2022年锂电池4680大圆柱专题研究.docx

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1、2022年锂电池4680大圆柱专题研究一、4680 冲击电芯格局2020 年 9 月 22 日，马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代 4680 电芯（前两位数字代表 直径 46mm，后两位代表高度 80mm），相比 2170 直径增大两倍以上，容量是 2170 电芯的 5 倍，续航提升 16%，功率提高 6 倍。大圆柱的优势体现在高性价比、高安全性以及快充性能 潜力等方面，预计未来将替代部分软包和方形的市场份额。（一）补贴退坡性价比为王，4680 降本增效2020 年-2022 年，我国新能源汽车的补贴标准较上一年分别退坡 10/20/30。根据 关于 2022 年新能源汽车推广应用财政补贴政策

2、的通知，2022 年之后上牌的车辆或将不 再享受补贴（在经济下行压力下，工信部等部门正在研究继续延续补贴至 2023 年的方案）。动力电池成本占电动车成本约 40%，动力电池降本对电动车降本贡献最大。后补贴时 代，动力电池降本压力增大。锂离子电池成本持续下降。根据 BloomerNEF 数据，锂离子电 池组价格从 2014 年到 2021 年下降了 77.6%，从 2017 年到 2021 年下降了 40%，加权平均值 达到 132$/kWh。降本通过多方面入手，电池材料体系优化、电池工艺优化、电池封装方式、 系统集成方式的改变，提高能量密度的同时降低制造成本。电池成本下降主要来源于能量密度的

3、提升，根据工信部披露第一批次纯电动乘用车数据统计，从 2017 年到 2021 年提高了 49%，相当于成本下降 33%。白名单补贴政策助推方形占比提升。2015 年 3 月，国家工信部发布了汽车动力蓄电池 行业规范条件，进入推广目录的车企才能获得补贴，国内企业深度受益。2017 年宁德时代 增长 6 倍成为国内电池装机量第一，带动方形电池出货量占比增加。LG、SKI 等韩国软包龙 头企业排除在白名单之外，导致其主推的软包路线在国内份额持续下滑。海外市场，2020 年 欧洲电动车渗透率提升，带动 LG 软包电池海外放量。圆柱电池早期凭借其型号统一、标准化生产在动力市场站稳脚跟。2017 年，由

4、于性价比 不占优势，圆柱电池转战电动工具、电动两轮车领域。2020 年，国产特斯拉 model 3 等车型 销量带动 LG 以及松下的圆柱电池在国内动力电池出货量提升，圆柱重返动力市场。2017 年 松下伴随特斯拉全球崛起，海外圆柱份额快速上升。1、电芯设计仅外形尺寸变化，4680 每千瓦时的成本较 2170 降低 14%。单个电芯电量随体积增大提 升至 5.48 倍，外壳用料增加不到 3 倍。更少的电芯数量降低了组装时间，提升了成组效率， 进一步带来成本优势。仅外形尺寸变化，能量密度可以上升 10%；换用硅碳负极，能量密度 上升 20%至 300wh/kg 以上。2、电芯工厂随着制造流程简化

5、、生产线效率提高、工艺提升，成本将减少 18%。特斯拉设计从电极 涂覆、卷绕、装配、化成等各个环节下手，提高生产效率。整体而言，大圆柱电池可以实现 连续不间断生产；制造工序少于软包和方形铝壳（大圆柱约 10 道工序）；生产在线时间短 （大圆柱约 7 天左右，方形和软包分别约 10 天和 12 天），提高了周转率，降低了库存率。2.1 涂覆工艺干电极技术生产设备占地面积减少 10 倍，能耗减少 10 倍，成本降低 10%-20%。湿法 工艺需要先混合粉末和溶剂，涂覆到箔材上，然后放入干燥炉进行干燥，并回收溶剂。而干 法工艺则省去了溶剂环节，但均匀度、粘结度更难控制（该技术尚在研发阶段）。Maxw

6、ell 的干电极工艺采用 PTFE（聚四氟乙烯）粘结剂与电极粉末混合，通过挤出机形 成电极薄膜，随后利用压延机热压成型，省去溶剂、简化工序（涂布、烘干等），目前已进 行四次优化工艺，但仍在实验阶段。干电池电极具备以下四个优点：1）能量密度高：大于 300Wh/kg，并存在 500Wh/kg 的 实现路径；2）延长电池寿命：改善电池耐久性，电池寿命翻倍；3）节省成本：产能密度增 加 16 倍，与湿电极技术相比，成本降低 10%-20%；4）与行业趋势（无溶剂，无钴化，下 一代材料，固态电池）的高匹配度&保护环境。2.2 卷绕由于有极耳，电池生产就需要不停地启动和停止。而 4680 为全极耳，卷绕

