2023年动力电池结构件专题分析 高容量、高倍率、低成本，特斯拉引领的新一代圆柱电池

高容量、高倍率、低成本，特斯拉引领的新一代圆柱 电池

4680 电池高能量密度、高充放电功率、低成本，具备众多“黑科技”

2020 年特斯拉电池日上首次提出，目标是容量提升 5 倍、车型续航提升 16%、输出 功率提升 6 倍。4680 电池指的是直径 46mm、高度 80mm 的圆柱电池，于 2020 年特斯 拉电池日上首次亮相。根据特斯拉的测算，46mm 直径是在圆柱电池对于整车续航里程提 升的最优解，并且将带来可观的成本降低。4680 电池相比 2170 电池容量提升 5 倍、车型 续航提升 16%、功率提升 6 倍。

除尺寸上的变化外，4680 电池搭载众多“黑科技”，具备高能量密度、高充放电功率 的同时，单 kWh 成本下降 56%： 黑科技一：高镍正极+硅负极，提升能量密度。在 2020 年电池日活动中，特斯拉介绍 了 4680 将采用高镍正极和硅负极材料。正极材料上，镍含量提升一方面能够增加电池的 能量密度，另一方面相对价格昂贵的钴含量降低，正极材料的成本亦降低；负极材料上， 硅拥有比现有石墨体系更高的克容量，高克容量负极可以提高电池的能量密度。

黑科技二：全极耳，减少电子流通路径长度，降低内阻，支持大电流快充。传统的 2170 圆柱电池采用单极耳结构，即电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度；4680 电池 中采用全极耳设计，电子在集流体流过的路径仅为轴向长度，流通路径缩短，传导面积增 加，电池内阻降低。因此在电池充放电时温升降低，支持更大电流快充放电。

黑科技三：干法电极涂布，降低电芯生产成本。2019 年特斯拉收购掌握干法电极涂 布技术的 Maxwell 公司，并在 2020 年电池日上展示干法电极涂布技术在 4680 上的应用。 传统的电极涂布采用湿法工艺，先将电极粉末与溶剂混合制成浆料，之后均匀地涂布在箔 材集流体上，最后进行烘干回收溶剂；而干法电极直接将电极粉末与粘结剂 PTFE 混合， 通过辊压的方式涂布在集流体上，省去了高能耗的烘干环节，从而降低电芯生产成本。

黑科技四：CTC+结构化电池，降低整车成本。CTC 指的是 Cell-to-Chassis，4680 电芯直接集成在底盘上，作为结构化电池（Structural battery）为底盘提供强度。这样做 的好处是节省电池包内 module 级和 pack 级的结构件，进一步降低整车成本，提高系统集 成度。

特斯拉引领新一代圆柱动力电池设计，车企、电池厂正在跟进

从 1865 到 2170 再到 4680，特斯拉又一次引领圆柱动力电池升级，4680 电池未来 有望成为下一代圆柱动力电池标准型号。圆柱动力电池此前经历过一次升级，在早期的 Model S/X 和第一批 Model 3 中，特斯拉采用的是松下的 1865 电池；随后在 2017 年，特 斯拉与松下联合研发的 2170 电池开始量产，2170 电池相比 1865 电池能量密度更高、成 本更低，随后陆续搭载于特斯拉旗下车型，完成了圆柱动力电池从 1865 到 2170 的升级换 代。此次 4680 电池的提出，是特斯拉引领下的又一次圆柱动力电池升级，未来 4680 有望 替代 2170 电池成为新一代圆柱动力电池标品。

兼具高能量密度、高功率密度、低成本优点，受车企青睐，打开动力圆柱电池市场空 间天花板。4680 电池不只是电池尺寸上的升级，4680 电池配套众多科技，具备高能量密 度、高功率密度、低成本优点，除一直在使用圆柱电池的特斯拉外，使用方形和软包电池 的宝马集团也在官网上宣布，在 2025 年推出的新平台“Neue Klasse”上使用 46 系大圆 柱电池，蔚来、小鹏已申请大圆柱电池相关专利，据 The Elec 报道，通用汽车正在考虑使 用大圆柱电池。4680 电池有望提升圆柱电池市场占有率，打开圆柱电池市场空间天花板。

