（报告出品方/作者：浙商证券，张雷、黄华栋、杨子伟）
1 圆柱电池工艺成熟历史悠久，特斯拉引领圆柱尺寸大型化
1.1 圆柱电池最早实现商业化，兴于消费电子繁于电动车
圆柱型电池是商业化最早的电池形态，工艺成熟标准化程度高。圆柱电池是商业化最早、 生产自动化程度最高、成本最低的一种电池形式。圆柱锂电池最早由索尼进行商业化生产， 后续由松下于上世纪 90 年代发扬光大，广泛应用于消费电子，2009 年松下消费电子用锂电 产品业务亏损，开始转向与特斯拉合作开启了纯电动汽车圆柱电池时代。当前市面上常用的 圆柱电芯为 18650 和 21700 两种，其中“18”代表电芯圆柱直径为 18mm，“65”代表电芯圆 柱高度为 65mm，最后的“0”代表电芯为圆柱形。
充放电的本质是锂离子在正负极间的移动。放电时，锂离子从负极（阳极）穿过隔膜移 动到正极（阴极），从负极转移到正极的锂离子越多，电池可以释放的能量就越多；充电时， 在外加电场的影响下，锂离子从正极（阳极）穿过隔膜移动到负极（阴极），很“稳定”地嵌 入到负极的石墨层状结构中。当正极转移到负极的锂离子越多，电池可以存储的能力就越多。 在每一次充放电循环过程中，锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极 →正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷 的转移，由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正 负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。
1.2 特斯拉提出 4680+配套工艺方案，描绘电池制造理想蓝图
18650 成功向 21700 迭代，当前技术竞争加剧亟需新的突破。18650 锂离子电池自 1994 年问世以来，已经取得了巨大的成功，特斯拉的 ModelS、X 就是采用日本松下提供的 18650 电池。但 18650 电池受限于体积，容量提升空间较小，应用前景受限。2017 年特斯拉宣布与 松下联合量产新型 21700 电池，其保持了 18650 电池的高可靠性和稳定性，同时具有更高的 能量密度，更低的成本，能更好的满足电动汽车的要求，全球锂电巨头的重点纷纷转向 21700 电池。当前在国内方形+磷酸铁锂电池的冲击下，21700 市场份额有所下滑，圆柱电池亟需寻 找到新的突破点。
特斯拉提出的“4680”是包括工艺体系和材料体系的一整套解决方案。2020 年 9 月电 池日上，特斯拉提出一整套从材料到工艺制造的完整解决方案，工艺体系上提出 4680 大圆 柱（原本是 46800，马斯克省去最后一个“0”）+无极耳+CTC 三位一体的解决方案，化学材 料体系配套方面，使用高镍（无钴）+硅碳负极并在正负极中添加粘合剂等辅材。 4680 在 21700 的基础上全方位进化。4680 不仅在上一代 21700 基础上实现单体电芯能 量、功率密度(对应快充、加速等性能)、能量密度及成本的跃迁，还在系统层面将成组效率、 安全性（关键技术是全极耳）实现了优化，此外根据特斯拉研究者 TroyTeslike 的信息，2023- 2024 将会进步推出更高性能的圆柱电池，在系统容量、能量密度方面更进一步台阶。4680 电 池在 21700 基础上进行了全方位升级，有望引领新的一代电池革命。
尺寸升级：大尺寸的工艺改良实现提效降本。新圆柱尺寸 4680，在 21700 的基础上直 径和高度同时做了扩展，直径增加一倍多至 46mm，高度增加至 80mm，该尺寸是特斯拉工 程团队经过遍历测试后考虑续航里程和成本后得到的相对平衡点，根据特斯拉电池日公布的 数据，4680 相比 21700 单颗电芯容量提升 5 倍，功率提升 6 倍，在整车层面实现了 16%的 续航里程的提升，成本降低 14%，在单 GWH 投资成本方面降低 7%。
工艺创新：无极耳技术是 4680 工艺层面配套的核心技术。特斯拉工程团队将无极耳技 术应用于 4680 圆柱电池（21700 难以应用），实现如下效果：1）激光焊接缩短电子移动路 径：21700 只有两个极耳，整个极片的电子的传输只能通过两个极耳的通道，4680 在电池两 端接触面全部具备极耳的功能，利用激光焊接技术在铜箔上建立 10 个以上的链接点，缩短 电流距离，达到减小内阻的目的；2）简化工艺提高效率：在移除极耳后，电池的绕制和涂 料流程得到极大简化，不再需要因为极耳而中断生产流程，大幅提升生产效率；3）散热提 升安全性强适用快充：无极耳技术下电池可以通过整个电芯导热（21700 只能通过极耳侧散 热），整个电芯的热均衡性能更好，安全性提升的同时，对热管理系统要求降低，更加适用 于高温条件下的快充场景。无极耳技术被视为 4680 配套的核心技术，也是国内各个厂家急 切需要攻破的关键环节。
