不是煙霧彈，特斯拉的4680大電池來了

2月19日，特斯拉發(fā)布推文稱，今年1月在加州工廠生產(chǎn)了第100萬塊4680電池。

在看好特斯拉的人眼里，盡管數(shù)量不大，但這標(biāo)志著4680電池正式進(jìn)入了量產(chǎn)階段，且預(yù)計特斯拉即將開始交付搭載4680電池的新型Model Y。

據(jù)了解，每輛ModelY大約需要1000個4680電池，100萬個4680電池僅夠生產(chǎn)約1000輛Model Y。

由此可見，一百萬塊電池的生產(chǎn)對產(chǎn)業(yè)鏈來說只是個開始，想要推動產(chǎn)業(yè)變革，自產(chǎn)外的采購必不可少。

目前，特斯拉正在美國加利福尼亞州、德克薩斯州、內(nèi)華達(dá)州，以及德國柏林的四個超級工廠自產(chǎn)4680電池。同時，松下等企業(yè)也計劃于2023年開始為特斯拉供貨。

而在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈方面，寧德時代等多家頭部企業(yè)也已投入4680電池量產(chǎn)布局，力求全方位加速推進(jìn)4680電池產(chǎn)線建設(shè)。

哪些方面實現(xiàn)了優(yōu)化?

2020年，在特斯拉的電池日活動上，馬斯克首次推出新型4680電池。4680電池以其尺寸命名，是一款直徑46毫米、高80毫米的圓柱體電池，是21700電池體積的5.48倍。

根據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)來看，4680電池的續(xù)航里程提升了16%、功率輸出提升6倍、能量提升5倍。這款電池的變革升級體現(xiàn)在4個層面。

首先，這款電池增大了尺寸。這一款由更大尺寸命名的電池，相比特斯拉現(xiàn)有21700電芯的直徑21mm，高70mm，在尺寸上增加了約40%。

特斯拉聲稱，對于圓柱形電池而言，直徑46mm是結(jié)合了高能量密度和高功率密度的最佳選擇。

第二，4680采用了硅碳負(fù)極材料。這是一種理論上能量密度比傳統(tǒng)石墨負(fù)極更高的材料，采用硅負(fù)極材料的鋰電池質(zhì)能密度可提高8%以上，體能密度則可達(dá)到提升10%以上。

并且，由于石墨負(fù)極的電壓十分接近鋰的沉積電位，硅基負(fù)極材料相比之下有更好的安全性。硅材料來源廣泛、成本低廉，普通人對硅原料甚至可以通俗地理解為沙子，這不失為一種十分環(huán)保的原料。

然后便是無極耳技術(shù)(也稱全極耳)的采用，也是特斯拉正在申請的新專利。當(dāng)前的電池普遍采用“果凍卷設(shè)計”， 這是一種將陰極、陽極和隔板卷在一起，通過陰極耳和陽極耳連接到電池容器的正極和負(fù)極端子的設(shè)計。

但這種設(shè)計下的電阻會隨著續(xù)航距離的增加而提高，且極耳作為額外零件的存在增加了成本和制造難度。

而無極耳技術(shù)是一種新型的電池制造方法，其核心設(shè)計理念是通過去掉極耳零件，將正負(fù)極集流體與蓋板/殼體直接連接，從而成倍增大電流傳導(dǎo)面積、縮短電流傳導(dǎo)距離。同時大幅降低電池內(nèi)阻，減少發(fā)熱量延長電池壽命，并提高充放電峰值功率。

最后，干電極技術(shù)樹立了動力電池新標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)電池需要先放置在NMP等有毒且昂貴的溶液中，然后再干燥并壓成薄膜。

而干電極技術(shù)則省去了放置溶液的步驟和干燥的過程，通過將活性正負(fù)粒子與聚四氟乙烯(PTFE)混合，使其原纖化，再將粉末直接碾壓成薄膜，壓在鋁或銅的原材料上。這一工藝相對簡單，且生產(chǎn)速度更快。

不僅節(jié)約了傳統(tǒng)方法帶來的溶劑開支和覆膜機(jī)成本，同時解決了溶劑中的鋰和碳若不能融合所帶來的容量損失的問題。從而提高了約5%的電池能量密度。

