近段時間，車企與電池企業(yè)對于大圓柱4680電池方面布局頻繁爆出，使得更多關(guān)于大圓柱電池的信息不斷浮出水面，多方面消息報道，未來大圓柱4680電池將成為動力電池的重要技術(shù)路線之一。

據(jù)了解，4680電芯是特斯拉在去年正式公布的新型電池，號稱單體能量提高5倍，整車續(xù)航里程增加16%，電力相比有極耳電池提升了6倍，功率輸出提升了6倍。 相比于特斯拉之前搭載的21700電池，其直徑更寬、高度更高，僅由950個電芯組成，能量密度約300Wh/kg。 不僅如此，在創(chuàng)新性的制造和組裝方面，4680電池共計節(jié)省了約86%的成本，而每kWh降低了69%的成本。有用戶還實測了該電池組的充電速度，實測在52分鐘從0充到了97%，而且接通電源后充電功率立即躍升至了250千瓦，表現(xiàn)確實出色。 那么4680到底是何方神圣？

1. 簡介

1.1. 定義

4680電池為特斯拉推出的直徑為46mm，高度為80mm的新一代圓柱電池。

圖：4680電池展示圖

對于電池來講，能量密度提升時，功率密度會下降，直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優(yōu)選擇。

圖：圓柱電池尺寸與性能變化

1.2. ?核心創(chuàng)新

大電芯+全極耳+干電池技術(shù)

1.3. ?性能突破

4680電池大幅提升了電池功率（6倍于2170電池），降低了電池成本（14%于2170電池），優(yōu)化了散熱性能、生產(chǎn)效率、充電速度，能量密度、循環(huán)性能有進一步的提升空間。

2. 結(jié)構(gòu)改變

2.1. 全極耳

4680電池通過極耳結(jié)構(gòu)的改變，大幅提升了電池功率、優(yōu)化了散熱性能、生產(chǎn)效率、充電速度。

2.1.1. 全極耳結(jié)構(gòu)

極耳：從電芯中將正負極引出來的金屬導(dǎo)電體，是電池充放電時的接觸點。在電池工作中，電子從正極極耳流向負極極耳，其流經(jīng)路徑與電池內(nèi)阻成正比，流經(jīng)寬度與電池內(nèi)阻成反比，而電池內(nèi)部損耗功率與內(nèi)阻的平方成正比，因此極耳接觸面積越大，極耳間距越短，電池輸出功率越高。

傳統(tǒng)電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池實現(xiàn)了全極耳（直接從正極/負極上剪出極耳），從而大大增加了電流通路，并縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率。

2.1.2. 全極耳優(yōu)勢

1、提升了輸出功率：電池電流通路變寬，且內(nèi)阻大幅減少，內(nèi)部損耗隨之降低，進而大幅提升了電池功率（6倍于2170電池）。

2、提升安全性：圓柱電池與片狀電池不同，其散熱為軸向居多，熱量從極耳出散出。傳統(tǒng)圓柱電池如2170只有兩個極耳，熱量傳輸通道窄，因此散熱效果不好。4680電池極耳面積大大增加，熱量傳輸通道寬闊，大大改善了散熱效果（只有傳統(tǒng)圓柱電池的20%），增強了電池的熱穩(wěn)定性。

3、快充性能大幅提升：由于全極耳結(jié)構(gòu)，電子更容易在電池內(nèi)部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。

4、提高生產(chǎn)效率：消除生產(chǎn)線添加極耳的流程和時間，節(jié)省設(shè)備空間，減少出現(xiàn)制造缺陷的可能。

2.1.3. 全極耳工藝難點

1、全極耳制作中，極耳的收集問題：通俗的理解就是把極耳折在一起的工藝，目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種：

1）揉壓極耳的極耳形態(tài)不受控，容易發(fā)生短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大；

2）切跌極耳（Tesla）斜切成片卷起，比無規(guī)則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大，制造時兩段仍封閉，注液不能連續(xù)生產(chǎn)；

3）多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。

2、全極耳與集流盤或殼體連接中，對激光焊接技術(shù)要求較高：從點焊（傳統(tǒng)兩個極耳）到面焊（4680電池全極耳），焊接工序和焊接量都變多，激光強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內(nèi)部或者沒有焊，目前電池良率較低（80%）。

2.1.4. 全極耳帶來的機遇

從以往2170電池的脈沖激光器點焊，到目前4680電池線或激光點陣，激光焊接工藝提升，可能會從原來的脈沖激光器變?yōu)檫B續(xù)激光器，整體造價增加。

2.2. 大電芯

2.2.1. 性能表現(xiàn)

4680電池較之前2170電池在直徑和高度上具有提升，直徑從27mm變?yōu)?6mm，高度從70mm變?yōu)?0mm，電芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大。

2.2.2. 尺寸變大優(yōu)勢

1、降低電池成本：降低殼體在單位電池容量上的占比，結(jié)構(gòu)件和焊接數(shù)量也顯著減少（成本相比2170電池降低14%）。

2、提升能力密度：隨著電池尺寸增大，電池組中電池數(shù)量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。