工艺创新：CTC=去 Pack+电池结构化，高效利用车内空间实现降本和提高能量密度的 效果。电池包去 Pack 构造，取消原有的座舱地板取代以电池上盖，利用 4680 坚硬稳定的属 性使其作为中心的结构件传递上下面板的压力，CTC 使电池包具备能源设备和结构件的双 重作用。CTC 去 pack 节省电池组内部结构件的成本和空间，提高了电池组级别的能量密度， 此外电池成为结构件后大大减少汽车结构件的需求数量，从而降低整车成本和重量，让非电 池组成分变成负质量，为电池匀出更多空间，提高整车级别的能量密度。特斯拉 CTC 技术 使车身重量减少 10%，续航增加 14%，零部件减少 370 个。
材料进阶：高镍+硅基配套，硅改造+掺杂剂降本改性。负极材料，特斯拉通过在冶金硅 表面引入涂层包覆材料，低成本改造硅基材料成负极，特斯拉的包覆硅材料价格约 1.2$/KWh， 相对于硅氧、硅碳材料成本大幅降低，实现在电池组层面将每千瓦时成本降低 5%，最终提 升电动车 20%的续航里程。正极材料，镍金属相比钴金属兼具比容量和成本优势，特斯拉优 先采用高镍的正极解决方案，推进无钴正极的开发，利用新型粘合剂和导电剂，实现正极材 料降本 15%的目标。
简化前端工序提出干法电极技术，省去高成本的匀浆、涂布、干燥环节。传统湿法电极 技术前端工序需要把正（负）极材料、粘合剂、导电剂、溶剂和水进行混合，然后将浆料涂 在箔上，在几十米长的干燥炉中进行烘干并回收溶剂，制备成正（负）级极片。传统工序经 历溶剂混合和干燥提炼的两个逆向反应过程，特斯拉从第一性原理角度出发，直接从源头颠 覆传统湿法电极制造技术，不用溶剂，省去湿法混合、干燥和提纯步骤降低成本，避免溶剂 和粘合剂反应形成包围活性材料的粘结剂层（降低活性材料之间及和导电剂的接触，降低电 极导电性能），提升导电性能、电极密度和容量，适用于高容量高倍率电池。特斯拉收购Maxwell 公司进行干发电极设备工艺开发，预计干法电极工艺改进并量产后可使工厂占地面 积和能耗减少至十分之一，投入成本大幅下降。
2 4680 大圆柱趋势确立，龙头布局 23 年迎来规模量产
2.1 4680+高镍硅基路线有望成为高端长续航车型主流技术路线
动力电池的性能决定整车性能，整车性能需求决定怎么定义动力电池性能，下面从安全 性、续航里程、低温可靠性、快充和成本几个角度分析对比 4680+高镍硅基与大方形+磷酸铁 锂之间的优劣。 圆柱电芯在主流形态中热安全和机械安全性最高。1）单体电芯角度，与方型软包对比， 圆柱电芯单体最小可以分散风险，此外，面临热膨胀时整个壳体均匀受热，不会出现方型电 池侧面鼓胀、电池变形寿命下降的问题；2）模组级角度，圆柱电芯以蜂窝式排列，电芯之间 留有天然空隙（热交换面积），此外每个单体有独立的定向泄压装置，保证单体电芯发生热 控时不会蔓延到周围产生连锁反应；3）机械性能方面，圆柱电芯的壳体可提供一定的结构 刚性，在受到外部冲击时形成有效的缓冲，使得形变不容易侵入电芯的内部，这使得蜂窝状 排列的大圆柱电芯成为 CTP/CTC 等技术路线的理想选择。
大圆柱的安全性高，能承受高能量密度化学体系。能量密度通常和电池的稳定性/安全 性呈反向关系，三元和方形都属于高能量密度体系，在安全性方面弱于铁锂和圆柱，方形的 平行结构在使用高镍硅基等高能量密度体系时会随着使用而逐渐鼓胀，严重影响整包的安全 性能，过去用于方形电池屡屡出现事故足以说明电化学体系和电池封装体系互补的重要性。 圆柱电芯结构对称，可以有效的束缚住卷心在半径方向上的膨胀和内部的气压，使得电芯可 以保证在整个生命周期不发生形变，圆柱电芯的高安全上限，使得它可以支持更高能量密度 的化学体系，从而补足成组效率略低的短板。 高能量密度的高镍材料低温适应性强。续航里程除了理论能量密度外还需要考察不同场 景，研究表明在-20℃时，磷酸铁锂电池容量只能达到常温的 1/3，锂离子扩散系数较常温下 下降两个数量级，当温度下降到-40℃时，磷酸铁锂只能保持常温容量的 20%，磷酸铁锂的 低温性能差主要是由于其本征电导率和锂离子的扩散系数都很低。
4680+高镍硅基电池成本下降可期，未来有望成为长续航里程车型主流技术路线。我们 根据鑫椤资讯产业链 2022 年 3 月 11 日价格及相关假设做动力电池成本测算，假设两者折旧 &人工&其他制造费用相同，只考虑材料端的差异，8 系三元+硅基负极电池成本为 0.97 元 /Wh，相比 5 系三元+人造石墨电池 0.96 元/Wh 成本主要高在硅基负极和新型电解液成本上， 按照特斯拉对未来电池技术方案及产线的设想，考虑材料端降本和生产工艺的升级，4680+ 高镍三元+硅基负极电池成本有 56%的下降空间，对应 0.43 元/Wh，根据特斯拉的公开官方 描述情况，特斯拉认为 4680 有望在 22 年可与竞品同台竞争，23 年超越竞品。我们认为伴随 材料成本下降和规模效应，4680 高镍硅基体系的综合成本有望持续下降，在高端长续航里 程车型中 4680+高镍硅基有望成为主流技术路线。
