特斯拉(TSLA.US)4680电池拉动的金属需求增量分析

作者: 智通编选 2022-02-19 11:46:37
特斯拉4680电池拉动最大的需求量为镍、硅、锂,其次便是锰。

一、4680电池的革新亮点

1.1 无极耳解决散热难题,助力更大体积的突破

4680电池以它的尺寸命名,是一款直径46毫米、高80毫米的圆柱体电池,是21700电池体积的5.48倍。更大体积将电池的能量提升5倍,并且能够实现量产大量电池组,节约了材料以及成本,促使电池生产成本降低14%。然而大体积带来了热量的不可控,增加了燃烧爆炸等风险。

无极耳的革新设计便解决了这一难题。往常电池结构中的极耳是从电芯中将正负极引出来的金属导电体。在使用极耳的情况下,4680电池的尺寸过大,电流路径过长,会增加电阻和散热。而4680电池去除了单一的极耳,电极一端通过涂盖的导电材料使其直接与电池外部连接,形成全极耳的模式。50毫米的电路长度替代从前250毫米的长度,降低了电阻,大幅改善电池的散热、减少热量的产生。

据特斯拉电池日披露,全新的无极耳以及尺寸使得电池续航里程提升16%、功率输出提升6倍、能量提升5倍。

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1.2 干电极工艺,简化步骤,减少成本

通常的湿电极工艺将材料粉末放入溶剂中,进行干燥、压缩成膜。4680电池的电极设计中,干法工艺替代了湿法工艺,省去了溶剂的步骤,直接将粉末压成薄膜,去除了干燥、回收溶剂等繁琐的步骤。

当实现了干电极工艺规模的扩大,按照特斯拉2021最新电池日的PPT原文显示,生产的占地面积减少90%、能量消耗减少90%、投入成本大幅减少。

二、4680电池的核心材料增量

2.1  负极材料:硅替代石墨,续航里程增加20%

4680电池将使用硅基负极材料。相比锂电池的典型负极材料石墨,硅对于锂的嵌入是石墨的9倍、在地球上更为丰富。而硅的难点是,当它充满锂时,体积会膨胀4倍,粒子的挤压会导致材料的绝缘,失去电池容量。

据特斯拉电池日披露,为了解决这个难点,4680电池将回归使用原始冶金硅。负极的成本降低到1.2美元/千瓦时,相较使用石墨成本降低88%。同时,硅将增加电池20%的续航里程。

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“特斯拉特制硅”目前更多类似概念,目前的4680电池将采用硅碳负极材料。据石大胜华纪要的硅碳负极最新进展,硅碳负极(SiOx-C)的掺混量预计从10%提升到15%。1GWh的4680电池消耗约750吨的硅碳负极材料。

2.2  正极材料:高镍去钴,利好高镍正极材料

4680电池的正极将最大限度利用镍。正极的成本每千瓦时降低15%。

根据车型,正极材料的配比分为三类。铁用于对能量密度要求不高的中等续航产品。2/3镍和1/3锰的搭配用于中长续航产品。高镍用于长续航产品,例如Cybertruck, Semi等大车型。

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特斯拉目前披露的正极材料搭配极具概念性,具体的用量和体系无法确定。据海通国际的“金属行业藏宝图”,按照目前的NCM811三元高镍体系,1GWh的4680电池消耗约3086吨的硫酸镍、413吨的硫酸钴、248吨的硫酸锰、619吨的锂LCE。

2.3 隔膜及电解液:PVDF、LiFSI用量上升

4680电池的正极和负极都将在隔膜上涂覆PVDF(聚偏氟乙烯树脂)。据独角兽智库的“特斯拉4680电池近况及受益产业链分析电话会纪要”,4680电池的PVDF用量由2%提升到8%。据全国能源信息平台,含2% PVDF的三元电池1GWh的PVDF用量约为20吨。那么我们推算含8%PVDF的4680电池1GWh的PVDF用量将提升至约80吨。

