4680大圆柱：高端锂电池潜在方向，产业化发展加速
4680大圆柱电池通过结构创新与材料体系改进，提高电池安全性与能量密度，我们预计在特斯拉/松下/LG/亿纬等国内外厂商推动下有望迎来快速发展，最终有望在高端长续航电动车中占据一定市场份额。
摘要
圆柱电芯尺寸不断增大，4680有望成为圆柱电池尺寸最优解之一。从18650到21700电池，特斯拉是目前圆柱电池的最主要使用者。2020年特斯拉研究认为46mm是兼顾经济性和电池性能的最佳直径，并推出4680大圆柱电池。通过增大圆柱电池直径可实现更高的活性物质占比与更高能量密度，同时减少壳体用量并降低BMS管理难度，我们认为有望成为下一代圆柱电池发展方向。
无级耳技术创新提升电池安全性，兼容激进材料体系。圆柱电芯间为面接触，不易发生热失控传导，其结构相比方形软包电池具有天然的高安全性。另一方面，4680电池引入全极耳工艺，缩短电子流通路径，直接减小电芯内阻与产热量，且全极耳增加了散热通道，改善了散热效果，进一步增强电池的安全性。更高的安全性可兼容热稳定性较差的高镍正极、且圆柱形状的内力均匀性可更好适配硅基负极的高膨胀性，高镍+硅碳将助力4680圆柱电芯能量密度进一步提升，我们认为有望成为高端动力电池潜在发展方向。
4680电池产业化发展加速，推动新型材料放量。目前4680圆柱电池布局较领先的企业包括特斯拉、松下、LG、亿纬等，其中特斯拉在加州、德州工厂已开始量产4680电池，松下目前已启动中试线，其预计2023年启动量产，LG与亿纬等也均规划大规模产能推动量产，我们预期2023年有望成为4680电池放量元年。参考21700对18650电池替代节奏，我们预期2023年4680电池装机量有望超20GWh，2024年将超100GWh，终端整车厂应用也有望从特斯拉逐步渗透至宝马、戴姆勒等高端电动车厂商。同时，4680电池快速放量将带动新型材料需求高增：我们预计至2025年，高镍正极/硅碳负极/LiFSI/补锂剂/导电剂/PVDF需求量将分别达39.1/16.3/2.0/1.2/1.9/3.1万吨。
风险
4680电池产业化推进不及预期。
正文
4680电池：工艺和结构创新集大成者，产业变革正当时
复盘圆柱电池发展史：日韩主导，逐步向大容量发展
全球首款圆柱锂电池始于日本，日韩电池企业技术发展较成熟，特斯拉Roadster拉开其在电动车领域商业化的序幕，纵观圆柱电池发展简史，有三个重要节点：
►1991年，圆柱电池诞生，最初盛行于3C市场：1991年，日本索尼公司发明了18650圆柱电池，18为直径18mm，65为长度65mm，0指代圆柱形电池，该型号也是全球首批商用的锂离子电池。随着1990s全球3C、小家电市场快速发展，圆柱电池在日韩锂电企业中流行开来。相较锂离子电池，早期圆柱电池采用镍氢材料成本低且更安全，在丰田混动车上有所应用。
►2008年，特斯拉开启车用圆柱锂电池商业化时代：圆柱电池制作所采用的卷绕工艺是迄今为止发展最成熟、自动化程度最高、品质最为稳定的电池工艺之一，而日本企业在圆柱电池技术上积淀早而深，因此在2008年特斯拉的首款豪华轿跑车上市，便采用了松下的18650电池。2017年初，松下联合特斯拉推出更高效的2170锂电池装载在Model 3上，采用了NCA+硅碳方案，使得单体能量密度提升20%。
►2020年，4680推出，圆柱电池大型化更进一步：2020年9月特斯拉在电池日上公布4680电池，电池直径进一步增加到46mm，大尺寸电芯降低了pack系统管理难度，减少了电池包金属结构件及导电连接件成本，每kWh成本下降约14%。同时4680采用了激光雕刻的无极耳技术，无极耳结构使得电子运动距离大大缩短，内阻减少，让更安全、更高容量电芯成为可能，能量密度可达300Wh/kg。
图表：圆柱电池发展历程
资料来源：特斯拉官网，中金公司研究部
