电力设备与新能源：4680量产带来锂电材料新机遇

自2020年9月特斯拉首次发布4680电池后，4680电池产业化不断加速，凭借着对高能量密度材料更高的兼容性、巨大的降本潜力、电池的热扩散安全隐患的降低，我们预测4680电池今年下半年将开始放量。 4680电池产业化加速量产在即 4680电池与高镍硅基体系契合度高，能量密度可提升至300Wh/kg，新体系稳定量产是亟待解决难题。特斯拉在投资者日称将优化4680生产工艺及步骤，以加速其量产进度，我们预计，4680在2022年底实现量产后，2023-2025实现产能爬坡，2025年预计市场需求达141GWh，成为主流电池技术之一。 关键材料高镍硅基有望直接受益 高镍正极及硅基负极是实现高能量密度的主要方式，但在之前由于硅基负极膨胀问题而很难应用。4680圆柱构型可以很好限制硅基负极膨胀，因此4680电池大幅带动高镍正极及硅基负极需求。我们预计，由4680直接带动的高镍正极、硅基负极需求在2025年分别为23万吨和14万吨，2022-2025年CAGR可达161%。 技术迭代推动核心辅材商业化 PET铜箔和LiFSI在4680电池也将实现加速应用。PET铜箔的安全性和成本优于传统铜箔，预计PET铜箔渗透率将快速提升。经我们测算，2025年PET铜箔渗透率将达到20%，对应需求量为54.4亿平米，市场空间为272亿元，2022-2025年CAGR为245.16%。高镍三元电池渗透率快速提高，LiFSI需求量迎来快速增长，我们预计，LiFSI的总需求量在2025年达33.9万吨，2022-2025年CAGR为58%。 投资建议 1）4680电池领域：电池端重点推荐深耕圆柱电池构型，具有深厚技术积累的电池企业宁德时代、亿纬锂能； 2）材料端：重点推荐具有高镍产品批量供货能力及技术积累深厚的高镍三元龙头容百科技、中伟股份；具备硅碳负极材料技术储备的负极材料龙头企业杉杉股份；率先布局LiFSI产业链的电解液企业天赐材料、多氟多；深耕锂电箔材的万顺新材；具有预镀镍技术积累及产能建设充足的东方电热、甬金股份。 风险提示：1）新能源车端需求放缓；2）4680量产进度不及预期；3）竞争加剧导致盈利能力下滑；4）行业空间测算偏差风险。 投资聚焦 4680的商业化对于高镍硅基体系电池提供了示范。圆柱构型与高镍硅基体系的特性契合度高，体系内原材料的关注度获得正向激励，市场化进程有望进一步加快，受益材料包括高镍正极、硅基负极、新型锂盐、复合集流体、粘结剂、导电剂、焊接设备及电池壳体，其中PET复合铜箔及硅基负极或成为最主要增量。 研究背景 特斯拉投资者日宣布将进一步简化4680电池的生产工艺及步骤以加速量产，4680在2022年底已实现周产86.8万块，支持每周1000台ModelY车型的装机，预计在2023-2025可实现产能爬坡，大圆柱的构型对于硅基负极的膨胀问题起到了很好的限制作用，或成为高镍硅基体系的最佳实现路径。受4680标杆产品带动，高镍硅基体系各关键材料环节有望迎来新驱动力，其大规模量产有望带动各环节材料需求快速提升。 创新之处 1）我们梳理了4680电池各关键材料选用方案，对于其采用或有较大可能应用于4680的电池材料进行了详细的机理探讨和需求测算，从4680直接需求和高镍硅基体系两方面详细分析了各主材、辅材、工艺、设备、结构件的市场需求，以更加全面地判断未来几年4680系电池产业链各环节的供需情况。 2）区别于单独探讨某一环节的分析方法，我们以4680为切入点，围绕高镍硅基体系的构建探讨各关键材料的优势和本征缺陷，站位于本征缺陷在材料本身、辅助材料、工艺等各环节的解决方案的视角，从微观机理延伸至探讨各环节需求确定性及未来市场体量。 核心结论 1）4680构型电池因使用高镍硅基体系， 能量密度得到大幅度提升可至300Wh/kg。我们预计，在2022年底实现量产后，2023-2025实现产能爬坡，2025年预计市场需求达141GWh。