中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：自從Tesla三年前在"特斯拉電池日"（Tesla Battery Days）上宣布未來將使用4680型新型電池以來，圍繞這種新型圓柱形電池單元出現(xiàn)了真正的熱潮。雖然這種直徑46毫米、長(zhǎng)度80毫米的電池迄今為止只在特斯拉Model Y汽車上使用過，但人們，尤其是汽車行業(yè)對(duì)其表示出的興趣和宣布使用的消息越來越多。除特斯拉作為先行者外，寶馬和通用汽車等原始設(shè)備制造商也已宣布有意在未來使用該電池。與此同時(shí)，電池制造商的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，它們正在建立生產(chǎn)能力，或至少以建立制造能力為目標(biāo)。LG新能源希望今年在韓國(guó)奧昌（Ochang）建立樣品生產(chǎn)線，松下則希望在日本和歌山（Wakayama）建立大規(guī)模生產(chǎn)線。三星 SDI 和比克也在進(jìn)行試生產(chǎn)，作為寶馬的合格供應(yīng)商，寧德時(shí)代和億緯鋰能已簽約建設(shè)超級(jí)工廠。在汽車行業(yè)，人們對(duì)電池的期望很高：高功率密度和快速充電能力、更高效地集成到電池組或汽車底盤中，以及由于圓柱形電池制造工藝更簡(jiǎn)單而帶來的成本優(yōu)勢(shì)。雖然與18650和21700等其他圓柱形電池相比，這種電池的尺寸較大、但與最新一代的方形電池相比，它的尺寸和電池容量仍然小得多。例如，高度為80毫米的46毫米電池的內(nèi)部容積約為120毫升。比亞迪公司生產(chǎn)的"刀片"型電池的容積略低于1.2升。
因此，對(duì)于原始設(shè)備制造商來說，使用新型圓柱形電池組可能仍需要較高的集成度。但同時(shí)，電池組的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)也具有靈活性：例如，蔚來公司和寶馬公司已宣布打算在未來使用800 V結(jié)構(gòu)。由于大規(guī)格電池的單個(gè)電池?cái)?shù)量較少，因此在串聯(lián)連接時(shí)不可能達(dá)到如此高的系統(tǒng)電壓。有了新型4680圓柱形電池，即使并聯(lián)3到5個(gè)電池，典型的電池組也能達(dá)到很高的系統(tǒng)電壓。
新電池設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)
除了特斯拉最初宣布的4680電池外，目前還在討論其他形式的電池，高度從40毫米到120毫米不等。原則上，可以采用不同的材料組合和電極設(shè)計(jì)。根據(jù)最初的拆解報(bào)告，特斯拉在第一代電池中使用了NMC811（鎳含量為80%的鋰-鎳-鈷-鋁-氧化物）和石墨的組合，這種材料系統(tǒng)可以說是當(dāng)今最先進(jìn)的。不過，電池設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)可能是電極特別厚。特斯拉也采用了負(fù)極干法涂層技術(shù)，但這在多大程度上得以實(shí)現(xiàn)尚不得而知。我們假設(shè)的電極組合包括100微米厚的石墨負(fù)極和85微米厚的NMC811正極，因此電極長(zhǎng)度約為3.5米，負(fù)極或最外層的銅箔可能長(zhǎng)約20厘米。電池的平均電壓略低于3.7 V（這是此類材料的典型電壓），電池容量約為25Ah，因此能量密度略低于700Wh/l，即250Wh/kg。因此，該電池確實(shí)能夠達(dá)到已知的21700電池的能量范圍，但仍略低于它。這主要是由于負(fù)極和正極活性材料的重量造成的。由于負(fù)極中沒有添加氧化硅，也沒有21700電池以前使用的高比容量NCA材料（鋰-鎳-鈷-氧化鋁），活性材料的可實(shí)現(xiàn)容量較低。目前還不清楚使用干法涂層工藝在多大程度上導(dǎo)致了硅添加劑的缺失。與NCA相比，成本因素或平衡負(fù)極和正極的優(yōu)勢(shì)可能更有利于NMC811的使用。新電池設(shè)計(jì)在集流體和隔膜的重量方面得分，由于電極的厚度減小，集流體和隔膜的重量也隨之減小。如下圖所示，盡管電池鋼殼的壁厚從300微米增加到600微米，但相對(duì)于21700和4680之間的存儲(chǔ)容量而言，重量的貢獻(xiàn)幾乎保持不變。
