特斯拉4680電池

電池博士講電池：特斯拉4680電池

第一電動(dòng)大牛作者電動(dòng)勢(shì) 2022-06-13 09:38

從比亞迪的刀片電池，到蜂巢能源的無(wú)鈷電池，再到寧德時(shí)代的鈉離子電池，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷著不斷地創(chuàng)新。

2020年9月23日——特斯拉電池日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克向全球展示了一款全新電池——4680電池。

此前，圓柱鋰電池的尺寸主要是18650和21700兩種，21700比18650的能量多50%。而4680電池的電芯容量是21700電池的五倍，新電池能將每千瓦時(shí)的成本降低約14%，續(xù)航里程提高16%。

馬斯克直言，這款電池將使 2.5 萬(wàn)美元的電動(dòng)車(chē)成為可能。

那么，這款來(lái)勢(shì)洶洶的電池究竟是何來(lái)頭？接下來(lái)我們一一解析。

一、什么是4680電池？

特斯拉對(duì)動(dòng)力電池的命名方式非常簡(jiǎn)單直白。4680電池，顧名思義就是單體電芯直徑為46mm、高度為80mm的圓柱形電池。

三種不同尺寸的鋰離子圓柱電池

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相比起特斯拉原來(lái)采用的18650電池和21700電池，4680電池的外觀就像是一個(gè)又高又壯的壯漢。

但是4680 電池并不只是尺寸變化，特斯拉融入了很多新技術(shù)來(lái)提升性能。

二、4680電池的新技術(shù)

1、無(wú)極耳設(shè)計(jì)

直觀上來(lái)看，4680最大的感受就是體積更大。那么為什么以前其他廠商不把電池做大呢。這是因?yàn)轶w積越大，能量越高，熱量就很難控制，燃燒和爆炸產(chǎn)生的安全威脅就更大。

特斯拉顯然也考慮到這個(gè)問(wèn)題。

相比于以前的圓柱電池，4680電池最大的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是無(wú)極耳，又稱全極耳。傳統(tǒng)的圓柱體電池，正負(fù)極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來(lái)卷繞，為了引出電極，會(huì)在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個(gè)導(dǎo)引線叫極耳。

傳統(tǒng)的1860電池卷繞長(zhǎng)度是800mm，以導(dǎo)電性更好的銅箔為例，極耳從銅箔上把電導(dǎo)出來(lái)長(zhǎng)度就是800mm，相當(dāng)于電流要通過(guò)800mm長(zhǎng)的導(dǎo)線。

通過(guò)計(jì)算得到電阻大約是20mΩ，2170電池卷繞長(zhǎng)度約是1000mm，電阻約23mΩ。可以簡(jiǎn)單換算下，同樣厚度的薄膜要卷成4680電池，卷繞長(zhǎng)度約是3800mm。

卷繞長(zhǎng)度變長(zhǎng)有很多壞處，電子需要走更長(zhǎng)的距離才能到電池兩頭的極耳上面，電阻就會(huì)變大，電池更容易發(fā)熱。電池的性能會(huì)下降，甚至產(chǎn)生安全問(wèn)題。為了縮短電子走的距離，4680電池采用了無(wú)極耳技術(shù)。

無(wú)極耳不是沒(méi)有極耳了，而是把整個(gè)集流體都變成極耳，導(dǎo)電路徑不再依賴極耳，電流從沿極耳到集流盤(pán)橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸。

整個(gè)導(dǎo)電長(zhǎng)度由1860或者2170銅箔長(zhǎng)度的800～1000mm變成了80mm（電池高度）。電阻降到2mΩ，內(nèi)阻消耗由2W降到0.2W，直接降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種設(shè)計(jì)大幅降低了電池的阻抗，解決了圓柱電池的發(fā)熱問(wèn)題。

無(wú)極耳技術(shù)一方面增大了電流傳導(dǎo)面積、縮短電流傳導(dǎo)距離，大幅降低電池內(nèi)阻；內(nèi)阻降低可以減小電流偏移現(xiàn)象，延長(zhǎng)電池壽命；電阻減小還可降低熱量產(chǎn)生，電極導(dǎo)電涂層和電池端蓋的有效接觸面積可達(dá)到 100%，能提升散熱能力。

4680 電池在電芯結(jié)構(gòu)方面采用新型無(wú)極耳技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)降本增效。另外一方面，省去極耳焊接過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)還可降低因焊接產(chǎn)生的不良率。

單極耳和全極耳結(jié)構(gòu)示意圖

2、結(jié)合CTC技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)電池尺寸越大，同一輛車(chē)需要安裝的電池?cái)?shù)量就越少。使用18650電池，一輛特斯拉需要7100顆電池。如果使用4680電池，只需要900顆電池。

電池越少組裝就越快，效率越高，中間環(huán)節(jié)出問(wèn)題的概率就更小，并且價(jià)格更便宜。據(jù)特斯拉透漏，大體積的4680可以把電池生產(chǎn)價(jià)格減少14%。

為了提高電池包的能量密度，4680電池會(huì)和CTC（Cell to Chassis）技術(shù)結(jié)合。就是將電池單體直接集成到底盤(pán)中。通過(guò)完全移除模組和電池包，電池單體與單體間變得更為緊湊，電池零部件數(shù)量將大幅下降，底盤(pán)的空間利用率也會(huì)得到極大改進(jìn)。

CTC對(duì)電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的要求，電池本身要承擔(dān)不小的機(jī)械強(qiáng)度，相比于18650和2170電池，4680 單體電池更大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，并且一般方殼電池是鋁殼的，而4680外殼是不銹鋼的，天生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就有保證。

