4680电池详细解析

mizhongquan

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21mm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。

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；国内大圆柱电池亿纬布局领先，拟投20gwh产能，预计将于23年放量。

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