CTC 技术是加强版的 CTP，可进一步提升整车续航降低成本，为下一代电池厂和整机 厂竞争的关键技术。继 2019 年 CTP 被提出后，2020 年宁德时代公布了关于电池结构的开发 路线图，除了第二代、第三代 CTP 电池系统以外，还提出了 CTC 电池系统。具体来说，CTP 技术是将电芯直接集成到 PACK 箱体省去模组，CTP 与传统结构电池相比可以减少零件数量（40%），提高空间利用率（15%~20%），从而提高能量密度（10%~15%）降低电池包成本 （10%~15%），目前 CTP 可同时配套三元和磷酸铁锂两种电池体系，已经在 Model3(配置|询价)、蔚来 等多款车型上车使用。 CTC 是将电芯直接集成到车底盘同时省去模组和电池包，相当于加强版 CTP，进一步节 省成本提升续航，除 CTP 和 CTC 以外，特斯拉电池日提出的一体式压铸车身是将电芯直接 铸入到底盘结构里，综合来看 CTP、CTC、一体化压铸都是物理结构层面创新，其原理都是 加大电芯放置的物理空间提升续航，与材料体系不直接相关；我们认为 CTC 技术是未来电 池企业之间必争高地，更是主机厂和电池厂之间博弈的关键技术，率先掌握的 CTC 技术并 量产应用的企业将会显著提升自身在产业链中的议价权和竞争力。
2.2 特斯拉领衔 4680 装机，全球车企蓄势待发
柏林与奥斯汀两大超级工厂投产，产能瓶颈打开。特斯拉德国柏林工厂于 2022 年 3 月 22 日投产，设计年产能 50 万辆，当前计划生产 ModelY(配置|询价) 并搭载 4680 电池（前期 4680 产能 不足时使用 21700 暂时替代）；美国得克萨斯州奥斯丁工厂于 2022 年 4 月 7 日举办开工仪 式，设计年产能 100 万辆，其中 50 万辆 ModelY（2022 年开始交付），30 万辆 Cybertruck （2023 年开始交付）；上海工厂方面，特斯拉 5 月 1 日向上海临港区递交的感谢信中透露将 新增 45 万辆年产能，7 月度产量约 7 万辆（对应年化产量 84 万辆），22 年第一季度公开交 流中表示规划 150 万辆，预计远期有望达到 200 万辆；此外还有 TeslaSemi（2023 年）、Roadster （2023 年）、Robataxi（2024 年以后）相继量产，具体工厂未公布。综合来看，我们预计 22 年底名义产能超过 200 万辆，23 年低近 300 万辆，特斯拉产能瓶颈打开。长期角度，特斯拉 计划 2030 年电动车销量达 2000 万辆，以 2021 年销量测算，21-30 年共 9 年销量 CAGR 达 41%，匹配销量计划在已有单地区超级工厂扩容更具备规模优势和成本优势，保守估计伴随 各大超级工厂扩容 2025 年底产能突破 450 万辆。
特斯拉率先提出 4680，未来将在自己的车系内规模化使用，特斯拉相关车系销量将对 4680 构成筑底需求，我们对特斯拉用 4680 需求进行了测算，关键假设和结论如下：
1）销量假设： 产能端：马斯克公开发言表示抑制特斯拉订单最大的问题在于产能，22 年将集中解决产 能扩张问题，近几年产能高增，通过对各工厂产能投放进度汇总，我们预计 22 年底产能突 破 200 万辆，25 年底特斯拉总产能 460 万辆。 销量：已有车型销量与相应工厂的生产计划和产能规划相匹配，预计 Cybertruck 和 SemiTruck 于 2023 年开始交付。由于 22-25 产能限制销量，我们通过产能来预计销量，预计 22/23/24/25 年销量分别为 136/218/297/374 万辆。
2）配套电池解决方案假设：根据电池日信息，特斯拉远期将计划形成三种电池解决方案，1）磷酸铁锂，针对中程续 航以及对能量密度要求低的储能领域；2）镍锰（2/3 镍，1/3 锰），折中方案，用于中长程续 航；3）高镍（100%），针对长续航里程的乘用车、卡车、商用车。 当前镍锰还处于概念阶段，我们预计方形铁锂会成为特斯拉中低续航乘用车型的标配， 广泛用在 ModleY 和 Model3 的标准续航版上；三元 21700 目前是高续航乘用车的解决方案， 未来伴随 4680+无极耳+CTC 成套解决方案的成熟以及相关产能配套落地，在 ModelY 和 Model3 的高续航车型上 4680 高镍硅碳将逐步替代 21700 三元石墨，卡车 Cybertruck 和商用 客车 SemiTruck 预计 23 年推出，预计全部采用 4680 护航。
全球车企加速布局，25 年装机预计达 492GWh。目前电动车企客户对大圆柱电池的布 局大致分以下几类，1）第一梯队处在量产的前夜，以特斯拉公司为代表，预计于 2022 年正 式装车投放市场；2）第二梯队处在实质的立项研发阶段，预计于 2~3 年内左右量产装车， 如宝马等，宝马明确计划 2025 年在其新一代电动平台——Neue Klasse（New Class）上新型 圆柱电池；3）第三梯队是处在收集信息，市场调研以及可行性评估阶段。目前大部分的新 能源车企处在第二和第三梯队。当前有很多大型的新能源车企在未来的 5~10 年已经敲定了 经济型采用方壳或刀片磷酸铁锂电池，中高端采用高镍三元加硅负极大圆柱电池的布局。随 着技术工艺进步及产业链配套成熟，特斯拉作为行业的标杆充分发挥示范效应，我们预计 2025 年 4680 电池占整体渗透率达 30%，2025 年全球装机达 492GWh。
2.3 多家电池企业深度布局，2023 有望迎来规模量产