7、工艺可以实 现连续高速不间断生产，达到 300ppm 的高速制造，而方形铝壳一般仅为 10-20ppm。2.3 装配通过连续流水装配提高效率。特斯拉设计一条产线产能为 20GWh，每条线的产量增加七 倍。特斯拉与 Grohmann 和 Hibar 机器设计团队垂直整合，将装配环节集成到一台机器上， 删减了中间不必要的运输步骤。2.4 化成通过提高化成效率，化成投资成本减少 86%，占地面积减少 75%。化成指对电池充放 电并检测电池的质量，典型化成对单节电池充放电，而特斯拉同时对上千节电池充放电，显 著提升化成设备的成本效益和密度。3、硅基负极负极材料采用硅基材料，每千瓦时 1.2 美元，成本

8、降低 5%，里程提高 20%。石墨负极 潜力挖掘完全，已接近理论容量 372mAh/g。硅基负极理论最高克容量可达 4200mAh/g，是 石墨的 10 倍多，具有大幅提高克容量潜力，目前量产克容量已超过 400mAh/g。 由于硅本身的特性，在充满锂离子时体积会膨胀四倍，压力会导致硅粒子绝缘，最终损 失电池容量。目前工业使用的硅多是经过高度加工的，例如氧化硅、碳化硅等，并且较为昂 贵。特斯拉使用原始硅作为负极材料，不对硅本身进行加工，而是从涂层设计和电极设计入手，使用弹性离子导电聚合物涂层稳定表面，并通过高弹性粘合剂形成的坚固网络将硅材料 集成到电极上。4、高镍正极镍可兼顾价格与能量密度，正

9、极材料采用高镍三元，进一步优化生产环节后，成本降低 12%。5、整车一体化Model 3 的长续航版电池包由 4 个模块串联组成，大模块（黄色）包含 25 个串联电池 块，小模块（绿色）包含 23 个串联电池块，每个电池块由 46 个 2170 电芯并联构成，共计 4416 个电芯。4680 采用 CTC 技术，无模组装配，配合一体化压铸技术，可以节省 370 个零 部件，为车身减重 10%，将电池单位成本降低 7%。4680 电芯面积模组占比提高，电芯总容 量提高 15.9%，续航能力提升 16%，系统能量密度提升 25%。（二）安全要求日益提高，4680 热管理升级2021 年，我国新能源

10、汽车保有量已达 784 万辆，占我国汽车总保有量的 2.6%。市场监 管总局已建立新能源汽车事故报告制度。截止 2021 年底，累计召回新能源汽车 229 次，涉及 198 万辆，安全问题成为新能源汽车的达摩克利斯之剑。 目前动力电池采用量较多的小容量电池进行串并联成组，以满足高能量的要求。近年发 生的动力电池事故，均是由于电池组中的某一个电池单体热失控后产生大量热，导致周围电 池单体受热，进而产生热失控蔓延。所以，导致电池组热失控的三个核心因素：单体释放能 量、周边电芯隔热能力、单位散热能力。圆柱单体能量低，单体释放的能量小，相较于方形和软包来说不易引起热蔓延。从单体 层面看安全性排序：小圆

11、柱大圆柱软包方形。从尺寸上来看，4680 目前的比例是一个 比较完美的临界点。在高度上可能还会继续做大，但在直径上做大，散热将会是问题。圆柱电池周边隔热能力更强。相比方形电池和软包电池电芯间的紧密连接，4680 的圆柱 弧形表面，能够一定程度上限制电池之间的热传递。 4680 采取顶部水冷和侧面水冷相结合的方式。顶部采用一块完整水冷板，侧面采用导热 发泡胶进行导热，在圆柱原有的侧面水冷上进一步提高冷却效率。4680 每度电水冷面积是方 形的 1.64 倍，是软包的 1.53 倍。无极耳进一步提高散热性。特斯拉 4680 电芯采用全极耳/无极耳方案，即去掉从各层引 出连接到一起的金属极耳，直接将

12、电池两端改用导电材料，使其直接传输电流。虽然电池变 得更大，但电流路径更短，从 250 毫米缩减至 50 毫米，电流传导面积更大，阻抗大大减小， 使得大电流充放电的温升更小。4680 大幅提高电芯的散热面积，传热更均匀，对安全性更加 敏感的三元材料更具吸引力。（三）快充成未来趋势，4680 高倍率优势明显补能焦虑不断提升的当下，电动汽车高速快充是发展的趋势之一。高速快充的落地需要 桩、车、电池三方联动，整个产业链协同共进。 充电桩方面，快充标准奠定基础。国内 2021 年 9 月落地的 ChaoJI 充电标准最高可支持 1500V 充电电压和 600A 充电电流。目前被国际上广泛接受的电动汽车

