4680大圆柱电池产能统计及供应链

4680搭配高镍三元可以充分发挥二者能量密度高和热稳定性好的优势；大圆柱电池对硅基材料膨胀率的容忍度进一步提高，硅碳负极和高镍的配合使用将使 4680 圆柱电池能量密度更具优势；从材料特性来看，相较传统锂盐 LiPF6，LiFSI具备更高的分解温度，更强的化学与热稳定性，更适合搭配了高镍三元的 4680 大圆柱电池；4680 电池标准化与规模化效应显著，装机量的高增将带动电池壳需求的增长，同时，4680对电池壳体的硬度有更高的要求，预镀镍优势明显，有望国产替代；得益于 4680 大圆柱的极耳数量增加，激光切割工序倍增，激光焊接难度提升，整体造价提升，极耳揉平工序也面临更多难点，有望拉动相关设备需求。

4680的出现重新定义圆柱电池，将带动正极材料、负极材料、封装技术以及结构件等领域的全面突破，带动全产业链技术革新。

特斯拉4680 电池产业化进展一再落后预期，可能原因是良率提升缓慢，及当前电池效能未达预期。

2021 年9 月，特斯拉 4680 电池的良品率从 20%提高到了接近80%，而截至 2022 年12 月，仅加州工厂100 万块4680 电池的小规模良率达 92%，产品良率提升缓慢。

预计4680 的诸多技术难点给量产和良率提升带来困难：

a) 全极耳成型采用切折技术：全极耳成型方案包括揉平和切折两种，特斯拉采用切折技术，使得极耳表面起伏度较大，易造成极耳因接触程度不一致而导致内阻一致性差，并且极片切割易产生碎屑，影响产品良率。

b) 集流盘焊接工序复杂：全极耳成型后需与集流盘进行焊接，从传统两个极耳的点焊到全极耳面焊，焊接量增加，且焊接工序复杂。圆柱电池极芯端面上延伸出的全极耳与集流盘均属于高反金属材料，对焊接激光能量吸收率不足10%，若提升焊接能量，焊接升温极有可能对集流体下方的隔膜产生热缩效应，影响隔膜性能。并且在集流盘以及揉平端面焊接时对压力要求高，上集流盘厚度一般为0.2-0.6mm，下层全极耳厚度为4-12um，厚度差异过大，焊接时压力过大易焊接穿孔，压力过小易造成虚焊，工序复杂影响良率。

c) 干电极涂布技术存在难点：受粘结剂PTFE 颗粒大小以及粘合效果影响，干法电极成膜的均匀度难以控制，且正极活性材料电化学活性高，辊压过程中容易发生化学变化，阻碍大规模量产，难点有待攻破。

Troy Teslike 在2023年 5 月透露，根据 EPA 发布的Model Y 测试规范文件测算出的4680 电池能量密度为229 Wh/kg，相较2170电池的能量密度（262 Wh/kg）减少13%，因此当前4680 电池的能量密度欠佳。根据特斯拉2Q23 业绩会，Cybertruck采用的 4680 电池能量密度提高了 10%，则推算可得，Cybertruck采用的二代 4680 单个电芯能量为 89.4Wh，能量密度为 252Wh/kg，仍低于2170 电池能量密度 3.8%。当前4680 电池能量密度欠佳，是其产业化落后于预期的原因之一。

据10月份外媒，特斯拉据管理层称，德克萨斯州Gigafactory的4680个电池的产量比上一季度增长了40%。与上一季度相比，废料量减少了40%。并且已将Giga Texas 的生产转向下一代4680电池，与Model Y 使用的上一代电池相比，这些新的Cybertruck电池能量容量提高了10%，已在德克萨斯州Gigafactory的第二条线上开始生产。