从出货结构上看，日韩企业主导全球圆柱电池市场，电动车是第一大应用场景。根据日本B3数据，2021年全球圆柱锂离子电池出货量达62.25亿支，同比增长27%。分企业来看，松下、LG和三星SDI三家日韩电池厂圆柱电池出货量占据全球80%份额，格局高度集中；分应用场景来看，电动车为第一大应用场景，占比43%，其次为电动工具（包含园艺工具）占比24%。
图表：圆柱电池出货量以日韩企业为主，松下市占率38%
资料来源：B3，中金公司研究部
图表：圆柱电池应用场景以电动车为主，占比43%
资料来源：B3，中金公司研究部
直径46mm是性能与经济性综合均衡的最佳结果，高度可做灵活调整。增大圆柱电池直径可实现：
►提升电芯活性物质占比，提升电池能量密度。
►在相同电池包能量下，可减少电芯数量，可减少壳体用量并降低生产成本，同时可降低BMS管理难度。
但大电芯将影响锂电池安全性与快充性能。更大的电池直径将直接增加电池内阻与电池发热，对电池热管理系统提出更高要求，同时更大的电芯容量也将影响锂电池倍率性能与快充效率。
因此特斯拉研究认为46mm是兼顾经济性和电池性能的最佳直径。高度方面则可根据车型需要做灵活调整，例如比克的46家族电池，具备从80~120mm不等的高度、宝马则选择4695尺寸锂电池。
图表：46mm是兼顾经济性和电池性能的最佳直径
资料来源：特斯拉官网，中金公司研究部
图表：比克大圆柱动力电池产品-46家族
资料来源：比克电池，中金公司研究部
全极耳+大尺寸，4680是电池工艺和结构创新的集大成者
相较于18650和2170，4680电池最大的创新是采用了无极耳结构，又称全极耳。极耳是从圆柱电芯中将正负极引出的金属导电体，主要成分为铝和铜，是电池进行充放电的接触点。锂电池中电子在正极耳与负极耳之间移动，其流径路径与内阻成正比，而内阻与电池内部损耗、发热正相关。因此，缩短电子流通路径可直接减小电芯内阻与产热量。
无级耳结构大幅降低锂电池内阻。4680的全极耳则是改变了原有的引出金属导体的极耳结构，利用整个集流体尾部作为极耳，设计成集流盘结构，电子流通路径从原来的电芯卷绕长度（2170电池卷绕长度约1000mm）变为锂电池高度（4680为80mm），流通路径大大缩短，并降低电池内阻。据《动力电池4680全极耳技术扫描》[1]估算，传统极耳的21700内阻约23mΩ，而无级耳结构的4680电池内阻仅2mΩ，实现内阻数量级降低。
图表：4680全极耳结构使得电子流通路径大大缩短
资料来源：智享新动力，中金公司研究部
无级耳结构带来电池安全性与性能提升：
►更低的产热量与更高的安全性：更低的内阻将在充放电时直接降低电池的产热量，提升电池的安全性。同时全极耳增加了散热通道，热量散发从原先的两极耳散热到全极耳更大面积散热，热量传输通道宽阔，改善了散热效果，进一步增强了电池的安全性。
►更高的输出功率与快充性能：由于电池内阻的减少，内部损耗降低，可带来更高的输出功率与更好的快充性能，在15分钟内可将电池电量从0充至80%，功率密度峰值可达1000W/kg以上。
图表：无级耳电芯产热量远低于传统极耳
资料来源：《Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection》[2]，中金公司研究部
图表：LG M50圆柱形电池不同极耳下放电一分钟后电池升温情况
资料来源：Shen Li, etc. “Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries” 2020，中金公司研究部
4680+高镍硅基+高电压+CTC协同应用
由于4680大圆柱结构、无级耳创新使得电芯整体安全系数大幅提升，我们认为高镍正极、硅基负极等高比容量的活性材料能更好发挥出4680电池的优势；同时圆柱电池高一致性的优势使4680电池更能适配800V高电压，解决电动车快充难题；结合圆柱电池较方形和软包电池更佳的结构支撑性，4680也将将推动CTC的产业变革。
