Développement du marché des batteries 4680 et analyse de la chaîne industrielle

Le développement de la batterie cylindrique peut être divisé en trois générations

La batterie au lithium-ion désigne la batterie secondaire (l'un des éléments de la batterie au lithium-ion). meilleures piles rechargeables) avec le lithium comme vecteur d'énergie, qui repose principalement sur le déplacement de l'ion lithium entre le pôle positif et le pôle négatif pour réaliser la charge et la décharge. La structure, les principes de charge et de décharge des différents types de batteries lithium-ion sont fondamentalement les mêmes, la principale différence résidant dans les matériaux de la cathode.

La batterie d'énergie est divisée en batterie ternaire et en batterie au phosphate de fer lithié en fonction des différents matériaux de cathode. Le matériau de cathode ternaire fait référence au matériau de cathode composé de nickel, de cobalt et de manganèse. Le développement de la batterie cylindrique peut être divisé en trois générations en fonction de la taille de la batterie :

• Première génération : batterie cylindrique 18650 (2008)
• Deuxième génération : batterie 21700 (2017)
• La troisième génération : Batterie de puissance 4680 (2019)

En 2020, le volume des ventes de batteries cylindriques chinoises s'est redressé, principalement en raison de la production à grande échelle de Tesla. En 2022H1, la capacité installée des batteries cylindriques était d'environ 4,43GWh, soit une baisse de 17%.

Batterie cylindrique 4680 avec d'excellentes performances

La batterie cylindrique 4680 présente les caractéristiques suivantes : énergie spécifique élevée, charge rapide, sécurité élevée, faible coût et longue durée de vie. La batterie cylindrique augmente le nickel et diminue le cobalt grâce à des matériaux cathodiques ternaires, et la cathode en graphite est dopée à l'oxyde de silicium. La densité énergétique de la batterie unique reste en tête.

• Chargement rapide :

En s'appuyant sur la conception de la batterie cylindrique 4680, les zones conductrices et thermoconductrices sont améliorées, et le courant de charge élevé 4C-6C peut être réalisé, ce qui est significativement plus élevé que les batteries carrées et souples.

• Sécurité élevée :

La batterie cylindrique 4680 a une grande consistance, ce qui réduit les risques de surcharge, de décharge excessive et de surchauffe locale. La structure en arc de cercle favorise l'isolation thermique entre les batteries, et la barrière contre l'emballement thermique est bonne.

• Faible coût :

Le coût de la batterie cylindrique 4680 a été considérablement réduit grâce au procédé d'électrode sèche et aux nouveaux matériaux tels que les électrodes positives à teneur ultra-élevée en nickel et les électrodes négatives au carbone de silicium.

• Longue durée de vie :

La durée de vie de la batterie 4680 est d'environ 2000 fois, et la cohérence de chaque batterie est bonne. La durée de vie globale du système de batterie est relativement longue, ce qui permet de répondre à la demande d'énergie des véhicules de tourisme.

En 2022, l'usine Tesla Texas Q2 a commencé à livrer la Model Y avec des batteries 4680. Au troisième trimestre 2022, l'entreprise a produit plus de 1000 ensembles de batteries 4680 chaque semaine. Sur la base de 690 batteries de la Model Y d'endurance standard, la capacité de production annuelle est de 3,4GWh, et devrait atteindre 6,8-10,2GWh d'ici la fin de l'année. Cependant, il reste encore une grande marge de progression par rapport à l'objectif à long terme de Tesla, qui est de 1000 GWh.

Tendance de développement

Réduction des coûts

Dans l'ensemble, les matériaux des électrodes positives et négatives et l'équipement du processus de production sont soutenus, et les coûts d'investissement dans la production et l'équipement devraient être réduits de moitié. Tesla encourage vivement Panasonic, LGES et d'autres fournisseurs de batteries à fabriquer et à développer des batteries cylindriques de grande taille de la série 46.

En utilisant des matériaux d'électrodes positives sans cobalt, des matériaux d'électrodes négatives en carbone de silicium et une technologie de revêtement en polymère ionique, Tesla fait baisser le coût de la consommation d'énergie des batteries de $110-120 à $48-53, soit une diminution de 56%.

En ce qui concerne les coûts d'investissement de Panasonic, LGES et Samsung SDI dans la chaîne de production américaine, l'investissement dans l'équipement d'une chaîne de production d'un seul GWh est passé de $109-133 millions à $34-042 millions, soit une diminution de 69%.

