电气设备行业专题研究：4680：特斯拉引领，高确定性赛道

电气设备行业专题研究 / 4680：特斯拉引领，高确定性赛道 挖掘价值投资成长 / 2023年11月29日 【投资要点】 4680大圆柱带来全新电池概念，在采用无极耳、硅碳负极等新材料与新技术下，其电芯能量提升5倍，输出功率提升6倍；同时可以让电动车续航提升54%，每千瓦时电池价格下降56%，生产成本降低69%。4680缓解了传统圆柱电池的劣势，单体容量提升，所需电池数量减少，BMS控制的难度降低，叠加材料创新和工艺创新，可以显著降低整车成本。 特斯拉4680电池进入产能放大期，多主流车厂/电池厂跟进。特斯拉对4680电池产能规划已达221GWh，23年10月，特斯拉德克萨斯州超级工厂已生产出第2000万颗4680电芯。此外，宝马、蔚来、松下、三星SDI、宁德时代、亿纬锂能等国内外主流企业纷纷布局4680电池。 4680带来主辅材多个环节的新机遇。4680搭配高镍三元可以充分发挥二者能量密度高和热稳定性好的优势；大圆柱电池对硅基材料膨胀率的容忍度进一步提高，硅碳负极和高镍的配合使用将使4680圆柱电池能量密度更具优势；从材料特性来看，相较传统锂盐LiPF6，LiFSI具备更高的分解温度，更强的化学与热稳定性，更适合搭配了高镍三元的4680大圆柱电池；4680电池标准化与规模化效应显著，装机量的高增将带动电池壳需求的增长，同时，4680对电池壳体的硬度有更高的要求，预镀镍优势明显，有望国产替代；得益于4680大圆柱的极耳数量增加，激光切割工序倍增，激光焊接难度提升，整体造价提升，极耳揉平工序也面临更多难点，有望拉动相关设备需求。 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 联系人：李京波电话：13127673698 相对指数表现 12.54% 5.03% -2.47% -9.98% -17.48% -24.99%11/291/293/295/297/299/29 电气设备沪深300 相关研究 《风光运营商：拨云见日，成长+防御属性凸显》 2023.11.21 《氢能系列专题二：储运：承上启下，氢能规模化应用的关键环节》 2023.11.13 《4680量产在即，相关设备有望放量》 【配置建议】 4680带来主辅材多个环节变化： 建议关注：东山精密（结构件）、东方电热（预镀镍国产替代）、联赢激光（激光焊接）、科达利（结构件）、容百科技（高镍）、宁波精达（成型设备）、当升科技（高镍）、天赐材料（电解液）、贝特瑞（负极）、宁波方正（结构件）、天奈科技（导电剂）、海目星（激光切割）、逸飞激光（极耳揉平）。 【风险提示】 新能源汽车销量不及预期 4680量产不及预期 竞争格局恶化 2023.10.20 《固态电池专题研究：产业链初步成形，产业化稳步推进》 2023.10.16 《IEA发布《全球氢能评论2023》，行业加速发展》 2023.09.27 行业研究 电气设备 证券研究报告 正文目录 1.4680带来全新电池概念4 1.1.传统圆柱电池单体容量低，BMS管控难度高4 1.2.4680大圆柱缓解传统圆柱电池劣势4 1.3.无极耳技术：降低电阻，兼顾性能与安全5 1.4.干电极技术：降本增效能量高，适配更多电池体系8 2.大圆柱大势所趋，46800全方位领先217009 2.1.对比方形：大圆柱或是终极电池方向9 2.2.对比2170：4680全方位领先11 3.进度和空间：特斯拉领先，其他主机厂跟进13 3.1.特斯拉布局：产能规划逐步兑现13 3.2.其他企业先后跟进布局大圆柱14 4.投资建议：4680产业链15 4.1.预镀镍：东方电热16 4.2.三元正极：容百科技&当升科技16 4.3.硅碳负极：贝特瑞17 4.4.碳纳米管：天奈科技18 4.5.电解液：天赐材料18 4.6.结构件：科达利+东山精密+宁波方正+宁波精达19 4.7.激光切割：海目星20 4.8.激光焊接：联赢激光20 4.9.