为什么4680更适配高镍+硅基？1）硅基负极相比石墨负极具有更高的膨胀系数，圆柱电芯相比方形电芯内应力分布更均匀，不易造成内部材料损毁；2）方形或软包电芯间为面的接触，单体电芯热失控时易蔓延至周围电芯产生连锁反应，而圆柱电芯为线接触，可更好避免热失控传导；3）圆柱电池的劣势是成组效率较低（圆柱电池约70%，方形电池可达80%），因此圆柱电池想要实现和方形电池相同的能量密度必须在单体层面上使用更激进的方案，因此4680的结构与高镍+硅基负极相得益彰，更为适配。
为什么4680电池能更好的适配800V高电压？单个电芯的电压只有3-4V，想要实现更高的电压就需要串联更多的电芯，比如800V高压平台需要约200个电芯进行串联，而串联数越大对电芯一致性要求越高。相对于方形和软包的封装形式，圆柱电池在生产的标准化程度和单体一致性方面优势突出，能更好地适配800V高电压平台。
图表：三种电池封装形式指标对比
资料来源：华经产业研究院，中金公司研究部
为什么4680与CTC也有一定协同作用？CTC（Cell to Chassis）一体化设计中，取消电池了Pack设计，直接将电芯或模组安装在车身上，电池既是能源设备提供续航，也充当结构硬件来提供一定强度。相比方形和软包电芯，圆柱电芯所有单体的壳体都可以提供一定的结构刚性，在受到外部冲击时其蜂窝状结构可更好地防止形变影响电芯内部结构。空间方面，特斯拉取消了4680电池阵列上的电池盖板，电池上表面的零件与车身结构连接集成了座椅固定及车身横梁的功能，同时承担了电池的密封功能，因此节约了一层上盖板的设计，增加了空间利用率。制造成本方面，马斯克表示采用了CTC+一体化压铸技术后，可节省370个零部件，为车身减重10%，将每千瓦时的电池成本降低7%。
图表：特斯拉4680电芯+CTC方案
资料来源：特斯拉官网，中金公司研究部
综合来看，特斯拉通过独特的4680电芯结构、匹配高容量的硅负极和高镍材料、简化生产工艺和CTC方案等技术实现了多环节的协同效应，从而实现电池能量密度及续航里程大幅提升，单位成本及投资额大幅下降。根据特斯拉电池日公布的数据：相比于 2170，4680+高比容量正负极+CTC方案协同可将综合续航里程提升 54%，这其中电芯设计占 16%、负极材料 20%、正极材料 4%、电芯底盘集成占 14%。单位制造费用下降 56%，电芯设计占 14%、电芯工厂占 18%、负极材料 5%、正极材料占 12%、电芯底盘集成占 7%。
图表：高镍硅基+4680+CTC协同作用，可将综合续航里程提升54%
资料来源：特斯拉电池日，中金公司研究部
图表：高镍硅基+4680 +CTC协同作用，可使单位制造费用下降 56%
资料来源：特斯拉电池日，中金公司研究部
极耳焊接难度大，良品率持续提升
全极耳工艺创新带来电池生产过程中的众多工艺难点：1）分切环节：切叠法主要是是特斯拉采用的全极耳制作工艺，极耳在分切时需要斜切成片并叠起，使得表面起伏度较大，易造成极耳因接触程度不一致而导致内阻一致性差。2）注液环节：由于两端被极耳封闭，难以连续注液生产。3）揉平环节：揉平法是国内使用较多的一种全极耳方案，通过超声波或机械将极耳揉成端面。极耳在揉平过程中容易产生金属碎屑，导致电芯自放电过大，甚至发生内短路，另外揉平后端面较为致密，电解液难以进入电芯内部。4）激光焊环节：从传统两个极耳的点焊到全极耳面焊，焊接工序和焊接量都变多，激光强度和焦距不容易控制，易焊穿烧到电芯内部或者没有焊全。目前各企业4680电池难点主要集中于焊接环节，直接影响了4680电池良品率。
图表：全极耳圆柱电池电芯生产流程
资料来源：国家专利局《一种全极耳圆柱电池电芯生产线》，中金公司研究部
从良品率看，2021年特斯拉4680试验线良品率约在80%，2022年年初，据Tesla motors clubs上流出的信息，在2022年1月22日特斯拉佛里蒙特工厂共生产了6813颗4680电芯，平均良品率达92%，相比于2021年明显提升。但相比于21700圆柱电池的95%+的良品率仍存在一定差距。我们预期随各企业工艺改进、产线跑通，4680电池良率有望持续提升。
图表：2022年1月22日特斯拉4680电芯良率