Synergies

Le grand système de cosses cylindriques à pôles complets réduit la résistance interne/augmente la conduction thermique, ce qui permet de réaliser une charge rapide 4C-6C, et le temps de charge rapide est réduit à 15 minutes. La batterie cylindrique 4680 a une grande consistance et une bonne barrière contre l'emballement thermique.

La batterie cylindrique est fabriquée par enroulement, et l'efficacité de la production est améliorée en accélérant la vitesse de rotation, tandis que l'amélioration de l'efficacité du processus d'empilage de la poche et de la coque carrée est limitée. Il y a 5 empiler les entreprises de batteries dans le monde.

Les piles cylindriques 4680 ont une petite surface de contact et une bonne barrière d'emballement thermique lorsqu'elles sont groupées. Du point de vue du monomère, l'enveloppe de la pile cylindrique est chauffée uniformément pendant la dilatation thermique, et il n'y aura pas de bombement latéral, de déformation et d'autres problèmes affectant la durée de vie de la pile.

Du point de vue du module, la batterie cylindrique est disposée en nid d'abeille et les cellules électriques sont remplies de colle d'isolation thermique. La surface de contact entre les cellules électriques est pratiquement nulle. La chaleur doit traverser la colle et être transmise aux cellules électriques environnantes. Les cellules électriques ont un bon effet d'isolation thermique, ce qui peut empêcher la chaleur de se propager de manière incontrôlée, améliorant ainsi efficacement la sécurité de l'emballement thermique de la batterie.

La structure cylindrique est adaptée à un taux de nickel/carbone silicium très élevé, ce qui améliore encore la densité énergétique de la batterie. Actuellement, la batterie cylindrique 4680 utilise le pôle positif NCM811 et le pôle négatif en graphite artificiel. La densité énergétique de la batterie atteint 244Wh/kg, soit 9,2% de moins que celle de la batterie cylindrique 21700 de Panasonic.

Toutefois, à l'avenir, la densité énergétique pourra être portée à 292 Wh/kg en réduisant l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe et en utilisant un pôle négatif en carbone silicium.

Marché

Du point de vue de la capacité de production et des prévisions de planification, 4680 lignes de production de Tesla, Panasonic, LGES, Samsung SDI, EVE, CATL et d'autres entreprises seront mises en production successivement entre 2022 et 2024. Tesla est la première à réaliser une production de masse.

D'ici la fin de l'année, elle atteindra une capacité initiale d'environ 10 GWh, suivie par Panasonic. En mars de l'année prochaine, elle devrait atteindre une capacité initiale de 10 GWh pour la batterie cylindrique 4680 et augmenter progressivement sa capacité.

LGES, Samsung SDI et EVE accélèrent la construction de lignes de production de batteries cylindriques de grande taille de la série 46, avec des lignes de production prévues d'environ 10 GWh. CATL prévoit de construire une nouvelle ligne de production de batteries cylindriques de grande taille de la série 46 de 12 GWh d'ici 2024 et d'atteindre la production de masse.

On estime que le volume des ventes mondiales de Tesla dépassera les 4 millions en 2025, avec une croissance annuelle moyenne de 44%. La production mondiale de véhicules à énergie nouvelle de Tesla atteindra 144,6 millions, 199,4 millions, 271,0 millions et 4,005 millions respectivement de 2022 à 2025. L'augmentation de la croissance en 2025 est principalement due à la capacité accrue des nouvelles usines et des nouveaux modèles.

Outre Tesla, de nombreuses entreprises automobiles sont optimistes quant à l'application commerciale des batteries cylindriques de la série 46. BMW, Rimac, NIO, JAC et d'autres constructeurs automobiles s'emploient énergiquement à mettre au point des batteries cylindriques de la série 46. BMW a conclu un accord de fourniture de batteries cylindriques de la série 46 avec EVE, CATL et Envision AESC respectivement pour les mois de septembre et d'octobre.

L'échelle globale dépasse 110 GWh. Sur la base de 100 kWh par véhicule, le volume total de production et de chargement atteint 1,1 million de véhicules. En 2025, la capacité installée des gros cylindres de la série 46 dans le monde dépassera 200 GWh, et la taille du marché dépassera 100 milliards.

Chaîne industrielle

La batterie cylindrique de grande taille de la série 46 présente une réduction évidente des coûts et une augmentation de l'efficacité, a de vastes perspectives de marché et a un grand impact sur la chaîne de l'industrie des batteries. Nous nous concentrons sur les nouvelles lignes de production et les nouveaux processus tels que la fabrication de batteries au lithium, les matériaux cathodiques à teneur ultra-élevée en nickel, les matériaux cathodiques au carbone de silicium et le nouveau sel de lithium LiFSI.

