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2020 特斯拉電池日，馬斯克提出了 TWh 級別的電池生產(chǎn)目標
很多時候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在電池日上亮相了劃時代的 4680 電池，而那時距離 4680 電池概念的提出僅僅才過去了 1 年，2019 年由松下和歐洲的一個化學實驗室基于全極耳的理論對圓柱電池進行優(yōu)化和改進，最后覺得 4680 電池是個不錯的方案。
如果以松下的風格，至少得等到 2022 年才開始對外宣傳，到 2025 年后才可能開始大規(guī)模量產(chǎn)，畢竟實驗室里做出來跟大規(guī)模量產(chǎn)完全不是一回事，但特斯拉就是敢「吹出去」，而且這次似乎又吹成了。慶祝特斯拉加州工廠試點生產(chǎn)了 100 萬個 4680 電池，大概能裝 1,000 臺 Model Y
在剛結(jié)束不久的電動汽車百人會 2022 上，松下、比克電池、億緯鋰能幾大電池巨頭都表示了對 46 系大圓柱電池的看好，同時在 1 月份特斯拉宣布在加州的工廠內(nèi)已經(jīng)試點生產(chǎn)了 100 萬個 4680 電池，距離 4680 電池的正式裝車已經(jīng)近在咫尺了。
下面就重點聊聊特斯拉 4680 電池的核心技術(shù)創(chuàng)新以及未來對市場的影響。
01、認識 4680 電池
在介紹特斯拉 4680 電池的核心技術(shù)之前，先通過幾個問答簡單了解一下 4680 電池。
什么是 4680 電池？
7 號電池、5 號電池、18650、2170 和 4680 電池個頭對比，4680 明顯要大不少
4680 電池即直徑 46 mm、高 80 mm 的圓柱電池，目前特斯拉使用的 18650 和 2170 電池也符合這一命名規(guī)則，其中 18650 電池最后一個「0」的含義是圓柱，只不過 2170、4680 電池省略了。
為什么是 4680 電池，而不是更大或更小的？
特斯拉 PPT 顯示，圓柱電池直徑 46 mm 是續(xù)航提升和降本的最優(yōu)解
首先來看直徑「46 mm」這個指標，從安全性來看，雖然整車電池節(jié)數(shù)減少可以降低 BMS 的管理難度，但是大電芯的散熱是個難題，46 mm 是個平衡范圍內(nèi)的點。從提升續(xù)航和降本的角度來看，特斯拉認為 46 mm 以后整車的續(xù)航開始下降，同時降本的邊際效益變得非常低，因此 46 mm 是最優(yōu)解。另外從內(nèi)部應(yīng)力的角度來看，46 mm 也是一個比較臨界的點，在化學性能、生產(chǎn)工藝沒有本質(zhì)上的突破前，46 mm 是一個黃金尺寸。
另一個參數(shù)高度「80 mm」，其實目前業(yè)界還沒有定論，主要因各家底盤設(shè)計而異，比如寶馬采用的是 4695 方案，還有的廠商規(guī)劃了 46105 的方案，即高度為 105 mm。但這個高度也不能太高，一方面是徑向散熱會成問題，另一方面這樣會明顯增加底盤厚度，從而影響設(shè)計美感和風阻。
為什么特斯拉鐘情于圓柱電池？
簡單來說就是路徑依賴，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款車型 Roadster，當時市面上還沒有非常成熟的動力電池方案可選，而松下的 18650 電池在民用領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟穩(wěn)定，安全性和一致性都達到了非常高的水準，特斯拉于是選擇了用幾千個單體電池組裝的方案，雖然對 BMS 的考驗比較大，但在當時確實也比其他動力電池方案更為靠譜。
特斯拉 Model S 電池包，由數(shù)千個 18650 電池組成
隨著動力電池的發(fā)展，18650 電池逐步升級為 2170 電池，特斯拉以及它的供應(yīng)商松下、LG 化學等就越來越專精于圓柱電池，不過這次 4680 電池對圓柱電池來說也是一次擠爆牙膏的升級。
02、牙膏擠爆，特斯拉 4680 電池的核心技術(shù)創(chuàng)新點
特斯拉電池日 PPT，4680 電池要比 2170 電池提高 54% 的續(xù)航并降低 56% 的成本