13、直流充电技术标准， 无论是日本 CHAdemo、欧洲 CCS 还是中国 GB/T，均已确立 450kW 以上的充电功率目标。车企方面，国内热销车型普遍停留在电压平台 400-600V、充电倍率 2C 以下。特斯拉 Model 3 电压平台为 400V，理论充电倍率约为 1.85C，为行业较高水平。比亚迪汉 EV 最大 充电系统电压为 569.6V，可实现 25 分钟 30%-80% SOC 的充电速度。如果新能源汽车可以搭 载 800V 电压平台，充电倍率可轻松实现 2.2C-6C，充电速度则大幅提升。保时捷 Taycan 是 第一款量产的 800V 架构电动车，同一个超快充阵营的欧美企业 I

14、onity 也有 800V 的产品规 划。与此同时，比亚迪、广汽埃安、华为、极氪、极星、小鹏、岚图、理想等都在打造高压 平台，各大车企基于 800V 高压技术方案的新车将在 2022 年之后陆续上市。电池方面，快充能力取决于锂离子的脱嵌和迁移速率。在高充电倍率下，锂离子脱嵌和 迁移的速率加快，部分锂离子来不及进入正负极形成副产物，导致活性物质损失，加速电池 寿命衰减。 与此同时，析锂现象容易加剧，所产生的锂枝晶一旦刺穿隔膜，将导致电池内部短路，造成起火等安全风险。快充对电池热管理能力要求高。大电流高电压更容易产生大量热，对 电池低阻抗、强散热要求更高。电池企业、车企在快充技术研发上各显身手。中

15、国多家头部动力电池企业包括宁德时 代、孚能科技、蜂巢能源、欣旺达等，都在积极研发创新，也包括部分车企。蜂巢能源正极采用前驱体定向生长精准控制技术，通过控制前驱体合成参数，一次粒径 放射状生长，打造离子迁移“高速公路”，提高离子传导速度。负极表面改性技术，采用液 相包覆技术在石墨表面包覆无定形碳，降低阻抗，提升了锂离子通道工作效率。采用含硫添 加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系电解液，降低正负极界面成膜阻抗，从而提高电解液导 电率。 宁德时代的策略是正极领域采用超电子网充分纳米化的材料表面，搭建了四通八达的电 子网络，使得正极材料对充电信号的响应速度和锂离子脱出速率得到大幅度提升；负极导入 各向

16、同性技术，使锂离子可 360 度嵌入石墨通道，显著提升充电速度，同时修饰多孔包覆层 的阳极材料表面，提供丰富的锂离子交换所需要的活性位点，极大地提高锂离子电荷交换速 度和锂离子的嵌入速率；引入拥有超强运输能力的超导电解液，提升锂离子在液相和界面的 传输速度，通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率结构、下层高压实密度结 构等。广汽埃安石墨烯电池的镍钴锰酸锂三元正极材料与石墨烯混合制成形成一个近似球面的 三维结构，搭建高效立体导电网络，从而提升电荷传递效率。负极采用特有软碳硬碳石墨烯 包覆改性技术。同时采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液，提高电池的倍率性能和热稳定 性，使得电芯可进行高倍

17、率持续充电。保时捷正在研发硅负极取代传统石墨负极的高性能电池，以获得更高能量密度和快充性 能。 以上技术多从材料端提高快充能力，4680 电池不仅从材料体系适配快充，同时改变结构 提高充电倍率。适配硅基负极，可获得更高的能量密度和倍率性能；电解液中添加新型锂 盐，提高电解液窗口，可提高充放电电压。采用全极耳/无极耳方案，阻抗更小（单极耳的阻 抗很难降低下来），电极倍率可提高 4-5 倍，更容易实现快充功能。以色列初创电池企业 StoreDot 官宣，已经生产出首款 4680 圆柱形电池，电池充满电只需要十分钟。（四）大势所趋，特斯拉等头部企业争相入局1、电池厂商方形电池宁德时代一家独大。CAT

18、L、比亚迪、中航锂电基本上都是以方形为主。在主流动力电池生产商中，孚能科技是唯一一家坚持三元软包路线的企业。旗下动力电 池主要供应戴姆勒。国产特斯拉装机带动 2021 年 LG 化学的圆柱电池占比达 68%。中国最早做圆柱电池的企 业以小作坊的形式居多，目前除国轩高科排名第二以外，其他中国企业如力神、银隆、比克 等份额较小。LG、松下、比克、亿纬都在积极布局 4680 电池。预计未来几年，在特斯拉 4680 大圆柱效应带动下，更多车企或将愿意尝试应用该类产品。4680 电池将在 2022-2024 年集中量产。目前进展最快的特斯拉已于 2021 年 9 月试生 产，计划 2022 年量产。其他

19、厂商多在 22H1 开始试生产，2023 年开始量产，2024 年实现大 批量供货。特斯拉：公司在召开的电话会议上披露，2021 年特斯拉 4680 电池的试点产线良率已由 去年的 20%提升至 70%-80%，全球各工厂都在 2022 年开始生产：1）美国加州弗里蒙特工厂 兼开发基地：1 月份已生产 100 万块电池，对应 1000 辆车，目标产能 10GWh，配套车型为 Model Y。二季度干电极流程实现电能输送的完全自动化，大量释放了产能，改善了产量。3 月以来每个月环比增速均达到约 35%；2）美国德州工厂：设备已装备进产线，二季度生产 出第一批 4680 电芯，三季度开始量产，计划

