锂电池行业专题研究报告锂电三国，数封流路线，还看4680

　　（报告出品方作者：华创证券，黄麟、苏千叶）一、4680：吹响圆柱电池升级的号角
　　（一）发展历史复盘：技术路线三分天下，胜负难分
　　1、圆柱电池发展历史复盘
　　索尼：最早发明者，最终退出行业。1992年发明锂离子电池，一经推出就以超高的能量密度碾压传统镍氢电池，1994年索尼成为最大笔记本生产商戴尔的电池供应商，2006年某会议上戴尔笔记本着火，索尼召回1000万块电池，而后韩国和中国电池生产商崛起，索尼深陷亏损泥潭，2016年出售锂电业务。松下：与特斯拉相互成就。1994年研发锂离子电池，1997年丰田Prius采用松下圆柱18650电池，2008年收购三洋电机，并供应特斯拉Roasder，2010年押注等离子电视巨亏，转型动力电池并入股特斯拉，2014年美国建厂，与特斯拉相互成就。LG：牵手特斯拉迎来高光时刻。1999年就量产了18650电池，但直到2019年才进入特斯拉供应链。SDI：大公司小业务。1999年量产业内最大容量1。8Ah电池，曾经在笔记本电脑市场中占有优势地位，但在动力电池中一直踌躇不前。
　　2、方形电池发展历史复盘
　　SDI：昔日方形电池的龙头老大。1999年开发出方形动力电池，2009年成为宝马动力电池供应商，2016年因中国白名单政策，转向欧洲布局，锂电池业务在公司营收占比较低。CATL：补贴政策的最大受益者，崛起的万亿龙头。2011年因被宝马相中，独立出来专做动力电池。2014年因补贴政策出货量剧增，2014年转向研发高能量密度三元材料，2016年白名单政策以及补贴政策倾向高能量密度材料，出货量得到突破。BYD：1995年公司成立，1997年手机电池全球出货量第4，2003年进入汽车领域，2006年研制F3e纯电动轿车，2009年量产纯电动客车，2010年纯电动乘用车e6量产，受益于补贴政策，成为国内龙头，2016年补贴政策倾向三元材料，叠加BYD不外供电池，出货量占比日益降低，2020年发布刀片电池和DMI车型，市占率持续走高。
　　3、软包电池发展历史复盘
　　AESC：早期的王者，点错了科技树。2007年成立，专注于锰酸锂技术路线，2010年搭载AESC的经典车型日产Leaf上市，创造了9年零电池安全事故的质量佳话。2017年因锰酸锂优势不再，AESC不再是Leaf独家供应商，2019年被远景收购。LG：软包电池集大成者。LG在手机电池中沉淀多年，2009进入动力电池市场，首款车型为现代混动车型，2010年配套雪佛兰Volt，2017年雪佛兰Volt和Bolt销量突破5万辆，2018年和大众合作开发MEB，LG软包电池达到鼎盛，2021年现代和通用因电池安全问题召回，大众电池日宣布选择方形标准电芯，软包电池遭遇挫折。
　　（二）发展历史复盘：技术路线三分天下，胜负难分
　　评判技术路线一定要在系统整车的角度评估，不能将单体电芯的优劣推演至系统：电芯能量密度高系统能量密度高，软包电芯的能量密度高，但在系统级别软包电池的结构件重量远高于硬壳电池，使得系统级的能量密度差异不大。电芯安全性好电池系统安全性好，在电池包内电芯的散热路径、紧固状态、高压连接等都会影响热失控防护效果，软包电池在电芯级安全性能优于硬壳电池，但系统级防护难度和成本也很高，整体上并无明显优势。
　　（三）圆柱电池生产工艺，全极耳工艺不成熟影响良率
　　圆柱电池生产工艺在三种封装方式中最为简单，生产效率最高。主要的生产工艺包括：配料、涂布、碾压、模切、卷绕、焊接、等工艺。
　　4680全极耳电池生产工艺的难在于：模切：全极耳电池在进行极片涂布时，会在集流体边缘预留空箔区，经过辊压和分切后，将集流体边缘的空箔区切割成多个极耳，再进行卷绕。激光切割极耳存在以下问题：极片在切割时容易抖动；切割后废料不能有效排出问题；模切长度和次数远高于常规极耳。揉平：在4680圆柱电池制造工艺中，需要对电池卷芯的全极耳进行揉平，待电池卷芯的断面平整后再与极板焊接。揉平过程中难点极多：揉平速度过快时，极片外翻；揉平速度过慢时，生产效率低；揉平时产生金属屑较多，导致内部短路；活材料脱落等问题；摩擦产生大量粉尘；产生极耳褶皱。焊接：4680电池极耳焊接由于极耳数量增多使得焊接量增大。电芯焊接中道工艺一般有极耳的焊接（包括预焊接）、极带的点焊接、电芯入壳的预焊、外壳顶盖密封焊接、注液口密封焊接等。焊接周长和时间增加了，全极耳和集流体的留白空间有限，有热堆积效应，会影响一致性，焊接过程中容易产生热堆积。模切：通过分切机，将碾压后的极片卷料按照实际需求，分切成制作电池所需的宽度。4680电池是直接在空箔上切割极耳成型，对高速制片设备提出了更高的激光切割精度、速度、质量要求。