资料来源：Tesla motors clubs，中金公司研究部
各电池企业快速推进量产，潜在需求旺盛
特斯拉发布4680电池以来，国内外各厂商迅速推进布局，目前以特斯拉、松下产能布局最为领先，我们预期2023年有望成为4680电池放量元年。
►特斯拉：1）加州加藤路工厂：2020年特斯拉在加州弗里蒙特加藤路建立“试点工厂”，用以试生产4680电池，规划目标年产能10GWh。2022年1月，特斯拉宣布已制造出100万块4680电池，并于1Q22交付首批搭载4680电池的电动汽车（Model Y）。2）德州奥斯汀工厂：特斯拉德州奥斯汀工厂于2022年4月7日举行“Cyber Rodeo”活动以庆祝其工厂投产，目前已正式开始生产4680电池，未来总规划达100GWh。3）德国柏林工厂：目前正安装4680电池产线设备，公司预计2022年底-2023年将陆续投产，总规划产能达50GWh。
►松下：2021年松下在其内达华州Gigafactory中建立4680新产线并进行量产，同时在日本工厂启动4680试验线建设并于2022年年初测试生产；2022年2月，松下决定在日本西部的和歌山工厂建立4680生产基地，其预计将于2023年3月-2024年3月进行量产。
►LG：2021年年初开始对其韩国梧仓工厂进行改造，建设4680试验线，公司预计最快将于2023年实现量产。
►亿纬锂能：与以色列初创公司StoreDot(专注于快充技术)合作开发4680和4695，2021年11月公司公告投资32亿元建设20GWh大圆柱电池产能，我们预计公司有望于2023年正式量产；2022年3月公司公告在海外匈牙利布局大圆柱产能，旨在满足本土客户订单需求以及形成就近配套、强化客户服务。
图表：各企业4680电池布局进度
资料来源：SNE，各企业公告，中金公司研究部
从终端需求来看，特斯拉为短期主要推动者，中长期我们认为宝马、戴姆勒等厂商有望逐步应用。我们复盘松下21700对18650电池的替代节奏：2017年松下在内达华工厂开始量产21700圆柱电池，2018年后快速放量，截至2020年，松下21700电芯产量已达30亿颗，约占其圆柱总产量的3/7。
我们预计2022/2023年特斯拉产量将分别超150/200万辆，参考松下21700圆柱电池放量节奏，我们假设2022/2023年特斯拉三元电池中4680渗透率分别为5%/20%，对应约4.4/25.5GWh 4680电池需求，至2025年，我们预期4680渗透率有望达70%，对应装机需求有望超150GWh。
图表：松下圆柱电芯累计产量
资料来源：Panasonic，中金公司研究部
4680大圆柱方案有望逐步渗透至其他车厂，推动圆柱电池装机占比提升。除特斯拉外，目前宝马也明确4695大圆柱电芯研发计划，其预计在2024年实现量产，规划7年时间内量产100-120GWh 4695大圆柱电池。此外，我们预计随大圆柱电池良品率提升与成本下降，其长续航里程、快充性能的优势将充分体现，预计其他车企也有望引入4680电池并推动圆柱电池渗透率提升。我们预计至2025年4680等大圆柱电池总装机有望超200GWh，占动力电池总装机量约16%。
图表：4680电池需求量测算
资料来源：特斯拉官网，Marklines，中金公司研究部
投资机会
4680电池
我们认为特斯拉率先应用4680将在行业内起到示范效应，而4680带来能量密度/快充性能提升、成本下降以及BMS门槛降低(圆柱用量减少)，有望向更多主机厂导入，成为电池技术发展的一条结构主线，有望在2023年迎来放量。而4680大圆柱在材料体系、电池结构和制造工艺较原有18650/21700体系存在较大差异，尤其全极耳的设计带来激光焊工艺难点、成为当前良品率提升的主要瓶颈环节，并且4680结构非标、各厂商方案有所差异(存在专利壁垒)，给电池厂的切入带来较高壁垒。我们看好头部及优质二线厂商，凭借技术、制造、产业链以及成本上的优势，有望把握4680大圆柱发展的结构线，提升全球份额。
