4680电池量产在即?大尺寸动力电池能否成为主流?_技术交流_机械工业北京电工技术经济研究所

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4680电池量产在即?大尺寸动力电池能否成为主流?

作者: 李颖   来源:中国能源网 时间:2021-11-15

4680电池量产近日频频流出新动向。

11月2日,两辆装载4680电池生产设备的卡车驶入特斯拉得克萨斯州超级工厂(Gigafactory Texas)存货区,分别标记为“正极产线 1”及“负极产线 1”。此举或意味着特斯拉已着手安装 4680 产线设备,并准备试产4680电池。

11月7日,加拿大安大略省马卡姆市表示,特斯拉公司在该市开设了一家生产电池设备的工厂,正在加大生产成本更低、续航里程更高的4680电池。

今年8月份曾有报道称,特斯拉在加州弗里蒙特附近建设了一条4680电池试验生产线,用于检验4680电池生产线的良品率,消息显示其良品率已经接近80%,距大规模量产又更近了一步。

今年9月底特斯拉弗里蒙特加藤路厂的4680试点产线扩大招聘规模,也被外媒视为4680电池量产在即的信号。

锂电巨头松下(Panasonic)近日也官方宣布了4680电池接近商用成熟,拟对其墨西哥产能进行进一步扩产。松下表示,特斯拉在去年电池日之前便与公司开始接洽,在考虑了成本、车辆本身、圆柱电池性能等多方面因素后,敲定将4680作为最佳电池尺寸。

松下透露,在技术上基本已准备好量产4680电池。从产品研发方面来看,技术目标基本都已实现。目前公司正在日本打造一条产线并进行试产,待技术完备之后将迈向大规模生产。在被问及是否会向苹果等其余公司供应电池时,松下表示,原则上特斯拉是优先选项,但并不排除考虑与其他公司合作的可能性。

什么是4680电池?

2020 年9月22日的“电池日”活动上,特斯拉推出了全新的 4680 电池,其能量密度及输出功率较此前的电池有大幅提升,在提高续航里程的同时,还能明显降低成本。

所谓4680,其实是对电池尺寸的概括(圆柱电池尺寸为直径46mm,电池高度80mm),以此替代此前特斯拉使用的主流18650电池和21700电池。

相比后两者,这款新型电池的单体能量密度提高5倍,达到300Wh/kg,续航里程提高16%,电力相比“有极耳”电池提升了6倍,成本还能降低14%。此外,通过“无极耳”这一工艺可以降低电阻,使散热和倍率问题得以解决。

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来源:高工锂电网、电动汽车观察家、天风证券研究所

特斯拉18650电芯,直径18mm,高65mm;

特斯拉21700电芯,直径21mm,高70mm;

特斯拉4680电芯, 直径46mm,高80mm。

据马斯克介绍,全新的4680型无极耳电池,能量较之前的电芯规格提升5倍,里程提高16%,输出功率提升6倍。

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来源:智数汽车大数据

目前新能源汽车领域主要有两种材料,一种是三元正极材料,一种是磷酸铁锂正极材料。虽然4680电池所替代的21700和18650尺寸均为三元电池,4680本身也只是一种电池尺寸,并非三元锂电池、磷酸铁锂或者其他电池的独有技术,就像比亚迪的刀片电池,虽然使用的是磷酸铁锂正极材料,但也是可以采用三元正极材料的。安全性始终是电池厂家重点考虑的问题,在这一点上,磷酸铁锂要比三元好得多。未来,磷酸铁锂和高镍三元并行的可能性比较大。

4680电池优缺点剖析

圆柱电池的几何对称性更好,具有良好的刚性。因此4680电芯既有储能作用,又有结构支撑作用。可以兼容更高容量、更高电压的正极和更高容量的负极;其次,无极耳(全极耳)设计使得电子运动距离大幅缩短,降低电池欧姆内阻,提升电池倍率性能。

4680电池的优势

相比此前特斯拉使用的18650和21700尺寸圆柱锂电池,4680电池的优势主要体现在电池容量、生产成本和效率。

1、能量密度高:通过降低结构件重量占比提升电池整体能量密度约10%-20%(预计300Wh/kg)。相比特斯拉此前采用的21700电池,4680电池的能量密度将提升5倍;

2、单体容量大:大体积设计使电池容量提升至传统电池容量的5倍(预计30Ah),电池容量的提升也会导致续航里程有所提升(提高16%);

3、成本更低:受益于无极耳架构与电池包的设计,成本预计降低50%以上。无极耳设计将降低电池发热,降低电池液冷系统费用。能量密度提升降低单GWh成本,搭载该电池的车型续航里程可提高16%,度电成本下降56%;

4、生产效率提升:体现在大电芯上,同样用于75kWh的电动车,老版18650需要7100个左右电芯,21700需要4400+个电芯,而新型电池4680仅需要950个电芯,更少的单体数量意味着空间利用率的提高,同时生产组装需要的时间减少,因此成组效率大大提升;