电池厂积极跟进研发，2023 年 4680 电池放量在即。在特斯拉提出 4680 电池后，宁 德时代、松下、LGES、三星 SDI、亿纬锂能、比克电池、远景动力、国轩高科、蜂巢能 源等主流电池厂都在进行 46 系大圆柱的研发、产品验证、产线建设。根据各家产线建设 规划，2023 年特斯拉的 4680 电池已经开始量产，我们预计年内松下、LGES 的 4680 电 池也将陆续投产。

4680 电池结构件单 GWh 价值量与 2170 电池持平， 预计到 2025 年市场空间 37 亿元

从小圆柱到大圆柱，单 GWh 结构件价值量提升

当前 4680 电池结构件相比 2170 电池结构件单 GWh 价值量基本持平。根据 Limiting Factor 的 4680 电池拆解和 Munro 的 4680 Model Y 拆解结果，当前 4680 电池的电芯单 体带电量为 98Wh，标续版本中电池包中电芯排列为 69×10=690 颗。当前 4680 结构件 单电芯价值量约为 4.5 元，对应单车电芯结构件价值量为 3105 元，折合 0.46 亿元/GWh， 与当前 2170 电池的单 GWh 价值量基本持平。 随着 4680 规模上量以及电芯能量密度提升，预计未来 4680 结构件单 GWh 价值量将 有所下降。当前 4680 电池仍处于爬坡期，4680 结构件的生产规模较小，单价较高。我们 预计随着 4680 量产规模的提升，结构件的大批量采购价格将有所下降。另一方面，初代 4680 电池的电芯能量密度仅为 276Wh/kg，高镍正极、硅负极等技术暂未得到应用。随着 4680 自身的迭代升级，能量密度提升，预计单 GWh 结构件价值量将有所下降。

预计到 2025 年 4680 电池结构件市场约 37 亿元

下一代圆柱电池标品，4680 电池 2025 年需求有望超 100GWh，相比 2022 年增长 10 倍。特斯拉的 4680 电池于 2022 年开始投产，2023 年是放量元年。特斯拉及宝马集团 未来明确使用 46 系大圆柱电池，根据特斯拉及宝马集团的车型及产能规划，我们测算到 2025 年，4680 电池需求超 100GWh。 预计 2025 年 4680 结构件市场规模约为 37 亿元。我们预计到 2025 年 4680 电池需 求达 129GWh。当前 4680 电池结构件单 GWh 价值量约为 0.46 亿元，预计到 2025 年有 所下降，2025 年 4680 电池需求对应电池结构件市场空间为 37 亿元。

4680 带来结构件材料、工艺、结构设计上的变化与 升级

当前市场上主流的电芯形状是以宁德时代、比亚迪为代表的方型电池，以及以特斯拉 为代表的小圆柱电池，4680 大圆柱电池的结构件在材料、工艺和构造上有变化和升级。

材料：4680 动力电池需使用镀镍钢壳，制造门槛比铝壳更高

4680 大圆柱动力电池结构件使用钢壳，和小圆柱动力电池相同，与方型电池的铝壳 不同。动力电池结构件主要分为钢壳和铝壳两类。其中钢壳的刚度大，机械性能优异，钢 材成本低，但同时重量更重，加工性能差；铝壳更加轻量化，易成形加工，但铝材价格更 高，抗压耐变形能力较弱。在动力电池领域，方型电池主要采用铝壳，而 1865、2170、 4680 等圆柱电池采用钢壳。尤其是 4680 在 CTC 中作为结构化电池，更需要使用机械性 能好的钢壳作为结构件，提供支撑。

电池的钢壳需要进行镀镍处理，预镀镍比后镀镍镀层更均匀，电池一致性更好。为了 防止电池正极活性材料对钢壳氧化，需要对钢壳进行镀镍处理，增强耐腐蚀性。镀镍处理 有两种方式，预镀镍和后镀镍。顾名思义，预镀镍指先在钢材上镀镍，再用镀镍钢材加工 成壳体；后镀镍指先将钢材冲压成壳，再将壳体通过滚筒镀镍。预镀镍是在形状简单的钢 材上镀镍，因此预镀镍的镀层厚度更均匀；此外，由于后镀镍采用的是滚镀镍工艺，镀层 表面容易有划痕、镍粉脱落，容易造成电池内部微短路。因此预镀镍工艺下电池的一致性 更好。