20、在 2022 年底前，该工厂 4680 周产量超过加州工 厂；3）德国柏林：目前已生产出第一辆用于测试的配备 4680 电池的 Model Y。此外，松 下、LG、宁德为特斯拉 4680 的潜在供应商。 2021 年 8 月，宁德时代（300750.SZ）与上海市人民政府签订合作框架协议，计划在上 海临港建设工厂生产 4680 电池，已有中试产线，目前规划 8 条线，共 12GWh。公司目前已 获宝马圆柱电池定点。2、车企目前，特斯拉海外车型基本都使用圆柱电池，国内高性能版搭载的是 2170，标准续航版 是 LFP 方形，主要目的为了降低成本，而高性能版和长续航版以及 Cybertruck、S

21、emi 计划 采用 4680 大圆柱电池。量产后的第一批 4680 锂电池将率先用于位于美国德州和德国柏林的 Giga 超级工厂，装配到即将投产的 Model Y 车型上。Model 3 由于尺寸问题，被部分工程师 认为不适合装配 4680 电池。 特斯拉进度最快，预计今年装车，明年起量。参照 2170 对 1865 的替代速度，2022 年仍 以 2170 为主，2023 年后逐步转向 4680，并且海外进展将快于国内。目前 4680 已顺利装车， 预计 2022 年搭载 4680 的 Model Y 将在海外销售 8 万辆，对应装机量约 8GWh，当年车辆渗 透率约 5%。2023 年，除

22、了 Model 3 的其他所有车型均将实现 4680 电池版本的销售，预计总 销量将达到 36 万辆，对应电池装机约 50GWh。到 2025 年，特斯拉 4680 车型销量预计有望 达到 121 万辆，对应电池装机量约 178GWh，当年车辆渗透率接近 30%。由此可得，2022-2025 年特斯拉 4680 装机量的复合增速 CAGR 将高达 186%。宝马计划应用于其大、中、小三个车型平台，均为 CTC 产品。4695 三元大圆柱已经开 始招标，预计 2023-2024 年或将有样车推出，2024-2025 年开始大批量生产，规模约 100-120 GWh。 全球掀起 4680 热潮。戴

23、姆勒、苹果、Lucid、Rivian 以及小鹏、蔚来、一汽、江淮、大 众中国也在布局 4680。戴姆勒 2017 年以 6 千万美金投资的 StoreDot 正在研发 4680 电芯。江 淮汽车与 CBAK 新能源联合开发 4680 电池；作为与江淮汽车的合资企业，大众安徽（大众 持股 75%）旗下推出的车型可能采用其 4680 电池。计划造车的苹果公司在陷入与宁德时代 和比亚迪的谈判僵局后，与松下频频接触，或转向使用 4680 电池。美国新兴造车势力 Lucid、Rivian 早期即采用圆柱方案。二、4680 引领技术变革（一）正极：超高镍多元1、适配度高，加快布局受益于刀片电池以及 CTP

24、 技术，铁锂方形成本低且安全性高，铁锂 4680 圆柱不具备明 显优势。铁锂版的 4680 电池在理论上是可以实现的，主打高循环性能，应用领域包括储能系 统、轻型车以及低价车型。宁德时代、亿纬锂能就已经公布了两轮车磷酸铁锂大圆柱电池方 案，目前正在推动产能建设。 三元 4680 圆柱降本后与铁锂方形成本相近，安全性也得到提升。4680 圆柱电池单体容 量约 24Ah，比典型方形电池 100-300Ah 要小、单体热失控影响小且泄压方向可控，叠加全 极耳设计，使得三元 4680 圆柱发热量小、热管理难度低。4680 圆柱电芯的成组效率（约 70）比方壳电芯（80）的成组效率低，为了充分发挥圆柱电

25、芯散热性能和内部应力分 布均匀的优势，4680 电芯唯有搭配高镍正极材料，硅碳负极材料才能极致提升电芯和系统能 量密度。三元材料由镍、钴、锰（或铝）三种金属组成，其中，镍是电极反应中关键的活性物 质，在充放电中参与氧化还原反应。三元材料整体能量密度高低的关键就在于镍含量。为了 实现正极更高的性能和更低的成本，不断减少钴含量、增加镍含量。高镍三元继续超高镍 化，从 NCM8 系、NCA8 系继续向 NCM9 系、NCA9 系、NCMA、无钴化发展。 NCMA 四元材料是基于目前两大主流三元高镍材料 NCM 与 NCA 混合而成，通过在 NCM 三元材料中掺杂 Al 粒子得到，本质是用 Al 替代

