1. 簡介

1.1. 定義

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4680電池為特斯拉推出的直徑為46mm，高度為80mm的新一代圓柱電池。

圖：4680電池展示圖

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對于電池來講，能量密度提升時，功率密度會下降，直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優選擇。

圖：圓柱電池尺寸與性能變化

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1.2. ?核心創新

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大電芯+全極耳+干電池技術

1.3. ?性能突破

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4680電池大幅提升了電池功率（6倍于2170電池），降低了電池成本（14%于2170電池），優化了散熱性能、生產效率、充電速度，能量密度、循環性能有進一步的提升空間。

2. 結構改變

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2.1. 全極耳

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4680電池通過極耳結構的改變，大幅提升了電池功率、優化了散熱性能、生產效率、充電速度。

2.1.1. 全極耳結構

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極耳：從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，是電池充放電時的接觸點。在電池工作中，電子從正極極耳流向負極極耳，其流經路徑與電池內阻成正比，流經寬度與電池內阻成反比，而電池內部損耗功率與內阻的平方成正比，因此極耳接觸面積越大，極耳間距越短，電池輸出功率越高。

傳統電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池實現了全極耳（直接從正極/負極上剪出極耳），從而大大增加了電流通路，并縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率。

2.1.2. 全極耳優勢

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1、提升了輸出功率：電池電流通路變寬，且內阻大幅減少，內部損耗隨之降低，進而大幅提升了電池功率（6倍于2170電池）。

2、提升安全性：圓柱電池與片狀電池不同，其散熱為軸向居多，熱量從極耳出散出。傳統圓柱電池如2170只有兩個極耳，熱量傳輸通道窄，因此散熱效果不好。4680電池極耳面積大大增加，熱量傳輸通道寬闊，大大改善了散熱效果（只有傳統圓柱電池的20%），增強了電池的熱穩定性。

3、快充性能大幅提升：由于全極耳結構，電子更容易在電池內部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。

4、提高生產效率：消除生產線添加極耳的流程和時間，節省設備空間，減少出現制造缺陷的可能。

2.1.3. 全極耳工藝難點

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1、全極耳制作中，極耳的收集問題：通俗的理解就是把極耳折在一起的工藝，目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種：

1）揉壓極耳的極耳形態不受控，容易發生短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大；

2）切跌極耳（Tesla）斜切成片卷起，比無規則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大，制造時兩段仍封閉，注液不能連續生產；

3）多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。

2、全極耳與集流盤或殼體連接中，對激光焊接技術要求較高：從點焊（傳統兩個極耳）到面焊（4680電池全極耳），焊接工序和焊接量都變多，激光強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊，目前電池良率較低（80%）。

圖 Tesla切跌極耳成品

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2.1.4. 全極耳帶來的機遇

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從以往2170電池的脈沖激光器點焊，到目前4680電池線或激光點陣，激光焊接工藝提升，可能會從原來的脈沖激光器變為連續激光器，整體造價增加。

2.2. 大電芯

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2.2.1. 性能表現

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4680電池較之前2170電池在直徑和高度上具有提升，直徑從27mm變為46mm，高度從70mm變為80mm，電芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大。

2.2.2. 尺寸變大優勢

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1、降低電池成本：降低殼體在單位電池容量上的占比，結構件和焊接數量也顯著減少（成本相比2170電池降低14%）。

2、提升能力密度：隨著電池尺寸增大，電池組中電池數量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。

3、bms系統更加省心：電池組中電池數量減少，對于電池的監測和狀態分析更為簡單。

4、結構強度增加，與CTC技術完美結合：4680尺寸更大結構強度更高，其作為結構電池成為車結構的一部分，既提供能源，也用作結構起支撐作用，節省了空間也減少了重量（10%），因此提升了續航里程（14%）。

2.2.3. 尺寸變大劣勢

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增加發熱量：電池尺寸越大，發熱越多，散熱越難，因此熱量控制更困難，電池爆炸產生的威力越大，為之前電池廠商想增加電池尺寸的最大瓶頸，Tesla通過全極耳技術進行了熱穩定性能的突破。