极耳揉平：逸飞激光21 5.风险提示22 图表目录 图表1：传统方形、圆柱型、软包电池性能比较4 图表2：4680电池性能优异5 图表3：46mm是性能和成本权衡下的最优选择5 图表4：传统电池的果冻卷设计5 图表5：极耳的作用是将电芯从正负极引导出来5 图表6：电子需要穿过电池，流向极耳6 图表7：有极耳电池快充时间随尺寸增大明显增长6 图表8：新型无极耳技术，减少电极组件6 图表9：全极耳圆柱电池组装工艺6 图表10：全极耳技术减少传导距离7 图表11：全极耳电池热量产生更少7 图表12：全极耳电池的平均温度更低7 图表13：电池尺寸变化带来14%的成本降低8 图表14：湿法工艺与干法工艺流程8 图表15：大圆柱电池隐约成为终极电池技术方向10 图表16：模组级实验：明火未扩散至其他电池10 图表17：系统级实验：无明火10 图表18：2170与4680性能对比（单体）11 图表19：4680显著降低单车电池数量12 图表20：特斯拉4680多方位降本56%12 图表21：Terafactory产能规模达1TWh13 图表22：德州工厂生产出第2000万个4680电池13 图表23：特斯拉4680电池的生产现状（部分）13 图表24：大圆柱电池产能规划（不完全统计）14 图表25：4680受益环节及公司15 图表26：特斯拉硅碳负极技术提升20%续航18 图表27：硅膨胀解决方案：纳米化与表面包裹18 图表28：锂盐性能对比19 图表29：4680产业链重点关注公司21 1.4680带来全新电池概念 1.1.传统圆柱电池单体容量低，BMS管控难度高 按照封装技术路线不同，电池主要有方形、圆柱、软包三种形状。根据高工锂电，2023H1国内动力电池中方形、圆柱、软包出货量分别为133.6、4.9、4.2GWh，占比分别为93.6%、3.4%、2.9%。不同的封装技术在使用性能上具有各自优劣势：方形电池在成组效率上表现突出，在应对高膨胀化学体系（如硅碳负极、天然石墨）方面不如圆柱；软包电池在安全性、设计灵活性、循环寿命以及充放电倍率等方面性能好，但一致性不佳，容易发生漏液。 传统圆柱型电池：优势：工艺成熟，PACK成本较低，电池产品良率以及电池组一致性较高，并且由于电池组散热面积大，其散热性能较好。劣势：单体电池容量低，单车电池数量较高（一辆modelY需约4416颗21700电池），BMS难度较大；圆柱电池由于圆弧状的切面，模组的空间利用率较差，因此模组体积能量密度较小。 图表1：传统方形、圆柱型、软包电池性能比较 性能 方形电池 圆柱型电池 软包电池 较好 好 较差 较好 好 较差 较好 好 较差 安全性 √ √ √ 一致性 √ √ √ 设计灵活性 √ √ √ 循环寿命 √ √ √ 充放电倍率 √ √ √ 成组效率 √ √ √ 资料来源：东莞市钜大电子有限公司官网，锂电派公众号，高工锂电公众号，中国投融资公众号，东方财富证券研究所 1.2.4680大圆柱缓解传统圆柱电池劣势 4680大圆柱带来全新电池概念。2020年9月，特斯拉在超级电池日上发布了第三代4680电芯，直径46mm、高度80mm，其中，46mm是在遍历所有关键指标，研究电池外径对成本的影响下，所发现的成本最小的电池外径。4680在采用无极耳、硅碳负极等新材料与新技术下，其电芯能量提升5倍，输出功率提升6倍；同时可以让电动车续航提升54%，每千瓦时电池价格下降56%，生产成本降低69%。 4680缓解了传统圆柱电池的劣势。一方面，4680单体电芯容量提升，带来能量密度的增加，缓解了圆柱体积能量密度低的劣势。另一方面，随着体积和能量密度的增加，单体容量提升，所需电池数量减少，BMS控制的难度降低。假定一块电池的失效率是0.1ppm，同样长续航的ModelY电池组合格率分别是95.68%&99.20%。电池组的失效概率将明显降低。电池数量的减少，BMS中采样芯片的数量也会大大降低，降低BMS的硬件成本。 4680的出现重新定义圆柱电池，将带动正极材料、负极材料、封装技术以及结构件等领域的全面突破，带动全产业链技术革新。 