4680磷酸铁锂电池 4680的到来意味着磷酸铁锂热潮的落幕？见智研究|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

4680的到来意味着磷酸铁锂热潮的落幕？见智研究

紧张刺激的三季度财报季才刚刚过去，上周末各大电池厂商就再次用一波密集的动力电池产能扩产规划迎来四季度的到来。今年不愧是“电池扩产年”，几乎每个季度都有一次电池厂商大规模扩产的计划传出。

而这次不仅龙头宁德时代又抛出两大扩产项目（在厦门、贵州建设电池生产基地项目，总投资分别不超过80和70亿元），亿纬锂能也分别投资305.21亿元和62亿元在荆门建设152.61GWh的锂电池及系统研发生产基地，以及20GWh乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目、16GWh方形磷酸铁锂电池生产线及辅助设施项目；此外锂电巨头松下也官宣4680电池接近商用成熟，拟对其墨西哥产能进行进一步扩产。

电池厂商的“扩产潮”的深远影响在此前的文章中已有详细概述，这次华尔街见闻·见智研究将会把重心集中在4680电池这个特斯拉寄有厚望的新型电池上，有些重点内容和误区也为各位投资者指出。

4680究竟强在哪？

首先，圆柱动力电池全球范围来看大规模使用的也就是特斯拉，欧洲车企如戴姆勒、日产、雷诺、大众、现代等主要使用软包电池，国内车企多使用方形电池，车企电池的选择和规划并不是短时间就能进行更改的，所以即使4680电池顺利推出并且效果良好，其他车企或将跟进尝试使用圆柱电池，但短时间来看主要的客户也是集中在特斯拉身上。而特斯拉去年电池日推出的新型电池4680电池，数字46指的是圆柱电池的直径46mm，80则是表示电池的高度为80mm。

而相比起此前特斯拉使用的圆柱锂电池的尺寸18650和21700，4680电池的优势体现在电池容量、生产成本和效率。电池容量的提升原因就在于尺寸的变大，这也不是4680本身的特例，此前的21700电池也比18650的电池容量多50%，4680则是2170的电池容量的5倍（不是能量密度提升5倍），而电池容量的提升也会导致续航里程有所提升（提高16%）。

而生产效率的提升和成本的降低（下降14%）则体现在大电芯上，同样用于75KWh的电动车里面，老版的18650需要7100个电芯左右，2170圆柱需要4400+个电芯，而新型电池4680仅需要950个电芯组成，更少的单体数量意味着PACK时空间利用率提高，同时生产组装需要的时间减少，所以成组效率大大提升。

4680主打高镍，但并未唯一

在华尔街见闻·见智研究此前的前瞻文章《4680电池势在必行，潜在合作方谁会是最后赢家？ | 见智研究所》中就提到过松下、宁德时代、LG新能源和亿纬锂能等都将是特斯拉4680电池的未来潜在合作方。目前从各自的公告情况来看，最接近商业化程度的还是松下，采用的正极也是高镍三元，这点和特斯拉月初与赣锋锂业签订了3年的氢氧化锂合约，加码高镍三元也是相符合，但是这并不代表着高镍三元就是4680电池的唯一选择。

首先，今年以来特斯拉已经多次在高调宣布在未来将逐渐采用磷酸铁锂电池，甚至提出了特斯拉的标准续航升级版Model 3和标准续航版Model Y都将使用磷酸铁锂电池，来取代之前的三元锂电池，所以特斯拉是不会轻易就放弃磷酸铁锂电池。

其次，4680电池之所以有先入为主的认为将完全使用三元电池，是因为4680电池所替代的是原本的21700和18650尺寸的三元电池，而在此之前，特斯拉的三元锂电池是由松下和LG新能源提供，在中国的车型的磷酸铁锂电池则是由宁德时代供应，而早在2008年就为特斯拉的Roadster提18650钴酸锂电池的松下也是目前目前全球TOP5（宁德时代、LG新能源、松下、比亚迪、SKI）的动力电池企业中，唯一一个未宣布进军磷酸铁锂电池的电池厂商，所以他家的4680电池采用高镍三元合情合理。

