1. 원통형 배터리 변혁 임박-대형화 추세가 나타나다

1.1. 18650은 단계적 수요에 부합하며 동력 리튬전지 초급 응용 단계의 역사적 사명을 띠고 있다.

동력 리튬전지 발전 초기를 돌이켜보면 테슬라는 18650을 채택한 성공으로 국내 18650 배터리의 전기차 분야 응용을 크게 이끌었다. 18650 배터리는 고도로 성숙한 공정을 갖추고 자동화 정도가 높아 표준화된 제품으로서 양품률 및 일관성이 보장되며(외국 삼성 등 기업 양품률 98% 이상, 국내 보편적 90% 이상), 게다가 원가가 낮다(2Ah 가격은 5~6위안), 현재 중국의 주류 전력 리튬 배터리는 주로 Foster, BAK Power, Zhihang New Energy, Delang Energy, Tianpeng Power, Evebattery 및 기타 회사와 같은 18650 제품을 채택한다.그러나 18650은 부피 제한에 국한되어 보편적으로 2.2-3.6Ah 사이이며, 현재 동력 배터리 에너지 팩의 에너지에 대한 지속적인 향상 요구 하에 단일 용량 향상 공간이 제한되어 있으며, 향후 향상 진도도 느려질 것이다. 

1.2. 모델 업그레이드: '굵고 길게'가 트렌드

동력 리튬배터리의 에너지 밀도 향상은 두 가지 방식에 의존하는데 첫째, 리튬배터리 재료 시스템의 성능이 향상되고 재료 연구 개발 및 정합성에 대한 요구 사항이 매우 높으며 발전이 비교적 느린다.두 번째는 모델 및 공정에 대한 생산 관리이다.

동력 리튬 전지의 에너지 밀도 목표는 제품 모델의 변화와 개선을 강요할 것이다.현재 제정된 2020년 전 신에너지 자동차 보조금 기준은 동력 리튬배터리의 에너지 밀도와 비례하여 관련되기 때문에 배터리 재료 체계가 큰 돌파구가 없는 상황에서 제품 모델 설계부터 시작하여 배터리의 "직경과 길이"를 적절하게 증가시켜 더 높은 유효 용량을 얻는 것이 필연적인 추세이며, 18650은 동력 리튬배터리의 초기 응용 단계의 역사적 사명을 이미 초보적으로 완성하였으며, 미래에는 "크기가 큰" 리튬배터리 모델이 대두될 것이다.

장기적으로는 동력 리튬배터리의 에너지 밀도에 대한 국가의 지침 목표를 보면 중국은 2020년에 동력 배터리 셀의 에너지 밀도가 300Wh/kg을 돌파하고 동력 배터리 시스템의 에너지 밀도가 260Wh/kg에 도달해야 하며 2025년에는 동력 배터리 시스템의 에너지 밀도가 350Wh/kg에 도달해야 한다고 명시되어 있다.BAK Power의 18650 모델 배터리를 예로 들면 Ternary polymer lithium battery 의 에너지 밀도는 215wh/kg으로 2020년 단량체 배터리 목표를 달성하려면 39.5% 증가해야 한다.큰 방향은 국가 보조금은 기업의 내생동력을 촉진하여 배터리의 에너지 밀도를 높이며 제품 모델의 개선은 재료(NCA, 811)보다 훨씬 빠르며 부피를 증가시켜 에너지 밀도를 높이는 21700 배터리는 의심할 여지 없이 기업의 핵심 고려 대상이 될 것이다.동력 리튬배터리의 지속적인 에너지 밀도 향상 요구는 필연적으로 지속적으로 추진력 리튬배터리 모델의 변혁에 도움이 될 것이다.

2. '굵고 길게' 21700 배터리 성능 및 원가는 18650보다 우세가 있다

2.1. 배터리 에너지 밀도를 20% 이상 향상

21700 배터리의 에너지 밀도는 18650 배터리보다 우수한다.현재 테슬라가 공개한 정보에 따르면 현재 조건에서 생산하는 21700 배터리 시스템의 에너지 밀도는 약 300Wh/kg으로 원래 18650 배터리 시스템의 250Wh/kg보다 약 20% 높습니다.동시에 파나소닉의 동력 리튬배터리 셀의 테스트 데이터에 따르면 21700 배터리의 체적 에너지 밀도는 18650 배터리 셀보다 훨씬 높다.단량체 코어 에너지 밀도의 증가는 그룹 구성 후 증가의 20%보다 훨씬 높다.