　　4680全极耳电池部分解决方案：模切：将正负极全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，不仅能够在揉平过程中杜绝极片外翻，在与电池外壳组装时，不易刮伤电池外壳的内壁；且能够减少金属屑的产生，避免短路；同时，这种平行四边形结构能够有效减少揉平时的辊压力，从而避免活性材料的脱落，大大提高良品率。揉平：各厂家揉平工艺差别极大。CN11356039A的专利显示，在全极耳外套上揉平套，揉平头一边自转一边接近揉平套，待接触揉平套后直接碾转作用在揉平套上，并带动揉平套弹性变形而将碾转力传导作用于全极耳上完成揉平；由于揉平头不再直接接触全极耳，故能有效防止将全极耳部分揉碎，从而消除对产品质量的影响，也更好的提高了良品率。CN110518184B的专利显示：超声波揉平对电芯的端面进行超声波的预处理揉平，然后进行机械揉平。超声波揉平包括设置在电芯两端的超声波揉平头，超声波揉平头上有凹槽，电芯两端插入对应的超声波揉平头的凹槽中。电芯输送入超声波揉平单元，超声波揉平头对电芯两个端面进行振动揉平，可以实现平整效果，提高电芯端面紧实度，为后续机械揉平做好准备。机械揉平头为陶瓷揉平头。机械揉平头对电芯进行旋转挤压揉平。只利用超声波揉平会导致揉平端面不够平整的缺陷。CN213878154U专利则选择在涂布之后再边缘空白处涂抹绝缘材料，绝缘材料与活性物质水平高度一致，使得卷绕后集流体形成完整平面，无需进行揉平处理；焊接：极耳焊接当前通常采用激光器进行焊接。精确调整焊接速度、焊接深度、焊接宽度等优势，适应不同材质及产品的焊接，达到精准焊接，质量更可靠，外观更整洁。
　　（四）众多因素影响圆柱电池发展，4680专为动力电池设计，克服多种缺陷
　　圆柱电池发展缓慢的原因分析：1）优质供给少：国内一线企业比亚迪和宁德时代都是方形电池技术路线，二线电池企业技术不成熟，市场占有率低。2）下游车企少：18650电池本身是为消费电子设计的，最初并未考虑运用在汽车中，电芯尺寸很小，系统集成难度极高。ModelS集成7000个18650电池的难度超高，即使放在今天，大多数车企也无法成熟运用7000节电池，导致车企望而却步。3）成本高昂：由于圆柱电池单颗电芯容量小，非活性物质占比高，降本速度低于方形电池。4）路径依赖：20142016年中国补贴政策推动商用新能源车飞速发展，而商用车电池空间大，如果使用圆柱电池，则需要至少上万节电池，商用车企业自身技术实力薄弱，无法驾驭如此庞大数量的电池，补贴政策时间窗口有限，抢装潮下自然选择集成难度最低的方形电池，2016年的动力电池出货量前2名为BYD、CATL，从那时起就是双强局面。
　　以上问题有望得到缓解，我们认为4680将加速圆柱份额提升：1）优质供给增加：白名单放开，万亿龙头入场。2019年6月21日《汽车动力蓄电池行业规范条件》正式废止，意味着中国动力电池市场正式向国外电池企业开放，LG、松下等可以为中国市场提供优质的圆柱电池。国内宁德时代、亿纬锂能已经投入4680圆柱电池研发，目前已经公开表示投入4680电池研发的企业包括：特斯拉、LG、三星SDI、CATL、亿纬锂能等。2）电池数量降低，集成难度降低：特斯拉现在使用的是4416节21700电池，将来会使用960节4680电池，系统集成门槛大幅降低。3）容量增加，成本差距缩小：4680圆柱电池容量是21700电池的5倍，叠加圆柱电池生产效率高、良率高，采用更高镍含量的正极材料和更多的硅负极，4680电池的成本与方形电池的成本差距缩小。4）宝马率先切换圆柱电池：在BMWGen6的电池系统中将会采用圆柱电芯。作为CATL的伯乐，宝马曾坚定不移的选择方形电池技术路线，现在带头切换至圆柱电池技术路线，必定也将深刻影响其他车企。