日韩三巨头圆柱份额全球领先，特斯拉自制 4680 带动大圆柱趋势。根据 EVTank 数据， 2021 年全球圆柱电池市场主要被松下、LG 和三星 SDI 三家占据，松下和 LG 主要系特斯拉 新能车销量带动排名遥遥领先。特斯拉原计划 22 年底 4680 产能达 100GWh，2022 年第二季 度已经在德州工厂开始向客户交付带有 4680 电池组的 ModelY，头部电池厂商纷纷跟随加码 4680 电池阵营，包括松下、LG 新能源、三星 SDI、宁德时代、亿纬锂能、比克电池均已经 深度布局 4680 电池，从投产规划来看，2022-2024 年规模级的 4680 产线将陆续投产。
特斯拉领衔投产 4680 配套 ModelY，远期规划成为电池-汽车一体化巨头。22 年 2 月， 特斯拉宣布在美国加州试点工厂下线第 100 万个 4680 电池，开启大圆柱电池规模生产的新 阶段。4 月 8 日马斯克在德州超级工厂开工时发言，德州工厂生产的电池配套该车厂 ModelY 及未来其他车型，实际上 4 月首批装载 4680 电池组的 ModelY 在德州工厂实现交付。特斯 拉将把德州超级工厂打造成世界上最大的电池工厂，按照此前规划，预计在 2022 年底达产 100GWh，远期产能甚至可能达到 200GWh-250GWh。8 月初特斯拉股东大会上，特斯拉透露 因为某些新技术亟需攻破生产效率有待提高，今年年底才能实现量产，略慢于预期。长远来 看，考虑到全球每年需要 20TWh~25TWh 持续 10~15 年的生产才能完成可再生能源过渡（合 计 300TWh 电池产量），特斯拉计划在 2030 年预计达到 3TWh（3000GWH）产能，成为车企 电池一体化巨头。
松下与特斯拉在圆柱电池上合作历史悠久，有望首批量产 4680 供应。松下与特斯拉的 合作以 2010 年入股特斯拉为起点，2012 年开始量产 18650 并为特斯拉 ModelS 配套，2017 年下半年特斯拉与松下合资建设的内华达州 Gigafactory 投产，生产圆柱 21700 电池配套 Model3，该款电池帮助特斯拉实现产品能量密度的大幅提升和成本的降低，松下再和特斯拉 相互协作推进电池技术革新的同时，产销量大幅提升，至今为止，松下 21700 累计产量已经 接近 18650。 下一代技术路线上，松下计划通过正极无钴化、硅碳负极和大尺寸推动电池能量密度提 升，与特斯拉的 4680 在工艺和材料方面匹配度极高，事实上，目前松下和特斯拉在 4680 上 已经展开紧密合作，2022 年 5 月，松下完成了原型开发，开始试生产线的运行。在批量生产 之前，它已经向特斯拉发送了 4680 圆柱电池的样品。产能建设方面，松下宣布将在其位于 日本西部的和歌山工厂投资 800 亿日元（约 7 亿美元）新建两条生产线来生产 4680 电池， 年产量 10GWh，每年可以为 15 万辆汽车提供动力电池，该部分产能优先供给特斯拉，预计 2024 年 3 月之前实现量产，此外在美国本土目前与特斯拉共同投资建设的内华达州电池工 厂的年产能是 39 GWh，主要生产 21700 电池，计划投资约 40 亿美元在美国堪萨斯州建立其 第二家电动汽车电池工厂，预计将在该工厂为特斯拉生产 4680 电池。松下远期计划到 2028 年将其动力电池产能从目前的 50 GWh/年提升 2-3 倍。
亿纬锂能圆柱电池多年积累，规划 20GWh46 系圆柱产能。亿纬锂能在圆柱电池领域有 超过 20 年的生产经验，从 18650 到 21700 再到 46800，方形磷酸铁锂和 4680 大圆柱电池是 公司未来发展的核心。当前亿纬锂能已通过中试线完成了大圆柱系统产品的试生产布局了 4680 与 4695 两大型号，8 月 2 日亿纬首件搭载自主研发 46 系列大圆柱电池的系统产品在研 究院中试线成功下线。目前亿纬锂能的 46 系列大圆柱电池已取得国内外多家知名客户的定 点或签订框架合作协议，主要客户即将完成产品整体验证，全过程验证预计于 2023 年至 2024 年陆续完成，9 月 9 日公告定点情况，公司将为德国宝马集团 Neue Klasse 系列车型提供大 圆柱锂离子电芯，成为宝马将于 2025 年上市的新系列电动汽车电池在欧洲的主要供应商。 亿纬锂能此前曾公开表示，预计 2023 年产能释放 20GWh，2024 年达到 40GWh，公司近期 在建产能为湖北省荆门市建设 20GWh 46 系电池产线（拟投资 44 亿元）。
比克电池深耕圆柱电池，积极拥抱大圆柱。比克电池深耕圆柱电池 17 年，在 19 年确定 把圆柱电池做大作为中高端电动车电池解决方案，2020 年初开始向高端客户推介。比克的 46 系列产品覆盖 80~120mm，能量密度覆盖 270~285Wh/kg，10%~80%的快充最慢 20min。 其中 4680 大圆柱电池预计 2022 年规模量产，预计未来几年将产能扩充至 80GWh。
2.4 焊接和干发电极是关键技术，良率和高能量密度体系储备奠定竞争优势
