图解4680电池升级技术

一路上

1. 简介


1.1. 定义
4680电池为特斯拉推出的直径为46mm，高度为80mm的新一代圆柱电池。

图：4680电池展示图

对于电池来讲，能量密度提升时，功率密度会下降，直径46mm是圆柱电池兼顾高能量密度和高功率密度的最优选择。

图：圆柱电池尺寸与性能变化

1.2.  核心创新
大电芯+全极耳+干电池技术

1.3.  性能突破
4680电池大幅提升了电池功率（6倍于2170电池），降低了电池成本（14%于2170电池），优化了散热性能、生产效率、充电速度，能量密度、循环性能有进一步的提升空间。

2. 结构改变

2.1. 全极耳
4680电池通过极耳结构的改变，大幅提升了电池功率、优化了散热性能、生产效率、充电速度。

2.1.1. 全极耳结构
极耳：从电芯中将正负极引出来的金属导电体，是电池充放电时的接触点。在电池工作中，电子从正极极耳流向负极极耳，其流经路径与电池内阻成正比，流经宽度与电池内阻成反比，而电池内部损耗功率与内阻的平方成正比，因此极耳接触面积越大，极耳间距越短，电池输出功率越高。

传统电池只有两个极耳，分别连接正极与负极，而4680电池实现了全极耳（直接从正极/负极上剪出极耳），从而大大增加了电流通路，并缩短了极耳间距，进而大幅提升了电池功率。

2.1.2. 全极耳优势
1、提升了输出功率：电池电流通路变宽，且内阻大幅减少，内部损耗随之降低，进而大幅提升了电池功率（6倍于2170电池）。

2、提升安全性：圆柱电池与片状电池不同，其散热为轴向居多，热量从极耳出散出。传统圆柱电池如2170只有两个极耳，热量传输通道窄，因此散热效果不好。4680电池极耳面积大大增加，热量传输通道宽阔，大大改善了散热效果（只有传统圆柱电池的20%），增强了电池的热稳定性。

3、快充性能大幅提升：由于全极耳结构，电子更容易在电池内部移动，电流倍率提高，因此充放电速度更快。

4、提高生产效率：消除生产线添加极耳的流程和时间，节省设备空间，减少出现制造缺陷的可能。

2.1.3. 全极耳工艺难点
1、全极耳制作中，极耳的收集问题：通俗的理解就是把极耳折在一起的工艺，目前有揉压极耳、切跌极耳、多极耳三种：
1）揉压极耳的极耳形态不受控，容易发生短路，制造时两段封闭，电解液渗入阻碍大；
2）切跌极耳（Tesla）斜切成片卷起，比无规则挤压好一些，占空间较小，但表面起伏度较大，制造时两段仍封闭，注液不能连续生产；
3）多极耳很难折叠整齐，极耳位置误差在外圈易被放大。

2、全极耳与集流盘或壳体连接中，对激光焊接技术要求较高：从点焊（传统两个极耳）到面焊（4680电池全极耳），焊接工序和焊接量都变多，激光强度和焦距不容易控制，易焊穿烧到电芯内部或者没有焊，目前电池良率较低（80%）。

图 Tesla切跌极耳成品

2.1.4. 全极耳带来的机遇
从以往2170电池的脉冲激光器点焊，到目前4680电池线或激光点阵，激光焊接工艺提升，可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，整体造价增加。

2.2. 大电芯：

2.2.1. 性能表现
4680电池较之前2170电池在直径和高度上具有提升，直径从27mm变为46mm，高度从70mm变为80mm，电芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大。

2.2.2. 尺寸变大优势
1、降低电池成本：降低壳体在单位电池容量上的占比，结构件和焊接数量也显著减少（成本相比2170电池降低14%）。
2、提升能力密度：随着电池尺寸增大，电池组中电池数量减少，金属外壳占比减少，正极、负极等材料占比增加，能量密度提高。
3、bms系统更加省心：电池组中电池数量减少，对于电池的监测和状态分析更为简单。
4、结构强度增加，与CTC技术完美结合：4680尺寸更大结构强度更高，其作为结构电池成为车结构的一部分，既提供能源，也用作结构起支撑作用，节省了空间也减少了重量（10%），因此提升了续航里程（14%）。