由4680直接需求带动的高镍正极、硅基负极需求在2025年有望分别达到23万吨和14万吨，2022-2025年CAGR为161%。 2）4680的商业化对于高镍硅基体系电池提供了示范。圆柱构型与高镍硅基体系的特性契合度高，体系内原材料的关注度获得正向激励，市场化进程有望进一步加快，受益材料包括高镍正极、硅基负极、新型锂盐、复合集流体、粘结剂、导电剂、焊接设备及电池壳体，其中PET铜箔及硅基负极或成最主要增量。 1.4680颠覆传统电池体系 1.1.特斯拉开启电池革命 五位一体开启特斯拉电池优化计划。2020年9月，特斯拉在其“电池日”从五个层次推出了电池优化计划，即电芯设计、电芯生产、硅基负极材料、高镍正极材料、电芯车辆一体化设计。 降本增效全面提升产品竞争力。特斯拉的优化计划即包括电芯体系革新，也包括电芯生产流程，从多个层次的全面优化及降本提效，使未来特斯拉电动汽车续航里程增加54%、度电成本减低56%、投资成本减少69%。 图表1：特斯拉五位一体革新计划 图表2：多层次实现降本增效 第三代4680电芯解决方案发布。特斯拉4680采用大圆柱构型，引入无极耳技术提升功率性能及散热，电极制成工艺采用干电极并引入硅基负极材料。高镍正极+硅基负极的全新体系使得4680具有更高的质量能量密度，其单体电芯容量提升至30Ah,质量能量密度达到300Wh/kg。 4680构型平衡降本与体积能量密度。4680即直径为46mm、长度为80mm的圆柱型电池。这一尺寸是基于降本和体积能量密度的平衡，相较于上一代，提升电池尺寸可以降本，但是降本幅度存在边际递减；而如电池尺寸过大则会降低车体空间的利用率，降低体积能量密度，进而影响整车续航。预计4680圆柱电池能量将提升5倍、续航里程提升16%、功率提升6倍。 图表4：4680较2170圆柱电池电化学性能全面提升 图表3：4680电池构型平衡成本及续航 无极耳设计提升电池散热性及快充性能。由于电池的能量密度提升了5倍，在进行超级快充时电池产热高于前一代，特斯拉采用无极耳设计，让极片边缘的导电涂层通过集流盘与电池端盖接触，电流通过导电涂层和电池外壳到达电池外接电路。这种设计具有以下优点： 1）缩短传统极耳设计中远离极耳端电子迁移路径，减小内阻； 2）改善传统极耳设计中存在的电流偏移现象； 3）在电池层面提升散热能力。 图表5：4680电池无极耳设计 干电极工艺优势明显，锂电池应用尚需攻关。传统合浆工艺中将活性材料、粘结剂、导电剂等粉料分散于溶剂后，将浆料涂覆于集流体并干燥。干电极技术不使用溶剂合浆，直接使用细粉PTFE粘合剂与正极粉末混合，过辊压机形成带状电极后再经层压附着于金属箔集流体形成成品电极。干电极工艺具有以下优点： 1）更高的压实密度高，提升电池体积能量密度，对高镍电池材料体系的兼容性更强； 2）不使用溶剂，成本较湿法工艺下降10%-20%； 3）正极不使用NMP分散，更环保； 该技术在超级电容器领域已经有商业应用案例。干电极技术来自于Maxwell，且之前在超级电容器领域已经有商业化应用，但尚未在锂电池领域得到验证。锂电池正负极材料比表面积较小，电极在充放电过程中有一定体积膨胀，因此对粘结性要求高于超级电容器，较差粘结性会导致极片掉粉现象，因此在锂电池应用该技术尚需攻关。 图表6：4680采用干电极工艺 三条路径实现正极升级。NCM三元材料中，Ni元素具有较高的能量密度，Co元素提升电导率并稳定结构，本身不贡献能量且成本较高，所以NCM材料的高镍低钴（甚至无钴）是其发展的主要方向。为降低Co元素的成本影响，特斯拉在其不同产品矩阵中应用不同的正极材料，探索三种放弃钴材料的思路: 1）对于入门级产品和储能电站，使用磷酸铁锂体系，平衡性价比及服役寿命； 2）中长续航乘用车领域，特斯拉采用自研无钴高镍二元正极，倾向于2/3镍及1/3的锰，该材料目前仍属概念阶段，但具有一定想象力； 3）在其长续航里程车型及Cybertruck皮卡和Semi卡车中明确使用高镍材料，主打高能量密度，提升车辆续航里程。 