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    特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

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      幸运达人

        根据特斯拉展望:4680将在2170的基础上能量(容量)提升5倍,里程提高16%,成本下降14%。

        目前市场对4680的前景分歧较大:看好的人认为4680可能会颠覆现有电池技术路线,或许迎来圆柱电池的第二春;不看好的人认为4680只是噱头,量产遥遥无期。

        图:特斯拉4680大圆柱电池构想

      特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

        资料来源:特斯拉电池日资料来源:特斯拉电池日本篇报告主要回答三个问题:

        4680大圆柱的优势在哪里?未来替代的是哪部分市场?

        4680量产结节奏如何?

        产业链哪些标的受益?

        核心结论为大圆柱兼备安全性高+成本低的双重优势,从车企和电池厂规划看,放量预计在2023-2024年,受益产业链有大圆柱电池+高镍三元+硅基负极+单壁碳管+LiFSi+结构件。

        一 4680路线优势

        大圆柱的优势体现在安全性高+成本低,预计未来将替代部分三元软包和三元方形的份额。

        1、安全性:“圆柱”的优势——是最有可能解决热失控的方案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。因此汽车动力电池系统的安全问题就不再仅仅是电池单体,而是电池成组安全问题。

        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。

      特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

        图:热失控蔓延影响因素总结

        资料来源:《离子电池热失控蔓延问题研究综述》芮新宇资料来源:《离子电池热失控蔓延问题研究综述》芮新宇圆柱不易引起热失控蔓延的2个原因:

        1)单体容量低,单个电池热失控释放的能量小,相较于方形和软包来说不易引起蔓延。从单体层面看安全性排序:小圆柱>大圆柱>软包>方形。

      特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

        图:不同形状三元电池单体容量对比

        资料来源:各公司官网,其中4680电池按2170的5倍推算。资料来源:各公司官网,其中4680电池按2170的5倍推算。

        2)圆柱的弧形表面一定程度上限制电池之间热传递;而方形和软包的传热问题理论上是无解的。

        方形、软包电池由于具有平直的表面,组成模组后常常是平面紧密接触的状态,传热明显(特征主要为“侧向加热”)。

        圆柱电池由于其弧形表面,即使在充分接触的情况下仍存在较大间隙,一定程度上限制了电池之间的热量的传递。

        目前主要通过热管理(大部分车企使用液冷)的手段,抑制热失控在电池之间的蔓延。其中圆柱电芯的设计,本身具备一定的热失控防护的阈值,因此模组层面有更多的容错空间(推测这也是特斯拉坚持圆柱路线的原因之一)。

        2、成本低:“圆柱”的优势——降低单体成本,“大”的优势——降低BMS难度1)生产效率高→单体成本低圆柱:是最早商业化的锂电池,生产最为成熟,体现在装配效率高于方形和软包,例如亿纬新线1865/2170基本是200PPM(200个电池/min),国产线在150PPM以上;34大圆柱,例如宁德给两轮车做的,约100PPM。4680现在的量产效率未知,但圆柱的特性(同心圆卷绕)决定了其生产速度,即使大圆柱低于小圆柱,但也会比方形和软包的叠片快很多。

        方形和软包:200Ah以内的方形10-12PPM、200Ah以上的大方形10PPM以内。软包的生产效率则更低一些。

        以单车80KWh为例,2170圆柱需要4400个左右,单体容量250Ah方形需要300个左右,因此完成整车圆柱电池的生产大约需要20min,而方形则需要30min(按上限10PPM测算)。且圆柱的产线爬坡速度也要快于方形,例如圆柱生产设备3个月可以调试成功,方形则需要4-5个月。

        2)圆柱变大→降低BMS难度

        以上讲了2点圆柱的最大优势安全性高+单体成本低,但大规模使用1865/2170的主流车企仅有特斯拉一家。

        主要由于圆柱电池单体容量较小,要达到一定的动力性能,电池的总量必然巨大,例如18650需要7000+个、2170需要4000+个,对电池系统的连接和热管理技术提出极高要求。

        因此,圆柱电池路线让不少车企望而却步。但4680时代,需要的电池单体数量下降为960个,更少的单体数量意味着PACK时空间利用率提高,且需要的BMS大大简化(此处基于大圆柱散热问题被无极耳技术解决)。

        3)成本展望

        预计大圆柱在24-25年达到成熟,届时大圆柱单wh成本在0.45-0.5元,三元方形在0.5-0.55元,三元软包在0.55元,LFP方形在0.3-0.4元,而目前单wh三元方形的成本在0.6元+,LFP方形成本在0.5元+。

        二 何时落地?