从表面上看大圆柱电芯制造的各道工序，无论是相比于传统的小圆柱电芯，还是其他形 态的电芯，都变得了更加简洁和高效，但实际上大圆柱电池几乎对部分工序都提出了更高的 技术要求，机遇和挑战是一体两面的。 焊接工艺的规模化和一致性是核心难点。工艺上变化较大且要求较高的就是焊接技术， 包括电阻焊、激光焊、超声焊等，目前 4680 生产工艺相对壁垒较高的就是激光焊接，4680 相比 21700 在焊接数量和难度都大大提升，激光焊接要保证铜箔、铝箔跟集流盘的激光焊 的完整性、电池内部的均匀性和致密性，同时要保证没有金属残渣残留在电池内部，大圆 柱电池在某种意义上是随着焊接技术的逐渐成熟而应运而生的，焊接质量的好坏直接决定电 芯的内阻自放电、密封性能，从而决定了电池包的性能。
干电极匀浆过程中活性材料的团聚现象仍是大圆柱规模量产的一大挑战。前段干电极技 术是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。当前特斯拉在突破干电极技术方面遇到一定障碍，干电极技 术的突破将成为 4680 降本、量产的关键。 良率是制约行业量产的关键瓶颈，有高能量电化学体系积累的电池厂具备优势。良率是 衡量制造业规模量产的关键参数，通常锂电池制造需要达到 95%以上的良率量产才具备经济 性，目前特斯拉在加州弗里蒙特工厂试制备的 4680 电芯的良品率已经从最开始的 20%左右 逐步攀升至 92%，国内布局 4680 的电池企业目前还处于 B 样阶段，良率在 50%附近，焊接 的高壁垒、生产一致性难度提高等导致国内电池厂的良率卡壳，未来还需要国内电池企业和 设备厂商共同推进。此外 4680 未来主要搭配高镍和硅基负极材料体系，要求电池企业在新 型材料有技术储备，制造工艺配合材料体系，发挥出 4680 的竞争优势。综合来看，未来率 先良品率达标并可实现高能量密度体系量产的企业将成为 4680 技术革命的充分受益者。
3 高镍+硅基成长空间打开，相关辅材、结构件充分受益
3.1 硅基负极：受益 4680 有望指数增长，爆发前夜多领域企业加速布局
伴随新能源汽车对续航能力要求的提高，负极向着高比容量的硅基负极方向发展。高端 石墨负极克容量已经达到 365mAh/g，基本接近石墨的理论比容量 372mAh/g，硅的理论比容 量为 4200mAh/g，使用硅基负极材料的锂电池在能量密度、续航能力等方面具有显著的比较 优势，此外硅还具有脱锂电位相对较低（0.4V）、环境友好、资源丰富等特点，被认为是极具 潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。目前主要通过与石墨负极材料复合使用，主 流掺杂比例在 5%~6%，复合后的可逆容量为 370～420mA·h/g，根据《高能量密度锂离子电 池硅基负极材料研究》（陆浩，2019），高镍三元 811（200mAh/g）叠加硅基负极（800mAh/g） 相比纯石墨（372mAh/g）电池能量密度从 272Wh/kg 提升至 302Wh/kg，提升幅度 11%。
热膨胀限制硅材料负极发展，SiO 和 Si/C 是主流路径。硅材料在实际应用过程中存在 较多问题，主要在于硅的体积膨胀问题。硅在满嵌锂后体积膨胀为 320%（碳材料只有 16%）， 巨大的体积膨胀会延伸出容量衰减、导电性能差、循环性能差等问题，目前有多维度的纳米 化硅、氧化亚硅材料、硅的碳包覆、硅/金属合金以及配套硅负极使用的新型导电添加剂、新 型电解液和新型粘接剂、补锂剂等解决方案，未来最有希望实现较大规模应用的发展方向主 要是是氧化亚硅（SiO/C）和纳米化硅碳（Si/C），硅碳通过纳米化成小颗粒更好的释放膨胀 压力，氧化亚硅减小硅颗粒度增加缓冲层减少膨胀影响。 硅基负极生产工艺复杂，标准化程度低。较石墨负极材料而言，硅基负极材料制备工艺 复杂，目前没有统一的标准化工艺。硅碳负极材料是将纳米硅与基体材料通过造粒工艺形成 前驱体，然后经表面处理、烧结、粉碎、筛分、除磁等工序制备而成的负极材料。硅氧负极 材料是将纯硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧负极材料前驱体，然后经粉碎、分级、表 面处理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成的负极材料。
新能源车动力电池高景气驱动，硅基负极有望呈现指数级增长。4680 大圆柱电池以及 长续航快充车型的规模化量产，叠加硅基负极产业链扩产提速，将推动硅基负极材料进入爆 发式增长通道。有望在动力电池领域开辟出指数级增长通道。我们预计 2025 年硅基负极（复 合后）需求量达 37.26 万吨，市场规模达 330 亿元，21-25 年需求量 CAGR 达 97%，纯硅（不 掺杂，SiOx,Nano-Si）25 年需求量达 4.84 万吨，市场规模达 95 亿元，21-25 年需求量 CAGR 达 151%，关键假设如下： 1）硅基负极渗透率：我们预计硅基负极将在 4680 大圆柱电池上大规模应用，预计其在 动力电池负极材料中渗透率趋势同 4680 大圆柱电池在动力电池中渗透率，2025 年达 18%； 2）硅基负极单耗：硅基负极比容量高于人造石墨负极，相同容量的电池包所需硅基材 料更少，假设 2021 年硅基材料单耗为 1220 吨/GWh，未来随硅基材料掺杂率上升，单耗呈 下降趋势下降； 3）非动力领域硅基负极应用：根据 GGII 数据，2021 年出货量 1.1 万吨，且主要应用在 高端 3C 数码、电动工具，假设在非动力领域以 15%的速度增长； 4）硅基负极单价：当前实际使用的是将硅基材料和碳基材料混合后的硅基负极（混合 后），所以理论上硅基负极的定价（仅材料端）取决于纯硅价格、石墨价格以及硅基材料掺 杂率，根据鑫椤资讯数据，当前按照 5%掺杂得到的硅负极材料，国内价格 13.5 万元/吨（含 税价），假设 21 年售价为 13.5 万元/吨，综合考虑掺杂率提升及量产降本对硅基负极价格的 影响，假设未来售价每年降幅 10%。 