　　二、安全性能：圆柱电池具有天然优势，Model3极限工况实测
　　（一）滥用工况：相同化学体系下，圆柱电池系统最安全
　　《前瞻新技术之一：动力电池无热蔓延技术》中详细分析了热失控防护的主要设计包括：热、冲击、气体、电压、液体和固体等。
　　热：圆柱电池显著优于方壳及软包电芯
　　圆柱电池的单体电芯容量远远低于方形和软包电池。186521704680的单体电芯容量约为2。54。826Ah，而同时期方形铝壳电池基本在50300Ah，软包电池基本在30100Ah。圆柱电芯的接触面积为零，与方形、软包电池差异很大。同时由于圆柱电芯之间存在缝隙，电芯间填充隔热灌封胶，电芯的接触面积是零，若某个电芯发生热失控，热量必须经过灌封胶再传递至周边电芯。但方形电池和软包电池是大面接触，传热面积很大，对隔热的要求很高。
　　冲击：泄压阀朝下设计，安全性显著高于泄压阀朝上的普通方形电池
　　电芯开阀后气、液、固混合物高温高速冲击，特斯拉圆柱电池的泄压阀朝下设计，完美避开电池包上盖无法承受冲击力的问题。
　　气体：底部悬空形成天然烟道，实现高效泄压。电池包内部形成高压，设计应该考虑良好的烟道、泄压阀，否则内部压力过大会造成结构件撕裂。而高温烟气的路径只经过电池包底部，电池托盘的结构强度远远高于上盖，风险较低。电压：热电分离。所有高压零件均超上方，泄压阀朝下方，在热失控时高温烟气不会威胁到电芯上方的高压零件，短路风险低。液体和固体：在热失控时朝下喷发的导电材料不会威胁到上方的高压零件，仅需要考虑堵塞泄压阀的风险。
　　（二）极限工况：Model3实车90min激烈驾驶快充，仅小幅触发降温措施
　　1、特斯拉电池热管理优势明显
　　特斯拉Model3采用圆柱电池在极限工况保持电池热安全具有天然优势：1）单个电芯很小，保证电芯内部温度场均匀性极佳；2）冷却管路覆盖面积极大，保证电池pack内不同电芯的温度均匀性；3）通过优秀的热管理措施，能够在极短的时间内将热量迅速排出。特斯拉整车热管理设计理念领先：通过制冷模式下冷却液在Superbottle智能冷却液储罐的管路切换阀和水泵驱动下，分别分两路进入电池和功率电子进行冷却，最后经Superbottle集成的散热器将热量释放至空调系统。电池液冷回路包括两条散热途径：1）换热器散热器风扇回路，实现间接风冷能耗低；2）换热器空调系统，实现空调强制快速冷却。
　　ModelY比Model3热管理系统进一步升级。Model3采用四通阀，将电池和电驱电控的热管理系统整合，甚至利用电机堵转降低效率的方式来加热电池，但座舱依然需要PTC加热。ModelY把两个四通阀叠加组成八通阀，将空调和三电整合起来，实现十二种制热和三种制冷模式。前舱散热器从两个减少到一个，完全依靠复杂的控制策略来实现热量的合理分配。ModelY取消PTC，加热改用热泵，同时还加入了一个压缩机，它也可以直接产生热量，功率与主流PTC相当（56kw），所以可提供足够的制热功率。
　　2、Model3连续极限工况测试电池未开启强制冷却
　　采用双电机版本Model3进行实车极限工况测试，探索Model3在极限工况下的热安全措施，按照冷却系统措施可区分以下等级。
　　Model3实车极限工况测试表现优异，电池未出现过温、限流情况。Model3是运动型车型，对车辆在激烈驾驶中的表现有严格的要求，通过实车测试发现，在长达90min的极限工况下，电池SOC从90降低至39，电池温度从29上升至52，电池始终未出现过温、限流等情况，说明该工况未探测到Model3的极限工况下热安全性能极高。
　　在工况14连续60min的激烈驾驶条件下，空调压缩机全程未开启，说明Model3的热管理能力极强，完全不需要空调介入。取工况4中的数据进行分析，电池SOC由61。2降低至55。5，电池温度由38。5上升至41，冷却液流速未发生变化，空调压缩机全程未开启。
　　连续激烈驾驶65min后，工况5（连续60100kpm急加减速）中才勉强触发热管理动作，压缩机未满功率运行，说明连续90min的激烈驾驶完全未触及Model3性能上限。工况5可区分为4个阶段：1）电芯温度缓慢提升，冷却液维持低流速，压缩机未开启；2）电芯温度提升至45，冷却液间歇性高流速，压缩机间歇性开启；3）电芯温度提升至48，冷却液维持高流速，压缩机连续性小功率（0。3kw）开启，4）驾驶工况趋缓，电芯温度维持4748，冷却液流速逐渐降低，压缩机关闭。
