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大圆柱电池从甘露寺回来了
作者:张麟 2023-11-23

为什么今年大圆柱电池又热起来了?


作者|张麟

编辑|王博


新能源车企对动力电池有什么要求?


为多家车企提供动力电池的宁德时代,对动力电池性能的考核有6个要素:能量密度、安全性、成本、充电速度、耐温性和良品率。


比克电池许严博士的话则更加直白,车企的要求就是“既要又要还要再要”


由于动力电池占整车成本近40%,车企与动力电池厂商之间博弈从未停息。车企会吐槽动力电池价格高,卖车是“给动力电池厂商打工”;动力电池厂商则会埋怨车企需求持续加码,把行业弄得“又卷又焦虑”。


按照封装形式来划分,锂电池可以分为方形、圆柱、软包三种形态,从技术角度看,三种形态的电池各有特点。在宁德时代、比亚迪等头部动力电池厂商带动下,方形电池一直占据绝对主导地位。


行业里不是没有“破局者”。2020年9月,特斯拉CEO马斯克宣布:“我们将生产一种更为先进的圆柱电池,电池单体能量密度提升 5 倍,成本降低 14%,而搭载该电池的电动汽车续航里程提高 16%。”


简单来说就是,大圆柱电池可以满足车企“既要又要还要再要”的要求。


大圆柱电池一时间风光无比,但是事情进展并没有那么顺利,大圆柱电池生产工艺复杂影响了量产,目前特斯拉依然从宁德时代源源不断地采购电池。今年马斯克到访中国,见的唯一一位中国企业家就是宁德时代董事长曾毓群。


不过,一度被认为“凉了”的大圆柱电池在今年又“热了”起来,如同甄嬛从甘露寺回到了紫禁城。


1.在“宁王的盲区”跑马圈地


不同于方形电池,目前大圆柱电池市场暂未形成一家独大的局面。


宁德时代还是更青睐方形的“麒麟电池”,其官方表示,在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池包的电量,相比4680大圆柱型电池系统可以提升13%。


或许是觉得与宁德时代在方形电池领域的强势不同,业内部分评论人士形容大圆柱电池领域是“宁王的盲区”。


但是根据宁德时代官网发布的信息,从2025年开始,宁德时代将为宝马集团“新世代”车型架构的纯电车型供应圆柱电池。协议显示,宁德时代将为宝马供应标准直径为46毫米的新型圆柱电池,这些产品将在位于中国和欧洲的两座电池工厂生产,每座工厂供应宝马的年产能20GWh。


“宁王的盲区”的说法虽然并不准确,但对相比方形电池领域来说,“宁王”在大圆柱电池领域并不占优势地位,这对其他动力电池厂商还是意味着机会。


此前国内已有部分动力电池厂商研发大圆柱电池,但是今年,一位重量级选手公开入局了。


7月18日,“比亚迪采购与供应管理”公众号发布“比亚迪集团拟对2023年大圆柱电池全自动烘烤线设备实行供应商公开招募”的消息,坐实了比亚迪已布局大圆柱电池,且已经进展到一定阶段。


11月16日,金杨股份在互动平台上称,公司今年下半年开始向比亚迪小批量供应46系列电池精密结构件。公开资料显示,该公司是国内领先的电池精密结构件及材料制造商之一。


结合金杨股份此次透露的消息,比亚迪的大圆柱电池或将在不久后公布更多的细节信息。


此前已经布局大圆柱电池的厂商今年也加快了步伐。


今年9月,多家媒体报道蔚来汽车和蜂巢能源将达成合作,共同研发新一代大圆柱电池,同时会在马鞍山一起投资试制线。这也是蔚来汽车在研发半固态电池后,又一次进行的电池布局。


而亿纬锂能的动作更快,本月初,亿纬锂能更新了可转债募集问询函回复,公告显示,三元大圆柱电池已取得未来5年的客户意向性需求合计约486GWh。


11月20日,中创新航管理层在全球合作伙伴大会上表示,明年四季度46系6C充电倍率的大圆柱实现量产。


高工产研(GGII)发布的《2023中国大圆柱锂电池行业发展蓝皮书》显示,截至2023年10月,全球大圆柱电池已布局产能超450GWh,目前46系大圆柱全极耳电池在国外已实现量产,国内处于小批量出货、送样阶段。


大圆柱电池在经历了数年沉寂后开始爆发,它不仅在抢占未来动力电池市场份额,也在抢占电池厂商的研发重心。


但在三年前,市场对大圆柱电池的反应并没有这么积极。


2.急速遇冷,没有水花


2020年,特斯拉率先发布了4680大圆柱电池(4680代表电芯尺寸,即直径46毫米,高度80毫米,其他型号的圆柱电池表意相同,一个电池包里通常有几百到几千个电芯)。虽然这种型号的电池体积还算不上夸张(我们日常使用的1号电池直径34.2毫米,高度61.5毫米),但相较于1865和2170电池,已经可以称得上“硕大”,因此市场上开始称这种电池为“大圆柱”电池。