但是这并不是表示4680电池就不能使用磷酸铁锂电池，4680本身只是一种电池尺寸，并不是一种三元锂电池的独有技术，就像比亚迪的刀片电池，虽然使用的是磷酸铁锂正极材料，但是采用三元正极材料也是可以的。只是因为此前两代电池21700和18650都是三元锂电池，同时又都是老牌电池厂商松下提供，所以才认为是三元锂电池。但是随着我国优秀的电池厂商有望入局4680电池的竞争，生产磷酸铁锂版本的4680电池也是极有可能的。

至于部分市场观点认为高端车使用高镍三元4680，中低端车使用普通磷酸铁锂电池，华尔街见闻·见智研究认为可能性不大，今年来看，1-9月特斯拉的车型总销量为627350辆，其中高端车型Model S和Model X销量总计才13185辆（同比下滑-65.3%），而Model 3和Model Y的销量总计614165辆（同比增长2.2倍左右）。

可见仅靠Model S和Model X是撑不起来整体销量的，Model 3和Model Y才是真正的主力，而4680电池作为特斯拉的下一代主力电池，毫无疑问将会大规模使用，所以分别推出高镍三元版本4680和磷酸铁锂版本4680或是不错的办法。

本文来自华尔街见闻，欢迎下载APP查看更多

4680 详解：卷土重来的圆柱电池

Fake it till you make it。

2020 特斯拉电池日，马斯克提出了 TWh 级别的电池生产目标

很多时候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在电池日上亮相了划时代的 4680 电池，而那时距离 4680 电池概念的提出仅仅才过去了 1 年，2019 年由松下和欧洲的一个化学实验室基于全极耳的理论对圆柱电池进行优化和改进，最后觉得 4680 电池是个不错的方案。

如果以松下的风格，至少得等到 2022 年才开始对外宣传，到 2025 年后才可能开始大规模量产，毕竟实验室里做出来跟大规模量产完全不是一回事，但特斯拉就是敢「吹出去」，而且这次似乎又吹成了。

庆祝特斯拉加州工厂试点生产了 100 万个 4680 电池，大概能装 1,000 台 Model Y

在刚结束不久的电动汽车百人会 2022 上，松下、比克电池、亿纬锂能几大电池巨头都表示了对 46 系大圆柱电池的看好，同时在 1 月份特斯拉宣布在加州的工厂内已经试点生产了 100 万个 4680 电池，距离 4680 电池的正式装车已经近在咫尺了。

下面就重点聊聊特斯拉 4680 电池的核心技术创新以及未来对市场的影响。

认识 4680 电池

在介绍特斯拉 4680 电池的核心技术之前，先通过几个问答简单了解一下 4680 电池。

什么是 4680 电池？

7 号电池、5 号电池、18650、2170 和 4680 电池个头对比，4680 明显要大不少

4680 电池即直径 46 mm、高 80 mm 的圆柱电池，目前特斯拉使用的 18650 和 2170 电池也符合这一命名规则，其中 18650 电池最后一个「0」的含义是圆柱，只不过 2170、4680 电池省略了。

为什么是 4680 电池，而不是更大或更小的？

特斯拉 PPT 显示，圆柱电池直径 46 mm 是续航提升和降本的最优解

首先来看直径「46 mm」这个指标，从安全性来看，虽然整车电池节数减少可以降低 BMS 的管理难度，但是大电芯的散热是个难题，46 mm 是个平衡范围内的点。从提升续航 和降本的角度来看，特斯拉认为 46 mm 以后整车的续航开始下降，同时降本的边际效益变得非常低，因此 46 mm 是最优解。另外从内部应力和角度来看，46 mm 也是一个比较临界的点，在化学性能、生产工艺没有本质上的突破前，46 mm 是一个黄金尺寸。

另一个参数高度「80 mm」，其实目前业界还没有定论，主要因各家底盘设计而异，比如宝马采用的是 4695 方案，还有的厂商规划了 46105 的方案，即高度为 105 mm。但这个高度也不能太高，一方面是径向散热会成问题，另一方面这样会明显增加底盘厚度，从而影响设计美感和风阻。

为什么特斯拉钟情于圆柱电池？

简单来说就是路径依赖 ，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款车型 Roadster，当时市面上还没有非常成熟的动力电池方案可选，而松下的 18650 电池在民用领域已经非常成熟稳定，安全性和一致性都达到了非常高的水准，特斯拉于是选择了用几千个单体电池组装的方案，虽然对 BMS 的考验比较大，但在当时确实也比其他动力电池方案更为靠谱。