　　连续激烈驾驶后进行快充，电池最高温度49。5，空调压缩机未开启，完全未触及Model3性能上限。快充可分为4个阶段：1）电芯温度缓慢提升，冷却液维持低流速6Lmin，压缩机未开启；2）充电至53。7，电池温度提升至43，冷却液流速提升至8Lmin，维持一段时间后继续提升至14。5Lmin，之后缓慢降低至6。5Lmin，压缩机未开启；3）45A恒流充电，电芯温度维持在49。5，冷却液维持低流速，压缩机未开启，4）乘客舱开启空调，电池涓流充电，冷却液与入水口温度动态调整，电池温度缓慢降低至45。5。
　　圆柱电池在极限工况中的热性能优势：1）整车上限极高，充分利用圆柱电池冷却面积大的特点，普通工况根本不需要空调为电池降温，只在极端工况下开启空调压缩机为电池降温；2）有助于降低整车能耗，提高乘客舒适度；3）电池温度场分布均匀，有助于提升电池寿命。总结：圆柱电池安全性能更优。1）滥用工况：圆柱电池单体释放能量最低，单位散热能力、与周边电芯的隔热能力最强，热失控防护难度和成本最低。2）极限工况：Model3实车测试，连续90min激烈驾驶快充，电池最高温度49。5，空调仅短暂小功率开启，Model3电池热安全性能上限极高。三、快充性能：大电流高电压是快充终极路线，4680更有优势
　　（一）手机快充复盘：高电压大电流快充是趋势
　　充电速度慢曾经也是手机的痛点，复盘手机快充的发展历史有助于理解汽车快充的发展方向。根据PUI，提升快充有三种方式：1）电流不变，提升电压；2）电压不变，提升电流；3）电压、电流二者都提升。1）第一阶段（20072013）：5W慢充时代，电池可拆卸。2007年iPhone4的发布标志着移动设备进入智能机时代，但随着智能手机功率越来越高，手机电池的发展速度明显无法满足需求。2）第二阶段（20132016）：快充萌芽时代，高电压和大电流两条技术路线。小米、华为、高通都尝试增加电压来提升充电功率，功率基本都在10W左右，主要原因是MicroUSB2。0只能承受最大电流2A。2014年OPPO选择特立独行，直接彻底改造充电头和数据线，将MicroUSB的针脚从5pin增加到7pin，使用能承受4A的特制线材，充电头也整合了IC电路，实现大电流快充，最大功率22。5W（5V4。5A），充电五分钟，通话两小时的广告词家喻户晓。3）第三阶段（2016年至今）：快充起飞时代，技术路线：高电压大电流。接头、线材、电池、充电器全方位进化，充电时长也从3小时缩短至30分钟以内。所有的厂商都不约而同的选择同时提升电压和电流，OPPO125W（10V12。5A），小米120W（20V5A），华为66W（11V6A）。
　　（二）新能源车快充：仅靠800V快充不尽人意，800V搭配大电流才最快
　　首款800V车型保时捷Taycan快充能力不尽人意。实际快充测试结果显示：Taycan最大快充功率262kw，与特斯拉Model3的最大快充功率250kw并未拉开差距，其中特斯拉的快充电流受限于充电桩，而非电池本身。充电至30SOC后Model3的充电功率开始急剧下降，保时捷Taycan在后段显现优势。Taycan的补能速度低于Model3。Model3最高补能速度900kmh，优于Taycan的600kmh。Taycan车身重量和电池容量均远高于Model3，但续航却低于Model3，TaycanTurboS电池93。4kw，车身重量2370kg，NEDC续航412km。Model3performance电池76。5kwh，车身重量1836kg，NEDC续航605km。