图表2：4680电池性能优异图表3：46mm是性能和成本权衡下的最优选择 资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所 1.3.无极耳技术：降低电阻，兼顾性能与安全 极耳是锂离子电池组件之一。作用是将电子从正负极的极片中引导出来，即电池正负极在充放电时的接触点，类似于电气中的导线。极耳分为三种材料：电池的正极使用铝（Al）材料、负极使用镍（Ni）材料和铜镀镍（Ni-Cu）材料。它们都是由极片和金属带两部分组成，金属带是有铝箔（正极）和铜箔（负极）通过分切出来，类似耳朵形状的引脚。 图表4：传统电池的果冻卷设计图表5：极耳的作用是将电芯从正负极引导出来 资料来源：特斯拉电池日，Youtube，东方财富证券研究所资料来源：特斯拉电池日，Youtube，东方财富证券研究所 尺寸给圆柱电池带来的直接影响是散热问题：电子在电池内部运动过程中，需要横穿整个电芯，到达极耳，因此随电池尺寸增加，路径变长，电阻增大。在大电流充电条件下，极片会产生大量热量，导致电芯内部热量不均衡，加速电池内部有机质分解，导致电池寿命下降，同时会产生安全隐患。特斯拉经过测算，随电池尺寸增加，传统极耳电池的快充时间将明显增长。 图表6：电子需要穿过电池，流向极耳图表7：有极耳电池快充时间随尺寸增大明显增长 资料来源：特斯拉电池日，Youtube，东方财富证券研究所资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所 特斯拉4680推出无极耳技术（全极耳技术）。通过在电极端镀上导电材料，使正负极集流体可以直接与盖板、壳体连接，实现电流在电极集流体、盖板、壳体之间传导，大大减少了电子的传输路径。 无极耳技术是4680圆柱电池的关键技术，根据国轩高科发布的专利《一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺》，顺次包括以下工序：揉平、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、周边焊和氦检。其中核心环节为集流盘焊接，相较传统的极耳点焊，全极耳面焊的焊接工序和焊接量都变多，需要对激光强度与焦距完成精细的控制，是决定电池良率的关键步骤。 图表8：新型无极耳技术，减少电极组件图表9：全极耳圆柱电池组装工艺 揉平 周边焊 氦检 包胶 合盖 入壳 集流盘焊接 资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所资料来源：国家知识产权局，国轩高科《一种全极耳圆柱锂离子电池自 动化组装工艺》，东方财富证券研究所 无极耳优势1：减小电阻。根据公式：�=��，电路的电阻与材料的长度 � 成正比，与横截面积呈反比。因此，无极耳技术下的电池内阻横截面积增大，电流传导面积增大，电流传导距离缩短，可降低内阻近10倍。 以18650和21700作为对比，传统18650电池卷绕长度是800mm，极耳从集流体上把电导出来长度为800mm，相当于电流传导距离为800mm，电阻约20mΩ，21700电池卷绕长度约是1000mm，电阻约23mΩ，而4680全极耳电池把整个集流体作为极耳，电流从沿极耳到集流盘的横向传输变为集流体纵向传输，整个导电距离由800～1000mm变成了80mm（约电池高度），电阻降 至2mΩ，电阻减小了近10倍。 图表10：全极耳技术减少传导距离 资料来源：《动力电池4680全极耳技术扫描》（《汽车工艺师》，2022（Z1）），东方财富证券研究所 无极耳优势2：解决散热问题。根据公式�=𝐼2𝑅，随电池内阻减小，欧姆热可显著减小，电池电量的能量利用效率更高，续航里程更好。根据实验数据，当电池在1C强度下放电60秒，单极耳电池的放热量接近6000J，其中铝箔和铜箔贡献部分热量，全极耳电池中铜箔和铝箔的内阻更小，产热量极少，总放热量约4200J