3、bms系統(tǒng)更加省心：電池組中電池數(shù)量減少，對于電池的監(jiān)測和狀態(tài)分析更為簡單。

4、結(jié)構(gòu)強度增加，與CTC技術(shù)完美結(jié)合：4680尺寸更大結(jié)構(gòu)強度更高，其作為結(jié)構(gòu)電池成為車結(jié)構(gòu)的一部分，既提供能源，也用作結(jié)構(gòu)起支撐作用，節(jié)省了空間也減少了重量（10%），因此提升了續(xù)航里程（14%）。

2.2.3. 尺寸變大劣勢

增加發(fā)熱量：電池尺寸越大，發(fā)熱越多，散熱越難，因此熱量控制更困難，電池爆炸產(chǎn)生的威力越大，為之前電池廠商想增加電池尺寸的最大瓶頸，Tesla通過全極耳技術(shù)進行了熱穩(wěn)定性能的突破。

2.2.4. 實際性能表現(xiàn)

隨著電池尺寸增大，電池組中電池數(shù)量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。與2170電池相比，4680電池能量方面提高了5倍，目前續(xù)航里程的提升（16%）主要來自CTC技術(shù)（14%），隨著材料體系的不斷升級，電池能量密度有進一步提升空間。

3. 干電池技術(shù)

干電極技術(shù)可同時用在正負極上。

3.1. 傳統(tǒng)濕法工藝

需要將材料放置溶液中，再進行干燥和壓成膜：使用有粘合劑材料的溶劑，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一種常見溶劑，將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后，將漿料涂在電極集電體上并干燥，其中溶劑有毒需回收，進行純化和再利用，中間需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機器。

3.2. 干電池工藝

干電極工藝徹底跳過加入溶液步驟，可省略繁復(fù)的涂覆，烘干等工藝，大幅簡化生產(chǎn)流程：將活躍的正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纖維化，直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，制備出正負極片。

圖：Tesla干電池工藝展示

3.3. 干電池優(yōu)勢

1、工藝簡單，節(jié)省成本：不采用溶劑，省去了昂貴的涂覆機。

2、提升生產(chǎn)效率：干電極技術(shù)使生產(chǎn)速度提升至以前的七倍。

3、增加電池能量密度：有溶劑的情況下，鋰與混有鋰金屬的碳不能很好的彼此融合，有第一次循環(huán)容量損失問題，干電池技術(shù)會大大改善這種問題，從而提升電池能量密度。同時增加正極材料厚度，從55μm提升至60μm 提升活躍電極材料比，使能量密度提升5%同時，保證功率密度。

3.4. 干電池工藝難點

目前工藝不成熟，電池要做厚，圓柱要卷起來，容易開裂。

4. 硅負極

4.1. 優(yōu)勢

1、理論能量密度更高：石墨負極理論最大電池容量372Wh/kg，硅負極理論最大電池容量可達4200Wh/kg。

2、安全性更好：硅的電壓平臺比石墨高，現(xiàn)在負極石墨都會產(chǎn)生鋰枝晶，是因為它們的電壓平臺接近鋰的析出電位，支晶刺破隔膜，正負極將發(fā)生短路，嚴重威脅電池安全。

3、成本更低：硅材料來源廣，儲量豐富，制作成本較低，對環(huán)境友好 。采用硅負極材料的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%。

4.2. 劣勢

1、循環(huán)性能差：嵌鋰后體積膨脹，石墨在鋰離子嵌入后體積無明顯膨脹情況，但硅在鋰離子嵌入后體積膨脹四倍以上，來回幾次膨脹收縮后電池就報廢了。

2、導(dǎo)電性差：硅的低電導(dǎo)性限制其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能；體積變化使活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑粘結(jié)劑接觸差，導(dǎo)電性下降；硅表面的SEI膜厚且不均勻，影響導(dǎo)電性與電池整體比能量。

4.3. 4680電池創(chuàng)新設(shè)計

Tesla對原材料重新設(shè)計，采取高彈性材料，并通過增加彈性的離子聚合物涂層，可以穩(wěn)定硅表面結(jié)構(gòu)，并使成本降低5%。

圖：Tesla硅負極工藝原理

4.4. 硅碳負極為硅負極的發(fā)展方向

電池企業(yè)積極應(yīng)用硅碳負極：硅碳負極目前主要應(yīng)用于圓柱電池，寧德時代、力神電池、國軒高科與普萊德等動力電池廠商高比容量電池方案中，硅碳負極為明確發(fā)展方向。

硅碳負極研發(fā)生產(chǎn)提速：國外硅碳產(chǎn)業(yè)化較為領(lǐng)先，國內(nèi)廠商正積極追趕，目前國內(nèi)負極廠商已擴大硅碳負極投入，貝特瑞、杉杉、國軒高科、正拓能源可實現(xiàn)量產(chǎn)。其中貝特瑞硅碳負極供給松下動力電池，進入特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈。部分電池企業(yè)如CATL、比亞迪、國軒高科、比克和天津力神等企業(yè)均在硅碳積極布局。