        1、车企态度

        目前态度明确是特斯拉和宝马两家。特斯拉进度要更快些,预计22年可实现装车,起量预计在23年后;宝马预计24年SOP。

        1)特斯拉

        时间规划:21Q3交流会表示将于22年初美国工厂实现4680装车。预测国内至少在23年才会上4680。

        车型规划:不会把4680镍基用于所用车,主要在长续航的车辆中使用;标续版的车用LFP(非4680)。4680将首先用于Model Y;其他可能搭载的车型有cybertruck、semi等。

        Model 3由于尺寸问题,被部分工程师认为不适合装配4680,因此我们假设Model 3三元版仍使用2170。

        销量预测:

        LFP占比假设:根据特斯拉二季报交流,马斯克规划未来特斯拉车型中1/3~2/3将使用LFP。我们假设22年及以后LFP版MODEL Y:国内占比50%;美国及欧洲销量占比约1/3。

        2170&4680假设:参照2170对18650的替代速度,因此假设22年以2170为主,23年后逐步转向4680,24年4680完全替代2170(Model 3除外)。海外进展将快于国内。

        带电量假设:Model Y标续版带电量约75度,按照4680带来16%续航提升计算,长续航带电量约87度电;电动皮卡200度电;Model 3平均80度电。

        销量:基于上述假设,我们预计如果明年年初实现顺利装车,22年全年10万辆Model Y(在美国销售的长续航版)将使用4680电池,对应装机9GWh。23年进入大规模放量期,预计国内5+美国42+欧洲12共59万辆,对应73GWh。预计24年将完成4680对2170的全面替代(Model 3)除外,预计国内30+美国67+欧洲25共122万辆,对应148GWh。

        渗透率:从22年开始进入加速渗透期,预计22-24年4680在特斯拉销量的渗透率为7%、27%、45%,此后进入稳定期。由于4680用于带电量高的车型,因此装机的渗透率要高于销量的渗透率,预计22-24年渗透率为6%、34%、50%。

      特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

        2)宝马

        时间规划:宝马4695三元大圆柱预计开标100-120GWh,7年周期,SOP时间2024年。

        车型规划:目前计划应用于宝马大、中、小三个车型平台,均为CTC产品(可以理解成只有一个pack的CTP)。

        2、电池厂进展

        目前进展最快的是特斯拉自产电芯,预计明年实现量产;其次为松下(12.51, 0.28, 2.29%),同样是明年实现生产;亿纬锂能(除特斯拉外,大圆柱产能规划最大的电池厂)、LG化学预计在23年之后开始放量。

        特斯拉:自产4680电芯目前在弗雷蒙德工厂试生产,且测试顺利。量产基地在德州,计划在22年底产能达100GWh(特斯拉口径偏乐观)。目前特斯拉4680电池的试点产线良率已由去年的20%提升至70%-80%(批量生产良率要在90%以上)。

        亿纬锂能:与StoreDot(以色列一家专注于快充的初创公司,对硅负极有独到理解)联合开发,布局的是4680和4695两个大圆柱电池,目前成品已出。目前已经公告的产能为20GWh,预计22H1开始建设,23年达产;预计24年产能将达到40GWH(新闻口径)。

        宁德时代:4680规划8条线,共12GWh。

        松下:21年1月消息:计划在大阪工厂投资一条试验线,预计 2022 年开始投产。21年9月消息:4680型电池的研发目前正在进行中,松下暗示将在这方面加大投入。21年10月消息:计划22年3月在日本开始试生产4680电池。

        LG化学:21年3月消息:LG化学的4680电芯试生产线已经开始建设,组装和电镀设备已经安装完毕,目标是在松下大规模生产电池之前完成试产。计划最早在 2023 年实现量产。

        三 哪些产业链上的标的将受益?

        1、电池公司

        【宁德时代(300750.SZ)】(规划12GWh)、【亿纬锂能(300014.SZ)】(已公告20GWh,22H1开始建设,4680进展走在前列)。

        2、材料公司

        核心逻辑是我们认为4680电池的推出是追求更高的能量密度(圆柱电池叠加高能量密度相比软包、方形要安全),从技术层面寻求单wh成本的下降,结合产业链调研发现,4680进展和高性能材料紧密相关如硅负极、单壁碳管等,故我们推荐几个高性能材料产业链:

        高镍:【华友钴业(603799.SH)】、【中伟股份(300919.SZ)】。市场担心LFP对NCM的全面替代,而实际4680进一步推动高镍、超高镍的发展,在这个过程中看好高镍一体化的龙头构建壁垒,其他关注【长远锂科(688779.SH)】、【当升科技(300073.SZ)】、【容百科技(688005.SH)】。

        硅基负极:【中国宝安(000009.SZ)】(贝特瑞)。我们预计2170电池硅添加量为5%,4680里添加量为10%,目前硅基负极单价22万元/吨,单吨净利润在6.5万元,则对应2170单GWh盈利为406万元,4680为813万元。

        碳纳米管:【天奈科技】。硅基负极本身导电性能差,因此会增加碳纳米管的使用,且为单壁碳纳米管,假设初期粉体价格在900万元/吨(现在多壁碳管价格在50万元/吨左右),在负极添加比例为0.1%,60%毛利率下单吨净利润在450万元,对应单GWh盈利在563万元。

        LiFSI:【天赐材料】。LiFSI具有较好的热稳定性、电化学稳定性、更高电导率,提升电池性能。目前LiFSI价格超过40万/吨,假设在电解液的添加比例5%,预计单吨净利润10万元,对应单GWh盈利600万元。

        结构件:【科达利】。2170到4680结构件体积/容量增大了5倍,4680的壳体底部有防爆阀,结构更加复杂,新增盖帽部分(2170公司不做盖帽),故价值量会更大。此外,新产品在初期利润率也会更佳。

      特斯拉4680大圆柱电池:动力锂电行业将重新洗牌?

        图:4680产业链弹性测算

        本文转自微信公号“长桥海豚投研”,作者:长桥海豚君;

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