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2020 特斯拉電池日，馬斯克提出了 TWh 級(jí)別的電池生產(chǎn)目標(biāo)
很多時(shí)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(shí)代的 4680 電池，而那時(shí)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(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室基于全極耳的理論對(duì)圓柱電池進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最后覺得 4680 電池是個(gè)不錯(cuò)的方案。
如果以松下的風(fēng)格，至少得等到 2022 年才開始對(duì)外宣傳，到 2025 年后才可能開始大規(guī)模量產(chǎn)，畢竟實(shí)驗(yàn)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(diǎn)生產(chǎn)了 100 萬個(gè) 4680 電池，大概能裝 1,000 臺(tái) Model Y
在剛結(jié)束不久的電動(dòng)汽車百人會(huì) 2022 上，松下、比克電池、億緯鋰能幾大電池巨頭都表示了對(duì) 46 系大圓柱電池的看好，同時(shí)在 1 月份特斯拉宣布在加州的工廠內(nèi)已經(jīng)試點(diǎn)生產(chǎn)了 100 萬個(gè) 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(diǎn)聊聊特斯拉 4680 電池的核心技術(shù)創(chuàng)新以及未來對(duì)市場(chǎng)的影響。
01、認(rèn)識(shí) 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(gè)問答簡(jiǎn)單了解一下 4680 電池。
什么是 4680 電池？
7 號(hào)電池、5 號(hào)電池、18650、2170 和 4680 電池個(gè)頭對(duì)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(gè)「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(gè)指標(biāo)，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(gè)難題，46 mm 是個(gè)平衡范圍內(nèi)的點(diǎn)。從提升續(xù)航和降本的角度來看，特斯拉認(rèn)為 46 mm 以后整車的續(xù)航開始下降，同時(shí)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(gè)比較臨界的點(diǎn)，在化學(xué)性能、生產(chǎn)工藝沒有本質(zhì)上的突破前，46 mm 是一個(gè)黃金尺寸。
另一個(gè)參數(shù)高度「80 mm」，其實(shí)目前業(yè)界還沒有定論，主要因各家底盤設(shè)計(jì)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(gè)高度也不能太高，一方面是徑向散熱會(huì)成問題，另一方面這樣會(huì)明顯增加底盤厚度，從而影響設(shè)計(jì)美感和風(fēng)阻。
為什么特斯拉鐘情于圓柱電池？
簡(jiǎn)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(dāng)時(shí)市面上還沒有非常成熟的動(dòng)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(dá)到了非常高的水準(zhǔn)，特斯拉于是選擇了用幾千個(gè)單體電池組裝的方案，雖然對(duì) BMS 的考驗(yàn)比較大，但在當(dāng)時(shí)確實(shí)也比其他動(dòng)力電池方案更為靠譜。
特斯拉 Model S 電池包，由數(shù)千個(gè) 18650 電池組成
隨著動(dòng)力電池的發(fā)展，18650 電池逐步升級(jí)為 2170 電池，特斯拉以及它的供應(yīng)商松下、LG 化學(xué)等就越來越專精于圓柱電池，不過這次 4680 電池對(duì)圓柱電池來說也是一次擠爆牙膏的升級(jí)。
02、牙膏擠爆，特斯拉 4680 電池的核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
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(jí)從數(shù)字就可以看出來頗有點(diǎn)擠牙膏的味道，有點(diǎn)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(fù)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(dāng)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(dá)成的效果）。
全極耳：開得遠(yuǎn)，還要充得快
傳統(tǒng)的電池有一個(gè)非常大的限制：能量密度和功率密度不能兼顧，舉個(gè)例子，本田雅閣混動(dòng)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?yàn)?HEV 鋰電池核心參數(shù)是功率密度，畢竟電池?。ㄑ砰w混動(dòng)的電池容量?jī)H為 1.3 kWh）又要帶動(dòng)大功率的電機(jī)，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(jiǎn)單來說就是正負(fù)極充放電時(shí)的接觸點(diǎn)，傳統(tǒng)電池在正負(fù)極各有一個(gè)極耳，這樣就帶來一個(gè)問題，電流從正極流向負(fù)極時(shí)，如上圖左邊所示，要穿越很長(zhǎng)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(fù)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(gè)卷繞極片的展向長(zhǎng)度，路徑約 900 mm，而 4680 的正負(fù)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(huì)長(zhǎng)達(dá) 3.8 米，內(nèi)阻也會(huì)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(dòng)。
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(jì)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(bào)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(shí)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(huì)更快。
高鎳正極 + 高硅負(fù)極：?jiǎn)误w能量密度達(dá)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(gè)大家已經(jīng)比較熟悉了，未來 4680 正極還會(huì)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(shí)現(xiàn)更高的能量密度，負(fù)極也十分關(guān)鍵。目前絕大多數(shù)電池都是石墨負(fù)極，但石墨的理論比容量為 372 mAh/g，實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到了約 330—370 mAh/g，已經(jīng)觸及天花板。而硅的比容量能達(dá)到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在負(fù)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(fù)極以及高鎳正極，實(shí)現(xiàn)高能量密度大家殊途同歸
實(shí)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(duì)能量密度的提升還不太明顯。國(guó)內(nèi)也有一些廠商已經(jīng)采用「摻硅」的負(fù)極，比如 CLTC 續(xù)航能達(dá)到 1,000 km 的廣汽埃安 LX 144.4 度的大電池的負(fù)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(fù)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(duì)來說，圓柱內(nèi)部的應(yīng)力在各個(gè)方向上都很均勻
相對(duì)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(diǎn)可以盡量使極片各個(gè)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(jī)械強(qiáng)度大，可充分吸收負(fù)極的膨脹力。因此理論上 4680 電池負(fù)極中能摻入更多的硅，預(yù)計(jì)能達(dá)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(gè)比方想讓一個(gè)盒子里裝最多的雞蛋，最好是把雞蛋托盤去掉，也就相當(dāng)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(gè)潛質(zhì)，首先 CTC 對(duì)電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的要求，電池本身要承擔(dān)不小的機(jī)械強(qiáng)度，相比于 18650 和 2170 電池，4680 單體電池更大結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)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(shì)所在。最后相對(duì)比方殼電池，圓柱電池的布局會(huì)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(shì)，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(fù)極膨脹，負(fù)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(duì)手們?nèi)绾谓诱辛恕?