相對(duì)比方殼電池，圓柱電池的布局會(huì)更靈活，能適應(yīng)各種不同的底盤(pán)，可以與地盤(pán)更好的結(jié)合。

據(jù)《電動(dòng)勢(shì)》研判，CTC技術(shù)是2022年新能源車(chē)的風(fēng)口，同時(shí)也是岔口。

電池車(chē)身一體化會(huì)使車(chē)輛的維修變得異常復(fù)雜，電池很難獨(dú)立更換。售后維修服務(wù)價(jià)格會(huì)升高，而這些成本會(huì)直接轉(zhuǎn)移到消費(fèi)者的頭上，比如保險(xiǎn)費(fèi)用會(huì)隨之上漲。盡管馬斯克聲稱他們?cè)O(shè)計(jì)了可以切斷和更換的修復(fù)導(dǎo)軌，最后效果如何還需時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)。

很多車(chē)企都提出了自己的CTC技術(shù)方案，因?yàn)樗粌H重新布局了電池，還同時(shí)需要改變車(chē)身結(jié)構(gòu)。這就關(guān)系到相關(guān)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的重新分工。

CTC只是一種技術(shù)路線。它是電池車(chē)身一體化，不變拆卸。它對(duì)面還有另外一種技術(shù)-換電。換電技術(shù)方便拆卸，但是電池在電池強(qiáng)度上做很大貢獻(xiàn)。如何選擇這兩種路線，是電池供應(yīng)商和主機(jī)廠的一場(chǎng)博弈。

CTC技術(shù)結(jié)合4680電池

3、電池生產(chǎn)工藝、正極、負(fù)極材料創(chuàng)新

特斯拉將使用干電池電極工藝，不使用溶劑，而是將少量（約5-8%）細(xì)粉狀PTFE粘合劑與正/負(fù)極粉末混合，通過(guò)擠壓機(jī)形成薄的電極材料帶，再將電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。

這樣生產(chǎn)的電池更環(huán)保。并且這項(xiàng)工藝將會(huì)提高電池的能量密度，并且使生產(chǎn)能耗降低10倍。干電極技術(shù)很可能會(huì)成為下一代的技術(shù)標(biāo)桿。

特斯拉4680電池干電極技術(shù)

正極材料方面，特斯拉表示還會(huì)去掉正極里面的鈷元素。鈷不但貴而且稀少。只在世界上很少的國(guó)家可以開(kāi)采，還是在剛果這樣局勢(shì)不穩(wěn)定的非洲國(guó)家。如果電池真能去掉鈷元素，可以說(shuō)是個(gè)重大的技術(shù)革新。

鈷元素

在負(fù)極材料方面，特斯拉將從硅材料入手，使用更多的硅來(lái)替代現(xiàn)在使用的石墨。硅基負(fù)極理論比容量高達(dá) 4200mAh/g，超過(guò)石墨負(fù)極十倍。但是硅基負(fù)極也存在硅易體積膨脹、導(dǎo)電性差、首次充放電損耗大等問(wèn)題。

因此，材料的性能改善實(shí)際上是在能量密度和穩(wěn)定性之間尋找平衡，現(xiàn)在的硅基負(fù)極產(chǎn)品是將硅和石墨摻雜起來(lái)復(fù)合使用。

特斯拉計(jì)劃從根本上改變硅表層的延展性，使其不容易破碎，這項(xiàng)技術(shù)不僅讓電池充電速度更快，還可以使電池的續(xù)航能力增加20%。特斯拉將研制的新材料命名為“特斯拉硅”，成本為1.2美元/KWh，僅為現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)化硅工藝的十分之一。

硅基負(fù)極被看作下一代鋰電池負(fù)極材料。

市面上已經(jīng)有少數(shù)車(chē)型開(kāi)始應(yīng)用硅基負(fù)極材料。特斯拉 Model3 等車(chē)型已在在負(fù)極中摻入少量的硅。近期廣汽埃安AION LX Plus 車(chē)型上市，千里版搭載了海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)1000公里續(xù)航。

4680電池硅負(fù)極

總結(jié)一下4680電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是，它可以做到在降低成本的同時(shí)還提升性能。

三、4680電池的深遠(yuǎn)影響

4680電池并不算是一場(chǎng)顛覆性的技術(shù)革命，并不是在能量密度方面做出了突破，更多的是工藝技術(shù)上的創(chuàng)新。

但是在特斯拉的帶動(dòng)下，對(duì)當(dāng)下新能源市場(chǎng)的格局而言，4680電池的投產(chǎn)將會(huì)改變現(xiàn)有的電池格局。行業(yè)必然會(huì)掀起一波大體積圓柱電池的潮流。

據(jù)報(bào)道，松下計(jì)劃 2023 年初開(kāi)始為特斯拉量產(chǎn) 4680 大容量電池。新投資將高達(dá) 800 億日元（合約 7.04 億美元）。三星 SDI 和 LG 能源也加入了 4680 電池的開(kāi)發(fā)行列。

國(guó)內(nèi)方面，億緯鋰能發(fā)布公告稱，子公司億緯動(dòng)力擬在荊門(mén)高新區(qū)投建20GWh乘用車(chē)用大圓柱電池生產(chǎn)線。比克電池、蜂巢能源也將進(jìn)入大圓柱電池領(lǐng)域。寶馬、寧德時(shí)代也在積極部署大圓柱電池，基本格局已定。