特斯拉 Model S 电池包，由数千个 18650 电池组成

随着动力电池的发展，18650 电池逐步升级为 2170 电池，特斯拉以及它的供应商松下、LG 化学等就越来越专精于圆柱电池，不过这次 4680 电池对圆柱电池来说也是一次挤爆牙膏 的升级。

牙膏挤爆，特斯拉 4680 电池的核心技术创新点

特斯拉电池日 PPT，4680 电池要比 2170 电池提高 54% 的续航并降低 56% 的成本

从 18650 到 21700 的升级从数字就可以看出来颇有点挤牙膏 的味道，有点像最近两年的高通骁龙芯片，而 4680 电池相比 2170 电池，不仅是体积增加了 448%，更多的是与全极耳、高硅负极、与 CTC 结合等革命性的技术相结合，最终才有了续航增加 54%，成本下降 56%，单位产能设备投资额下降 69% 的挤爆牙膏 式的提升（当然特斯拉的 PPT 向来有些水分，这应该 4680 电池迭代两三次后达成的效果）。

全极耳：开得远，还要充得快

传统的电池有一个非常大的限制：能量密度和功率密度不能兼顾，举个例子，本田雅阁混动的三元电池能量密度只有 82 Wh/kg，而纯电车型的三元锂电池能量密度一般在 150—180 Wh/kg，这是因为 HEV 锂电池核心参数是功率密度，毕竟电池小（雅阁混动的电池容量仅为 1.3 kWh）又要带动大功率的电机，只能牺牲一些质量能量密度。

全极耳方案下，电子流通的路径明显缩短

而特斯拉 4680 电池通过采用全极耳 （特斯拉宣传是无极耳 ）的方案来让二者兼顾，极耳简单来说就是正负极充放电时的接触点，传统电池在正负极各有一个极耳，这样就带来一个问题，电流从正极流向负极时，如上图左边所示，要穿越很长的横向路径 ，这样内阻自然上来了，不仅损耗电池的能量，而且发热问题难以解决。

而根据特斯拉专利可以看到 4680 电池的结构中正负极上分布着均匀的极耳，这样大大缩短了极耳间距 ，比如 2170 电池电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约 900 mm，而 4680 的正负极薄膜是 2170 电池的 4—5 倍，如果依然采用单极耳，那么电子的路径会长达 3.8 米，内阻也会相应增加 4 倍，而全极耳的方案能让这一路径缩短为电池的高度，即 80 mm，根据特斯拉的介绍，4680 电池内阻发热只有 2170 电池的五分之一。再加上全极耳大大增加了电流通路，这样电子更容易在电池内部移动。

V3 超充下，4680 电池的预估充电速度要快于 2170 电池，在 V4 超充下预计差距将更明显

因此全极耳的 4680 电池就具备了大功率放电和超充的天赋，根据 Insideevs 的研究报告，400 V 的 4680 电池系统充 70% 电量需要 15 分钟，而采用 800 V 电池系统的保时捷 Taycan 和现代汽车的 IONIQ 分别需要 18 分钟和 22 分钟。未来如果 4680 电池采用 800 V 电压系统，充电速度还会更快。

高镍正极 + 高硅负极：单体能量密度达到 300 Wh/kg 的关键

目前特斯拉的 4680 电池正极采用的仍是 NCM 811 高镍方案，这个大家已经比较熟悉了，未来 4680 正极还会向更高比例的镍（如 NCM 9/0.5/0.5) 以及「无钴」和「四元」方面演化。

正极方面的变化不大，要实现更高的能量密度，负极也十分关键。目前绝大多数电池都是石墨负极，但石墨的理论比容量为 372 mAh/g，实际上已经达到了约 330—370 mAh/g，已经触及天花板。而硅的比容量能达到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在负极掺入一定比例的硅 一直是电池能量密度突破的方向。

2020 NIO DAY 上，蔚来 150 度电池的 PPT 上显示了硅碳负极以及高镍正极，实现高能量密度大家殊途同归

实际上早在 2017 年搭载 2170 电池（来自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已经引入了「掺硅」的技术，只是比例还比较小（大约掺了 5—6% 的硅合金），对能量密度的提升还不太明显。国内也有一些厂商已经采用「掺硅」的负极，比如 CLTC 续航能达到 1,000 km 的广汽埃安 LX 144.4 度的大电池的负极就掺了一定比例的硅，另外智己汽车还有蔚来即将在第四季度量产的 150 kWh 的「固态」电池也用了这一技术。