　　整车平台电压提升到800V已经成为共识。受限于硅基IGBT功率元器件的耐压能力，之前电动车高压系统普遍采用的是400V电压平台。基于该电压平台的充电桩中，充电功率最大的是特斯拉第三代超级充电桩，达到了250kW，工作电流的峰值接近600A。如果想要进一步提高充电功率、缩短充电时间，就需要将电压平台从400V提升到800V、1000V甚至更高的水平，来实现高压系统的扩容。800V大电流才是最强快充。根据PUI，同时提高电压和电流才是最佳解决方案，参考手机快充复盘，我们预估汽车快充的最终方案也是高电压大电流技术路线。8月30日，广汽埃安发布了充电5分钟，续航200公里的快充技术以及480kw超充桩，实车测试结果显示，800V车型最高充电功率476。7kw，对应电压和电流分别为851。8V和560A。400V车型最高充电功率240kw，对应电压和电流分别为457V和525A，800V大电流方案显示出明显优势。
　　大电流快充电池发热严重，全极耳圆柱电池更适合大电流超充。根据基本定律QI2R，500A充电的发热量是100A充电的25倍，如何快速将热量传递出去，是实现大电流快充的瓶颈。相比于圆柱电池，方形电池具有以下缺点：1）方形电芯散热路径长，方形电池体积和容量远大于圆柱电池，极柱热量和内部中心热量传递到水冷板的传热路径远大于圆柱电池；2）电芯内部温差大，进而影响电池一致性、安全性能、电化学性能。50AhLFP方形电芯经过3C快充后极柱温度64，电芯壳体最低温度39，电芯内部最高温度54，最大温差达到了25，而18650圆柱电芯2C放电后内部温差仅1；3）电芯内部曲率差异较大，方形电池内部存在多个卷绕，卷绕折角处与中心为的曲率半径不一致，导致材料界面不一致，不同位置的材料快充能力不一致。
　　（三）全极耳：集流体内阻下降3个数量级，解决大电流快充发热问题
　　18650电芯设计之初并未考虑到应用于电动车领域，电芯过流能力有限。根据电芯实物拆解信息，18650电芯仅依靠一根焊接极耳汇集电流。正负极紧靠正极极片中间有一根焊接的极耳，而负极极片最侧边有一根焊接的极耳，所有电流均汇集到极耳处，然后再导出到电池外部。这也造成了焊接极耳位置电流最大。
　　全极耳方案提高导电热面积，降低内阻，实现更大的充电电流。全极耳简化了电池生产过程中的绕制和涂料流程，提高导电面积，降低电芯内阻及发热，提升充电速度。
　　大倍率充放电时正负极极耳温度最高，是快充的瓶颈。根据电池热仿真数据显示，18650电池在常温开放环境中进行2C放电，正极极耳与负极极耳的温度最高，达到了308。7K。而特斯拉V4功率达到了350kW，最高充电倍率约5C，发热更为严重，现有的极耳设计无法满足大倍率充电的热管理要求。
　　全极耳铜箔内阻为常规极耳铜箔内阻的13602。集流体内阻的计算公式为RL3S，常规极耳和全极耳的电子传输距离L分别为：450675mm，集流体横截面积分别S为：8m75mm和8m4506mm，等效内阻分别为：2。5E6和6。94E2。全极耳铝箔内阻为常规极耳铝箔内阻的1825。常规极耳和全极耳的集流体内阻计算公式分别为RL12S和RL3S，正极常规极耳和全极耳的电子传输距离分别为：431973mm，集流体横截面积分别为：15m73mm和15m4319mm，等效内阻分别为：3。29E5和3。76E2。
　　全极耳设计的产热速率、局部温度分布、电流密度分布等均优于单极耳。在单极耳电池中，集流体极耳区域的初始产热速率明显高于集流体其余部分，温度和电流密度分布不均匀。全极耳设计中，1C放电60秒后，由于电子传输路径短，较小的局部电阻，温度和电流密度分布更加均匀。由于温度和电流之间的正反馈，随着放电的进行，初始的不均匀性进一步加剧。因此，单极耳的温度和电流密度标准偏差迅速增加并高于其他设计。
　　对于全极耳设计，产热速率比单极耳低两个数量级，从而减轻不均匀性。尽管电池核心和电池表面之间存在轻微的温度梯度，但整个电池的温度大多是均匀的。
　　总结：1）手机快充复盘：初期有大电流和高电压两条路线，但最终路线均为高电压大电流。2）预计汽车快充最终路线：高电压大电流，全极耳为大电流快充而生。Model3电压350V，最大功率250kw，保时捷Taycan电压800V，最大功率262kw，单纯提高电压无优势。各车企密集发布高电压大电流快充技术，最大功率480kw。全极耳圆柱电池更适合大电流快充。3）全极耳集流体内阻降低3个数量级，解决大电流快充发热问题。铜铝箔内阻为常规极耳铜铝箔内阻的13602和1825。
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　　精选报告来源：【未来智库】。系统发生错误