03、4680 圓柱電池 VS CTP 方形電池，寧德時(shí)代危矣？
中國(guó)市場(chǎng)方形電池一枝獨(dú)秀，海外市場(chǎng)圓柱、方形、軟包三足鼎立
數(shù)據(jù)顯示 2019 以來，中國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)方形電池一直占據(jù)著 80% 左右的份額，寧德時(shí)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(shí)代。
這里先拋開國(guó)內(nèi)主要圍繞奔馳等歐洲客戶展開的軟包電池，重點(diǎn)對(duì)比下 CTP 方形電池和 4680 圓柱電池的優(yōu)劣勢(shì)以及發(fā)展趨勢(shì)。
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(jì)優(yōu)秀的 CTP 方形電池能達(dá)到 80%—90%，4680 + CTC 能達(dá)到 70% 以上，這點(diǎn)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(xué)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(hù)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(shí)上面說到方形電池的負(fù)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?yàn)閱误w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(duì)性散熱，因此可以采用比較激進(jìn)的高鎳方案，再配合高硅負(fù)極，單體能量密度能達(dá)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(dá)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(shì)。比如良品率方面，松下的 2170 電池能達(dá)到 99% 以上，相比方形電池能達(dá)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(gè)、200 Ah 以上的大方形一分鐘產(chǎn)量不足 10 個(gè)。如果是一臺(tái)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(jì) 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(dòng)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(shì)，同時(shí)超高的充放電功率，在中高端市場(chǎng)將逐步對(duì)方形三元鋰電池形成替代效應(yīng)。
而在中低端市場(chǎng)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(shí)代就要面對(duì) 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(kuò)張，這里可以參考文章，勢(shì)必要吃掉一部分寧德時(shí)代的份額。
寧德時(shí)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(dá)到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能實(shí)現(xiàn)無熱擴(kuò)散的最高安全要求
不過在剛剛過去的電動(dòng)汽車百人會(huì) 2022 上，寧德時(shí)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(duì)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(jìn)布局大圓柱電池？
目前從車企端來看，主要推動(dòng)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(fèi)者。真正的爆發(fā)期還是在 2023 年后，屆時(shí)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(shí)間則是 2024 年以后，或許會(huì)成為寶馬未來的純電平臺(tái)「Neue Klasse」的主力電池。
美國(guó)造車新勢(shì)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(guó)的新勢(shì)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(xué)，在動(dòng)力電池領(lǐng)域全球的份額僅次于寧德時(shí)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(xué)、三星 SDI，松下和 LG 化學(xué)計(jì)劃 2023 年量產(chǎn)，三星 SDI 計(jì)劃 2024 年量產(chǎn)，另外還有一家以色列公司 Storedot 同樣計(jì)劃 2024 年量產(chǎn) 4680 電池。
國(guó)內(nèi)寧德時(shí)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(jì) 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(jì) 2023 年量產(chǎn)；億緯鋰能預(yù)計(jì) 2024 年可實(shí)現(xiàn) 4680 電池的量產(chǎn)，規(guī)劃產(chǎn)能 20 GWh，同時(shí)還有去歐洲匈牙利建廠的計(jì)劃。
綜合來看，相比于從 18650 到 2170 的升級(jí)，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(chǎng)份額對(duì)方形電池實(shí)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(diǎn)至少是 2170 的五倍以上，對(duì)精度要求非常高，同時(shí)全極耳涂布的弧形邊緣對(duì)設(shè)備的精密度要求也更高，未來對(duì) 4680 電池的發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注特斯拉、松下、LG 化學(xué)等企業(yè)的良品率什么時(shí)候能穩(wěn)定在 90% 以上。
