22-30年特斯拉4680电池拉动的金属需求分析
沙漠冰泉
超短低吸
2022-02-19 17:54:50
一、4680电池的革新亮点
1.1 无极耳解决散热难题，助力更大体积的突破
4680电池以它的尺寸命名，是一款直径46毫米、高80毫米的圆柱体电池，是21700电池体积的5.48倍。更大体积将电池的能量提升5倍，并且能够实现量产大量电池组，节约了材料以及成本，促使电池生产成本降低14%。然而大体积带来了热量的不可控，增加了燃烧爆炸等风险。
无极耳的革新设计便解决了这一难题。往常电池结构中的极耳是从电芯中将正负极引出来的金属导电体。在使用极耳的情况下，4680电池的尺寸过大，电流路径过长，会增加电阻和散热。而4680电池去除了单一的极耳，电极一端通过涂盖的导电材料使其直接与电池外部连接，形成全极耳的模式。50毫米的电路长度替代从前250毫米的长度，降低了电阻，大幅改善电池的散热、减少热量的产生。
据特斯拉电池日披露，全新的无极耳以及尺寸使得电池续航里程提升16%、功率输出提升6倍、能量提升5倍。
1.2 干电极工艺，简化步骤，减少成本
通常的湿电极工艺将材料粉末放入溶剂中，进行干燥、压缩成膜。4680电池的电极设计中，干法工艺替代了湿法工艺，省去了溶剂的步骤，直接将粉末压成薄膜，去除了干燥、回收溶剂等繁琐的步骤。
当实现了干电极工艺规模的扩大，按照特斯拉2021最新电池日的PPT原文显示，生产的占地面积减少90%、能量消耗减少90%、投入成本大幅减少。
二、4680电池的核心材料增量
2.1 负极材料：硅替代石墨，续航里程增加20%
4680电池将使用硅基负极材料。相比锂电池的典型负极材料石墨，硅对于锂的嵌入是石墨的9倍、在地球上更为丰富。而硅的难点是，当它充满锂时，体积会膨胀4倍，粒子的挤压会导致材料的绝缘，失去电池容量。
据特斯拉电池日披露，为了解决这个难点，4680电池将回归使用原始冶金硅。负极的成本降低到1.2美元/千瓦时，相较使用石墨成本降低88%。同时，硅将增加电池20%的续航里程。
“特斯拉特制硅”目前更多类似概念，目前的4680电池将采用硅碳负极材料。据石大胜华纪要的硅碳负极最新进展，硅碳负极（SiOx-C）的掺混量预计从10%提升到15%。1GWh的4680电池消耗约750吨的硅碳负极材料。
2.2 正极材料：高镍去钴，利好高镍正极材料
4680电池的正极将最大限度利用镍。正极的成本每千瓦时降低15%。
根据车型，正极材料的配比分为三类。铁用于对能量密度要求不高的中等续航产品。2/3镍和1/3锰的搭配用于中长续航产品。高镍用于长续航产品，例如Cybertruck, Semi等大车型。
特斯拉目前披露的正极材料搭配极具概念性，具体的用量和体系无法确定。据海通国际的“金属行业藏宝图”，按照目前的NCM811三元高镍体系，1GWh的4680电池消耗约3086吨的硫酸镍、413吨的硫酸钴、248吨的硫酸锰、619吨的锂LCE。
2.3 隔膜及电解液：PVDF、LiFSI用量上升
4680电池的正极和负极都将在隔膜上涂覆PVDF（聚偏氟乙烯树脂）。据独角兽智库的“特斯拉4680电池近况及受益产业链分析电话会纪要”，4680电池的PVDF用量由2%提升到8%。据全国能源信息平台，含2% PVDF的三元电池1GWh的PVDF用量约为20吨。那么我们推算含8%PVDF的4680电池1GWh的PVDF用量将提升至约80吨。
我们假设电解液中，LiFSI（双氟磺酰亚胺锂盐）添加剂的比例将提升到5%。每GWh三元电池的电解液使用量约700-900吨。取800吨电解液中5%，4680电池每GWh的LiFSI用量将约40吨。
2.4 4680电池部分材料用量
根据以上分析和计算，总结出4680电池的部分材料用量。
三、2022-2030年搭载4680电池的车型的载电量
3.1 搭载4680电池的车型的产量将大幅增长
特斯拉将搭载4680电池的车型有大型车辆Cybertruck，Semi以及ModelY。
首批装载4680电池的车型Model Y预计在2022年第一季度开始生产。根据2021年约90万的Model 3/Y产量推算，我们假设预期2022年生产100万辆Model Y。
Cybertruck将在2023年开始量产，预计2023的产量为25-30万辆。Semi将在2023年开始量产。据马斯克披露，生产4年后，Semi的产量预计达到一年10万辆。
我们对特斯拉不同车型产量的估计，假设CAGR50%的增速，预计2022-2030年三种车型的产量。产量增多、新车型加入， 4680电池的需求十分强劲。
3.2 搭载4680电池的车型总共所需的电能
据Electric Vehicle Database，一辆Model Y的电池容量是75kWh，一辆Cybertruck的电池容量是250kWh，一辆Semi的电池容量是500kWh。按照每个车型的电池容量和产量，我们可以得到2022-2030年搭载4680电池的车型总共需要的能量。
2022年4680电池产量的需求约75GWh，2030年4680电池产量的需求约3160GWh（3.16TWh），较2022年增长约4113%。以上估算也符合马斯克在电池日发布4680电池概念时提到的计划：“4680电池产量在2022年达到一年100GWh、在2030年达到一年3TWh。”
四、2022-2030年4680电池对金属材料需求的拉动
4.1 锂、硅、镍的需求强力增长
根据吨/GWh的材料用量，考量特斯拉体系下的4680电池拉动的金属材料需求。其中锂作为电池核心材料，硅作为负极主要材料、镍作为正极主要材料，需求增势最为显著。
4680锂电池的量产必然拉动了锂的需求。我们预计2022年特斯拉4680电池对锂的需求约4.6万吨（LCE），2030年的需求预计达到一年195.6万吨（LCE）。
负极的石墨替换成硅，4680电池将全新注入对硅的需求。我们预计2022年硅碳负极材料的需求约5.6万吨， 2030的需求约237万吨。
4680电池同样带动镍的需求增量。我们预计2022年硫酸镍的需求约23.1万吨，2030年的需求约975.2万吨。
本文以NCM811体系的正极材料用量来进行分析，镍在正极材料的占比为80%。特斯拉想要把正极材料的镍比例提升至最高，未来可能将采取NCM91、NCMA等超高镍体系，镍的比例可能高于80%。
4.2 锰的需求庞大
特斯拉4680电池拉动最大的需求量为镍、硅、锂，其次便是锰。
2022年特斯拉对硫酸锰的需求约1.9万吨，2030年的需求达到78.4万吨。
本报告以NCM811体系的正极材料用量来进行分析，锰在正极材料的占比为10%。
4.3 PVDF 、LiFSI不容忽略：新需求涌入
PVDF和LiFSI用量的上升的比例虽小，但也不容小觑。至2030年，特斯拉4680电池一年需约12.6万吨的LiFSI作为电解液添加剂，约25.3万吨的PVDF作为隔膜粘合剂。
五、不确定性分析
汽车的产量存在不确定性。本文以目前特斯拉披露的生产计划进行分析。而Cybertruck，Semi因为4680电池的短缺把上市时间从2021年推迟到了2023年。2022年特斯拉能否开启4680电池的量产、是否还会推迟生产Cybertruck等车型是不确定因素。
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