高镍正极
电池组内的热失控蔓延是安全问题的主要关注点。目前动力电池包通过较多小容量电芯进行串并联成组，以满足高能量的要求。考虑电池组热失控问题，主要从两个维度解决：1）电芯单体热失控问题；2）单体热失控后向其他成组电池热传导问题。考虑高镍的热稳定性相比中低镍差，对于安全性要求更为严苛，我们认为4680是更为适配高镍的封装工艺：
图表：在高温下高镍材料更容易分解释氧
资料来源：Structural Changes and Thermal Stability of Charged LiNixMnyCozO2 Cathode Materials Studied by Combined In Situ Time-Resolved XRD and Mass Spectroscopy，中金公司研究部
图表：高镍材料发生相变时的温度更低
资料来源：Structural Changes and Thermal Stability of Charged LiNixMnyCozO2 Cathode Materials Studied by Combined In Situ Time-Resolved XRD and Mass Spectroscopy，中金公司研究部
►圆柱在抑制热失控上有天然优势。1）圆柱电池单体容量较小，单个电池热失控释放能量低，相较于方形和软包不易引起热失控蔓延；2）圆柱单体电池接触为线接触，热传导较慢，且具备弧形表面，天然预留散热空隙，而方形、软包是面接触、接触面积较大，散热空间小，一旦单体电池发生热失控易蔓延至电池组。
►圆柱从21700到4680，高镍安全性再升级。4680大圆柱通过全极耳的设计获得更高的安全性：1）减少内阻生热。在电池工作中，内阻的存在会降低输出功率，降低充放电速率，产生的欧姆热容易引发电池热失控。而极耳接触面积越大，极耳间距越短，内阻越小，电池热失控概率越小。4680全极耳电池把整个正/负极集流体都变成极耳，通过集流体与电池壳体或集流盘的全面积连接，大幅降低电池内阻，减少欧姆热的产生。2）增加散热通道。圆柱电池散热为轴向居多，热量从极耳出散出，传统圆柱电池如21700只有两个极耳，热量传输通道窄，因此散热效果不好，4680电池极耳面积增加，热量传输通道宽阔，改善了散热效果，增强了电池的热稳定性。
硅碳负极
4680是硅基负极推广的重要抓手
►4680的结构优势使得硅基负极率先得到应用。传统石墨负极通过嵌入反应容纳锂离子，平均每6个碳原子能容纳1个锂离子，而硅负极通过合金化反应容纳锂离子，每个硅原子最多与4.4个锂离子结合成锂硅合金，进而使得硅负极材料理论比容量达到约4200 mAh/g，是传统石墨负极的十倍。但与此同时其体积变化率也达到300%-400%，远超传统石墨的12%。而4680的大圆柱钢壳方案在结构应力分配方面更具优势，也使得硅基负极率先得到应用。
►4680电池的正极主要采用高镍，配合硅基负极有望大幅提升电池能量密度。根据全电池能量密度和正负极的比容量对应关系，当固定正极容量为180 mAh/g，若负极容量达到500 mAh/g，能量密度将提升10%，若负极容量达到800 mAh/g，能量密度将提高24%。
图表：全电池能量密度与正负极比容量的关系
资料来源：GGII，中金公司研究部
图表：人造石墨、天然石墨、硅基负极的性能对比
资料来源：GGII，中金公司研究部
硅基负极膨胀大、电位高、首效低， 对应需要结构设计、预锂化、导电剂等一揽子的配套改善方案。从结构设计来看，硅基负极目前两大技术路径主要是硅碳复合材料和硅氧复合材料，其中硅碳负极主要是通过减小硅的尺寸至纳米级别进而减小材料膨胀影响，而硅氧负极中的Si团簇、Si02团簇及其氧化界面，可以在合金化反应过程中起到缓冲体积膨胀的作用。
图表：硅碳负极和硅氧负极对比
资料来源：石大胜华，GGII，中金公司研究部
新型锂盐LiFSI