26、 Co。NCMA 在提升镍含量的同时兼 顾了降本和材料稳定性。NCMA 的镍含量已达到 90%，提高了比容量；相对廉价的铝元素的 混入，大幅减少昂贵的钴元素含量至 5%以下；形成的 Al-O 化学键强度远大于 Ni(Co，Mn)- O 化学键，从化学性质上增强了正极的稳定性。 NCMA 的循环性能也明显优于比容量相似的 NCM 和 NCA。韩国 Un-Hyuck Kim 团队使 用 1C 电流在 25 1000 次充放电循环后，NCMA89 电池的放电容量下降至原先的 84.5%， 而 NCM90 与 NCA89 的放电容量则分别下降至原先的 68.0%、60.2%。根据各家电池厂公布的方案来

27、看，4680 电池正极材料目前以超高镍方向为主。不同企业 选择的体系不同，如特斯拉使用 NCM91，LG 使用 NCMA。根据公开资料，我们推测宁德时 代、亿纬锂能、SKI 将使用 NCM 高镍体系，松下、SDI 使用 NCA 高镍体系。根据高工锂电数据，2021 年国内三元材料总产量为 39.81 万吨，同比增长 89.5%；全球 三元材料总产量为 72.97 万吨，同比增长 79.3%。根据真锂研究数据，8 系以上高镍材料占比 达到 39.5%。国内高镍正极竞争格局较为集中，CR5 达到 86.4%。2、生产工艺升级高镍体系具有超高能量密度的优点，但存在循环结构稳定性和安全性不足等劣势。其

28、在 工作中会出现阳离子混排、晶格畸变、微裂纹、界面副反应和残余碱含量高等问题。相比普 通三元，高镍体系对生产工艺提出了更高要求。 前驱体工艺方面，以使用氢氧化物共沉淀法的前驱体制备工艺为例，原料为硫酸镍（氯 化镍）、硫酸钴（氯化钴）、硫酸锰（氯化锰）、氢氧化钠等，在反应釜混合后经过脱水、 洗涤、干燥、陈化等步骤得到前驱体成品。相比之下，超高镍材料的酸碱度控制更严格，由 于 Ni 含量极高，所以所需 pH 值也更高，需要很高浓度的氨水作为络合剂。超高镍体系正极工艺流程：将前驱体和氢氧化锂按一定比例在混料机中均匀混合，接着 将产物装入匣钵中放入窑炉煅烧，煅烧次数一般为 14 次，各厂家不同；每次煅

29、烧之间需要 粉碎、洗涤、干燥、包覆等步骤，煅烧后需冷却，接着筛分除铁，最后进行批量包装。高镍三元材料的制造过程与普通三元不同的地方主要体现在：1）超高镍体系氧化性强易与电解液的表面副反应，需要包覆抑制电解液对活性物质的侵蚀；2）对能量密度和充放电 倍率要求高，使用氢氧化锂作为锂源。因为氢氧化锂不需过高的烧结温度，从而减少阳离子 混排，提高循环稳定性；3）Ni3+在高温固相反应中是不稳定的，所以很难在空气中合成理想 的高镍三元正极材料。为了降低阳离子混排概率、减少杂相生成，烧结需要使用纯氧；4） 煅烧温度要低。镍含量越高，Li/Ni 混排就越容易发生，所以需要煅烧温度越低；5）煅烧时 间长、耗电

30、量大。一烧分为混料、烧结和破碎，对于设备的要求主要集中在烧结。一烧的时 间比二烧长，同样一吨的材料，一烧需要 22-24 个小时，二烧只要 7-8 个小时；6）对除湿、 磁控、密封性方面也有更高要求。为了减少杂相生成，需要在真空或氮气氛围下包装，全过 程需要严格控制湿度 10%以下。高镍正极生产设备方面，1）使用高速混合机代替球磨机作为混合设备。高速混合机的 残留混合、占地空间、混合效果及均匀性等优于球磨机。高混机的叶片结构使物料形成漩涡 状态的高速混合搅拌，加热干燥，设备在高速运转时将物料快速分散，搅拌桨利用重力和离 心力作用使下面物料向上抛起，上面的物料迅速下压，来回循环，从而达到高速混合

31、的作 用。高镍三元正极全程需控制湿度，高速混合机的密封性要好，整个工作环境必须湿度控制 在 10%以下。同时高速混合机具有更好的耐腐蚀性。2）装钵工序是将锂化混合后的材料倒入特制匣钵中，匣钵是在煅烧时盛装高镍三元正极 的容器。对于设备密封性和耐腐蚀性要求更高，匣钵的氧化铝（刚玉）含量更高，以增加耐腐蚀性。由于高镍三元对闸钵的质量要求高，单个匣钵的装料量小于普通三元正极，单吨消 耗匣钵费用是普通三元近 6 倍。3）窑炉整条产线（包括炉膛、传动系统和辊棒等）同时具备高密封性、耐碱耐氧腐 蚀、控温精度高（5以内）、温度分布均匀性高。高镍三元产线一般使用辊道窑，用耐高 温的陶瓷辊棒直接驱动耐火板前进，