5、倍率性能佳:相较于有极耳电池提升6倍;

6、快充性能优:特斯拉自研产品15分钟充满电,以色列电池初创公司StoreDot产品10分钟充满电。

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资料来源:公开资料,招商证券

4680电池存在的问题:

当然,4680也不可避免地存在着一些问题:

首先,尺寸比18650、21700更大,因此径向、轴向几何对称性均变差,在圆柱内部对正负极相对苛刻;

其次,电芯内部散热难度更高,对电池寿命存在一定影响;

第三,在倍率性能要求不高的场合与方形电池相比,CTC的圆柱体积能量密度也可能偏低。

特斯拉4680电池的潜在合作方

早在8月31日就有消息称,特斯拉已经开始寻找4680大圆柱电池的合作厂商,特斯拉设计4680电池,由电池厂家代工。放眼全球产业链,松下、宁德时代、LG化学(原有的三大电池供应商)、亿纬锂能等企业都将是特斯拉4680电池的潜在合作方。

1、松下

作为特斯拉的老牌供应商,松下持续伴随着特斯拉前进的步伐,早在2008年松下就为特斯拉的Roadster提供18650钴酸锂电池,目前在美国内华达州超级工厂Gigafactory已有 13 条生产线,不仅生产18650电池配套供给特斯拉Model S和Model X,还生产21700电池配套供给特斯拉Model 3。

今年6月,松下表示将计划在大阪的Suminoe工厂准备4680电池试点生产,以测试4680电池。如果测试顺利,将进行大笔投资,并可能会向特斯拉以外的车企供应该电池。

目前而言,松下似乎在此次角逐中占了先机。有报道称,松下在技术上基本已准备好量产特斯拉4680电池,目前公司正在日本打造一条产线并进行试产,待技术完备之后将迈向大规模生产。

2、LG化学

此前由于松下不愿跟随特斯拉在中国市场建设动力电池工厂,使得LG能源解决方案(LG化学子公司)有机会拿下了特斯拉上海超级工厂所生产的Model 3和Model Y供应电池的订单,成为了特斯拉的主要供应商。

早在今年初,LG化学就被传出积极准备为特斯拉4680电池建设一条试点生产线,目前正在其Ochang工厂改造部分产线,该工厂的装配和电镀设备已经安装完毕。

3、宁德时代

4680电池本身可适用于磷酸铁锂和三元,宁德时代拿下了特斯拉旗下车型的磷酸铁锂版本电池的订单,而且将单次合同时间从2年延长至4年,根据特斯拉在2021Q2电话会上的表态,特斯拉未来将有三分之二的车型采用磷酸铁锂电池。

截至目前,宁德时代官方暂未传出4680电池的相关产线和规划。

4、亿纬锂能

亿纬锂能除了在方形磷酸铁锂电池、方形三元电池、软包三元电池有所布局外,本身也在研究大圆柱电池,其布局的大圆柱电池有4680和4695两种类型,预计2023年产能释放20GWh,2024年产能达到40GWh。

11月5日,亿纬锂能投资463亿元建设的荆门动力储能电池产业园已经正式开工,涵盖锂电池全产业链,汇集了众多锂电行业龙头(亿纬动力、格林美、科达利、新宙邦等)。在开工活动现场,亿纬锂能董事长刘金成明确表示:“(荆门动力储能电池产业园)有可能是全世界范围内最先量产的4680和4695电池的生产基地,这里生产的电池将装备给全球(龙头)。”

虽然此前亿纬锂能还没有特斯拉的订单,也没有进入特斯拉的供应商体系,但是像特斯拉这样的龙头公司是不允许单一电池供应商占比超过50%的,势必未来还会引进二供、三供等,所以未来亿纬锂能仍有机会加入。

结 语

电池技术路线几个方面的变革,业界的声音很多,在这里也不好提前预判,但从结果上看,PET镀箔(集流体)、大圆柱可能确有进展,至少明年实现产业化还是有可能的。

从全球范围来看,现阶段大规模使用圆柱动力电池车企的还是特斯拉,欧洲车企主要使用的是软包电池,而国内车企多使用方形电池。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,短期来看,主要客户也仍将集中在特斯拉。

特斯拉预计2022年初将交付首批搭载4680电池的汽车。同时,特斯拉正与松下、三星SDI、LG能源等电池厂商合作生产4680电池,预计到2022年年底,将达到每年100GWh的4680电池产能。

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4680电池一直被认为是三元锂电池。随着我国优秀电池厂商入局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。松下、宁德时代等电池厂商去年就推出了全新的4680电池,能量密度和输出功率较此前的电池都有大幅提升。

目前市场对4680的前景分歧较大:看好的认为4680可能颠覆现有的电池技术路线,或许迎来圆柱电池的第二春;不看好的则认为4680只是个噱头,量产遥遥无期。然而4680电池并不存在太大的技术壁垒,作为特斯拉的下一代主力电池,在未来非常有希望被大规模使用。

来源 | 中国能源网

文 | 李颖


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