2.2.4. 實際性能表現

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隨著電池尺寸增大，電池組中電池數量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。與2170電池相比，4680電池能量方面提高了5倍，目前續航里程的提升（16%）主要來自CTC技術（14%），隨著材料體系的不斷升級，電池能量密度有進一步提升空間。

3. 干電池技術

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干電極技術可同時用在正負極上。

3.1. 傳統濕法工藝

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需要將材料放置溶液中，再進行干燥和壓成膜：使用有粘合劑材料的溶劑，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一種常見溶劑，將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后，將漿料涂在電極集電體上并干燥，其中溶劑有毒需回收，進行純化和再利用，中間需要巨大、昂貴且復雜的電極涂覆機器。

3.2. 干電池工藝

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干電極工藝徹底跳過加入溶液步驟，可省略繁復的涂覆，烘干等工藝，大幅簡化生產流程：將活躍的正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纖維化，直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，制備出正負極片。

圖：Tesla干電池工藝展示

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3.3. 干電池優勢

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1、工藝簡單，節省成本：不采用溶劑，省去了昂貴的涂覆機。

2、提升生產效率：干電極技術使生產速度提升至以前的七倍。

3、增加電池能量密度：有溶劑的情況下，鋰與混有鋰金屬的碳不能很好的彼此融合，有第一次循環容量損失問題，干電池技術會大大改善這種問題，從而提升電池能量密度。同時增加正極材料厚度，從55μm提升至60μm 提升活躍電極材料比，使能量密度提升5%同時，保證功率密度。

3.4. 干電池工藝難點

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目前工藝不成熟，電池要做厚，圓柱要卷起來，容易開裂。

4. 硅負極

4.1. 優勢

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1、理論能量密度更高：石墨負極理論最大電池容量372Wh/kg，硅負極理論最大電池容量可達4200Wh/kg。

2、安全性更好：硅的電壓平臺比石墨高，現在負極石墨都會產生鋰枝晶，是因為它們的電壓平臺接近鋰的析出電位，支晶刺破隔膜，正負極將發生短路，嚴重威脅電池安全。

3、成本更低：硅材料來源廣，儲量豐富，制作成本較低，對環境友好 。采用硅負極材料的鋰離子電池的質量能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%。

4.2. 劣勢

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1、循環性能差：嵌鋰后體積膨脹，石墨在鋰離子嵌入后體積無明顯膨脹情況，但硅在鋰離子嵌入后體積膨脹四倍以上，來回幾次膨脹收縮后電池就報廢了。

2、導電性差：硅的低電導性限制其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能；體積變化使活性物質與導電劑粘結劑接觸差，導電性下降；硅表面的SEI膜厚且不均勻，影響導電性與電池整體比能量。

4.3. 4680電池創新設計

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Tesla對原材料重新設計，采取高彈性材料，并通過增加彈性的離子聚合物涂層，可以穩定硅表面結構，并使成本降低5%。

圖：Tesla硅負極工藝原理

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4.4. 硅碳負極為硅負極的發展方向

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電池企業積極應用硅碳負極：硅碳負極目前主要應用于圓柱電池，寧德時代、力神電池、國軒高科與普萊德等動力電池廠商高比容量電池方案中，硅碳負極為明確發展方向。

硅碳負極研發生產提速：國外硅碳產業化較為領先，國內廠商正積極追趕，目前國內負極廠商已擴大硅碳負極投入，貝特瑞、杉杉、國軒高科、正拓能源可實現量產。其中貝特瑞硅碳負極供給松下動力電池，進入特斯拉產業鏈。部分電池企業如CATL、比亞迪、國軒高科、比克和天津力神等企業均在硅碳積極布局。

硅碳電池是高能量密度發展的必然趨勢，隨技術瓶頸的克服與終端客戶接受度提升，硅碳將成本下降，實現大規模量產， CNCET預計23年我國硅碳負極材料產量及消費量將達到6萬噸，未來硅碳負極市場前景巨大。

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5. 正極

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不同的電極用在不同的產品上，鐵鋰版的4680會用在低續航的車型和能源儲蓄電池，主打更多循環次數；鎳錳鋰4680電池用在中等續航的車型和家用電池上；高鎳4680電池用在cybertruck和Semi上。