公司计划在2023 年底前完全过渡到这些新电池的生产，并在2024年年中在Giga Texas 推出四条电池生产线。

4680大圆柱电池车企和电池企业盘点：宝马、蔚来、大众、通用、江淮；宁德时代、比克电池、亿纬锂能。

✓ 预计2026 年大圆柱电池需求超381GWh，市场规模将达1905亿元

• 特斯拉与宝马是大圆柱电池的推动者：

特斯拉是大圆柱电池的最大推动者之一，其最先在2020年电池日上提出大圆柱电池的方案，并开始进行大圆柱电池的布局，2022年开始部分model y车型已开始搭载 4680电池。宝马亦是大圆柱电池的推动者，2022年9月，宝马官方宣布自 2025 年开始在“NEUE KLASSE 新世代”车型中使用46系大圆柱电芯，并与宁德时代、亿纬锂能签订合约，两家电池公司将为其在中国和欧洲各自建立两座电池工厂，每座工厂年产能20GWh。2022年 10 月，宝马与远景动力达成合作，远景动力将从 2026 年起为宝马提供46系电池，并在美国南卡罗莱纳州新建30GWh 工厂为其供货，2026年投产。除此之外，大众、戴姆勒、小鹏、蔚来、江淮等车企也在积极跟进布局大圆柱电池。

车企布局大圆柱电池情况

• 电池企业快速推进大圆柱电池的研发及工业化，特斯拉、松下、亿纬锂能、宁德时代进展较快：

特斯拉在2020 年9月的电池日推出了4680 电池，截至2023 年6月 17 日，特斯拉美国得克萨斯州超级工厂4680 电池电芯累计产量已突破1000 万颗。此外，松下也在美国进行了4680 电池的布局，以满足特斯拉的需求。国内电池企业亿纬锂能、宁德时代均已拿到宝马的大圆柱电池定点，预计会在国内和海外同时建设大圆柱电池产能来供应宝马的新世代车型。

电池企业大圆柱电池规划情况

• 预计2026 年大圆柱电池需求超381GWh：

预计2026 年全球大圆柱电池装机量有望达到381GWh，若以2026年大圆柱电池均价为0.5元/Wh来计算，则对应总体市场规模将达到1905 亿元。

• 大圆柱电池精密结构件产品主要由封装壳体、盖帽、集流盘等构成：

相比21700 圆柱电池的单个极耳设计，大圆柱电池采用了全极耳结构，为了将全极耳的电流汇聚到正负极端子，4680中新增了集流盘设计（类似于方形电池的转接片设计），使电流传导面积进一步增大，并起到连通极耳与正负极端子的作用。此外，主要的结构件还包括封装壳体和盖帽。

相比2170电池单极耳结构，4680电池采取了全极耳+集流盘的设计，同时主流方案采取壳体槽底处打孔放正极柱、壳体槽口用盖板激光焊封口的新构型。在加工工序方面，4680电池比2170电池增加了极耳模切、揉平、激光焊集流盘、开口化成、激光焊盖板的工序。目前特斯拉1月已自产100万颗4680电池，平均良率达92%，最高良率达97%，良率已达可量产水平。

特斯拉围绕4680电池打出“大电芯+全极耳+高镍高硅+CTC”的“组合拳”，同时实现了1）续航长：4680能量密度提升>20%；2）充电快：全极耳优化了电池的热电性能，可承受4C以上高倍率电流；3）成本低：大电池+高能量密度摊薄单Wh成本。另外，4680由于其热安全性能更优、内应力分布均匀的优势，较方形更适配高镍高硅体系，我们预计中低端车将多应用磷系方形+CTP方案，高端车将多应用高镍高硅4680+CTC方案。此外，海外如LG、松下、三星，国内如宁德时代、亿纬锂能等头部电池供应商亦跟进布局4680电池。4680电池有望在特斯拉和头部电池厂的推动下迎来爆发拐点。

此前由于补贴退坡带来降本诉求、安全性问题凸显，主辅材向高能量高倍率方向升级速度放缓，4680电池有望成为新的升级驱动。高镍正极、硅碳负极、补锂剂、碳纳米管、LiFSI、PVDF等主辅材渗透率/用量有望提升。结构件方面，由于4680采用新构型设计，制造门槛提升，使结构件转向定制化、壳体+盖板成套采购，格局优化同时单品价值量提升。设备方面，激光模切、激光焊等工序用量增加、高精度要求提升相关设备价值量，头部电池厂规划新产能有释放订单。壳体冲压设备有望实现国产替代。

