 宝马未来纯电平台NeueKlasse的主力电池。此外，蔚来、江淮、保时捷、东风岚图等多家整车厂也明确表示旗下车型会搭载4680大圆柱电池。我们预计2025年46系大圆柱渗透率接近20%，需求量有望达到283.95GWh，接近21年全年动力电池装机量，年复合增速超过280%。 图表5：整车厂4680布局情况 企业布局 特斯拉 特斯拉已规划在美国加利福尼亚州、德克萨斯州、内华达州以及德国柏林的四个超级工厂自产