特斯拉4680大圆柱电池：锂电行业将重新洗牌？

2020年9月特斯拉（TSLA.US）电池日提出“4680”新型电池，即直径46mm，高80mm的圆柱电池。

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

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。

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

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。

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。

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%。

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，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。

图：4680产业链弹性测算

图片来源：券商制图

本文转自微信公号“长桥海豚投研”，作者：长桥海豚君；智通财经编辑：李程