4680电池爆发需求提升主辅材供应商：中伟股份（高镍）、当升科技（高镍），璞泰来（硅碳）、杉杉股份（硅碳）、德方纳米（补锂剂）、科达利（壳体）、天奈科技（碳纳米管）、天赐材料（LiFSI）、新宙邦（LiFSI），建议关注贝特瑞（高镍+碳纳米管）、芳源股份（高镍）、斯莱克（壳体）、海目星（激光模切设备）、联赢激光（激光焊设备）、宁波精达（冲压设备）。

Tesla 4680 -Making Batteries(Video)

4680电池，即直径46mm，高80mm的电池。于2020年9月的特斯拉电池日首次公开发布，相较于特斯拉此前采用的2170电池，4680电池的电芯容量是其5倍，能够提高相应车型16%的续航里程，输出功率6倍于2170电池。

传统方案：

• 负极耳所在一端朝向钢壳槽底面；正极耳从开口端引出，与正极端子焊接连接

• 采用脉冲激光穿透焊，将钢壳基底通过凹槽与负极全极耳焊接连接

• 优势：无负极集流盘的结构不占用钢壳高度方向上的空间，提高空间利用率

• 劣势：当电池壁厚增加，穿透焊难以将极耳与壳体底部焊接牢靠

新方案

• 正极集流盘直接焊接到正极柱，正极柱卡在壳体槽底的开口上，之间设有绝缘密封件

• 电芯为全极耳结构，两端面分别和正、负极集流盘连接，极柱通过正极集流盘和电芯电性连接，壳体和负极集流盘电性连接

• 盖板和壳体的槽口连接，盖板上刻蚀有防爆线

• 涂布：全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度要求更高（外圈比内圈留白越来越多，极耳长度越到外圈越长）

• 极耳分切：工艺要求更高，如果边不齐，造成极耳贴合出现缝隙

• 激光焊：全极耳与集流盘面焊，焊点增加（4680的焊点数量相比21700提高五倍以上），容易造虚焊或者温度过高损伤隔膜

• 揉平：产生金属碎屑

• 注液：全极耳覆盖后注液较难，影响连续生产

Part 2: 特斯拉打出4680电池“组合拳”，全球头部电池供应商跟进

1）特斯拉4680电池有内在自洽的产业逻辑

1.1 为什么要用全极耳？——打破了能量与功率密度不能同时提升的约束

电：减少电子流过路径，降低内阻。2170电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约1000mm，按铜的电导率测算，对应阻抗>20mΩ；4680全极耳的电芯中，电子在集流体流过的路径仅为轴向长度，即80mm，对应阻抗2mΩ

热：产热方面，电阻减小发热减少（全极耳电池发热仅为单极耳的1/5）；散热方面，沿径向形成强导热路径，可在仅底部布置冷板（原来2170是蛇形管冷却侧壁），热管理难度与能耗降低。综上，电、热能损失小，打破了能量与功率密度不能同时提升的约束，实现续航长、充电快。

2170/18650的极片上需要将留出空白区域给极耳。全极耳可避免斑马涂布，简化工序。

从原理上看，4680圆柱形电池只是一种封装形式，不限材料体系。但从应用层面上，高镍高硅才能发挥出4680大圆柱较方形热性能更优、内应力分布均匀的优势

• 能量密度：由于圆柱形电池集成效率较方形低，即要做成相同能量密度的pack，圆柱形的单体能量密度必须要比方形高。因此，要达到更高的pack能量密度，天然要求圆柱搭配高镍。

• 高镍适配程度：圆柱比方形更适配高镍。核心原因是方形高镍为面接触，且单体电池大，体心内产热不易释放，热失控设计不好控制；另一方面，铁锂化学性质稳定，对散热和热失控要求较三元低，因此方形CTP非常契合铁锂体系的电池，充分发挥方形集成度高的优势，但热失控设计有难度的短板。4680+铁锂在乘用车上失去了4680的优势，可能未来在二轮车、电动工具上有应用。

