21700電池PK18650電池 特斯拉為何帶頭換芯?

21700電池PK18650電池 特斯拉為何帶頭換芯？

徐雲飛2017 發表於 2017-05-31 15:03:29

今年的投資者見面會上，特斯拉宣布與松下聯合研發的新型2170電池開始量產，並強調這是目前可量產電池中能量密度最高且成本最低的電池，三星SDI也推出了相同規格的新型電池21700，全球鋰電巨頭紛紛轉向21700電池，能否颳起型號變更的大風。

1.圓柱電池變革臨近——大型化趨勢顯現

1.1. 18650符合階段性需求，身負動力鋰電初級應用階段的歷史使命

回顧動力鋰電發展之初，特斯拉採用18650的成功極大的引導了國內18650電池在電動汽車領域的應用，18650電池具備高度成熟的工藝，自動化程度高，作為標準化產品良品率及一致性有保障（國外三星等企業良品率98%以上，國內普遍在90%以上），且成本較低（2Ah單體價格為5~6元），在動力鋰電池初期應用車輛上達到了儘量壓製成本的作用，目前我國主流動力鋰電池主要以18650圓柱為主，如福斯特、比克動力、智航新能源、德朗能、天鵬電源、億緯鋰能等公司都採用圓柱18650的產品技術路線。但18650受限於體積限制，普遍在2.2-3.6Ah之間，在當前對動力電池能量包能量持續提升要求下，單體容量提升空間有限，未來提升進度也將趨緩。

1.2. 型號升級：「加粗加長」是趨勢

動力鋰電池能量密度的提升依靠兩種方式：一是鋰電池材料體系機理性能提升，對材料研發及匹配性要求非常高，進步較慢。二是對型號及工藝的生產控制。

動力鋰電能量密度目標會倒逼產品型號變革提升。當前制定的2020年前新能源汽車補貼標準與動力鋰電池能量密度正比例相關，因此在電池材料體系沒有巨大突破的情況下，從產品型號設計入手，適當增大電池「直徑和長度」獲得更高的有效容量成為必然趨勢，18650已初步完成了動力鋰電池初級應用階段的歷史使命，未來「加大碼」鋰電池型號將會興起。

遠期看，從國家對動力鋰電池能量密度的指引目標來看，我國明確提出要在2020年動力電池單體能量密度突破300Wh/kg，動力電池系統能量密度達到260Wh/kg；2025年動力電池系統能量密度要達到350Wh/kg。以比克公司的18650型號電池為例，三元鋰電單體能量密度為215wh/kg，要達到2020年單體電池目標，需提升39.5%幅度較大。大方向上國家補貼推動企業內生動力去提升電池能量密度，而產品型號改進遠比材料（NCA，811）進步更加快速，通過增加體積來提高能量密度的21700電池無疑會成為企業重點考慮的對象。動力鋰電池持續提升的能量密度要求勢必持續助推動力鋰電池型號的變革。

2.「加粗加長」的21700電池從性能及成本上全面碾壓18650

2.1. 電池能量密度提升20%以上

21700電池的能量密度要優於18650電池。根據目前特斯拉披露的信息，在現有條件下，其生產的21700電池系統的能量密度在300Wh/kg左右，比其原來18650電池系統的250Wh/kg約提高20%。同時我們根據松下的動力鋰電池單體的測試數據來看，其21700電池的體積能量密度遠高於18650型電池單體。單體電芯能量密度的提升要遠高於成組後提升的20%幅度。

表1：21700電池和18650電池參數對比

來源：國泰君安證券研究
 

圖1：21700電池能量密度遙遙領先其他電池類型

 

2.2. 電池系統成本下降9%左右

21700成本下降9%左右。根據Tesla披露的電池價格信息，預計21700的動力鋰電池系統售價為170美元/Wh，相比18650的售價185美元/Wh，價格下降幅度可達8.1%左右。18650的系統的成本約為171美元/Wh，改用21700後，系統成本約能實現9%左右的降幅，達到155美元/Wh。

 

圖2：21700電池比18650電池能量容量提升35%

單體容量提升後，PACK所需配件數同比例減少帶動PACK成本下降。從18650型號切換至21700型號後，電池單體電池容量可以達到3~4.8Ah，大幅提升35%，同等能量下所需電池的數量可減少約1/3，Tesla Models電動汽車使用7104節18650電池串並聯成電池組，預計在新款MODEL3電池節數將大幅減少。在降低系統管理難度的同時將同比例的減少電池包採用的金屬結構件及導電連接件等配件數量，特斯拉的Pack成本佔總系統成本約24%，預計電池包成本降幅較為可觀。

輕量化的貢獻。三星提到在其改用新型21700電池之後，系統相比目前的電池能減少了10%的組件和重量。從而進一步降低電池Pack的重量，整車的能量密度將得到部分提升。

2.3. 為什麼是21700？

21700不是絕對性能優於其他型號，是物理性與經濟性綜合均衡的結果。圓柱電芯的物理尺寸增加不止提升能量密度，同時會負相關影響到循環壽命和倍率等性能。據測算，容量每提升10%，循環壽命大約會降低20%；充放電倍率降低30~40%；同時電芯會有20%左右的溫升。如持續增大SIZE，會加大犧牲掉安全性風險。

經濟性方面，圓柱電芯在18650成熟工藝上進行適當幅度的提升，在保障良品率和一致性的前提性對成本進行控制。若SIZE過大，安全性和適配性均將降低，導致更大的圓柱26500、32650等未能規模化佔據主流市場的原因。

產線通用生產變更成本較低。首先從國內鋰電生產企業來看，目前正處於規模化的產線建設投資期，預計今年年內的有效產能預計在60-70GWh左右，短期鋰電的產能供給端建設基本完成，未來新增投資增速將趨緩，福斯特、比克動力、智航新能源、德朗能、天鵬電源、億緯鋰能等近兩年大幅擴產的企業產線均以18650為主。從存量產線的角度來看，基本以18650圓柱為主，電池廠商由原來的主流18650轉型到21700較為便利，產線設備可以通用切換到21700較為容易，不會投入太高的設備技改費用及新增設備投資。所以我們預計未來21700電池將會有可觀的增長。產線改造主要涉及中後段的分切、卷繞、裝配、化成等環節，針對半自動線的模具調整費用較低。

圖3：圓柱廠商轉型21700電池只需調整部分產線

3.搶灘登陸戰—先行者已加速21700布局

國內部分18650電池企業表示了對特斯拉21700路線的認可，並且也在進行相關布局。如果企業自身通過研發對材料性能改進的實力不強，能量密度的提升最直接的方式就是通過物理方式可以做大型號提升能量密度。

比克、福斯特、猛獅、天鵬等圓柱電池企業都宣稱將在未來產能擴充中投產21700電池。比克電池研發副總裁林建表示，比克18650電池量產後能量達到3.5Ah，下一步將開發21700電池，通過結合高鎳與矽碳，實現21700電池量產能量達6.0Ah，更為快速的是天鵬、福斯特等公司，天鵬二號生產基地已配置的設備生產21700型產品，產品能量密度可達200-240Wh/Kg。

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