虽然说「掺硅」能立竿见影地提升能量密度，但硅先天不如石墨稳定容易膨胀 ，一般碳基负极在嵌锂反应中体积的膨胀不超过 10%，而硅基则能膨胀 360%，从而引发 SEI 膜破损等副反应，导致电池容量衰减。

相对来说，圆柱内部的应力在各个方向上都很均匀

相对来说 4680 电池的结构更适合「掺硅」，首先圆柱电池极片卷绕的特点可以尽量使极片各个位置膨胀力均匀，减少破损和褶皱的出现，方型和软包电池在 R 角处易出现应力集中而导致的破损和褶皱，另外 4680 电池的不锈钢壳体机械强度大，可充分吸收负极的膨胀力。因此理论上 4680 电池负极中能掺入更多的硅，预计能达到 10% 以上，能量密度从而有显著提升。

CTC 技术：天生好搭档

从第一性原理出发，要提高电池包的能量密度，「中间件」肯定越少越好，打个比方想让一个盒子里装最多的鸡蛋，最好是把鸡蛋托盘去掉，也就相当于把模组件去掉，更极端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技术了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。

4680 电池与 CTC 技术相结合，座椅直接装在电池上方

而 4680 电池天生就有这个潜质，首先 CTC 对电池的结构强度有一定的要求，电池本身要承担不小的机械强度，相比于 18650 和 2170 电池，4680 单体电池更大结构强度更高，并且一般方壳电池是铝壳的，而 4680 外壳是不锈钢的，天生结构强度就有保证。另外采用 CTC 技术基本意味着告别维修和更换了，如果发生激烈的碰撞或电池的一致性出现问题，那么可能就只能换车了，而圆柱电池的一致性一直是优势所在。最后相对比方壳电池，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 领域的潜力也非常大。

除了全极耳电池、高镍 + 高硅以及 CTC 技术外，特斯拉 4680 电池还有其他一些技术的应用，比如在隔膜上涂抹 PVDF 防止硅负极膨胀，负极添加硅纳米管提升导电性，另外特斯拉第二代 4680 电池还可能用上干电极的工艺，总之这次特斯拉是要把牙膏挤爆了，就看对手们如何接招了。

4680 圆柱电池 VS CTP 方形电池，宁德时代危矣？

中国市场方形电池一枝独秀，海外市场圆柱、方形、软包三足鼎立

数据显示 2019 以来，中国动力电池市场方形电池一直占据着 80% 左右的份额，宁德时代占据了其中的一半以上，4680 电池首先冲击的自然也是宁德时代。

这里先抛开国内主要围绕奔驰等欧洲客户展开的软包电池 ，重点对比下 CTP 方形电池 和 4680 圆柱电池 的优劣势以及发展趋势。

4680 电池的排布形式

首先从结构上方形电池的成组效率是明显优于高于圆柱电池的，预计优秀的 CTP 方形电池能达到 80%—90%，4680 + CTC 能达到 70% 以上，这点也不难理解，4680 电池虽然比之前大了不少，但跟大的方形电池比还是很小的，一辆 Model Y 上大约需要 960 颗 4680 电池，换成方壳可能只需要 6 到 10 块，数量越少，与化学物质无关的其他部件占比就越低。

大众的 CTP 三元方形电池包

不过由于方形电池单体电芯大，并且是面接触，这样就给方形电池的散热和热失控防护 带了很大的难度，因此方形电池三元电池正极并不太适合往超高镍 的方向发展，同时上面说到方形电池的负极不适合添加太多「硅」，因此方形电池的单体能量密度 无法做得太高。

而圆柱电池因为单体电芯小，本身比较容易散热，再加上全极耳的应用让热量集中在下面更容易针对性散热，因此可以采用比较激进的高镍方案，再配合高硅负极，单体能量密度能达到 300 Wh/kg，未来如果采用超 90% 比例镍的正极，单体能量密度 能达到 350—400 Wh/kg 。

这样下来，虽然方形电池的集成效率高，但 4680 圆柱电池的单体能量密度高，综合下来，二者的系统能量密度 差不多。

而圆柱电池作为已经商业化超过 30 年的品种，工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资成本等方面都有一定优势。比如良品率方面，松下的 2170 电池能达到 99% 以上，相比方形电池能达到 90% 就已经是非常优秀的水平了。

