特斯拉4680电池是如何设计的？

hudaren43

美国时间4月10日，Munro Live在社交媒体X（前身Twitter）上传了一张照片，图中二人正在拆解Cybertruck的电池包上盖，同样使用的是4680圆柱电池，Pack内的排布与Model Y类似，横向均分为4个区域，只不过Cybertruck的123度电的电池装入了更多4680电池。





具体的细节还有待Munro团队后期的拆解视频发布，不知道Cybertruck的4680电池是否已经有更新迭代？是否已经使用了干电极工艺和硅负极？笔者会持续关注。

特斯拉为什么选择4680电池？

根本原因是圆柱电池出色的规模化效应。



特斯拉自2003年成立以来就以其电动车代表未来汽车潮流而闻名。但是ModelS轿车的起步价为约8.5万美元，已经超出了大部分人的支付能力。不过，特斯拉将生产“大众市场”汽车，Model3于2017年上市。Model3将起步价定为3.5万美元，这对于普通消费者来说便宜了很多。

你可能会问为什么特斯拉Model S那么贵，而即将生产的Model 3降价那么多企业还能盈利？答案就在于构成电动汽车成本中的最大部分电池成本。2016年，这些电池每储备千瓦时(kwh)的制造成本达到400美元。Model3的电池组需要50千瓦时的储能，这意味着特斯拉汽车的电池成本大约为2万美元-已经超过了该车3.5万美元售价的一半以上。解决方法是:特斯拉通过在内华达建立50亿美元的“超级工厂”实现电池生产的规模经济。

该工厂到2020年实现全部产能，每年生产50万个电池组，而2016年特斯拉的电池产量只有3.5万个电池组。在工厂运行的第一年，特斯拉就能把每千瓦时储能电池的制造成本降低到 250 美元，而且这一成本还会随着产量的提高而继续降低。这意味着2017年50千瓦时电池组只需要1.25万美元的成本，而2020年产量峰值时该成本会降低为1万美元。这样低成本的电池可以保证Model3的盈利能力。在产量峰值时，超级工厂每年将生产500亿瓦时的电池--超过2016年世界总产量。这些电池中的部分也会被销售出去而做他用，比如用于家庭能源储备。

下图描述了电池生产的平均成本曲线。如你所见，规模经济对于降低电池生产成本非常重要。在本例中，电池成本下降一半之后，特斯拉就可以以许多消费者支付得起的价格出售Model3并依然盈利了。



特斯拉4680电池是如何设计的？

首先，“4680”指代的是圆柱电池的直径46mm和高度80mm。其中46mm的电池直径是根据车辆续航和生产成本的拟合，计算得出的最优尺寸。而80mm的电池高度则取决于整车底盘设计高度、电池包整体高度和电池包结构件的厚度等因素。



然后我们来看看电池内部的具体设计细节。

下图展示了4680电池的结构，从左到右依次是电池壳、塑料盘、正极连接片、卷芯、负极连接片和负极盖。



其中正负极连接片是卷芯和电池正负极的导电桥梁，分别有6个叶片均匀分布在圆盘上，正负极连接片和卷芯通过激光焊接固定。特斯拉采用了卷芯“无极耳”设计，这样可以降低卷芯内阻，大大提高电池的过流能力，一方面提高了充放电的倍率，另一方面可以防止“单极耳”或“少极耳”在大电流通过时局部过热导致的老化和热失控。



接下来将卷芯打开，分别取出正极片、负极片和隔膜。可以看到正负极片都只保留了单侧的极耳，且在头尾处切掉了部分箔材，便于卷绕。



如果我们一开始只知道电池的直径、外壳的厚度、极片的厚度和隔膜的厚度，如何计算出需要涂布的极片长度呢？这里需要引入阿基米德螺线相关理论。

假设卷芯的半径r，Φ是卷绕旋转总角度，α是螺线参数，则

r=Φ*α, 其中α=dascs/2π





螺旋弧线长度的计算公式为：



得到螺线参数后，先计算空心内核旋转弧度 Φ1=r1/α=18.4,

内核对应圈数为 Φ1/2π=2.9。

包含空心内核的旋转弧度 Φ2=r2/α=256.1,

对应圈数为 Φ2/2π=40.8。

因此，实际的正极卷绕圈数为 37.8。

根据螺线弧线长度计算公式，内核旋转弧线长 L1=13.1mm，包含内核的旋转弧线长 L2=2490.5mm，则正极长度为 2477.5mm，与正极实际测量长度 2477.5mm 非常接近。



同理也可以计算出负极片和隔膜所需长度。

以上就是笔者根据公开信息对特斯拉4680电池设计的简单分析，如果大家想要了解更多电池设计方面的知识，欢迎在评论区留言，笔者会筛选作为后期的主题，感谢大家的支持和关注！