我们假设电解液中,LiFSI(双氟磺酰亚胺锂盐)添加剂的比例将提升到5%。每GWh三元电池的电解液使用量约700-900吨。取800吨电解液中5%,4680电池每GWh的LiFSI用量将约40吨。

2.4  4680电池部分材料用量

根据以上分析和计算,总结出4680电池的部分材料用量。

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三、2022-2030年搭载4680电池的车型的载电量

3.1 搭载4680电池的车型的产量将大幅增长

特斯拉将搭载4680电池的车型有大型车辆Cybertruck,Semi以及ModelY。

首批装载4680电池的车型Model Y预计在2022年第一季度开始生产。根据2021年约90万的Model 3/Y产量推算,我们假设预期2022年生产100万辆Model Y。

Cybertruck将在2023年开始量产,预计2023的产量为25-30万辆。Semi将在2023年开始量产。据马斯克披露,生产4年后,Semi的产量预计达到一年10万辆。

我们对特斯拉不同车型产量的估计,假设CAGR50%的增速,预计2022-2030年三种车型的产量。产量增多、新车型加入, 4680电池的需求十分强劲。

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3.2 搭载4680电池的车型总共所需的电能

据Electric Vehicle Database,一辆Model Y的电池容量是75kWh,一辆Cybertruck的电池容量是250kWh,一辆Semi的电池容量是500kWh。按照每个车型的电池容量和产量,我们可以得到2022-2030年搭载4680电池的车型总共需要的能量。

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2022年4680电池产量的需求约75GWh,2030年4680电池产量的需求约3160GWh(3.16TWh),较2022年增长约4113%。以上估算也符合马斯克在电池日发布4680电池概念时提到的计划:“4680电池产量在2022年达到一年100GWh、在2030年达到一年3TWh。”

四、2022-2030年4680电池对金属材料需求的拉动

4.1 锂、硅、镍的需求强力增长

根据吨/GWh的材料用量,考量特斯拉体系下的4680电池拉动的金属材料需求。其中锂作为电池核心材料,硅作为负极主要材料、镍作为正极主要材料,需求增势最为显著。

4680锂电池的量产必然拉动了锂的需求。我们预计2022年特斯拉4680电池对锂的需求约4.6万吨(LCE),2030年的需求预计达到一年195.6万吨(LCE)。

负极的石墨替换成硅,4680电池将全新注入对硅的需求。我们预计2022年硅碳负极材料的需求约5.6万吨, 2030的需求约237万吨。

4680电池同样带动镍的需求增量。我们预计2022年硫酸镍的需求约23.1万吨,2030年的需求约975.2万吨。

本文以NCM811体系的正极材料用量来进行分析,镍在正极材料的占比为80%。特斯拉想要把正极材料的镍比例提升至最高,未来可能将采取NCM91、NCMA等超高镍体系,镍的比例可能高于80%。

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4.2 锰的需求庞大

特斯拉4680电池拉动最大的需求量为镍、硅、锂,其次便是锰。

2022年特斯拉对硫酸锰的需求约1.9万吨,2030年的需求达到78.4万吨。

本报告以NCM811体系的正极材料用量来进行分析,锰在正极材料的占比为10%。

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4.3 PVDF 、LiFSI不容忽略:新需求涌入

PVDF和LiFSI用量的上升的比例虽小,但也不容小觑。至2030年,特斯拉4680电池一年需约12.6万吨的LiFSI作为电解液添加剂,约25.3万吨的PVDF作为隔膜粘合剂。

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五、不确定性分析

汽车的产量存在不确定性。本文以目前特斯拉披露的生产计划进行分析。而Cybertruck,Semi因为4680电池的短缺把上市时间从2021年推迟到了2023年。2022年特斯拉能否开启4680电池的量产、是否还会推迟生产Cybertruck等车型是不确定因素。

本文来源微信公众号“坚守核心资产”,智通财经编辑:陈秋达。

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