大圆柱电池量产在即诸多痛点仍待破解

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大圆柱电池量产在即诸多痛点仍待破解

作者： admin 来源：《动力电池》杂志时间：2024-03-25

[摘要]当前大圆柱电池已经进入到量产前夜。但是大圆柱电池作为全新的产品形态，想要实现产业化落地，需要经过漫长的过程。大圆柱电池只有通过结构创新与材料体系创新，实现更高效制造、更高性能和更低成本，才能满足电动车及储能市场需求，最终实现商业化落地。

按照封装方式的不同，锂电池可以分为方形、圆柱、软包三种形态。资料显示，当前国内主流电池厂商中，宁德时代、比亚迪、中航创新等主打方形电池，圆柱电池主要代表企业有亿纬锂能、国轩高科等。在宁德时代和比亚迪两家企业引领下方形电池成为主流。以2023年前三季度动力电池装机量为例，方形动力电池占比达94.5%，圆柱电池占比不到1%。

2020年9月，特斯拉CEO埃隆·马斯克宣布，特斯拉将生产4680大圆柱电池。按照马斯克的设想，大圆柱电池可让特斯拉电动车续航里程提升16%，而生产成本降低50%，甚至被认为是锂电之光。随后包括松下、LG、亿纬锂能、远景动力、宁德时代、比克电池等企业接连宣布将大圆柱电池纳入公司技术发展路径，大圆柱电池在锂电池行业的呼声日渐高涨。

根据研究机构预测，截至2023年10月全球大圆柱电池已布局产能超450GWh。截至目前46系大圆柱全极耳电池在国外已实现量产，而在国内处于小批量出货、送样阶段。预计2024年至2027年，全球大圆柱电池出货量有超过30倍增长空间。预计在此期间，国内大圆柱电池生产设备市场规模有14倍以上增长空间。由此可见，大圆柱电池市场前景非常广阔。

然而大圆柱电池赛道虽然玩家众多，但其产业化进程却极度缓慢。据悉直到2023年中期特斯拉大圆柱电池才开始小规模量产。公开资料显示，2023年6月特斯拉生产出第1000万颗电芯，而到2023年10月第2000万颗4680电池电芯诞生，这也意味着截至目前特斯拉大圆柱电芯的年产量约为3000万颗。而其他企业更是将量产时间推迟至今年或是明年以后。

大圆柱电池量产前夜

作为大圆柱电池的拥趸，特斯拉CEO马斯克曾在3年前的电池日上描绘了4680系电池的美好蓝图。据马斯克称，大圆柱电池电池单体能量密度提升5倍，成本降低50%，而搭载该电池的电动汽车续航里程提高16%。马斯克还提到，4680电池将是特斯拉2023年计划中的重要组成部分，特斯拉未来所有的电动车型都将使用4680大圆柱形电池。雄心溢于言表。

根据特斯拉当时规划，2022年大圆柱电池产能将达到100GWh，到2023年达到3TWh。这也意味着特斯拉自2022年起就能实现电池自给自足，无需向外采购。但事实上，特斯拉自2020年宣布推出4680大圆柱电池后，直到2023年中期大圆柱电池才开始小规模量产。据公开信息显示，直到2023年10月特斯拉才生产2000万颗4680电芯，与预期目标相距甚远。

而在应用方面，特斯拉也没有实现4680电池对旗下所有车型的覆盖。资料显示此前特斯拉曾将4680电池应用于Model Y AWD基础款。或许是因为4680大圆柱电池的难产，特斯拉北美官方网站已经下线该车型。据悉近日特斯拉又将4680电池应用于旗下Cybertruck，即赛博皮卡，其在国内官方名称为赛博越野旅行车。其他车型仍计划使用磷酸铁锂电池。

即便是这样，按照特斯拉当前的产能，也仅能满足2.4万辆赛博皮卡的电池使用量，然而消息显示赛博皮卡的订单量已达到200万辆。特斯拉4680大圆柱电池量产难还体现在了其最新财报后的电话会议上。马斯克表示，2024年将成为特斯拉4680大圆柱电池重要的产能增长年，公司将在2024年三季度新建四条4680电池产线，同时会增加其他的供应商。

作为与宝马签订大圆柱电池供应协议的三家企业之一，亿纬锂能在大圆柱电池方面的布局也是非常的激进。2022年9月，宝马集团宣布，将从2025年起在新世代车型中使用46系标准直径的大圆柱电池。为满足新电池的生产需求，宝马集团将在全球建造六座工厂。同时与宁德时代和亿纬锂能、远景动力分别签订了合约，将其纳入大圆柱电池供应商队伍。