Fabrication de piles au lithium

Techniquement, les grandes batteries cylindriques de la série 46 utilisent toutes du nickel à haute teneur en nickel et du carbone silicium comme principaux matériaux positifs/négatifs. La cathode Tesla utilise une cathode NCM à haute teneur en nickel de la série 9, et l'objectif ultérieur est de développer des matériaux de cathode binaires sans cobalt, à savoir la cathode nickel-manganèse (NMx) ;

LGES choisit le NCMA quaternaire à haute teneur en nickel de la série 9 ; Panasonic et Samsung SDI utilisent le NCA ; CATL, EVE et SKI utilisent tous le NCM à haute teneur en nickel, et la série 9 sera utilisée à l'avenir. Le matériau de l'électrode négative est du carbone de silicium dopé avec de l'oxyde de silicium 12% - 15%, avec une capacité de 550mAh/g.

Au niveau du produit, Tesla a atteint le chargement 4680 à l'heure actuelle, et il est probable qu'il atteigne la production de masse en 2023. En 2022, Q3 Tesla produira environ 1000 ensembles de batteries 4680 chaque semaine, avec une capacité de production annuelle de 3,5GWh. On estime que la capacité de production atteindra 6,8-10,2GWh à la fin de l'année.

Du point de vue du marché, 2023 sera la première année de développement des grandes batteries cylindriques de la série 46, et la capacité installée dépassera 200 GWh en 2025. On prévoit que la capacité installée des grandes batteries cylindriques de la série 46 atteindra 207,8 GWh en 2025, et que l'échelle du marché dépassera 100 milliards de RMB.

Du point de vue de la concurrence entre les entreprises, les parts des trois cylindres géants au Japon et en Corée du Sud sont les plus importantes au monde, et la voiture 4680 de Tesla a permis au grand cylindre de faire un retour en force.

Selon les données, en 2021, le marché mondial des batteries cylindriques était principalement occupé par Panasonic, LG et Samsung SDI, et Panasonic et LG seront dominés par les ventes de véhicules à énergie nouvelle Tesla.

Tesla a commencé à charger 4680 véhicules au deuxième trimestre de l'année 22, avec une capacité d'environ 10GWh d'ici la fin de l'année. Les principaux fabricants de batteries ont suivi le camp des grandes batteries de la série 46 supplémentaire, notamment Panasonic, LG, Samsung SDI, CATL, EVE et Bak.

Du point de vue de la chaîne d'approvisionnement, la technologie des matériaux en amont est très mature et la capacité des lignes de production de batteries augmente régulièrement. La promotion du 4680 pourrait affecter le modèle de batterie dominé par les cellules carrées en Chine. Les entreprises qui disposent d'une capacité de production de batteries cylindriques et d'une accumulation de processus en Chine ont l'avantage d'être les premières à s'engager dans cette voie.

Matériaux pour cathodes à très haute teneur en nickel

Le développement de matériaux pour cathodes à très haute teneur en nickel comprend principalement les aspects suivants :

• Le matériau quaternaire NCMA (nickel cobalt manganèse aluminium) contribue à l'amélioration de la durée de vie.
• La teneur élevée en nickel permet de réduire les coûts et d'accroître l'efficacité, ce qui constitue la tendance de développement des matériaux cathodiques ternaires.
• Les produits à forte teneur en nickel présentent des obstacles techniques plus importants, et les entreprises de matériaux cathodiques disposant d'une technologie approfondie ont un potentiel de développement.
• Les produits d'électrodes positives ternaires à haute teneur en nickel ont une viscosité élevée pour le client.

Du point de vue du développement commercial global, les recettes d'exploitation d'Easpring, de Huayou Cobalt, de BTR et de CNGR ont connu une croissance rapide. Easpring est principalement engagée dans les matériaux cathodiques ternaires. De 2018 à 2021, ses revenus commerciaux à l'étranger ont augmenté rapidement, avec un taux de croissance annuel moyen de 53,9%.

Huayou Cobalt se consacre principalement au cobalt, au nickel, aux précurseurs ternaires, au cuivre, etc., et développe des activités de développement des ressources en cobalt, nickel et lithium au Congo (RDC), en Indonésie et dans d'autres pays et régions, avec une croissance annuelle moyenne de 58,9% de 2018 à 2021.