4680的尺寸并非随意确定,特斯拉公司曾公开表示,46毫米的圆柱电池直径是提升新能源汽车续航里程的最优解,这其中涉及到了重量、电池容量、空间利用率等多重条件的相互平衡,同时也对节省电池制造成本和整车成本有很大帮助;相较于2170电池,4680电池容量可提高5倍,整车续航里程可提高16%。


4680电池造起来确实比较省钱,东吴证券、中国银河证券等券商在报告中指出,4680电池相较于2170电池每千瓦时成本可下降约14%。


而且采用4680电池可以大大减少电池包中的电芯数量,对BMS管理系统的性能要求也会降低。以早期特斯拉Model Y、Model 3采用的74kWh电池包为例,搭载1865电池需要使用超过7200个电芯,搭载2170电池需要使用4416个电芯,而搭载4680电池只需使用950个左右的电芯。


4680大圆柱电池十分优秀,但戏剧性的是这款电池并没有按照马斯克预想中的发展。


推出4680电池后,特斯拉引入了松下作为其大圆柱电池的供应商,但无论是特斯拉自己还是松下,都没能处理好4680电池上的诸多创新点,而这些创新点恰恰是4680电池发挥其低成本、能量密度的关键。


例如,特斯拉的4680电池采用了无极耳设计,而极耳是锂离子聚合物电池产品的原材料。一般来说,电池需要再正负极焊接极耳用来导电,但这会让电子流通路径变长,电阻增大。而无极耳设计即让极片本身的一部分作为极耳,这种做法可有效提高电池性能。

特斯拉4680电池采用的“切叠”无极耳设计,图片来源:特斯拉

此外,特斯拉4680电池最早的设定是正负极都采用干法电极技术,相当于直接将固体的电极材料压在电极极板上,制成成品电极;而传统的湿法电极工艺中,需要将电极材料与活性材料相溶混合,涂至电极极板上,再进行烘干。


干法电极工艺的好处仍然是能够节省成本,涂抹、烘干等多个工艺环节可以因此而省去。


这些创新设计带来了大量的实际生产问题,比如无极耳设计对焊接工艺的要求更高,容易出现极耳接触不良,内阻一致性差等问题;干法电极技术最终也只被应用到了石墨负极上,正极材料由于干法难度太大,连特斯拉自己也不得不放弃。


如今,距离特斯拉在2020年“Battery Day”推出4680电池已经过去三年,特斯拉4680电池的大规模量产始终还未实现,今年5月份,特斯拉的4680电池供应商松下宣布将推迟4680电池的大规模生产至2024年4月,比原定日期延后了一年。

松下大圆柱电池

松下和特斯拉都低估了4680的量产难度,中国的动力电池厂商也有类似经历。在特斯拉推出4680电池后,尽管包括宁德时代、亿纬锂能、远景动力、国轩高科等众多国内电池厂纷纷涉足大圆柱电池,但只有少量厂商推出了相关产品,且并没有获得太多的市场关注度。


在很多业内人士看来,这是“一块烫手的山芋”。


3.技术突破带来的热潮


没有任何一家动力电池厂商能忽视大圆柱电池性能和成本上的优势,无论是特斯拉还是国内的动力电池厂商,都在努力改良自己的技术工艺,而这种努力的成果开始在今年显现。


对比“拉胯”的松下,特斯拉自己似乎在4680电池的量产上更有起色。


今年10月12日,特斯拉宣布其在得克萨斯州超级工厂已经下线了第2000万块4680电池;而在今年6月17日,特斯拉才刚刚下线了第1000万块4680电池,在16周的时间里,特斯拉平均每天生产了约8.55万块电池。


国内的电池厂商也开始发力。今年4月,中创新航首次公开了46系列“顶流”大圆柱电池;蜂巢能源也在今年5月的上海车展展出了4695大圆柱电池;亿纬锂能在原有的电池基础上推出了4695 BEV模组方案;国轩高科年产10GWh的4695新能源电池项目宣布落地安徽合肥。


「甲子光年」发现,这种现象是技术突破带来的热潮。


大圆柱电池最大的特点,同时也是最难的技术工艺,就是极耳设计。「甲子光年」通过多个渠道获悉,目前国内大部分电池厂商的极耳加工工艺为“揉平”,而非特斯拉的“切叠”。


“切叠”工艺对质量要求非常高,圆柱电芯的尺寸越大,意味要卷绕更多圈的极片,而且要保证每圈极片都要平行而且对齐,同时加注电解液时也更困难,这些都容易造成产品良率不高,且生产效率很低。2020年特斯拉刚刚推出4680电池时,良品率只有20%。