另外在生产效率方面，同样采用卷绕工艺的话，圆柱电池同心圆卷绕的特性先天效率就高出不少，比如按照亿纬锂能最新的产线，每分钟可以生产 200 颗 2170 电池，而类似产线的方形电池 200 Ah 以内的一般一分钟能生产 10—12 个、200 Ah 以上的大方形一分钟产量不足 10 个。如果是一台搭载 80 度电的新车，圆柱电池的生产大约需要 20 分钟，而方形电池则需要 30 分钟。

如果 4680 电池大规模量产顺利，预计 2024 年后每 kWh 的 4680 电池成本比三元方形电池便宜 50—100 元，一辆 100 度电池的电动汽车成本能低出 5,000—10,000 元。

因此从三元电池体系（包含无钴电池、四元电池）的角度来看，如果 4680 电池的良品率能快速提升，将凭借一定的成本优势，同时超高的充放电功率，在中高端市场将逐步对方形三元锂电池形成替代效应。

而在中低端市场仍以磷酸铁锂电池为主，而磷酸铁锂先天就比较稳定不容易热失控，因此就更适合集成效率高但不容易散热的方形电池。因此未来的局面很可能是一些高端车型开始逐步使用 4680 三元电池，中低端 则以 CTP 方形磷酸铁锂 电池为主。

比亚迪刀片电池，汉 EV 上的刀片电池还采用了叠片工艺

那么宁德时代就要面对 4680 电池和比亚迪刀片电池两面的夹击了，比亚迪本身就是以电池起家的，再加上多年来一直专攻磷酸铁锂电池，随着弗迪电池的产能开始大幅扩张，这里可以参考文章《收下蔚来、小米，弗迪的进攻才刚开始》，势必要吃掉一部分宁德时代的份额。

宁德时代 CTP 3.0 麒麟电池，宣传三元锂和磷酸铁锂的系统能量密度分别能达到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能实现无热扩散的最高安全要求

不过在刚刚过去的电动汽车百人会 2022 上，宁德时代也给出了反击——CTP 3.0 版本的麒麟电池，能不能守住目前绝对的龙头地位，具体就看 CTP 3.0 的落地效果与降本增效的速度了。

哪些车企、电池厂在跟进布局大圆柱电池？

目前从车企端来看，主要推动者还是特斯拉 ，2022Q1 特斯拉已经开始试生产，年底前能交付部分 4680 的 Model Y 给消费者。真正的爆发期还是在 2023 年后，跳票已久的 Cybertruck 、Roadster 2 以及重卡 Semi 也将全部来到我们身边。宝马的 4695 电池给出的量产时间则是 2024 年以后，或许会成为宝马未来的纯电平台「Neue Klasse」的主力电池。

美国造车新势力 Lucid 也采用 2170 圆柱电池

另外目前海外已经有不少采用圆柱电池的厂商，比如美国的新势力 Lucid 和 Rivian 目前采用的是 2170 电池，未来过渡到 4680 电池也是非常自然的。

LG化学，在动力电池领域全球的份额仅次于宁德时代

而在电池厂商这端，海外主要是特斯拉和日韩的电池厂商，包括松下、LG 化学、三星 SDI，松下和 LG 化学计划 2023 年量产，三星 SDI 计划 2024 年量产，另外还有一家以色列公司 Storedot 同样计划 2024 年量产 4680 电池。

国内宁德时代目前规划了 12 GWh 的 4680 电池产能，研发节奏正在加快，预计 2024 年开始量产，客户可能是特斯拉和宝马；比克电池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出过大圆柱产品，预计 2023 年量产；亿纬锂能预计 2024 年可实现 4680 电池的量产，规划产能 20 GWh，同时还有去欧洲匈牙利建厂的计划。

综合来看，相比于从 18650 到 2170 的升级，4680 电池这次是把牙膏挤爆了，基本确定了圆柱电池的发展方向，也有望引领圆柱电池的市场份额对方形电池实现快速追赶。不过 4680 电池仍然面临诸多工艺难题，比如全极耳电池激光焊点至少是 2170 的五倍以上，对精度要求非常高，同时全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度要求也更高，未来对 4680 电池的发展重点关注特斯拉、松下、LG 化学等企业的良品率 什么时候能稳定在 90% 以上。