從 18650 到 21700 的升級從數(shù)字就可以看出來頗有點擠牙膏的味道，有點像最近兩年的高通驍龍芯片，而 4680 電池相比 2170 電池，不僅是體積增加了 448%，更多的是與全極耳、高硅負極、與 CTC 結(jié)合等革命性的技術(shù)相結(jié)合，最終才有了續(xù)航增加 54%，成本下降 56%，單位產(chǎn)能設(shè)備投資額下降 69% 的擠爆牙膏式的提升（當然特斯拉的 PPT 向來有些水分，這應(yīng)該 4680 電池迭代兩三次后達成的效果）。
全極耳：開得遠，還要充得快
傳統(tǒng)的電池有一個非常大的限制：能量密度和功率密度不能兼顧，舉個例子，本田雅閣混動的三元電池能量密度只有 82 Wh/kg，而純電車型的三元鋰電池能量密度一般在 150—180 Wh/kg，這是因為 HEV 鋰電池核心參數(shù)是功率密度，畢竟電池小（雅閣混動的電池容量僅為 1.3 kWh）又要帶動大功率的電機，只能犧牲一些質(zhì)量能量密度。
全極耳方案下，電子流通的路徑明顯縮短
而特斯拉 4680 電池通過采用全極耳（特斯拉宣傳是無極耳）的方案來讓二者兼顧，極耳簡單來說就是正負極充放電時的接觸點，傳統(tǒng)電池在正負極各有一個極耳，這樣就帶來一個問題，電流從正極流向負極時，如上圖左邊所示，要穿越很長的橫向路徑，這樣內(nèi)阻自然上來了，不僅損耗電池的能量，而且發(fā)熱問題難以解決。
而根據(jù)特斯拉專利可以看到 4680 電池的結(jié)構(gòu)中正負極上分布著均勻的極耳，這樣大大縮短了極耳間距，比如 2170 電池電子在集流體里流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約 900 mm，而 4680 的正負極薄膜是 2170 電池的 4—5 倍，如果依然采用單極耳，那么電子的路徑會長達 3.8 米，內(nèi)阻也會相應(yīng)增加 4 倍，而全極耳的方案能讓這一路徑縮短為電池的高度，即 80 mm，根據(jù)特斯拉的介紹，4680 電池內(nèi)阻發(fā)熱只有 2170 電池的五分之一。再加上全極耳大大增加了電流通路，這樣電子更容易在電池內(nèi)部移動。
V3 超充下，4680 電池的預(yù)估充電速度要快于 2170 電池，在 V4 超充下預(yù)計差距將更明顯
因此全極耳的 4680 電池就具備了大功率放電和超充的天賦，根據(jù) Insideevs 的研究報告，400 V 的 4680 電池系統(tǒng)充 70% 電量需要 15 分鐘，而采用 800 V 電池系統(tǒng)的保時捷 Taycan 和現(xiàn)代汽車的 IONIQ 分別需要 18 分鐘和 22 分鐘。未來如果 4680 電池采用 800 V 電壓系統(tǒng)，充電速度還會更快。
高鎳正極 + 高硅負極：單體能量密度達到 300 Wh/kg 的關(guān)鍵
目前特斯拉的 4680 電池正極采用的仍是 NCM 811 高鎳方案，這個大家已經(jīng)比較熟悉了，未來 4680 正極還會向更高比例的鎳（如 NCM 9/0.5/0.5) 以及「無鈷」和「四元」方面演化。
正極方面的變化不大，要實現(xiàn)更高的能量密度，負極也十分關(guān)鍵。目前絕大多數(shù)電池都是石墨負極，但石墨的理論比容量為 372 mAh/g，實際上已經(jīng)達到了約 330—370 mAh/g，已經(jīng)觸及天花板。而硅的比容量能達到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在負極摻入一定比例的硅一直是電池能量密度突破的方向。
2020 NIO DAY 上，蔚來 150 度電池的 PPT 上顯示了硅碳負極以及高鎳正極，實現(xiàn)高能量密度大家殊途同歸
實際上早在 2017 年搭載 2170 電池（來自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已經(jīng)引入了「摻硅」的技術(shù)，只是比例還比較?。ù蠹s摻了 5—6% 的硅合金），對能量密度的提升還不太明顯。國內(nèi)也有一些廠商已經(jīng)采用「摻硅」的負極，比如 CLTC 續(xù)航能達到 1,000 km 的廣汽埃安 LX 144.4 度的大電池的負極就摻了一定比例的硅，另外智己汽車還有蔚來即將在第四季度量產(chǎn)的 150 kWh 的「固態(tài)」電池也用了這一技術(shù)。
雖然說「摻硅」能立竿見影地提升能量密度，但硅先天不如石墨穩(wěn)定容易膨脹，一般碳基負極在嵌鋰反應(yīng)中體積的膨脹不超過 10%，而硅基則能膨脹 360%，從而引發(fā) SEI 膜破損等副反應(yīng)，導(dǎo)致電池容量衰減。
相對來說，圓柱內(nèi)部的應(yīng)力在各個方向上都很均勻