新型锂盐LiFSI性能可更好适配4680电池化学/结构体系，我们预计添加比例有望从目前的约2-6%提升至近10%。4680使用更激进的正负极材料实现高能量密度，但面临高镍带来的热稳定性问题，在电解液中添加新型锂盐LiFSI可提升电解液热稳定性，同时可配合4680全极耳进一步提升电池的快充性能。我们对比LiFSI和六氟磷酸锂，添加LiFSI的电解液相比于仅含LiPF6的电解液具有如下几点优势：
►热稳定性好，安全性更高。当温度大于200℃时，LiFSI仍然能够稳定存在，耐热性好。同时，LiFSI混合电解液的阻抗更低，在遇到特殊情况下产生的热量较少，不容易发生爆炸。且受热时LiFSI可抑制HF气体的产生，改善电池气胀问题。
►更好的低温放电和高温性能保持能力。以LiFSI为电解质的电解液，与正负极材料之间保持着良好的相容性，提升锂电池在极端温度条件下的性能。
►电导率更高，高倍率放电性能好。加入LiFSI的电解液具有更高的电导率和更低的粘度，放电容量更高，提升动力电池的瞬时输出功率。
►提升SEI膜的热稳定性，延长电池循环寿命。相比于LiPF6，LiFSI能与石墨负极形成更具热稳定性的SEI膜，减小电极与电解液之间副反应发生的可能性，提高电池的循环性能和使用寿命。
图表：LiFSI与LiPF6优劣汇总对比
注：氧化电压指在电解液不被氧化分解的最高可承受充电电压，粘度、电导率为25℃时1.0M浓度锂盐测试所得参数 资料来源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，康鹏科技，中金公司研究部
图表：LiFSI电导率比LiPF6更高
资料来源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部；注：图表横轴表示锂盐的摩尔数，纵轴表示电导率
图表：使用不同的电解质时，60Ah电池的充电参数
资料来源：Enabling fast charging of high energy density Li-ion cells with high lithium ion transport electrolytes，中金公司研究部
补锂剂
补锂技术将促进硅碳产业化进程，进一步提升电池能量密度并延长循环寿命。锂离子电池化成过程中在负极表面SEI 生长会消耗活性锂，导致电池能量损失。目前使用最广泛的石墨负极的不可逆容量损失大于6%，而硅基负极不可逆容量高达10%～20%以上[3]，限制了硅碳体系高克容量优势的发挥。通过补锂技术可补偿活性锂，能够改善硅碳负极低首效的短板，充分发挥其高容量的优势。目前补锂方式分成负极补锂和正极补锂两种：
►负极补锂起步早，但产业化难度较大。负极补锂技术研究开发时间较早，包括基于金属锂的物理混合补锂、化学补锂多种补锂方式。美国FMC 公司最早开发出稳定化锂金属粉产品（97%锂和3%碳酸锂包覆层组成核壳结构），通过喷洒或匀浆加入等工艺加入到负极之中实现补锂。锂箔补锂相比锂粉安全性有所提升，将金属锂箔碾压至几微米的厚度，然后与负极复合、碾压。电池注液后金属锂迅速与负极反应，嵌入负极材料之中，从而提升材料的首周效率。负极补锂方式简单高效，但受制于金属锂自身的安全风险和工艺难度，暂无法大规模应用。
图表：负极锂箔补锂示意图
资料来源：《锂离子电池补锂技术》[4]，中金公司研究部
►正极补锂产业化即将到来。正极补锂是向正极中添加具有高不可逆容量的含锂化合物，根据化合物的种类不同，可以分为以Li2O、Li2O2、Li2S为代表的二元含锂化合物，以Li6CoO4、Li5FeO4为代表的三元含锂化合物和以Li2DHBN、Li2C2O4为代表的有机含锂化合物。正极补锂材料可以直接在正极浆料的匀浆过程中添加，无需额外的工艺改进且成本较低，因而更加适合现在的锂离子电池制造工艺。
图表：富锂镍酸锂与富锂铁酸锂指标对比
资料来源：深圳研一官网，中金公司研究部
导电剂