潛在問題

4680作為一款新型電池，所存在的隱患也不容小覷。

在所有的質(zhì)疑聲中，最方便大家理解的便是并未顯著提升的能力密度以及增大尺寸所帶來的一系列問題。

有人認(rèn)為，4680在電池的性能優(yōu)化部分主要來自于體積增大，而電池的的體積越大，對壓延壓力和散熱的需求就越大。

盡管特斯拉通過無平板技術(shù)在熱平衡系統(tǒng)上取得過突破，但4680的尺寸依然決定了它存在著更高的散熱和外延承壓需求。

其次，硅原料的循環(huán)性較差。鋰離子嵌入傳統(tǒng)的石墨原料時，石墨原料的體積膨脹并不明顯。但硅原料在鋰離子嵌入時，體積可能會膨脹四倍以上，反復(fù)的膨脹和收縮可能會將電池提早報廢。

而另一方面，硅原料的導(dǎo)電性不強(qiáng)，這一特點限制了硅電極材料在容量和性能方面的充分利用。

現(xiàn)況及展望

盡管松下等大企業(yè)宣稱已經(jīng)做好大規(guī)模量產(chǎn)4680電池的準(zhǔn)備。從這次特斯拉1月份宣布的4680大圓柱電池量產(chǎn)情況來看，完全量產(chǎn)并應(yīng)用于車特斯拉的主力車型仍需要一段時間。

雖然4680版Model Y即將問世，但馬斯克本人曾表示，沒有百分之百的信心于2022年將4680全面用于新版本的Model Y上。

4680大圓柱電池極大程度減少了單個電池包電池電芯數(shù)量，內(nèi)部活性物資的容量也變大，所以帶來了單個電池包的電芯的減少。

此前一代的1860圓柱電池需要7200+個電芯，到二代2170圓柱電池需要4400+個電芯左右，再到如今的4680大圓柱電池僅僅只需要950-1000個電芯。

但即便如此，但目前4680的產(chǎn)能相對于特斯拉的產(chǎn)銷率來看只是杯水車薪。

由于4680大圓柱電池本身體積變大，90%的良率與100萬塊4680大圓柱電池電芯的產(chǎn)量水平也僅能滿足大概1000輛特斯拉汽車的需求。與特斯拉目前每個月數(shù)十萬輛的產(chǎn)銷量相比，僅以目前產(chǎn)能還難以做到全面覆蓋。

此前，馬斯克在發(fā)布4680電池概念時提出對4680的投產(chǎn)計劃也可作為發(fā)展參考。

他于2020年預(yù)計4680電池全面投產(chǎn)大約需要三年時間，并且計劃4680產(chǎn)量在2022年達(dá)到一年100GWh、在2030年達(dá)到一年3TWh。其中，能夠搭載4680電池的車型有Model Y、Cybertruck以及Semi。

在這項計劃中，2022年Model Y產(chǎn)量將達(dá)到100萬輛，Cybertruck和Semi在2023年實現(xiàn)量產(chǎn)后，產(chǎn)量將分別達(dá)到25-30萬輛/年、10萬輛/年。

而Electric Vehicle Database數(shù)據(jù)顯示，Model Y、Cybertruck、Semi的電池容量分別為75kWh、250kWh和500kWh。

依此計算，若2022年4680電池產(chǎn)量需求約75GWh，2030年4680電池產(chǎn)量需求則約3.16TWh，增長可達(dá)4113%。此期望數(shù)值與馬斯克的計劃基本符合。

總結(jié)

4680電池增強(qiáng)了電池的動力性和安全性，在電池能量方面提升了5倍，動力方面提升了6倍。但在能量密度、循環(huán)性能等方面還有進(jìn)一步提高的空間。

總而言之，除去新材料和新技術(shù)的誕生外，電池容量的提升、生產(chǎn)效率的提升和成本的降低(下降14%)的主要原因則是因為電池尺寸和電芯的增大。

同時，4680電池的全方位投產(chǎn)也將在接下來將推動高鎳陰極、硅碳陰極、碳納米管導(dǎo)電劑、大圓柱結(jié)構(gòu)組件、新鋰鹽等多方面供給需求。

(來源：IEEE spectrum、 Utmel Electronic 、Engineerity.com等)