• 此外，由于负极添加硅后会膨胀，圆柱形比方形内部应力分散更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能和寿命。因此，为极致提升电芯能量密度选择高硅方案搭配高镍。

• CTP是电芯厂向整车厂夺回pack的产值，CTC是整车厂向电芯厂抢话语权的手段

• 特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术，还有向外采供应商压价的作用

• 因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分电池厂外供高镍高硅4680+CTC

• 低成本=大电芯摊薄非活性物质成本+尽可能做高能量密度摊薄总体单Wh成本+生产过程简化节省成本

• 非活性物质成本：以结构件为例，2170电池壳体+盖帽2元，4680目前为10元左右，长续航M3需要用2170/4680电芯4400/960个，目前对应单车价值量8800/9600，因此单车电池结构件成本基本持平。后期量产后降价空间巨大（假设还能降本30%，单结构件就能比2170节省约2000元）。2170 vs 4680，Pack面积：2.7:2.57；Pack电量：95:82

• 尽可能做高能量密度：石墨+高镍能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/kg），硅碳+83系高镍能量密度300wh/kg，91系目标350-400Wh/kg

• 不同良率下能够做到的单Wh成本：97%-98%的石墨+高镍 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680为0.8-0.9

• 生产过程中节约的成本——主要是前段的干电极技术：将正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂混合，使其纤维化，直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。可省略繁复的辊压、干燥等工艺，大幅简化生产流程，提升生产效率，节省成本

• 4680主要对自动装配线改动较大，主要新增极耳揉平和正负集流盘激光焊，单GWh投资额2.1亿，仅略低于方形

对于特斯拉来说，随着4680的推广，将来在国内需要有两三家代工厂来实现更大的产能各大电池厂跟进布局4680电池，2023年有望迎来爆发元年

• 海外：特斯拉2020年9月率先公布，将于2022Q1开始交付搭载4680电池的Model Y；松下计划2022H1在日本开始试生产4680电池，2023年进行量产；LG将在韩国梧仓工厂扩建4680电池产能，计划2022-2023年量产；三星SDI计划2024年实现量产，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生产出第一款4680电池，计划2024年实现量产

• 国内：宁德时代正加快研发节奏，计划2024年量产；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圆柱产品，预计2023年量产；亿纬锂能2021Q4在荆门投产20GWh大圆柱电池产能项目，预计2024年可实现4680电池量产。

Part 3：4680驱动高能量高倍率主辅材应用，为结构件和设备升级带来新机遇

硅基负极材料作为理想的下一代负极材料，纯硅比容量是石墨的10倍，但纯硅在充电过程中膨胀近3x，目前采用氧化硅掺杂，目前掺杂含量约5%，4680电池有望提升至10%以上。

• 首次库伦效率是硅碳负极的短板：锂电池在首次充电过程中，有机电解液会在石墨等负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成电池容量的不可逆损失，目前石墨不可逆容量损失＞6%，而对于具有高比容量的硅基负极，不可逆容量损失甚至10%～20% 以上

• 硅碳负极除首效低外，循环过程中SEI膜会“呼吸”再生，降低循环寿命，对补锂剂需求更强烈：硅碳负极的膨胀相较石墨负极更为严重，致使负极材料不断粉化、脱落，增加与电解液接触的表面积，因此形成的SEI膜更厚

• 正极补锂的原理：在正极合浆的过程中添加少量高锂容量、低脱锂电位的材料（补锂剂），在充电过程中Li+率先从补锂剂中脱出，抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗，提高电池的有效容量，弥补硅碳负极在首次库伦效率上的短板

• 由于硅碳负极材料的导电性能差，因此需要添加碳纳米管（CNT）以增加活性物质之间的导电性，提升电池能量密度

• 根据石墨烯片的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：多壁碳纳米管具有较高的刚性，而单壁碳纳米管柔韧性强、长径比更高、有效添加量仅为0.1%，可有效解决硅碳电池在充放电过程中导致的体积膨胀和裂缝问题