预镀镍钢材比铝材加工性能差，镀镍钢壳制造门槛更高。钢材比铝材具有更高的屈服 强度、硬度和弹性模量，材料的塑性更差。对于冲压等塑性加工而言，塑性差的材料达到 相同的塑性形变需要更大的冲压力，模具容易变形，影响精度，冲切元件容易断裂，刃口 容易崩刃，因此钢材的加工性能比铝更差。此外，对于预镀镍钢材，若工艺使用不当，冲 压时镀镍层会产生开裂。预镀镍钢材更难加工，制造门槛更高。

生产工艺：冲压拉伸仍是 4680 主流工艺，新型工艺有应用潜力

冲压拉伸仍是 4680 的主流工艺，区别在于对于冲压设备的加工能力要求提升。冲压 加工具备效率高、易于自动化、一致性好的优点，当前的方形电池和小圆柱电池结构件采 用冲压拉伸工艺。对于 4680 电池而言，冲压拉伸依旧是主流生产工艺，但由于 4680 在尺 寸、材料上的变化，设备需要具备更大的冲压力，以及更大的最大拉伸高度，对冲压设备 的加工能力要求提升。

DWI 新型工艺本质上也是一种冲压拉伸工艺，在大圆柱电池上有应用潜力。当前的电 池壳体生产采用级进连续冲压，被加工工件在各个工位上逐次冲压后转移至下一工位，一 级一级加工至最终形状。DWI 工艺本质上也是一种冲压拉伸工艺，区别在于被加工工件在 同一工位上，连续通过不同内径的模具，一次冲压成形。DWI 工艺目前应用于铝制易拉罐 的大规模生产上，未来有望在大圆柱电池上有应用潜力。

结构设计：壳体和盖帽价值量重新分布，壳体单 Wh 用量提升

4680大圆柱电池结构件与方形电池结构件差别较大，与2170小圆柱电池结构件相近。 4680 电池结构件和 2170 电池结构件的基础上主要存在 3 点变化，一为热电分离，二为新 增集流盘，三为壁厚增加。

热电分离设计下，壳体和盖帽价值量重新分布

2170 电池中，端子和泄压阀都集中在电池上方盖帽。在 2170 电池结构中，泄压机构 和正极端子（正极盖）整合于电池的上方盖帽中，电气区域和泄压区域在空间上重叠。

4680 电池采用热电分离设计，正、负极端子位于电池上表面，泄压阀、注液孔位于 电池下表面。根据特斯拉 4680 电池的专利文件，4680 电池的上表面包含正、负极端子， 两者由绝缘垫圈相隔，上表面尽可能平整，用于汇流排焊接；电池的下表面整合了所有非 平面、非端子功能，包括泄压阀、注液孔等结构。这种结构下，电气端子与泄压结构在空 间上分开，采用“热电分离”设计。

结构件的复杂度、工序数目决定了其价值量，热电分离设计下，壳体和顶盖的价值量 重新分布。结构件具体可拆分为壳体和盖帽，壳体和盖帽各自的复杂度、工序数目决定了 其价值量。在传统的 2170 电池中，端子和泄压阀都位于电池上表面的盖帽中，因此 2170 电池中盖帽复杂度更高、工序更多；而在 4680 电池中，采用了热电分离设计，端子和泄 压机构位于电池两侧，盖帽上的部分结构转移到壳体上，壳体和盖帽价值量重新分布。 当前 4680 电池结构件存在多种方案，不同方案下壳体和盖帽价值量分布各不相同。 根据 Limiting Factor 的 4680 拆解结果，特斯拉的 4680 电池的壳体为上表面与侧面，包 含正负极端子，盖帽为下表面，包含泄压机构；根据 LGES 的专利说明，LGES 的 4680 电池的壳体为上表面与侧面，包含泄压机构，盖帽为上表面，包含正负极端子。当前 4680 电池结构件存在多种方案，不同方案下壳体和盖帽所含结构不同，价值量分布也各不相同。

新增集流盘结构，带动结构件附加值提升

为了配合全极耳结构，4680 电池结构件新增正负极集流盘。2170 电池为单极耳设计， 单个极耳直接与正负极端子相连；4680 电池为了降低内阻、增强充放电性能，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，使电流 传导面积进一步增大，并将极耳与正负极端子连通。