图表7：差异化的正极方案 引入硅基负极主体材料。4680电池负极端引入硅材料，硅材料具有丰富的资源和超高的理论克容量，分为纳米硅碳和氧化亚硅两种，可以赋予电池单体更高的能量密度,硅基负极的使用可以提升整车续航20%，降本贡献5%。 图表8：4680中使用表面修饰后的硅材料 1.2.4680推动电池材料体系全面革新 4680采用多种新型电池材料。4680电池通过构建以高镍正极+硅基负极为基本体系的电芯设计，可以显著提升电池的能量密度，大圆柱的构型对于体积膨胀过高的硅基负极材料具有天然的体系适配，同时引入高镍正极实现能量密度大幅提升，单壁碳纳米管及LiFSI的引入使得4680的快充性能也得到明显提升，4680的放量将带动多种新型电池材料的全面革新。 图表9：4680电池采用新体系电池材料 简化电池生产流程，提升电池生产效率。特斯拉在其投资者日上披露，新一代的4680生产将采用更简短的工艺流程，进一步优化4680电池生产步骤及零部件数量，计划下降至15个零部件、21道生产工序，提升了4680电池的生产效率以加速其量产进度。 图表10：新一代4680采用更精简的生产工艺 1.3.高镍正极+硅基负极突破能量密度瓶颈 高镍三元+硅基负极为车辆的长续航里程提供保障。《中国制造2025》中明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。4680的能量密度可以达到300Wh/kg级别，与动力电池发展规划同频。 图表11：动力电池研发路线天梯图 单体电池能量密度提升取决于体系内材料性质。根据单体电池质量能量密度方程：E=U/[1/Q+1/Q+m ]，提高电池的质量能量密度，需从提高电极间电势差、 m c a inact 采用具有更高克容量发挥的正、负极材料、减少非活性组元的用量三方面入手。高镍三元材料及硅基负极材料具有更高的电极间电势差和克容量发挥，在非活性组元用量不变的情况下可显著提升单体电池的能量密度。 根据中科院博士论文《高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究》中的测算，在三元正极体系下实现300Wh/kg以上的电池能量密度，需要使用硅基负极进行适配。 图表12：负极材料克容量与锂离子电池能量密度对应关系 4680未来市场需求有望超140GWh。4680构型电池因其使用高镍硅基体系，能量密度得到大幅度提升至300Wh/kg，此前因产品良率较低一致性待改善影响其量产进度。我们预计，在2022年底实现量产后，2023-2025年经过产能爬坡，2025年市场需求可达141GWh，带来的高镍正极、硅基负极需求在2025年分别为23.3万吨和14.1万吨，2022-2025年CAGR为161% 图表13：4680用高镍硅基体系正负极材料市场需求 2.核心主材提升电池能量密度 2.1.硅基材料展现质的飞跃 硅基材料展现质的飞跃。根据反应机理不同，负极材料可以划分为插层嵌入型材料、合金相变型材料、以及尚未有商业化应用的转化型材料。插层嵌入型材料以石墨负极材料、钛酸锂材料为代表，合金相变型材料以硅基材料、锡基材料为代表。其中人造石墨和天然石墨是目前商业化应用最广泛的负极材料，氧化亚硅和纳米硅碳是极具潜力的下一代负极材料。 图表14：硅基材料是下一代负极材料 硅基体系具有更高的能量密度。硅材料因其高的理论容量（常温理论克容量为3580mAh/g，高温理论克容量为4200mAh/g）、环境友好、储量丰富等特点而被考虑作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料，主要品类纳米硅碳（Si）及氧化亚硅（ SiOx ）通过与石墨材料混合搭配构建硅基负极体系，具有较好的产业化应用前景。 图表15：硅基负极具有极高的理论容量 合金化反应提供更高嵌锂容量。石墨通过插层嵌入提