• 天奈科技目前是全球碳纳米管的龙头企业，公司已布局硅碳负极的导电浆料技术，可转债方案落地，产能扩张将加速推进；此外，化工企业如石大胜华、炭黑龙头黑猫股份等企业也在积极布局碳管生产

• 4680电池带来硅碳负极用量的提高，将带动单壁碳纳米管的用量，单壁CNT粉体价格约为1300万元/吨，在负极添加比例为0.1%左右

• 4680电池应用高镍导致热稳定性降低、充放功率高要求电解液导电性能提升。三元正极随着镍含量提升热稳定性降低，结构稳定性变差。4680采用全极耳结构，追求高倍率性能。高镍高倍率对锂盐性能要求提升

• 双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)为一种新型电解液溶质锂盐，具有更好的低温放电和高温性能保持能力、更长的循环寿命、更高倍率放电性能、更高的安全性能

• 用量：两种用途，1）1%~3%，一般可视为添加剂；2）3%~5%，成为LiPF6成的辅助锂盐。一般而言，5/8/9系用量为0.5%-1%/1%-2%/2.5%。负极如果使用硅碳，用量有望达4%-5%

• 价格：LiFSi已完成50%降本，还有25%下探空间。此前由于其高昂的价格（售价40-45万元/吨）与六氟相比不具备经济性优势，由于供需不平衡，目前六氟价格已达58万元/吨，LiFSI具备阶段性相对经济性优势，但绝对值仍处于较高位。另一方面，LiFSI的降本仍在继续（2016年90万元/吨降至如今45万元/吨），目前LiFSI成本约20万元/吨，数据预测随着技术突破，2022年LIFSI售价有望降至35万元/吨以内，最终成本有望降至15万元/吨以内

• PVDF在电池中主要用在正极、隔膜中，充当粘结剂 正极：以油溶性PVDF为主，占到高达90%，用量占到正极材料的1%-3%。4680大圆柱电池高镍预计与2170相当

• 隔膜：在接触负极侧加涂PVDF以增加粘性；1）提高硅碳负极粉的稳定性；2）贴得更紧，提升能量密度；3）提升保液性。假设PVDF涂层1μm，PVDF密度为1.8g/cm³，1GWh用量约20吨

• 粘结剂（非活性物质）用量过降低能量密度和导电性能，预计4680电池PVDF总用量增加至正极材料质量分数6%左右

• 全极耳因极耳排列紧密，采用五金模切难度高，且部分方案中极耳宽度沿着极片长度而变化，因此激光模切更适用

• 激光焊设备受益于4680方案，叠加行业内主要电池厂亦规划有产能，有望迎来量利齐升

  --4680方案增加了全极耳+集流盘的焊接，焊点数量相较于21700电池提高5倍以上，焊接设备数量增加3倍

  --焊接工艺难度大幅增加，设备可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，价值量增加

• 国产壳体生产设备凭借高效率、价格和服务优势，有望在锂电结构件大幅扩产的阶段逐步形成国产替代

  --例如宁波精达设备价格是海外同类设备的50%-70%；壳体拉伸设备方面以“一出多”方式生产，效率提升且节约原材料，同时预冲杯工艺可使整线效率提升。

特斯拉主导大圆柱电池，带动多家整车厂入场，预计 25 年大圆柱电池需求量有望超过280GWh。目前 46系大圆柱电池最主要的推动者还是特斯拉，按照特斯拉计划，得州超级工厂产出的Model Y 将搭载4680电池，一季度末将开启交付，预计到2022 年年底，特斯拉4680电池产能将达到每年 100GWh，2030 年达到 3TWh。宝马 4695 电池有望在 2024 年量产，或许会成为宝马未来纯电平台 Neue Klasse的主力电池。此外，蔚来、江淮、保时捷、东风岚图等多家整车厂也明确表示旗下车型会搭载 4680 大圆柱电池。我们预计 2025 年 46 系大圆柱渗透率接近20%，需求量有望达到283.95GWh，接近 21年全年动力电池装机量，年复合增速超过280%。