而“揉平”工艺虽然极耳形态控制起来有些难度,但好处是能够提升生产效率。


知名咨询公司罗兰贝格全球合伙人时帅告诉「甲子光年」:“目前国内的电池厂商很多都用的是揉平工艺,这种工艺可能会让极耳出现坑坑洼洼的情况,有可能会影响焊接,但是它绕过了特斯拉遇到的问题,如果特斯拉都搞不定那我就要去寻求一个新的技术路线。


国产大圆柱电池的技术难点正在通过资源投入解决,深圳中基、逸飞激光等国产大圆柱电池装备供应商也开始针对极耳揉平推出产品并布局了专利。


比克电池副总裁李丹表示:“当前4680大圆柱电池生产效率在50~150ppm(电池单体生产效率,意为每分钟生产的数量),对比原来的小圆柱产品单线产能提高了5倍左右,未来几年,大圆柱电池的效率有望达到300ppm,单线年产能基本和方形电池相同。 ”


如果4680电池量产后,国内电池厂商能做到较高的生产效率和较高的良品率(2022年下半年,特斯拉4680电池良品率达到92%),那么大圆柱电池将引发新的电池产业格局的变化。


4.未来是大圆柱电池的天下?


大圆柱电池的再次兴起,正中了车企“降本增效”的下怀。


从电池性能本身来说,目前大圆柱电池的能量密度已经超过300Wh/kg,如果量产将同时拥有很低的生产成本,较少的数量也能减轻电池管理的难度,这几乎完美契合的车企对电池性能“既要又要还要”的需求。


某电池厂商市场人员对「甲子光年」介绍,目前在使用同样的正负极材料体系的情况下(如正极都使用811三元材料,负极都使用石墨),4680电池的成本依旧比方形电池要高一些,但差距并不太大,多出来的成本主要来自铜箔使用量,以及切割、焊接设备的投资。


兴业证券在研报中表示,2025年4680电池成本约为0.323元/Wh,而方型电池的成本在2022年为0.75元/wh,预计2025年为0.55元/Wh。假设一台B级电动车续航700km,电池电量为100kWh,到2025年,方型电池的装车成本约为5.5万元,而使用4680电池的成本仅为3.23万元。


“当大圆柱各层面达到充分规模化,以及电池回收成熟形成闭环后,预测大圆柱Wh成本不会高于方形磷酸铁锂电池的5%。 ”李丹说。


可以预见的成本优势让从业人员和行研人员都开始看好大圆柱电池未来的市场走势。


“目前很多大型新能源车企,在未来5-10年,敲定了经济型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池,中高端采用三元+硅大圆柱电池的布局。”李丹告诉「甲子光年」,“保守预测,2025年动力电池需求将超过1600GWh,其中大圆柱电池至少占30%以上的份额,整体市场前景十分可观。”


时帅认为“不能忽视”特斯拉对大圆柱电池的拉动效应,预计到2025年,46系列大圆柱电池的市场占比“在20%以上是没什么问题的”。


此外,4680电池的结构能使其耐受更高的电压。根据Insideevs的研究报告,在400V平台上4680电池系统充电到70%的电量需要15分钟,如果搭载到800V电压平台还会更快。这相当于4680电池是一个天然的超充电池,企业无需再电池端进行额外的超充研发。


大圆柱电池的应用不仅是能让车更便宜、充电更快、跑得更远,最重要的是在新能源汽车增速放缓,在车企在追求“降本增效”的时期,大圆柱电池或许能够开启一个新的动力电池时代。


以2022年国内市场为例,中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示,国内全年动力电池装车量为294.6GWh,其中方形电池占据93.2%的市场份额,仍然是市场主流。


但同时要看到的是,方形电池的能量密度已触到天花板,生产工艺也十分成熟,升级路径变少,性能提升空空间也不大,相比之下大圆柱电池在产业中处于“刚刚起步”的状态,拥有更大的灵活性和可能性。


这种可能性对市场占比相对较小的电池厂商来说,称为“咸鱼翻身”的机会也不为过。


目前宁德时代仍在动力电池领域拥有绝对的话语权,其他电池厂商想在方形电池领域与其竞争难度颇大,它们不仅无法撼动宁德时代的地位,还容易出现技术侵权和专利纠纷。据了解,除了宁德时代和中创新航的专利官司,蜂巢能源、瑞浦兰钧等电池厂商都收到过宁德时代的专利侵权律师函。


在三元锂电池竞争不过宁德时代、磷酸铁锂电池竞争不过比亚迪的情况下,大圆柱电池这个对谁来说都是新产品的电池,让很多电池厂商看到了换道超车的机会和可能。


未来,大圆柱电池将会成为方形动力电池的有力竞争对手。“就车企来说,现在大家除了宁德时代还会引入别的供应商,这是为了平衡成本并保证供应稳定性,未来大圆柱电池肯定也会是这样。”时帅说。


如今,尽管大圆柱电池还没有真正大规模量产,但不可否认的是,它成为了改变动力电池产业棋局的关键一子。


甄嬛,成为了钮祜禄·甄嬛。


(封面图来源:电视剧《后宫·甄嬛传》)



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