自此亿纬锂能开启了对大圆柱电池产能的疯狂布局。其中就包括2023年5月，亿纬锂能全资子公司与匈牙利土地卖方签订购地协议，购买其位于德布勒森西北工业区的土地，用于生产大圆柱动力电池，满足客户宝马的市场需求，去年11月亿纬锂能年产能20GWh的大圆柱电池工厂已在荆门建成投产。资料显示，亿纬锂能大圆柱电池产能规划已超100GWh。

消息显示，去年亿纬锂能国内的46系列高比能大圆柱电池产线终于建造成功，46系列大圆柱电池已下线超过530万颗，正式实现商业化交付和应用。订单方面，有消息传出截至2023年亿纬锂能的圆柱磷酸铁锂电池已取得未来5年的客户意向性需求合计约88GWh，三元大圆柱电池也已经取得未来5年客户意向性需求合计约392GWh，两者合计已接近480GWh。

而最新的消息是，亿纬锂能在今年初已正式实现46系列大圆柱电池装车。1月31日，江淮瑞风RF8上市发布会在东莞松山湖隆重举行，标志着搭载亿纬锂能大圆柱电池的江淮瑞风RF8正式上市。江淮瑞风RF8电池容量44.5kWh，在量产插电混动MPV中排名首位。亿纬锂能坦言，现在大圆柱需要解决制造的问题，而不是研发问题，预计下半年实现量产。

其他电池企业方面，宁德时代此前表示已经规划了8条产线、共计12GWh的4680大圆柱电池产能，并在中国和欧洲各建20GWh产能，预计2024年开始量产2025年正式交付；远景动力位于美国南卡罗来纳州佛罗伦萨县的大圆柱电池智能工厂规划年产能达到30GWh，计划将于2026年投产；松下动力电池首席技术官表示，将于2024年推出改良版4680电池。

值得注意的是，此前在大圆柱电池领域稍显沉寂的比亚迪也传出新消息。去年7月疑似比亚迪采购官方微信号发布招募公告，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。比亚迪此次招募产品为全自动接触式高真空烘烤线，主要用于大圆柱电池注液前的电芯烘烤。随着比亚迪的入局，国内排名靠前的电池企业，几乎全部涉足到该领域。

事实上，尽管大圆柱电池在新能源车领域产业化进程缓慢，但是丝毫不影响其在储能领域的应用场景拓展。业内分析认为，现阶段户储系统容量正从3kWh至5kWh向着5kWh至20kWh迭代，而大圆柱电池得益于全极耳技术、制造工艺和材料体系优化，在单体容量、成本、性能、循环和安全方面优势明显，这也使得大圆柱磷酸铁锂电池备受户储市场的青睐。

此前特斯拉就表示，4680电池不仅将用在电动汽车上，还会拓展到储能领域。如今针对储能市场应用场景，目前包括亿纬锂能、鹏辉能源、海辰储能等电池企业已推出了储能型大圆柱磷酸铁锂电池。其中亿纬锂能针对户储市场已推出40135系列大圆柱磷酸铁锂电池；鹏辉能源40135型号大圆柱磷酸铁锂电池已收到客户订单，适用于便携储能、户储等领域。

同时大圆柱电池在储能领域的前景也不断吸引着新玩家入局。日前力华电源科技25GWh大圆柱储能电池项目正式开工，项目总投资100亿元，将新上全自动储能电池生产线，专注生产46直径系列大圆柱电池。虽然该项目的具体投产时间尚未可知，但释放出的明确信号是国内大圆柱磷酸铁锂储能电池在储能领域的商业化进程正在提速，万事俱备，只欠东风。

商业化面临诸多挑战

大圆柱电池之所以受到热捧，核心原因就是它的性能禀赋更贴合车企的实际诉求，既能满足高能量密度，又能兼顾低成本。能量密度提升主要来自于硅负极的使用。硅负极的理论克容量是传统石墨负极的10倍，但硅负极在充放电过程中体积会发生膨胀，让电池变形，膨胀率是石墨的25倍。因此在方形电池和软包电池中，对于硅负极的使用显得较为谨慎。

而圆柱电池的结构天生抗压，内部结构也比方壳和软包更加均匀，类似于可乐罐，可以在硅负极发生膨胀时向多个方向分散压力，因此更适合硅负极。再搭配高镍正极材料，大圆柱电池的能量密度天花板相对更高。马斯克曾提到，特斯拉的4680电池单体能量密度可以达到 300Wh/kg，国轩高科称其46系电芯达310Wh/kg，亿纬锂能则将数值拉高到350Wh/kg。