1）整车厂4680布局情况：

电池厂家争先布局大圆柱，量产在即。自特斯拉2020 年 9 月电池日发布 4680 电池后，全球电池巨头都在加速推进 4680电池的研发和生产。

1. 目前进展最快的还是特斯拉自产电芯，2022 年1月，特斯拉加州工厂成功下线 100万颗 4680电池，电池良率已从最开始的 27%提高到了90%。

2. 松下在今年 5月已经开始小量试产4680 电芯，并计划2023年起为特斯拉提供 4680电池，年产能10GWh，约满足15 万辆汽车的电池需求。

3. LG 4680电池预计 2023年下半年投产，规划产能 9GWh；

4. 三星 SDI 计划 2024 年量产 4680 电池，规划产能 8-12GWh。

国内方面

1. 宁德时代规划了12GWh的4680电池产能，预计 2024年开始量产；

2. 亿纬锂能 46 系大圆柱电池今年 8 月完成中试，预计今年底将有一部分产能释放，远期产能 40GWh；

3. 比克电池作为国内最早布局4680电池的企业，产品系列齐全，预计 2024年开始量产。

2）全球 46系大圆柱电池需求测算

全极耳设计提高了倍率性能和安全性能，对制造工艺要求更加严格

特斯拉 4680 电池采用的无极耳设计缩短了极耳传导距离。极耳是电芯正负极引出来的金属导电体，与电池壳体或者外部模组结构件进行连接，电流必须流经极耳才能与电池外部连接。根据极耳数量、面积差异，极耳设计可以分为单极耳、双极耳、多极耳以及全极耳等类型。特斯拉电池日上宣称的“无极耳”即为一种全极耳，通过巧妙的结构设计直接利用整个集流体尾部作为极耳，并通过盖板（集流盘）结构设计增大极耳传导面积及其连接处的连接面积、缩短极耳传导距离。

国内极耳设计演变

全极耳设计对涂布、分切、卷绕、焊接等工艺要求更加严格，并新增了揉平工艺

1）全极耳一定的弧形对涂布设备的精密度要求更高，外圈留白比内圈留白会更多；并且全极耳极片与单极耳和双极耳等极片涂布时不同，正极需要留白而负极可以实现整体涂布，如果涂布精度不够，会导致在极耳整形和焊接时出现问题。

2）无极耳设计对极耳分切工艺要求更高：特斯拉采用了将全极耳切割成多个矩形极耳单体再进行揉平的工艺，但这种工艺在揉平速度过快时，极片会外翻，容易刮伤电池外壳的内壁；揉平时产生的金属屑较多，金属屑残留在电池内部容易造成短路；揉平后间隙过大，导致与集流盘的焊接稳定性差。亿纬锂能改进了模切工艺，将全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，提高了电池的良率。

3）无极耳设计对卷绕工艺要求更加严格：以特斯拉 4680 为例，特斯拉在卷绕工艺过程中，对留白区先预弯折，然后卷绕成卷芯，最后卷芯边缘进一步弯折到位，如果在卷绕过程中极耳交错折叠顺序错误，将会被判定为不良品。

4）卷绕后的极耳与电芯的两个端面垂直，因此需要通过揉平工艺将极耳翻折到与电芯的端面平行，从而形成焊接平面。极耳通过揉平后形成密实体，有效地改善了焊接特性，但是会使大圆柱电池对电解液吸收难度加大。

5）全极耳极片端面与集流盘的面焊增加了焊接工序和焊接量，对焊接工艺要求更高：4680 的焊点数量相比 21700 提高五倍以上，单 GWh 电池产线增加了 5 台焊接设备，相比方形电池激光焊接工序从 5 道增加至 7 道。面焊的激光强度和焦距不轻易控制，激光焊接工艺不稳定可能会导致焊穿烧到电芯内部或者没有焊接到位，所以以往21700电池只需要脉冲激光器点焊，而4680要求激光点阵焊接，需要连续激光器，生产上全面提升。

4680电池典型结构

全极耳制造工艺

46系列圆柱全极耳电芯自动装配线

全极耳主要工艺厂家