集流盘与端子通过焊接连接，工序增加带动附加值提升。集流盘与电极端子需通过焊 接方式相连，焊接的质量影响电池的内阻、可靠性，对电池性能有影响。由于焊接位置在 圆筒内部，空间狭小，焊接工艺难度高。因此，新增的集流盘不仅仅是结构上 BOM 价值 的增加，同时也是增加了工序，带动结构件价值量提升。

壁厚增加，单 Wh 壳体用量提升 35%

4680 电池结构件相比 2170 电池结构件，壁厚由 0.2mm 增加至 0.6mm。根据 Limiting Factor 对于特斯拉 4680 电池的拆解数据，4680 电池的壁厚在 0.5-0.6mm，相比 2170 电 池的壁厚 0.125-0.25mm 明显增加。我们预计是结构化电池下，对于电芯壳体的结构强度 要求更高，因此壁厚增加。

壁厚提升，单 Wh 壳体用量增加 35%。分别根据 2170 和 4680 的直径、高度和壁厚 来测算单个电芯壳体的金属用量，2170 电池单个电芯壳体体积为 924 mm3，4680 电池单 个电芯壳体体积为 6937 mm3。根据 Limiting Factor 测算的 4680 的电芯带电量，我们测 算 4680 的单 Wh 结构件用量为 71 mm3/Wh，相比 2170 电池增加 35%。

随着电芯能量密度提升、壳体壁厚减薄，未来单 Wh 壳体用量会有下降。当前特斯拉 的 4680 电池处于初代，部分技术还未搭载，后续仍有迭代空间。我们预计，随着高镍正 极和硅基负极的应用，4680 电池电芯能量密度后续有望提升；随着结构件技术的迭代， 壳体壁厚有减薄的趋势。因此在电芯能量密度提升、壳体壁厚减薄的趋势下，未来单 Wh 壳体用量会有所下降。

4680 对整体结构件格局影响有限，细分领域中先驱 者享受增长红利

圆柱与方形结构件市场相对独立，国内市场未来方形仍是主流

从材料、结构上看，圆柱电池结构件与方形电池结构件相对独立。材料上，动力圆柱 电池主要采用镀镍钢壳，而方型动力电池主要采用铝壳；结构上，圆柱电池结构件与方形 电池结构件的极柱、泄压阀等设计有较大不同。圆柱电池结构件与方形电池结构件在技术 上有较大差异，二者市场相对独立。

圆柱电池占比有望提升，国内方型仍是未来主流电池封装路线。由于 4680 大圆柱电 池具备高容量、高倍率、低成本优势，部分使用软包和方型的车企正在专利布局和研发大 圆柱的车型平台，未来圆柱电池占比有望提升。但考虑到当前多数车型平台采用方形电池， 国内电池厂的产能布局也以方型电池为主，我们预计未来国内方型电池仍是主流电池封装 路线，方形电池结构件占据结构件市场主要份额。

4680 电池不影响方形电池结构件格局，对现有电池结构件格局影响有限。4680 电池 属于圆柱电池，圆柱电池与方形电池结构件差异较大，4680 电池的出现对于方形电池结 构件的竞争格局影响有限。预计未来国内市场方形电池仍将保持主流地位，科达利、震裕 科技仍将在电池结构件中保持头部地位。

4680 电池结构件属于新产品，需求增速快，先驱者享受细分领域增长红利

4680 电池结构件属于一种新产品，需要重新研发、客户验证以及扩建产能。4680 电 池结构件与现有产品相比，在材料、工艺和结构设计上有变化和升级，因此需要重新研发。 电池结构件属于锂电产业链，需要较长的认证与送样周期，新产品需要重新验证。由于 4680 电池结构件的加工门槛更高，设备需要做升级，因此 4680 电池结构件的规模生产还需要 扩建产能。 工艺上看，具备 2170 电池结构件生产经验的企业在研发上具备优势。工艺上，4680 电池结构件需要重新设计模具、调试设备参数，考验企业的新产品研发能力。从 4680 结 构件本身材料、工艺、结构上看，4680 与 2170 更为相近，与国内主流的方形电池结构件 有很大不同。因此我们判断，具备 2170 结构件相关设计、生产经验的企业，能率先在生 产工艺上完成突破。DWI 技术在大圆柱电池结构件上有应用潜力。

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