5）硅基负极掺杂率：当前主流掺杂比例为 5%，4680 大圆柱电池拔高电池安全性能上 限、辅材体系的升级等拔高硅基负极掺杂率，我们预计 2025 年总体掺杂率达 13%； 6）纯硅负极价格：根据凯金能源招股说明书，2021 上半年不含税销售单价为 30.3 万元 /吨，我们假设 2021 年单价为 30 万元/吨，未来售价每年降幅 10%。
目前国内有效产能规模较小，多领域企业争相布局。国内目前硅基负极产能达 1.5~2 万 吨，远期规划近 20 万吨，当前具备量产并得到客户验证的有贝特瑞、杉杉股份、凯金能源、 硅宝科技等少数几家。国内硅基负极电池产业化正在稳步推进，目前布局企业主要有这几类： 一是现有石墨类负极企业，如贝特瑞、璞泰来等；二是科研院校创始团队，如天目先导、壹 金新能源等；三是电池企业，如宁德时代、国轩高科等；四是化工企业跨界或硅材料企业切 入，如石大胜华、硅宝科技等，未来具备技术和产能优势的企业将具备较强竞争优势。
3.2 高镍三元：与 4680 相得益彰安全性能提升，长期成长空间打开
4680 补足高镍体系安全短板，打开高镍三元发展空间。三元材料中的钴材料起到稳定 结构的作用，不参与电化学反应，降低钴占比提升镍占比可以实现在提升电池能量密度的同 时还可以降低成本，但与此带来的问题是高镍三元材料的不稳定性，事实上安全性问题己成 为制约三元特别是高镍三元锂离子电池在电动汽车领域应用的主要障碍。4680 大圆柱电池 的封装结构具有较高热安全性和机械性能，大大降低了高镍三元应用的风险，为高镍三元保 驾护航，我们预计 4680 将打开三元长期成长空间，高镍三元在续航里程要求高的中高端电 动车市场将成为主流。
高镍三元渗透率稳步提升，竞争格局相对常规三元较优。受益于欧美新能源市场的起量 以及海外车企对高镍电池的青睐，国内高镍材料的需求量快速提升，2021 年国内以 811 及 NCA 为代表的高镍三元材料市场渗透率稳步提升，全年渗透率由 2020 年的 22%提升至 2022 上半年的 42%。具体到竞争格局，2022 上半年容百科技、天津巴莫、贝特瑞是占据高镍市场 的前三位，在产能规模和客户结构方面领先优势明显，贵州振华、广东邦普、长远锂科等企 业在今年同样开始发力，比起整体三元材料，高镍部分的市场集中度较高，2022 上半年 CR5 集中度达到了 82%，三元仅 59%，主要受高镍材料技术门槛较高以及产品差异化的影响，预 计在在技术、产能和客户有领先优势的企业市占率将稳步提升。
3.3 导电剂碳纳米管：补足 4680 体系短板，替代传统导电剂趋势确立
导电剂可提升电子导电率，是提高正负极的导电性的必要手段。导电剂可以增加活性物 质之间的导电接触，提升电子在电极中的传输速率，从而提升锂电池的倍率性能和改善循环 寿命。锂电池正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐，他们通常是半导体或 者绝缘体，导电型较差，必须加入导电剂改善导电型能；负极石墨材料的导电型稍好，但在 多次充放电中石墨材料的膨胀收缩使石墨颗粒间的接触减少，间隙增大，甚至脱离集电极， 部分失去活性无法参与电极反应，所以也需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电型 稳定。 锂电池目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、VGCF（气相生长碳纤维）、碳 纳米管以及石墨烯等。其中，炭黑类、导电石墨类和 VGCF 属于传统的导电剂，碳纳米管和 石墨烯属于新型导电剂材料，不同类型导电剂由于空间结构、产品形貌、接触面积不同，其 导电性能和对锂电池能量密度、倍率性能、寿命性能和高低温性能影响不同。石墨烯通常和 纯碳纳米管复合成石墨烯复合导电浆料用于磷酸铁锂动力电池，镍钴锰三元动力电池上则直 接使用碳纳米管。
碳纳米管相比炭黑性能优势显著。 1）延长锂电池循环寿命：碳纳米管作为空心管状结构，能够提升极片的吸液性，从而 降低电池使用过程中的电解液损耗，从而提升其寿命性能； 2）提升能量密度：同等效果目标下，碳纳米管的用量仅为传统导电剂的 1/6~1/2，碳纳 米管导电剂添加量最低可达 0.5%左右，并能降低 PVDF 粘接剂的用量，从而提高正极活性 物质的占比，进而提升锂电池能量密度，等效提升能量密度； 3）提升锂电池倍率，改善快充性能：碳纳米管具有更优的导电性能，由于碳纳米管形 貌为一维管状结构，长径比和比表面积大，作为导电剂能与活性物质形成线接触并能固定正 极材料，相较于炭黑导电性能更优，能有效提升锂电池倍率性能，提升充放电效率，改善快 充性能。 4）高温性能更优：由于碳纳米管有着优异的导热性能，能够将电池中的热量较好传导 出来，提升电池的高温性能。