在提高能量密度的同时，大圆柱电池也戳中了车企降本心思。圆柱电池使用历史悠久，不仅电芯一致性较好，生产效率上限也更高。业内圆柱电池顶尖生产水平可达到 300PPM，也就是每分钟产出300个圆柱电芯。方形电池容目前普遍在20至30 PPM，就算比亚迪最先进的的产线，产能设计上限也只有60PPM。因此理论上4680的产线效率可以提升大约五倍。

与此同时，搭载体积更大的4680电池就能减少电池单体的数量和焊接配件，从而简化电池包结构，降低材料的使用。资料显示特斯拉4680电池的正极材料采用了镍钴铝材料，价格相对低廉，且能够提供更高的能量密度。而通过材料降本及更高的生产效率，其成本有望降低25%以上。此外大圆柱电池相比小圆柱电池电芯内阻降低80%以上，倍率性能更优。

性能优势明显、应用前景广阔，但是事实上，大圆柱电池的规模化量产却颇为波折。其首要的原因就在于相较于小圆柱电池的单极耳结构，大圆柱电池工艺更加复杂。46系圆柱电池多采用无极耳设计，围绕电池切割和激光焊接等工艺环节变化较大，工艺复杂性较高，对设备精度和效率都提出了更高要求。业内认为，大圆柱电池最大的挑战在于焊接技术。

此外从产线设备来看，因为生产工艺存在较大区别，大圆柱电池就需要全新的设备。而据了解当前国内针对46系的产线设备目前没有完整的供应商，需要电池企业分段采购，而这就要求各段设备之间的磨合要求相当高。设备企业表示，即使有客户下大圆柱设备订单，我们也没有产能，大圆柱设备还有很多问题未解决，即使批量生产，风险也是非常大的。

而在复杂生产工艺以及生产设备未成熟的背景下，大圆柱电池的良率还有待提升。有行业人士表示，大圆柱电池若想实现大规模量产，良品率需要超过95%，因为在锂电池行业95%以上的良品率才具有经济性，而国内部分布局大圆柱电池企业良品率尚未达到要求。即使是特斯拉佛里蒙特工厂生产的4680电芯平均良率仅92%，与方形电池99%良率差距明显。

而在材料方面，此前被认为将在4680电池领域大放异彩的硅负极材料，其应用的情况也难言乐观。特斯拉此前就表示，会将硅碳负极应用4680电池上。但直到目前，特斯拉都没有实现对硅碳负极版本4680电池的量产。经技术机构拆解发现，特斯拉4680电池负极并不含碳化硅，而是石墨。更有媒体质疑，其4680大圆柱电池能量密度还不如2170电池。

目前部分电池厂对大圆柱电池的生产还处于准备跟进阶段，可能生产成本会偏高。当下陷入价格战的新能源车企纷纷把降成本当作核心需求，因而会更加从综合性能、成本与规模量产能力来选择电池的使用。在降本需求迫切与技术未成熟的双重影响下，当前大圆柱电池优势尚未完全开发出来，难免会被冷落。而即使是提出概念的特斯拉，态度也有所转变。

据媒体报道，最近4680大圆柱电池主要推动者的特斯拉，现在看来似乎已意兴阑珊。根据其近期发布的远景规划显示，未来的紧凑型电动汽车和中型电动汽车Model 3/Y，都将使用磷酸铁锂电池，比例占到其总电池用量的近80%。而根据此前马斯克的规划，特斯拉将对大圆柱46系电池寄予厚望，表示特斯拉未来所有电动车型都将使用4680大圆柱电池。

而对于大圆柱电池适用什么车型？业内人士认为，大圆柱电池是个好东西，但并不是所有的车企都有福消受。只有高价格、高性能的车，或者800V高压快充的车型，才是大圆柱的最优选择，常规的400V没必要上大圆柱。大圆柱电池不管是所用原材料，还是干电极工艺均为当前行业较为前沿产品或工艺，成本均较高，因此阶段性市场将从中高端市场开始。

尽管商业化面临诸多难点，但大圆柱电池产业逐步发展壮大的趋势已明朗，未来仍具有很大的市场空间。中金公司研报显示，预期随着各企业工艺改进、产线跑通，未来4680电池良率有望持续提升。同时随着大圆柱电池良品率提升与成本下降，必将会有更多车企引入大圆柱电池。预计到2025年，4680等大圆柱电池总装机有望超180GWh，装机占比约12%。

业内普遍认为，从各家企业披露的消息来看，大圆柱电池已经进入到量产前夜。但是大圆柱电池作为最新的产品形态，想要实现产业化落地，需要经过漫长的过程。大圆柱电池只有通过结构创新与材料体系，实现更高效制造、更高性能和更低成本，才能满足电动车及储能市场需求，成为电池厂商重要技术路线。这个目标，需要整个产业链共同发力才能实现。

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