32、装载产品的耐火板直接承载在辊棒上。相比推板窑，辊 道窑产线效率高，不容易发生“拱窑”现象。（二）负极：硅基材料1、硅基负极蓄势待发石墨负极潜力挖掘完全。目前高端石墨克容量已经达到约 365mAh/g，接近理论克容量 372mAh/g。从负极材料角度，电芯能量密度的提升需要开发出具有更高克容量的负极材料。 硅基负极最具商业化前景。由 5Si+22Li+22e-=Li22Si5 可知，5 个硅的摩尔质量为 140.43g/mol，5 个硅原子结合 22 个 Li，则硅负极的理论容量可达 4200mAh/g，是石墨的 10 倍多。 硅基负极是非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据中国

33、能源信息平台 数据，目前采用添加硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升 8%以上，体积能量 密度可以提升 10%以上。硅材料来源广，储量丰富。硅是地球上储量第二的化学元素，工业硅生产的上游原料清 晰，包括硅石和碳质还原剂，工业硅的主流生产方法为电弧炉法，实质是高温还原反应。电 弧炉耗电极大，电力成本在工业硅生产总成本中占据核心位置，用煤成本与硅石成本次之。解决枝晶问题，安全性得以提升。负极石墨电压平台接近锂的析出电位，易产生锂枝 晶，枝晶刺破隔膜，正负极将发生短路，严重威胁电池安全。硅的电压平台比石墨高，硅基 负极的电极反应优先于锂枝晶生成，使得锂离子不以枝晶形式析出。近几年硅基负极增长

34、快。根据高工锂电数据，2016 年我国硅基负极材料出货量仅为 0.05 万吨，2021 年激增达到 1.1 万吨，同比增长 83.3%，约占当年全部负极材料的 1.5%。高速增长背后，一方面，来自于电动工具、智能家居锂电池市场需求旺盛，叠加国际电 动工具巨头、跨境电商等锂电池供应向国内转移，高容量、高倍率锂电池需求增加带动国内 硅基负极需求起量。另一方面，源于动力电池的稳定增长。动力电池方面，在目前量产车型 中，仅特斯拉长续航版本车型 Model 3 在负极中掺入少量的硅，车型销量的增长带动部分国 内硅基负极需求的增长。4680 正极多采用高镍三元，负极使用硅基可以更好地匹配正极的高能量密度。

35、并且由于 4680 大圆柱对硅基负极的体积膨胀的容忍性更高，未来更加适配高镍+硅基负极体系。4680 电池中大幅增加了硅基材料的占比，预计添加量或将从 2170 的 5%提升至 10%左右，是一次 重要的技术改进。4680 大圆柱电池以及长续航快充车型的规模化量产，叠加硅基负极产业链 扩产提速，将推动硅基负极材料进入爆发式增长通道。预计 2025 年全球电池装机量达到 2500GWh，硅基负极在三元电池中的渗透率为 25%，SiOx 和石墨负极克容量约 1500mAh/g 和 350mAh/g，当 SiOx 含量在 11%-20%时，推算出硅基负极的市场空间可达 40-60 亿元。2、硅碳硅氧

36、各具优势硅基负极材料亟待解决问题：体积剧烈变化。硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积 变化，最大膨胀可达 320%。相比之下，传统的石墨负极工作时，锂嵌入石墨六边形结构层 间的空隙，体积变化只有 16%。对于单质硅负极膨胀带来的以上问题，目前采用硅复合材料应对：当前具备商业化前景 的有两种：硅碳负极和硅氧负极。硅碳负极是指纳米硅与碳材料混合，硅氧负极则采用氧化 亚硅与碳材料复合。硅氧负极动力领域进展较快。氧化亚硅（SiO）在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小， 因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，更适合应用于动力电池领域，目前各大 负极材料厂商对氧化亚硅负极均有所布局。但是氧化亚硅负极在

37、充放电过程中会生产 Li2O 等 非活性物质，导致 SiOx 材料首次效率较低（约 70%）。相较之下，硅碳负极克容量高、首 效高，主要应用于消费电子和电动工具领域。3、改性方法：纳米化、碳复合、预锂化改性方法 1：纳米化。当硅颗粒直径小于 150 纳米时，内外层反应差距不那么强烈，不 会出现产生裂纹和粉碎的现象。改性方法 2：碳复合。一方面可以将硅表面很好地保护起来，充当硅体积膨胀的缓冲 层，避免硅在充放电体积形变过程中裸露，新鲜硅表面与电解液直接接触，反复生成 SEI 膜；另一方面可以增加颗粒的导电性，减少电极的电荷转移阻抗。 硅基复合负极材料通根据硅的分布方式不同可分为包覆结构、负载-分