补足高镍硅基体系导电性能及倍率短板，高能量体系内加速替代炭黑。高镍+硅基是动 力电池突破能量密度瓶颈的主线，由于高镍三元正极材料及硅基负极材料的导电性能相对较 差（硅基负极导电型弱于天然及人造石墨）且倍率较低，为尽可能降低对动力电池能量密度 和循环寿命的影响，需要添加导电性更为优异的碳纳米管导电剂来提升导电性能、改善循环 寿命、提升倍率。 目前碳纳米管导电浆料在硅基负极中表现出良好的性能：1）碳纳米管高的机械强度能 够提高硅基负极材料结构的稳定性，在外力的作用下结构不易破坏，降低硅材料膨胀带来的 危害；2）碳纳米管优异的导电性能，可弥补硅基负极导电性差的不足；3）碳纳米管极大的 比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。综合来看，CNT 有望在高能量电池材料体系中加速对传统炭黑导电剂的替代。
CNT 需求 4 年 3 倍，龙头充分受益。国内 2021 年 CNT 浆料出货量为 7.80 万吨，同比 增长 62%，16-21 年 CAGR 达 42%，主要受益于：1）动力电池市场的高速增长；2）三元高 能量密度材料体系占比的提升（三元动力锂电池新型导电剂主要以碳纳米管为主）；未来伴 随电动车快充性能需求提升以及高镍硅碳占比提升拉动，根据 GGII 预测，多壁碳纳米管浆 料 2025 年出货量有望达 32 万吨，21-25 年 CAGR 达 42%。国内碳纳米管厂商主要由天奈科 技、集越纳米、德方纳米等，天奈科技对比同业具备技术和产能优势，2021 年出货量市占率 达 43%是行业绝对龙头，有望充分受益行业增长趋势。
单壁碳纳米管相比多壁碳纳米管使用效用事半功倍，有望成为下一代导电剂。目前，国 内碳纳米管厂主要的竞争点是制备长径比（更大）、纯度（更高），现阶段市场上的碳纳米管 基本为多壁碳纳米管，而单壁碳纳米管因为直径更小、长径比更大，理化性能更优、导电性 能更好、添加量更少，对能量密度和循环寿命提升效果更为明显。根据 OCSiAl 数据，低于 0.1％的 TUBALL™单壁碳纳米管添加量即可提供更高的能量密度，多壁碳纳米管或炭黑添 加量是其 5-50 倍。在目前电动汽车电池包中，仅 100g 的 TUBALL™单壁碳纳米管就可代替 5kg 的导电炭黑。 1）解决硅基材料负极循环寿命差的问题，从而提升硅材料掺杂率上限，最终带来电池 能量密度的提升：单壁碳纳米管具有高附着力，对硅基材料膨胀的忍受程度强，可延长硅负 极循环寿命 4 倍，相比其他传统导电剂更适用于硅基负极材料中，在加入低剂量的情况下即 可在材料内部形成发达网络的能力，覆盖硅颗粒表面并在硅颗粒之间建立高度导电和持久的 连接，大幅提升负极硅材料掺杂率的理论上限，为硅负极提高能量密度保驾护航。目前单壁 碳纳米管可以制造出内部含有 20%SiO 的硅基负极，使其比容量提高至 600mAh/g，循环次 数达到 1500。此外，OCSiAl 研发团队测试结果验证，可以将负极中的 SiO 含量提高到 90％； 2）在正极中有做导电剂提高关键参数：单壁碳纳米管的性能优于其他导电剂，在锂离 子电池中提供放电功率、能量密度、附着力安全等方面的性能，其对性能的提升大幅领先传 统的导电添加剂炭黑或多壁碳纳米管。
3.4 电解液 LiFSI：高镍三元领域，有望替代传统六氟磷酸锂
电解液是锂电池重要主材，目前 LiPF6 是常用的电解质。电解液是锂电池四大主材之一， 电解液在锂离子电池正、负极之间起到传导锂离子的作用，是锂离子电池的“血液”，对锂 离子电池的能量密度、比容量、工作温度范围、循环寿命和安全性能等起到重要作用。电解 液也由溶剂、电解质锂盐和添加剂按一定比例配置而成。锂盐决定了电解液的基本理化性能， 是电解液成分中对锂离子电池特性影响最重要的成分。根据性能要求不同，锂盐可以采用单 一种类锂盐、混合锂盐或把另一种锂盐作为添加剂。目前考虑到成本、安全性等因素，LiPF6 凭借其较高的电化学可靠性、室温范围工作要求以及产业化规模效应带来的价格优势，成为 目前最为常用的电解质锂盐。
LiFSI 混合 LiPF6全方位提升电池的极端温度性能、充放电性能、循环寿命和安全性能。 LiPF6 目前存在低温放电和高温性能差的情况，LiFSI 与 LiPF6 相比，具有更好的热稳定性、 电化学稳定性，以及更高的电导率，若将 LiFSI 作为电解质与 LiPF6 配比加入到电解质中， 能够显著改善循环寿命，提升电动车在夏冬的续航与充放电功率，并改善新能源汽车在极端 条件下的安全性。 1）更好的低温放电和高温性能保持能力。锂离子动力电池电解液的低温和高温性能是 影响新能源电动汽车在极端温度下性能的重要因素，决定着锂离子动力电池及新能源电动汽 车在低温或高温条件下的性能表现。添加有 LiFSI 的电解液可有效提升新能源电池在极端温 度条件下的适应能力，从而提升新能源电动汽车的高温或低温环境中的动力表现与续航能力， 增加了新能源电动汽车的应用场景。