2.2.3. 尺寸变大劣势
增加发热量：电池尺寸越大，发热越多，散热越难，因此热量控制更困难，电池爆炸产生的威力越大，为之前电池厂商想增加电池尺寸的最大瓶颈，Tesla通过全极耳技术进行了热稳定性能的突破。

2.2.4. 实际性能表现
随着电池尺寸增大，电池组中电池数量减少，金属外壳占比减少，正极、负极等材料占比增加，能量密度提高。与2170电池相比，4680电池能量方面提高了5倍，目前续航里程的提升（16%）主要来自CTC技术（14%），随着材料体系的不断升级，电池能量密度有进一步提升空间。

3. 干电池技术
干电极技术可同时用在正负极上。

3.1. 传统湿法工艺
需要将材料放置溶液中，再进行干燥和压成膜：使用有粘合剂材料的溶剂，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一种常见溶剂，将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后，将浆料涂在电极集电体上并干燥，其中溶剂有毒需回收，进行纯化和再利用，中间需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机器。

3.2. 干电池工艺
干电极工艺彻底跳过加入溶液步骤，可省略繁复的涂覆，烘干等工艺，大幅简化生产流程：将活跃的正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纤维化，直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。

图：Tesla干电池工艺展示

3.3. 干电池优势
1、工艺简单，节省成本：不采用溶剂，省去了昂贵的涂覆机。
2、提升生产效率：干电极技术使生产速度提升至以前的七倍。
3、增加电池能量密度：有溶剂的情况下，锂与混有锂金属的碳不能很好的彼此融合，有第一次循环容量损失问题，干电池技术会大大改善这种问题，从而提升电池能量密度。同时增加正极材料厚度，从55μm提升至60μm 提升活跃电极材料比，使能量密度提升5%同时，保证功率密度。

3.4. 干电池工艺难点
目前工艺不成熟，电池要做厚，圆柱要卷起来，容易开裂。

4. 硅负极

4.1. 优势
1、理论能量密度更高：石墨负极理论最大电池容量372Wh/kg，硅负极理论最大电池容量可达4200Wh/kg。
2、安全性更好：硅的电压平台比石墨高，现在负极石墨都会产生锂枝晶，是因为它们的电压平台接近锂的析出电位，支晶刺破隔膜，正负极将发生短路，严重威胁电池安全。
3、成本更低：硅材料来源广，储量丰富，制作成本较低，对环境友好 。采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8%以上，体积能量密度可以提升10%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%。

4.2. 劣势
1、循环性能差：嵌锂后体积膨胀，石墨在锂离子嵌入后体积无明显膨胀情况，但硅在锂离子嵌入后体积膨胀四倍以上，来回几次膨胀收缩后电池就报废了。
2、导电性差：硅的低电导性限制其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能；体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差，导电性下降；硅表面的SEI膜厚且不均匀，影响导电性与电池整体比能量。

4.3. 4680电池创新设计
Tesla对原材料重新设计，采取高弹性材料，并通过增加弹性的离子聚合物涂层，可以稳定硅表面结构，并使成本降低5%。

图：Tesla硅负极工艺原理

4.4. 硅碳负极为硅负极的发展方向
电池企业积极应用硅碳负极：硅碳负极目前主要应用于圆柱电池，宁德时代、力神电池、国轩高科与普莱德等动力电池厂商高比容量电池方案中，硅碳负极为明确发展方向。

硅碳负极研发生产提速：国外硅碳产业化较为领先，国内厂商正积极追赶，目前国内负极厂商已扩大硅碳负极投入，贝特瑞、杉杉、国轩高科、正拓能源可实现量产。其中贝特瑞硅碳负极供给松下动力电池，进入特斯拉产业链。部分电池企业如CATL、比亚迪、国轩高科、比克和天津力神等企业均在硅碳积极布局。

硅碳电池是高能量密度发展的必然趋势，随技术瓶颈的克服与终端客户接受度提升，硅碳将成本下降，实现大规模量产， CNCET预计23年我国硅碳负极材料产量及消费量将达到6万吨，未来硅碳负极市场前景巨大。