Tesla正極材料主打高鎳無鈷化方向，但沒有提出與主流路線之外的創新：使用NCA單晶路線，通過提升電壓來提升能量密度，材料熱穩定性媲美磷酸鐵鋰。

5.1. NCA

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三元正極材料路線一般分為兩條：

1）Tesla采取的NCA（鎳鈷鋁）；2）NCM（鎳鈷錳），比如寧德時代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

圖：NCM與NCA區別

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正極材料中元素的作用為：

鎳：提升電池能量密度，降低電池成本。是電池提升續航的關鍵。

鈷：作為正極支架結構堅固，但價格昂貴，并對環境造成污染。

錳、鋁：提高材料的導熱性，是熱穩定性，更安全的關鍵。

鐵：鎳的替代材料，能量密度不高，但價格便宜，充放電次數更高。

相比與NCM，NCA的能量密度更大，工藝要求也更高，但安全性差些。Tesla提高鎳的含量，降低鈷的含量，從而提升能量密度，降低成本。

圖：NCM中鈷含量在逐漸降低

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5.2. 單晶化

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與提高鎳元素來提高能量密度不同，單晶化是通過提高正極材料的電壓來提升能量密度：單晶材料相對于傳統的多晶材料更適合做高電壓，沒有晶界，可提升三元電池的熱穩定性和循環性能。

圖：單晶化正極鎳含量

圖：單晶化提升電池循環性能

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以5系為代表高電壓單晶材料鎳55電池，只采用了和NCM523相同的鎳含量，就可實現NCM811的能量密度，并且有更突出的材料方面的熱穩定性，成本比NCM811更低。

圖：鎳55電池和NCM系電池成分對比

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5.3. 4680電池正極趨勢

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4680電池實際有三種不同的正極材料：鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳。

圖：三種4680電池（鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳）運用產品

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5.3.1. 4680電池目前以高鎳方向為主

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4680高鎳版為Tesla目前主要方向，未來用在高續航的Cyber truck和Semi上，同時長續航和高性能版本的Model 3和Model Y也可使用。

5.3.2. 4680電池鎳錳版將緊跟高鎳版

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在4680高鎳版技術成熟后，將研發4680鎳錳版，將應用在中等續航Model Y及家用電池等產品上。

5.3.3. 4680電池未來也有可能使用鐵鋰正極

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4680電池也有可能使用鐵鋰正極：Tesla電池發布會中，并未提及其循環性能，因為硅基陽極體積膨脹降低充放電次數，在鎳錳版4680電池技術成熟后，鐵鋰版的4680電池大概率也可推出，應用于低價車型、能源儲蓄電池中，主打高循環性能。

電池型號從高鎳版陸續到鎳錳版最后到鐵鋰版的4680電池逐漸發展，會拉動相關材料的需求。

6. 產業化進度

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1、特斯拉在2020年率先發布，計劃在2022年年底達100GWh的4680電池產能，2030年達3TWh。

2、億緯鋰能在大圓柱電池方面布局較為領先，2021年已生產出4680和4695成品，并獲得下游車企認可。此次規劃的20GWh乘用車用大圓柱電池產能預計在2023年開始量產。

3、松下計劃2022年3月在日本開始試生產4680電池，4680電池產品開發的技術目標已基本實現，但大規模量產仍存在技術門檻。

4、LG、三星、寧德、比克、蜂巢等電池企業也在研發中，大圓柱電池的應用會進一步推動高鎳材料的發展。

7. 結論

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4680電池核心創新工藝為：大電芯+全極耳+干電池技術，增強了電池功率與安全性，提升了生產效率、快充性能，降低了電池成本，能量密度、循環性能有進一步的提升空間。目前技術難點在于全極耳的制作和焊接、干電極工藝。4680電池率先應用于高鎳體系，預計22年上半年特斯拉及松下開始量產，將帶動高鎳正極+硅碳負極+碳納米管導電劑+大圓柱結構件+新型鋰鹽需求，對應龍頭將受益；國內大圓柱電池億緯布局領先，擬投20gwh產能，預計將于23年放量。

本文來源：東吳證券

原文始發于微信公眾號（鋰電產業通）：4680電池核心創新！！！