38、散结构，在合成工 艺上不尽相同。硅基复合负极材料相比石墨负极工艺复杂，技术路线仍在探索，且各家工艺均不同。目 前常用碳复合工艺如机械球磨法、化学气相沉积法等，通常为多种手段组合。预锂化是在锂离子电池工作之前向电极内部增加锂来补充锂离子。通过预锂化对电极材 料进行补锂，抵消形成 SEI 膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。预锂 化技术包括负极补锂和正极补锂。 负极补锂目前主要的补锂剂类型，技术成熟度高。负极补锂主要采用金属 Li 粉、Li 箔补锂、硅化锂粉补锂等方式。宁德时代在 2016 年申请的两项专利分别在负极表面通过静电控制的方式喷洒 Li 粉和在负极表面覆盖一层薄 Li

39、箔的方式进行补锂。金属锂补锂的优点是补锂效率高，反应后无残留，但是金属 Li 的活性很高，对环境控制 要求高，并且需要采用大型设备，成本投入也比较大，对现有生产工艺影响较大。同时也存 在较大的安全风险，特别是金属 Li 粉，悬浮的空气中可能会引起粉尘爆炸等风险。 硅化锂粉补锂是非常适合硅碳负极的一种补锂剂，通过加入已经合金化膨胀的含锂硅粉 进行预锂化，提高首次效率的同时使负极在初始时处于膨胀状态，可以缓解材料的挤压破 碎。 正极补锂安全、便利，但产业化处于初级阶段。相比于负极补锂，正极补锂工艺最 大的优势在于安全性和便利性，可应用于各种体系的锂离子电池正极材料，不改变现有的生 产工艺，不需要引

40、入新设备，仅仅是在匀浆过程中在正极浆料中加入部分高容量的含 Li 氧化 物（即补锂剂），如 Li2NiO2（LNO）、Li5FeO4（LFO）、Li2O，对于电池厂商而言是十分 理想的技术路线。4、产业化布局提速硅负极未来的竞争格局或将相对有序。目前跨界布局硅负极的企业相对较少，考虑到硅 负极较高的量产难度，加之需要和客户使用的电解液、正极、粘结剂等进行产业链配套，客 户粘性更高。相较石墨负极，硅负极将继续保持相对较高的进入壁垒，未来竞争格局或相对 有序。 目前各大负极材料厂商均有所布局。日本信越化学、韩国大洲以及杉杉股份、贝特瑞等 企业目前均有可以量产硅负极产品，在电动工具等领域已经得到了部

41、分应用。目前，以贝特 瑞、江西紫宸、杉杉股份为代表的国内企业已经拥有较成熟产品，能解决膨胀和首效问题， 并拥有明显优于石墨负极的能量密度。（三）其他材料未来趋势1、导电剂单壁碳管碳纳米管（CNT）是石墨烯层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管状结 构。由于硅负极导电性弱于石墨负极，常规导电剂炭黑无法完全满足硅碳负极性能要求，而 以碳纳米管为代表的新型导电剂拥有更为优异的导电性能，可以部分缓解硅材料在充放电过 程中的结构坍塌，是更为适配硅基负极的导电剂材料。 由于碳纳米管形貌为一维管状结构，长径比和比表面积大，作为导电剂，可以与活性物 质形成线接触并能固定电极材料，导电性能更优，且能有

42、效提升锂电池倍率性能。碳纳米管 用量少，仅为传统导电剂的 1/6 到 1/2，可以达到同样的导电效果。它还有具有优异的导热性 能，能够将电池中的热量较好传导出来，提升电池的高温性能。目前碳纳米管占整车成本仅 约 0.8%，相对于其可提升的综合性能，实用价值大，且存在涨价逻辑。缓解硅负极膨胀问题，改善循环性能。碳纳米管具有很好的机械拉伸强度，使得硅颗粒 之间的连接非常紧密、牢固，即使发生硅负极颗粒体积膨胀并开始分裂，这些颗粒仍可通过 单壁碳纳米管的“绑定”保持良好连接。 减少电解液损耗，提升寿命性能。碳纳米管作为空心管状结构，能够提升极片的吸液 性，从而降低电池使用过程中的电解液损耗，从而提升其

43、寿命性能。根据石墨片层的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管 （SWCNT）管壁由一层碳原子组成，多壁碳纳米管（MWCNT）由几个或几十个单壁碳纳米 管同轴构成。单壁碳纳米管性能更优。目前市场上的碳纳米管以多壁碳纳米管居多，而单壁碳纳米管 的直径更小、长径比更大、热稳定性更高（高达 1600），添加后使得极片具有更好的柔韧 性和机械稳定性，在反复脱嵌锂膨胀过程中保持良好的导电网络，对电池循环性及容量的提 升更为明显，并且具有更低的阻抗，表现出优异的倍率性能。单壁碳纳米管用量更少，能够 进一步降低锂电池中导电剂的含量，从而降低成本。 单壁碳纳米管与硅负极的适配度更高。凭借