Matériau d'anode en carbone de silicium

Techniquement, l'électrode négative en carbone silicium peut améliorer efficacement la densité énergétique de la batterie. La commercialisation de la cathode des batteries lithium-ion est dominée par le graphite artificiel/naturel, avec une capacité par gramme de 365mAh/g, ce qui est proche de sa limite de capacité spécifique théorique de 372mAh/g, tandis que la capacité spécifique théorique du silicium peut atteindre 4200mAh/g, soit plus de 10 fois celle des matériaux d'anode en graphite.

Il n'y a pas de risque d'évolution du lithium et sa sécurité est meilleure que celle des anodes en graphite. Il est également riche en réserves et peu coûteux. Il s'agit de la prochaine génération la plus prometteuse de matériaux pour cathodes de batteries au lithium.

Au niveau du marché, l'anode commerciale en carbone silicium est adaptée aux batteries cylindriques, et la production en masse de batteries entraîne une croissance rapide de la demande d'anodes en carbone silicium.

Comme les cellules carrées et les cellules souples sont très sensibles à la dilatation, le cylindre 4680 présente les avantages d'une contrainte uniforme, d'un haut degré d'automatisation, d'une grande tolérance à la dilatation et d'un haut degré d'automatisation dans la fabrication. Les avantages de l'électrode négative en carbone silicium et de l'électrode positive ternaire à forte teneur en nickel et à haute densité énergétique sont plus importants dans l'application des cellules cylindriques.

Du point de vue de la chaîne d'approvisionnement, la production de masse de la batterie 4680 est imminente et la demande de batteries cylindriques devrait augmenter.

Nouveau sel de lithium LiFSI

D'un point de vue technique, les exigences du 4680 à haute teneur en nickel et à haute tension sur la performance de l'électrolyte ont été améliorées. Tout d'abord, la teneur en nickel du matériau de la cathode augmente. L'ion nickel 4-valent ayant un potentiel redox élevé, il catalysera l'oxydation et la décomposition de l'électrolyte, ce qui affectera les performances de la batterie.

Deuxièmement, les métaux de transition tels que le manganèse et le cobalt se dissolvent pendant le processus de cyclage du système de batterie à forte teneur en nickel, ce qui endommage le film SEI sur la surface de l'électrode négative. Par conséquent, des additifs tels que des retardateurs de surcharge et de flamme devraient être ajoutés à la batterie à haute teneur en nickel pour améliorer sa sécurité.

Difluorosulfonylimide de lithium (LiFSI) est considéré comme le meilleur substitut, particulièrement adapté aux matériaux d'électrode active tels que l'électrode positive à haute teneur en nickel et l'électrode positive à haute tension. Il permet d'augmenter considérablement le nombre de charges et de décharges de la batterie, de maintenir la stabilité et d'améliorer la sécurité. Sa perméabilité devrait encore augmenter.

Le LiFSI possède d'excellentes propriétés, telles qu'une bonne stabilité structurelle et une bonne performance électrochimique, et est devenu un nouveau sel de lithium dont le processus d'industrialisation est le plus rapide.

Par rapport au LiPF6, le LiFSI présente les avantages suivants :

• Le LiFSI a une stabilité thermique plus élevée, son point de fusion est de 145 ℃ et sa température de décomposition est supérieure à 200 ℃, ce qui lui permet de supporter des températures de travail plus élevées et d'empêcher la dilatation de l'air ;
• Le LiFSI a une conductivité élevée, jusqu'à 9,8ms/cm (contre 6,8ms/cm pour le LiPF6), ce qui permet de réduire la résistance interne de la batterie, de diminuer la production de chaleur et d'améliorer l'efficacité et la sécurité ;
• Le LiFSI présente une bonne compatibilité avec la membrane SEI et une grande stabilité chimique avec les électrodes positives et négatives. Ce n'est que lorsque la température est supérieure à 160 ℃ qu'il y a une réaction de déplacement avec certains de ses composants.

Actuellement, la quantité de LiFSI en tant qu'additif augmente. Actuellement, seuls les fabricants de batteries de première ligne et les principaux fabricants d'électrolytes disposent de diverses formulations de LiFSI en tant qu'additifs et sels de lithium, tandis que la plupart des entreprises de deuxième ligne n'ont que des formulations en tant qu'additifs.

Le LiFSI peut être utilisé comme sel de lithium dans l'électrolyte de deux manières : premièrement, il peut être utilisé comme additif de l'électrolyte commun LiPF6 ; deuxièmement, le LiPF6, en tant que nouvel électrolyte, est encore au stade du laboratoire.