不是烟雾弹，特斯拉的4680大电池来了

　　译 | 卢安琪

　　目前4680的产能相对于特斯拉的产销率来看只是杯水车薪。

　　2月19日，特斯拉发布推文称，今年1月在加州工厂生产了第100万块4680电池。

　　在看好特斯拉的人眼里，尽管数量不大，但这标志着4680电池正式进入了量产阶段，且预计特斯拉即将开始交付搭载4680电池的新型Model Y。

　　据了解，每辆ModelY大约需要1000个4680电池，100万个4680电池仅够生产约1000辆Model Y。

　　由此可见，一百万块电池的生产对产业链来说只是个开始，想要推动产业变革，自产外的采购必不可少。

　　目前，特斯拉正在美国加利福尼亚州、德克萨斯州、内华达州，以及德国柏林的四个超级工厂自产4680电池。同时，松下等企业也计划于2023年开始为特斯拉供货。

　　而在国内产业链方面，宁德时代(300750)等多家头部企业也已投入4680电池量产布局，力求全方位加速推进4680电池产线建设。

　　哪些方面实现了优化？

　　2020年，在特斯拉的电池日活动上，马斯克首次推出新型4680电池。4680电池以其尺寸命名，是一款直径46毫米、高80毫米的圆柱体电池，是21700电池体积的5.48倍。

　　根据特斯拉公布的数据来看，4680电池的续航里程提升了16%、功率输出提升6倍、能量提升5倍。这款电池的变革升级体现在4个层面。

　　首先，这款电池增大了尺寸。这一款由更大尺寸命名的电池，相比特斯拉现有21700电芯的直径21mm，高70mm，在尺寸上增加了约40%。

　　特斯拉声称，对于圆柱形电池而言，直径46mm是结合了高能量密度和高功率密度的最佳选择。

　　第二，4680采用了硅碳负极材料。这是一种理论上能量密度比传统石墨负极更高的材料，采用硅负极材料的锂电池质能密度可提高8%以上，体能密度则可达到提升10%以上。

　　并且，由于石墨负极的电压十分接近锂的沉积电位，硅基负极材料相比之下有更好的安全性。硅材料来源广泛、成本低廉，普通人对硅原料甚至可以通俗地理解为沙子，这不失为一种十分环保的原料。

　　然后便是无极耳技术（也称全极耳）的采用，也是特斯拉正在申请的新专利。当前的电池普遍采用“果冻卷设计”， 这是一种将阴极、阳极和隔板卷在一起，通过阴极耳和阳极耳连接到电池容器的正极和负极端子的设计。

　　但这种设计下的电阻会随着续航距离的增加而提高，且极耳作为额外零件的存在增加了成本和制造难度。

　　而无极耳技术是一种新型的电池制造方法，其核心设计理念是通过去掉极耳零件，将正负极集流体与盖板／壳体直接连接，从而成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离。同时大幅降低电池内阻，减少发热量延长电池寿命，并提高充放电峰值功率。

　　最后，干电极技术树立了动力电池新标准。传统电池需要先放置在NMP等有毒且昂贵的溶液中，然后再干燥并压成薄膜。

　　而干电极技术则省去了放置溶液的步骤和干燥的过程，通过将活性正负粒子与聚四氟乙烯(PTFE)混合，使其原纤化，再将粉末直接碾压成薄膜，压在铝或铜的原材料上。这一工艺相对简单，且生产速度更快。

　　不仅节约了传统方法带来的溶剂开支和覆膜机成本，同时解决了溶剂中的锂和碳若不能融合所带来的容量损失的问题。从而提高了约5%的电池能量密度。

　　潜在问题

　　4680作为一款新型电池，所存在的隐患也不容小觑。

　　在所有的质疑声中，最方便大家理解的便是并未显著提升的能力密度以及增大尺寸所带来的一系列问题。

　　有人认为，4680在电池的性能优化部分主要来自于体积增大，而电池的的体积越大，对压延压力和散热的需求就越大。

　　尽管特斯拉通过无平板技术在热平衡系统上取得过突破，但4680的尺寸依然决定了它存在着更高的散热和外延承压需求。

　　其次，硅原料的循环性较差。锂离子嵌入传统的石墨原料时，石墨原料的体积膨胀并不明显。但硅原料在锂离子嵌入时，体积可能会膨胀四倍以上，反复的膨胀和收缩可能会将电池提早报废。

　　而另一方面，硅原料的导电性不强，这一特点限制了硅电极材料在容量和性能方面的充分利用。

　　现况及展望

　　尽管松下等大企业宣称已经做好大规模量产4680电池的准备。从这次特斯拉1月份宣布的4680大圆柱电池量产情况来看，完全量产并应用于车特斯拉的主力车型仍需要一段时间。

　　虽然4680版Model Y即将问世，但马斯克本人曾表示，没有百分之百的信心于2022年将4680全面用于新版本的Model Y上。

　　4680大圆柱电池极大程度减少了单个电池包电池电芯数量，内部活性物资的容量也变大，所以带来了单个电池包的电芯的减少。

　　此前一代的1860圆柱电池需要7200+个电芯，到二代2170圆柱电池需要4400+个电芯左右，再到如今的4680大圆柱电池仅仅只需要950-1000个电芯。

　　但即便如此，但目前4680的产能相对于特斯拉的产销率来看只是杯水车薪。

　　由于4680大圆柱电池本身体积变大，90%的良率与100万块4680大圆柱电池电芯的产量水平也仅能满足大概1000辆特斯拉汽车的需求。与特斯拉目前每个月数十万辆的产销量相比，仅以目前产能还难以做到全面覆盖。

　　此前，马斯克在发布4680电池概念时提出对4680的投产计划也可作为发展参考。

　　他于2020年预计4680电池全面投产大约需要三年时间，并且计划4680产量在2022年达到一年100GWh、在2030年达到一年3TWh。其中，能够搭载4680电池的车型有Model Y、Cybertruck以及Semi。

　　在这项计划中，2022年Model Y产量将达到100万辆，Cybertruck和Semi在2023年实现量产后，产量将分别达到25-30万辆/年、10万辆/年。

　　而Electric Vehicle Database数据显示，Model Y、Cybertruck、Semi的电池容量分别为75kWh、250kWh和500kWh。

　　依此计算，若2022年4680电池产量需求约75GWh，2030年4680电池产量需求则约3.16TWh，增长可达4113%。此期望数值与马斯克的计划基本符合。

　　总结

　　4680电池增强了电池的动力性和安全性，在电池能量方面提升了5倍，动力方面提升了6倍。但在能量密度、循环性能等方面还有进一步提高的空间。

　　总而言之，除去新材料和新技术的诞生外，电池容量的提升、生产效率的提升和成本的降低（下降14%）的主要原因则是因为电池尺寸和电芯的增大。

　　同时，4680电池的全方位投产也将在接下来将推动高镍阴极、硅碳阴极、碳纳米管导电剂、大圆柱结构组件、新锂盐等多方面供给需求。

　　来源：IEEE spectrum、 Utmel Electronic 、Engineerity.com等

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