4680主要采用“硅基+高镍”的方案，碳纳米管导电剂的加入提升电池能量密度和循环、倍率等性能。碳纳米管导电剂用量仅为传统导电剂的1/6~1/2，最低可达0.4%的添加比例[5]，进而降低PVDF等的用量间接提升电池能量密度。此外由于碳纳米管的一维管状结构，长径比和比表面积更大，较传统导电剂导电性能更优，进而对于导电能力较弱的高镍、硅基材料应用更广。
从4680增量角度来看，我们认为随着硅基负极渗透率的提升，单壁管需求也有望逐步放量。
►单壁较多壁而言，在长径比、机械强度等有更高的优势。单壁碳纳米管是一层石墨烯卷曲而成，根据鑫椤锂电数据，单壁碳纳米管的管径约为1-2nm，而多壁碳纳米管的管径约为7-100nm，进而使得单壁碳纳米管拥有更好的长径比，使得在电池应用中具备更低的阻抗和更高的倍率性能。
图表：单壁碳纳米管在硅基负极中能够更好地维持循环性能
资料来源：鑫椤锂电官网，中金公司研究部
►单壁碳纳米管有效提升硅基负极的循环和力学等性能。相比于多壁碳纳米管，单壁碳纳米管具有极高的长径比，提供更好的机械强度和柔韧性，在低剂量的添加就能够在硅基负极产生3-4倍体积膨胀的情况下仍然提供稳定且丰富的导电网络，并在硅颗粒之间建立紧密、长久的连接，进而提升循环寿命，此外紧紧包裹在硅基负极表面还能改善极片的力学性能。
图表：单壁碳纳米管在硅基负极中能够更好地维持循环性能
资料来源：CNKI，中金公司研究部（注：SWCNT代表单壁碳纳米管，MWCNT代表多壁碳纳米管）
结构件
4680带来全新的圆柱结构设计，制造和加工壁垒较21700提升：
►4680壳体的尺寸和壁厚增加(4680壁厚约0.6mm、2170壁厚约0.2mm)，且材料变更为预镀镍不锈钢、强度较21700铝合金更高，使得4680壳体整体的冲压难度提升(保证镀镍层在冲压过程中不破裂)；
►4680采用全新盖帽结构、头部/底部均设计防爆阀。传统21700、18650盖帽包括顶盖、防爆片、隔离圈、连接片、密封圈等部件，由顶盖依次连接防爆片、隔离圈和连接片，结构零件较多，且当电池内部压力过大时，在顶盖结构约束下，防爆片上弱化线若不及时断开，易引起电池短路。4680采用了全新适配全极耳设计的盖帽，整个盖帽包括防爆阀、隔离圈、连接片和密封圈，取消了顶盖的设计，减少了结构件用量，同时也降低了顶盖泄压失效的风险和内阻。并且，由于4680全极耳设计，底部将正极集流盘与极柱直接焊接，在顶部和底部均设计了带防爆阀的盖帽，而传统21700、18550仅在顶部设计定向爆破。
4680各厂商结构涉及均有所差异、结构件非标，需要结构件供应商具备较强的开发设计及生产制造能力；同时，由于全新的盖帽设计，为提升壳体、盖帽在开发及生产制造过程中更好的协同性，厂商更倾向于将盖帽和壳体同时定点。
图表：21700和4680圆柱结构设计对比
资料来源：比克电池专利，《全极耳圆柱锂电池帽盖及全极耳圆柱锂电池专利》，2020，中金公司研究部
盈利弹性测算
4680是未来高端电池发展方向之一，将带动高镍正极、硅碳负极、新型锂盐LiFSI、补锂剂、导电剂等加速放量。基于4680需求量测算，我们预计至2025年，高镍正极/硅碳负极/LiFSI/补锂剂/导电剂/PVDF需求量将分别达39.1/16.3/2.0/1.2/1.9/3.1万吨。
图表：4680电池带动各新型材料放量
资料来源：中金公司研究部
4680电池带动材料体系演变，我们预期具备技术与成本优势的各龙头企业将在其中占据更高市场份额。我们预期贝特瑞/当升/天赐/天奈在硅碳负极/高镍正极/LiFSI/碳纳米管份额将分别达50%/30%/50%/30%。
我们尝试测算在不同4680电池产量下，相关材料厂商利润弹性。我们对各环节龙头企业市单位价格、单吨盈利能力做出一定假设。详情请见报告原文。
[1] 赵宇龙，2022年
[2] Thomas George Tranter, Robert Timms, Paul R. Shearing, 2020
[3] 金浪CLE南京锂电展
[4] 黄学杰，2021
[5] 天奈科技招股说明书
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