표 1: 21700 배터리와 18650 배터리 매개변수 비교

표 1: 21700 배터리와 18650 배터리 매개변수 비교

2.2. 배터리 시스템 원가 9% 정도 하락

21700 원가가 9% 정도 떨어졌다.테슬라가 공개한 배터리 가격 정보에 따르면 21700의 동력 리튬배터리 시스템은 170달러/Wh로 18650달러/Wh에 비해 가격이 8.1%가량 떨어질 것으로 예상된다.18650의 시스템 비용은 약 171달러/Wh이며 21700을 사용하면 시스템 비용이 약 9% 감소하여 155달러/Wh에 도달할 수 있다.

그림 2: 21700 배터리의 에너지 용량은 18650 배터리보다 35% 더 높다

단일 장치의 용량이 증가한 후 PACK 비용을 낮추기 위해 PACK에 필요한 부품의 수가 줄어든다. 18650 모델에서 21700 모델로 전환한 후 배터리 셀 용량은 3~4.8Ah에 달할 수 있어 35%가 크게 증가했으며 동일한 에너지에 필요한 배터리 수를 약 1/3로 줄일 수 있다. 전기차는 7104와 18650 배터리를 사용한다. 신형 모델3에서는 배터리 셀 수량이 대폭 줄어들 것으로 예상된다. 시스템 관리의 난이도를 낮추는 동시에, 배터리 팩에 채용되는 금속 구조물 및 도전 접속구 등의 부품 수를 같은 비율로 감소시킨다.테슬라의 팩 비용은 전체 시스템 비용의 약 24%를 차지한다. 배터리 팩의 비용이 상당히 떨어질 것으로 예상된다.

삼성은 신형 21700 배터리로 바꾼 뒤 기존 배터리보다 부품과 무게를 10% 줄였다고 설명했다.이를 통해 배터리 팩의 무게를 더욱 줄이고 전체 차량의 에너지 밀도를 부분적으로 향상시킬 수 있다.

2.3 왜 21700인가?

21700은 성능면에서 다른 모델보다 절대적으로 우월한 것이 아니라 물리적, 경제적 균형이 종합적으로 이루어진 결과이다. 원통형 셀의 물리적 크기 증가는 에너지 밀도를 증가시킬 뿐만 아니라 사이클 수명 및 속도와 같은 성능에 부정적인 영향을 미친다. 추정에 따르면 용량이 10% 증가할 때마다 사이클 수명이 약 20% 감소하고 충전 및 방전 속도가 30~40% 감소하며 동시에 배터리 셀 온도가 약 20% 상승한다. SIZE가 계속 증가하면 보안을 약해질 위험이 높아진다.

경제성 측면에서 원통형 배터리 셀은 18650 성숙 공정에서 적절하게 개선되었으며 수율과 일관성을 보장한다는 전제하에 비용이 제어된다. SIZE가 너무 크면 안전성과 적응성이 감소하여 더 큰 원통형 26500 및 32650이 주류 시장을 점유하지 못한다.

생산 라인의 일반적인 생산 변경 비용은 비교적 낮다.우선 국내 리튬전지 생산업체를 보면 현재 규모화된 생산라인 건설 투자기에 있으며 올해 안에 유효 생산능력은 60-70GWh 정도로 예상되며 단기 리튬전지의 생산능력 공급단 건설은 기본적으로 완료되고 향후 신규 투자 증가속도는 느려질 것이며 포스터, BAK Power, Zhihang New Energy, Delang Energy, Tianpeng Power, EVE 리튬 에너지등 최근 2년간 대폭 증산한 기업의 생산라인은 모두 18650위주로 한다.재고 생산 라인의 관점에서 보면 기본적으로 18650를 이루고 있으며 배터리 제조업체는 기존의 주류 18650에서 21700으로 전환하는 것이 더 편리한다. 그래서 우리는 앞으로 21700 배터리가 상당한 성장을 할 것으로 예상한다.생산 라인의 변형은 주로 중후반의 슬라이팅, 와인더, 조립, 화성 및 기타 부분을 포함하며 반자동 라인에 대한 금형 조정 비용이 낮다.

그림 3: 원통형 제조업체를 21700 배터리로 전환하려면 생산 라인의 일부만 조정하면 된다

선도자는 21700 레이아웃을 가속화했다.

국내 일부 18650 배터리 업체들은 테슬라의 21700 노선에 찬성 의사를 표명하며 관련 레이아웃도 만들고 있다. 기업 자체가 연구개발을 통해 재료의 성능을 향상시킬 수 있는 강점이 없다면 에너지 밀도를 높이는 가장 직접적인 방법은 물리적 방법을 통해 에너지 밀도를 높이는 것이다.

BAK Power, 포스터, DYNAVOLT TECH및 Tianpeng과 같은 원통형 배터리 회사는 모두 향후 용량 확장에서 21700 배터리를 생산할 것이라고 발표했다. BAK Battery R&D 부사장 Lin Jian은 BAK 18650 배터리를 대량 생산한 후 에너지가 3.5Ah에 도달할 것이며 다음 단계는 21700 배터리를 개발할 것이라고 말했다.