硅碳電池是高能量密度發(fā)展的必然趨勢，隨技術(shù)瓶頸的克服與終端客戶接受度提升，硅碳將成本下降，實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)， CNCET預(yù)計23年我國硅碳負極材料產(chǎn)量及消費量將達到6萬噸，未來硅碳負極市場前景巨大。

5. 正極

不同的電極用在不同的產(chǎn)品上，鐵鋰版的4680會用在低續(xù)航的車型和能源儲蓄電池，主打更多循環(huán)次數(shù)；鎳錳鋰4680電池用在中等續(xù)航的車型和家用電池上；高鎳4680電池用在cybertruck和Semi上。

Tesla正極材料主打高鎳無鈷化方向，但沒有提出與主流路線之外的創(chuàng)新：使用NCA單晶路線，通過提升電壓來提升能量密度，材料熱穩(wěn)定性媲美磷酸鐵鋰。

5.1. NCA

三元正極材料路線一般分為兩條：

1）Tesla采取的NCA（鎳鈷鋁）；2）NCM（鎳鈷錳），比如寧德時代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

圖：NCM與NCA區(qū)別

正極材料中元素的作用為：

鎳：提升電池能量密度，降低電池成本。是電池提升續(xù)航的關(guān)鍵。

鈷：作為正極支架結(jié)構(gòu)堅固，但價格昂貴，并對環(huán)境造成污染。

錳、鋁：提高材料的導(dǎo)熱性，是熱穩(wěn)定性，更安全的關(guān)鍵。

鐵：鎳的替代材料，能量密度不高，但價格便宜，充放電次數(shù)更高。

相比與NCM，NCA的能量密度更大，工藝要求也更高，但安全性差些。Tesla提高鎳的含量，降低鈷的含量，從而提升能量密度，降低成本。

圖：NCM中鈷含量在逐漸降低

5.2. 單晶化

與提高鎳元素來提高能量密度不同，單晶化是通過提高正極材料的電壓來提升能量密度：單晶材料相對于傳統(tǒng)的多晶材料更適合做高電壓，沒有晶界，可提升三元電池的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能。

圖：單晶化正極鎳含量

圖：單晶化提升電池循環(huán)性能

以5系為代表高電壓單晶材料鎳55電池，只采用了和NCM523相同的鎳含量，就可實現(xiàn)NCM811的能量密度，并且有更突出的材料方面的熱穩(wěn)定性，成本比NCM811更低。

圖：鎳55電池和NCM系電池成分對比

5.3. 4680電池正極趨勢

4680電池實際有三種不同的正極材料：鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳。

圖：三種4680電池（鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳）運用產(chǎn)品

5.3.1. 4680電池目前以高鎳方向為主

4680高鎳版為Tesla目前主要方向，未來用在高續(xù)航的Cyber truck和Semi上，同時長續(xù)航和高性能版本的Model 3和Model Y也可使用。

5.3.2. 4680電池鎳錳版將緊跟高鎳版

在4680高鎳版技術(shù)成熟后，將研發(fā)4680鎳錳版，將應(yīng)用在中等續(xù)航Model Y及家用電池等產(chǎn)品上。

5.3.3. 4680電池未來也有可能使用鐵鋰正極

4680電池也有可能使用鐵鋰正極：Tesla電池發(fā)布會中，并未提及其循環(huán)性能，因為硅基陽極體積膨脹降低充放電次數(shù)，在鎳錳版4680電池技術(shù)成熟后，鐵鋰版的4680電池大概率也可推出，應(yīng)用于低價車型、能源儲蓄電池中，主打高循環(huán)性能。

電池型號從高鎳版陸續(xù)到鎳錳版最后到鐵鋰版的4680電池逐漸發(fā)展，會拉動相關(guān)材料的需求。

6. 產(chǎn)業(yè)化進度

1、特斯拉在2020年率先發(fā)布，計劃在2022年年底達100GWh的4680電池產(chǎn)能，2030年達3TWh。

2、億緯鋰能在大圓柱電池方面布局較為領(lǐng)先，2021年已生產(chǎn)出4680和4695成品，并獲得下游車企認可。此次規(guī)劃的20GWh乘用車用大圓柱電池產(chǎn)能預(yù)計在2023年開始量產(chǎn)。

3、松下計劃2022年3月在日本開始試生產(chǎn)4680電池，4680電池產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)目標(biāo)已基本實現(xiàn)，但大規(guī)模量產(chǎn)仍存在技術(shù)門檻。

4、LG、三星、寧德、比克、蜂巢等電池企業(yè)也在研發(fā)中，大圓柱電池的應(yīng)用會進一步推動高鎳材料的發(fā)展。

7. 結(jié)論

4680電池核心創(chuàng)新工藝為：大電芯+全極耳+干電池技術(shù)，增強了電池功率與安全性，提升了生產(chǎn)效率、快充性能，降低了電池成本，能量密度、循環(huán)性能有進一步的提升空間。目前技術(shù)難點在于全極耳的制作和焊接、干電極工藝。

編輯：黃飛

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