相對來說 4680 電池的結(jié)構(gòu)更適合「摻硅」，首先圓柱電池極片卷繞的特點可以盡量使極片各個位置膨脹力均勻， 減少破損和褶皺的出現(xiàn)，方型和軟包電池在 R 角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的破損和褶皺，另外 4680 電池的不銹鋼殼體機械強度大，可充分吸收負極的膨脹力。因此理論上 4680 電池負極中能摻入更多的硅，預(yù)計能達到 10% 以上，能量密度從而有顯著提升。
CTC 技術(shù)：天生好搭檔
從第一性原理出發(fā)，要提高電池包的能量密度，「中間件」肯定越少越好，打個比方想讓一個盒子里裝最多的雞蛋，最好是把雞蛋托盤去掉，也就相當于把模組件去掉，更極端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技術(shù)了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。
4680 電池與 CTC 技術(shù)相結(jié)合，座椅直接裝在電池上方
而 4680 電池天生就有這個潛質(zhì)，首先 CTC 對電池的結(jié)構(gòu)強度有一定的要求，電池本身要承擔不小的機械強度，相比于 18650 和 2170 電池，4680 單體電池更大結(jié)構(gòu)強度更高，并且一般方殼電池是鋁殼的，而 4680 外殼是不銹鋼的，天生結(jié)構(gòu)強度就有保證 。另外采用 CTC 技術(shù)基本意味著告別維修和更換了，如果發(fā)生激烈的碰撞或電池的一致性出現(xiàn)問題，那么可能就只能換車了，而圓柱電池的一致性一直是優(yōu)勢所在。最后相對比方殼電池，圓柱電池的布局會更靈活，能適應(yīng)各種不同的底盤，再結(jié)合全極耳高能量密度高充放功率的優(yōu)勢，未來在 HEV 和 PHEV 領(lǐng)域的潛力也非常大。
除了全極耳電池、高鎳 + 高硅以及 CTC 技術(shù)外，特斯拉 4680 電池還有其他一些技術(shù)的應(yīng)用，比如在隔膜上涂抹 PVDF 防止硅負極膨脹，負極添加硅納米管提升導(dǎo)電性，另外特斯拉第二代 4680 電池還可能用上干電極的工藝，總之這次特斯拉是要把牙膏擠爆了，就看對手們?nèi)绾谓诱辛恕?
03、4680 圓柱電池 VS CTP 方形電池，寧德時代危矣？
中國市場方形電池一枝獨秀，海外市場圓柱、方形、軟包三足鼎立
數(shù)據(jù)顯示 2019 以來，中國動力電池市場方形電池一直占據(jù)著 80% 左右的份額，寧德時代占據(jù)了其中的一半以上，4680 電池首先沖擊的自然也是寧德時代。
這里先拋開國內(nèi)主要圍繞奔馳等歐洲客戶展開的軟包電池，重點對比下 CTP 方形電池和 4680 圓柱電池的優(yōu)劣勢以及發(fā)展趨勢。
4680 電池的排布形式
首先從結(jié)構(gòu)上方形電池的成組效率是明顯優(yōu)于高于圓柱電池的，預(yù)計優(yōu)秀的 CTP 方形電池能達到 80%—90%，4680 + CTC 能達到 70% 以上，這點也不難理解，4680 電池雖然比之前大了不少，但跟大的方形電池比還是很小的，一輛 Model Y 上大約需要 960 顆 4680 電池，換成方殼可能只需要 6 到 10 塊，數(shù)量越少，與化學物質(zhì)無關(guān)的其他部件占比就越低。
大眾的 CTP 三元方形電池包
不過由于方形電池單體電芯大，并且是面接觸，這樣就給方形電池的散熱和熱失控防護帶了很大的難度，因此方形電池三元電池正極并不太適合往超高鎳的方向發(fā)展，同時上面說到方形電池的負極不適合添加太多「硅」，因此方形電池的單體能量密度無法做得太高。
而圓柱電池因為單體電芯小，本身比較容易散熱，再加上全極耳的應(yīng)用讓熱量集中在下面更容易針對性散熱，因此可以采用比較激進的高鎳方案，再配合高硅負極，單體能量密度能達到 300 Wh/kg，未來如果采用超 90% 比例鎳的正極，單體能量密度能達到 350—400 Wh/kg 。
這樣下來，雖然方形電池的集成效率高，但 4680 圓柱電池的單體能量密度高，綜合下來，二者的系統(tǒng)能量密度差不多。
而圓柱電池作為已經(jīng)商業(yè)化超過 30 年的品種，工藝最為成熟，在生產(chǎn)效率、良品率、投資成本等方面都有一定優(yōu)勢。比如良品率方面，松下的 2170 電池能達到 99% 以上，相比方形電池能達到 90% 就已經(jīng)是非常優(yōu)秀的水平了。