5. 正极


不同的电极用在不同的产品上，铁锂版的4680会用在低续航的车型和能源储蓄电池，主打更多循环次数；镍锰锂4680电池用在中等续航的车型和家用电池上；高镍4680电池用在cybertruck和Semi上。

Tesla正极材料主打高镍无钴化方向，但没有提出与主流路线之外的创新：使用NCA单晶路线，通过提升电压来提升能量密度，材料热稳定性媲美磷酸铁锂。

5.1. NCA
三元正极材料路线一般分为两条：
1）Tesla采取的NCA（镍钴铝）；2）NCM（镍钴锰），比如宁德时代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

图：NCM与NCA区别

正极材料中元素的作用为：
镍：提升电池能量密度，降低电池成本。是电池提升续航的关键。
钴：作为正极支架结构坚固，但价格昂贵，并对环境造成污染。
锰、铝：提高材料的导热性，是热稳定性，更安全的关键。
铁：镍的替代材料，能量密度不高，但价格便宜，充放电次数更高。
相比与NCM，NCA的能量密度更大，工艺要求也更高，但安全性差些。Tesla提高镍的含量，降低钴的含量，从而提升能量密度，降低成本。

图：NCM中钴含量在逐渐降低

5.2. 单晶化
与提高镍元素来提高能量密度不同，单晶化是通过提高正极材料的电压来提升能量密度：单晶材料相对于传统的多晶材料更适合做高电压，没有晶界，可提升三元电池的热稳定性和循环性能。

图：单晶化正极镍含量

图：单晶化提升电池循环性能

以5系为代表高电压单晶材料镍55电池，只采用了和NCM523相同的镍含量，就可实现NCM811的能量密度，并且有更突出的材料方面的热稳定性，成本比NCM811更低。

图：镍55电池和NCM系电池成分对比

5.3. 4680电池正极趋势
4680电池实际有三种不同的正极材料：铁锂、镍锰铝、高镍。

图：三种4680电池（铁锂、镍锰铝、高镍）运用产品

5.3.1. 4680电池目前以高镍方向为主
4680高镍版为Tesla目前主要方向，未来用在高续航的Cyber truck和Semi上，同时长续航和高性能版本的Model 3和Model Y也可使用。

5.3.2. 4680电池镍锰版将紧跟高镍版
在4680高镍版技术成熟后，将研发4680镍锰版，将应用在中等续航Model Y及家用电池等产品上。

5.3.3. 4680电池未来也有可能使用铁锂正极
4680电池也有可能使用铁锂正极：Tesla电池发布会中，并未提及其循环性能，因为硅基阳极体积膨胀降低充放电次数，在镍锰版4680电池技术成熟后，铁锂版的4680电池大概率也可推出，应用于低价车型、能源储蓄电池中，主打高循环性能。
电池型号从高镍版陆续到镍锰版最后到铁锂版的4680电池逐渐发展，会拉动相关材料的需求。

6. 产业化进度


1、特斯拉在2020年率先发布，计划在2022年年底达100GWh的4680电池产能，2030年达3TWh。
2、亿纬锂能在大圆柱电池方面布局较为领先，2021年已生产出4680和4695成品，并获得下游车企认可。此次规划的20GWh乘用车用大圆柱电池产能预计在2023年开始量产。
3、松下计划2022年3月在日本开始试生产4680电池，4680电池产品开发的技术目标已基本实现，但大规模量产仍存在技术门槛。
4、LG、三星、宁德、比克、蜂巢等电池企业也在研发中，大圆柱电池的应用会进一步推动高镍材料的发展。

7. 结论
4680电池核心创新工艺为：大电芯+全极耳+干电池技术，增强了电池功率与安全性，提升了生产效率、快充性能，降低了电池成本，能量密度、循环性能有进一步的提升空间。目前技术难点在于全极耳的制作和焊接、干电极工艺。4680电池率先应用于高镍体系，预计22年上半年特斯拉及松下开始量产，将带动高镍正极+硅碳负极+碳纳米管导电剂+大圆柱结构件+新型锂盐需求，对应龙头将受益。