2）更长的循环寿命。LiFSI 具有非常稳定的化学性质，并且能与正极和负极形成稳定的 SEI 膜（首次充放电时在电极材料与电解液之间形成的膜），减少了电极与电解液之间副反应 发生的可能性，从而有利的保障了正极和负极的循环稳定性。添加有 LiFSI 的电解液在充放 电过程中对电池材料的损耗较少，可以增加锂离子动力电池的充放电次数，提升新能源电动 汽车动力电池的使用寿命。
3）更高倍率放电性能。大电流高倍率放电是锂离子动力电池的重要性能指标，影响着 电池的瞬时输出功率，进而影响新能源电动汽车的瞬时动力输出性能。加入 LiFSI 的电解液 具有更高的电导率和更低的粘度，因此在高倍率放电时，LiFSI 混合电解液电池的放电容量 相比于 LiPF6 单一电解液更高。在动力电池电解液中添加 L
4）更高的安全性能。安全性能是锂离子动力电池最重要的指标之一，锂离子动力电池 在短路、高温等条件下容易引发电池热失控，从而引起电池的燃烧、爆炸等安全事故。LiFSI 混合电解液的阻抗更低，在遇到特殊情况下产生的热量较少，不容易产生爆炸。LiPF6 热稳 定较差，在高温下易发生分解产生 PF5 气体，而添加有 LiFSI 的电解液热稳定性更强，同时 也会抑制气体的产生，可以减弱在高温条件下发生化学反应的强度，显著改善电池的安全性 能，从而提升新能源电动汽车整体安全性能。
LiFSI 可以稳定高活泼性金属镍，提高高镍三元电池的安全性。高镍三元电池是高能量 体系的主要解决方法也是未来发展趋势，但由于镍离子的高化学活性，存在产气、破换固体 电解质面膜（SEI 膜）、反应后改变电池物理形态等问题，安全性是高镍三元最大的应用瓶颈， 添加有 LiFSI 的新能源电池电解液可以使活性极强的镍电极材料保持稳定，改善三元电池性 能，可提升三元电池的热稳定性、电化学稳定性及电导率，改善高低温适用范围、循环寿命， 提高电池高功率放电性能以及安全性。LiFSI 目前可作为三元电池中的主盐或作为辅盐搭配 常用电解质 LiPF6 使用。
3.5 结构件：大圆柱提高竞争壁垒，龙头强者恒强
结构件是锂电池重要组成部分。锂电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和精密结 构件等组成，其中精密结构件主要为铝/钢壳、盖板、连接片和安全结构件等，是锂电池及锂 电池组的主要构成材料之一。动力锂电池精密结构件具有高尺寸精度、高表面质量、高性能 要求等特性，作为锂电池外壳，起到传输能量、承载电解液、保护安全性、固定支承电池、 外观装饰等作用，并根据应用环境的不同具备可连接性、抗震性、散热性、防腐蚀性、防干 扰性、抗静电性等特定功能。精密结构件的生产须经过精密模具设计及制造、精密冲压、精 密拉伸和注塑成型等主要工艺和流程。
受国内外特斯拉搭载 4680 圆柱电池的车型拉动，预计海外市场 25 年圆柱占比达 40%， 国内供应链部分从方向转向圆柱，预计 25 年圆柱占比达 30%，根据宁德时代 2017 年数据， 假设结构件成本 4.5%，下降幅度同宁德时代锂电池销售单价降幅，测得 2020 年圆柱结构单 Wh 成本为 0.036 元/Wh，伴随未来电池大型化带来结构件耗用量下降，假设圆柱结构单 Wh 成本每年降幅 2%，最终测得 2025 年全球圆柱动力电池结构件市场规模达 157 亿元，20-25 年 CAGR 达 67%。
科达利：深耕结构件数十载，产能客户遍布全球。科达利主要生产方形及圆柱形动力电 池精密结构件，2007 年起，公司就与新能源汽车厂商和动力电池厂商开展研发，拥有高精密 度、高一致性的生产工艺，以及先进的冲压加工、拉伸加工、注塑加工和模具制造技术，目 前已经在国内各地区、德国、瑞典、匈牙利等建立了全球十二大生产基地，客户覆盖知名电 池厂如 CATL、LG 等，根据科达利公告，目前公司具备大圆柱电池 4680 电池结构件的生产 能力，且已获国内外大客户定点，预计会在 2022 下半年量产，其主要供给欧美客户。凭借 全球领先的工艺积累和全球的销售网络，有望充分受益圆柱结构占比提升。
斯莱克：电池与易拉罐的生产异曲同工，跨界应用有望颠覆原有生产线。特斯拉电池日 宣布积极引进类似易拉罐生产似的高效率生产线，以实现大圆柱对产线生产效率、稳定性和 一致性的要求，相应的，国内易拉罐设备龙头斯莱克正积极推进易拉罐制造技术在电池壳生 产商的应用，斯莱克专注于高速易拉罐量产设备，技术成熟，其易拉罐生产工艺要求目前高 于电池壳生产工艺，在转向电池壳生产工艺过程中没有实质性的技术障碍，可以延伸应用于 圆柱形电池壳生产制造。当前，斯莱克的圆柱形电池壳自动化生产线已经进入批量化试生产 阶段，子公司有生产 21700、18650 圆柱形钢壳、3X 系列圆柱形铝壳等产品，成品生产线具 有成型、清洗、检验、包装等功能，其 DWI 生产工艺与现有国内市场上使用的设备不同， 生产出的电池钢壳一致性更好，生产线效率更高，使用的人员更少。公司在 4680 用到的预 镀镍钢壳、后镀镍钢壳、铝壳、不锈钢壳等都有技术准备储备，有望成功切入 4680 锂电产 设备/结构件业链。
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精选报告来源：【未来智库】。