44、高电导、高柔韧比和高长径比，单壁碳纳米 管可以更好地抑制硅的膨胀。根据 OCSiAl（海外单壁碳纳米管专业生产商）官网数据，添加 其旗下产品 TUBALL（商标名称）单壁碳纳米管 0.04%在硅基负极电池配方中，电池循环寿 命可提升 4 倍，助力硅负极电池实现 350Wh/kg 的能量密度，续航里程提升 15以上，同时 满足电极快充快放。目前公司单壁碳纳米管产品尚处于中试阶段，预计有望于 2023 年实现量 产。目前单壁碳纳米管只用于少数高端产品。随着技术成熟度上升、成本下降，单壁碳纳米 管有望加速渗透。预计 2025 年全球电池装机量达到 2500GWh，硅基负极在三元电池中的渗 透率为 2

45、5%，SiOx 含量约 10%-20%，与之配套的单壁碳纳米管的添加量约 0.1%-0.15%，当 销售价格达到 1000-1300 万/吨时，推算出单壁碳纳米管的市场空间可达 16-30 亿元。 OCSiAl 引领单壁碳纳米管全球发展。OCSiAl（奥科希艾尔）是一家专注于单壁碳纳米 管生产的俄罗斯企业，占据全球 95%的单壁碳纳米管市场。公司研发的 TUBALL 单壁碳纳 米管的突出优势是极致纤细（管径 1.6nm，管长5um），具有极高的长径比，可达 3000， 比表面积高可达到 900cm2 /g。TUBALL 的 G/D 达到市面产品中最高的 90，这意味着其导电 性能非常优秀。公司

46、 2021 年产能达到 80 吨/年，可以满足 100GWh 以上的锂离子电池的导电 剂需求。OCSiAl 在中国有两家授权的合作伙伴，实现了本地化生产 TUBALL BATT 分散 液，并通过了多家知名电池企业的品质审核。2、新型锂盐 LIFSI4680 高镍化、高压化对电解液性能要求提升。首先，正极材料中镍含量增加，由于高镍 中的 4 价镍离子具有较高的氧化还原电位，会催化电解液氧化分解，影响电池性能。第二， 高镍体系电池循环过程中会有锰、钴等过渡金属溶出，会破坏负极表面的 SEI 膜。此外，高 镍电池需要添加过充和阻燃等添加剂来提升电池的安全性。LiFSI 具有更好的电化学性能：1）Li

47、FSI 具有更高的热稳定性，其熔点可达 145，分 解温度高于 200。可耐受更高的工作温度，抑制气胀；2）LiFSI 电导率高，可达 9.8ms/cm （LiPF6 仅 6.8ms/cm），有助于降低电池内阻、减少发热、提升效率和安全性；3）LiFSI 与 SEI 膜有很好的相容性，只会在 160时与其部分成分发生置换反应，对于正负极的化学稳 定性高。 LiFSI 作为添加剂用量提高。LiFSI 主要应用于三元电池中，可以作为电解液的主电解质 直接替代 LiPF6，或者作为传统电解质 LiPF6 的添加剂使用。目前 LiFSI 尚未作为主电解质 使用，而是作为添加剂与 LiPF6 混用，用于

48、三元动力电池电解液之中以改善性能。高镍三元 正极材料以及快充技术的应用带来了对于 LiFSI 的更大需求。根据多氟多公开资料，以 4680 电池为例，其中 LiFSI 的添加量或将是普通三元电池的五倍，从 3%提高到 15%。LiFSI 的纯度对产品性能影响较大，电池级 LiFSI 生产工艺难度较高。目前 LiFSI 的合成 主要采用氯磺酸法，中间产物双氟磺酰亚胺 HClSI 的收率（主产物占所有产物的比例大小） 对产品品质的把控至关重要。由于 HClSI 的合成对于温度敏感度高，可以通过精准的温度调 节来提高其总产率。降低成本的主要方法来自对于副产物的回收和综合利用。国内多家电解 液企业已经

49、深耕多年，积累了大量先进技术储备，共同推动 LiFSI 的价格从 2017 年的 70 万 元/吨下降至 2021 年的 40 万元/吨。技术门槛也导致新进入者难以参与竞争。龙头企业把握核心工艺，专利布局提高行业门槛。纯度控制以及对敏感中间物的温度把 控决定了合成 LiFSI 较高的技术壁垒。目前只有一线电池企业、电解液龙头企业拥有 LIFSI 作为添加剂和锂盐的多种配方，而二线企业大多仅有作为添加剂的配方。国内电解液厂商有 能力布局并着手生产的包括天赐材料、多氟多、新宙邦、永太科技等。而宁德时代、比亚 迪、LG、三星、松下等电池龙头企业的专利数量遥遥领先。3、复合铜箔 PET复合铜箔是以 PET 或 PP 作为导电薄膜、两边以铜箔（或铝箔）为镀层的夹层状动力电 池集流体材料，表现出部分“