另外在生產(chǎn)效率方面，同樣采用卷繞工藝的話，圓柱電池同心圓卷繞的特性先天效率就高出不少，比如按照億緯鋰能最新的產(chǎn)線，每分鐘可以生產(chǎn) 200 顆 2170 電池，而類似產(chǎn)線的方形電池 200 Ah 以內(nèi)的一般一分鐘能生產(chǎn) 10—12 個、200 Ah 以上的大方形一分鐘產(chǎn)量不足 10 個。如果是一臺搭載 80 度電的新車，圓柱電池的生產(chǎn)大約需要 20 分鐘，而方形電池則需要 30 分鐘。
如果 4680 電池大規(guī)模量產(chǎn)順利，預(yù)計 2024 年后每 kWh 的 4680 電池成本比三元方形電池便宜 50—100 元，一輛 100 度電池的電動汽車成本能低出 5,000—10,000 元。
因此從三元電池體系（包含無鈷電池、四元電池）的角度來看，如果 4680 電池的良品率能快速提升，將憑借一定的成本優(yōu)勢，同時超高的充放電功率，在中高端市場將逐步對方形三元鋰電池形成替代效應(yīng)。
而在中低端市場仍以磷酸鐵鋰電池為主，磷酸鐵鋰先天就比較穩(wěn)定不容易熱失控，因此就更適合集成效率高但不容易散熱的方形電池。因此未來的局面很可能是一些高端車型開始逐步使用 4680 三元電池，中低端則以 CTP 方形磷酸鐵鋰電池為主。
比亞迪刀片電池，漢 EV 上的刀片電池還采用了疊片工藝
那么寧德時代就要面對 4680 電池和比亞迪刀片電池兩面的夾擊了，比亞迪本身就是以電池起家的，再加上多年來一直專攻磷酸鐵鋰電池，隨著弗迪電池的產(chǎn)能開始大幅擴張，這里可以參考文章，勢必要吃掉一部分寧德時代的份額。
寧德時代 CTP 3.0 麒麟電池，宣傳三元鋰和磷酸鐵鋰的系統(tǒng)能量密度分別能達到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能實現(xiàn)無熱擴散的最高安全要求
不過在剛剛過去的電動汽車百人會 2022 上，寧德時代也給出了反擊——CTP 3.0 版本的麒麟電池，能不能守住目前絕對的龍頭地位，具體就看 CTP 3.0 的落地效果與降本增效的速度了。
04、哪些車企、電池廠在跟進布局大圓柱電池？
目前從車企端來看，主要推動者還是特斯拉，2022Q1 特斯拉已經(jīng)開始試生產(chǎn)，年底或能交付少量 4680 的 Model Y 給消費者。真正的爆發(fā)期還是在 2023 年后，屆時跳票已久的 Cybertruck 和重卡 Semi 將逐步與大家見面。寶馬的 4695 電池給出的量產(chǎn)時間則是 2024 年以后，或許會成為寶馬未來的純電平臺「Neue Klasse」的主力電池。
美國造車新勢力 Lucid 也采用 2170 圓柱電池
另外目前海外已經(jīng)有不少采用圓柱電池的廠商，比如美國的新勢力 Lucid 和 Rivian 目前采用的是 2170 電池，未來過渡到 4680 電池也是非常自然的。LG化學，在動力電池領(lǐng)域全球的份額僅次于寧德時代
而在電池廠商這端，海外主要是特斯拉和日韓的電池廠商，包括松下、LG 化學、三星 SDI，松下和 LG 化學計劃 2023 年量產(chǎn)，三星 SDI 計劃 2024 年量產(chǎn)，另外還有一家以色列公司 Storedot 同樣計劃 2024 年量產(chǎn) 4680 電池。
國內(nèi)寧德時代目前規(guī)劃了 12 GWh 的 4680 電池產(chǎn)能，研發(fā)節(jié)奏正在加快，預(yù)計 2024 年開始量產(chǎn)，客戶可能是特斯拉和寶馬；比克電池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出過大圓柱產(chǎn)品，預(yù)計 2023 年量產(chǎn)；億緯鋰能預(yù)計 2024 年可實現(xiàn) 4680 電池的量產(chǎn)，規(guī)劃產(chǎn)能 20 GWh，同時還有去歐洲匈牙利建廠的計劃。
綜合來看，相比于從 18650 到 2170 的升級，4680 電池這次是把牙膏擠爆了，基本確定了圓柱電池的發(fā)展方向，也有望引領(lǐng)圓柱電池的市場份額對方形電池實現(xiàn)快速追趕。不過 4680 電池仍然面臨諸多工藝難題，比如全極耳電池激光焊點至少是 2170 的五倍以上，對精度要求非常高，同時全極耳涂布的弧形邊緣對設(shè)備的精密度要求也更高，未來對 4680 電池的發(fā)展重點關(guān)注特斯拉、松下、LG 化學等企業(yè)的良品率什么時候能穩(wěn)定在 90% 以上。