在比較所討論的電池高度時(shí)，電池設(shè)計(jì)的特殊性尤為明顯。為此，我們分析了高度從40毫米到120毫米的電池（見下表）。在所述材料和電極配置下，可實(shí)現(xiàn)的容量從大約11Ah（40 毫米）增加到超過38Ah（120毫米）。造成這種非線性容量特性的原因是電池下部和上部區(qū)域的空間要求。電池內(nèi)部需要5到10毫米的高度用于接觸、安全功能和密封，而這一高度無法用于電極卷芯的作用。例如，在我們計(jì)算的配置中，4680電池中的卷芯高度僅為70毫米左右。這一數(shù)值會(huì)因 "無極耳設(shè)計(jì)"中是否使用額外的墊圈來接觸折疊的集流片而變化。電池高度僅為40毫米的缺點(diǎn)也相應(yīng)地顯現(xiàn)出來。另一方面，如果電池的散熱或電解液填充過程中的潤(rùn)濕性能要求減少電極層厚度，那么特別長(zhǎng)的電池（如120毫米規(guī)格）也可能需要做出一些妥協(xié)。
從行業(yè)報(bào)道中可以清楚地看出，我們分析的配置只能是 "第一代"：特斯拉在 "2020 電池日"上已經(jīng)表達(dá)了在新電池格式中使用硅基負(fù)極的意圖。StoreDot公司最近也公開了其在 4680電池中使用快速充電硅技術(shù)的開發(fā)活動(dòng)。這種方法將材料級(jí)性能特點(diǎn)與無極耳設(shè)計(jì)的高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性結(jié)合起來。原則上，各種硅基負(fù)極概念都是可以想象的：例如，硅/石墨復(fù)合材料或純硅負(fù)極。對(duì)于復(fù)合材料，主要討論的是硅納米顆粒（SiNP）的使用，而硅微米顆粒（SiMP）和其他形態(tài)也正在被研究用于純硅概念。在我們的模型計(jì)算中，我們僅假定對(duì)正極側(cè) 4680 形式的未來電池概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)微調(diào)整。在薄膜厚度相同、孔隙率略有降低的情況下，NMCA型富鎳材料（Li(Mn,Co,Ni,X)O2 X=Al, Mg）可在未來幾年內(nèi)問世，可提供超過200mAh/g的可逆容量。對(duì)于含有約20wt% SiNP的硅/石墨復(fù)合材料（假設(shè)容量為780mAh/g），負(fù)極的涂層厚度僅為80μm，與 "1代 "電池設(shè)計(jì)相比小得多。如果改用純硅負(fù)極（假設(shè)容量為2500mAh/g），涂層厚度將再次減小到略高于60 μm。然而，負(fù)極層必須具有75%的極高孔隙率，才能吸收硅的高體積變化。作為中間步驟，硅負(fù)極是可以想象的，它不利用硅和鋰的完全合金化（Li15Si4），因此暴露于較低的體積變化，可能允許使用SiMP。由于負(fù)極較薄，富硅概念中的電極長(zhǎng)度增加到4米以上。
除了這些高能量概念，使用磷酸鐵鋰（LFP）或由錳替代的進(jìn)一步發(fā)展的磷酸錳鐵鋰（LMFP）也是一種可能的替代方案。到目前為止，比亞迪BYD 已經(jīng)開發(fā)出基于LFP的4680圓柱形電池。4680型電池的能量密度可超過450Wh/L，如果采用進(jìn)一步開發(fā)的LMFP材料，能量密度甚至可超過500 Wh/L（見上表和下圖）。
46xx系列圓柱形電池的生產(chǎn)
從生產(chǎn)角度來看，新型電池的主要優(yōu)勢(shì)明顯體現(xiàn)在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上：電極是纏繞式的，無需在復(fù)雜的工藝中堆疊。同時(shí)，電池的尺寸也大大減少了生產(chǎn)成品電池組所需的各個(gè)步驟。在細(xì)節(jié)方面，與之前的圓柱形電池設(shè)計(jì)相比，可能會(huì)有進(jìn)一步的變化：例如，無極耳設(shè)計(jì)減少了電極涂層所需的間斷點(diǎn)數(shù)量，而這些間斷點(diǎn)原本是與集流體小極耳的接觸點(diǎn)所必需的。此外，還省去了這些極耳的焊接工作。另一方面，電極切割和卷繞可能會(huì)增加工藝的復(fù)雜性，因?yàn)樵诰砝@過程中，集流箔的邊緣必須切割得相對(duì)較緊并折疊起來。比較從4640到46120的不同電池型號(hào)，可以認(rèn)為總體制造工作量相當(dāng)接近。即使生產(chǎn)高度為120毫米的較長(zhǎng)型電池，也不會(huì)比短型電池顯著縮短裝配周期。只有電解質(zhì)潤(rùn)濕工藝可能會(huì)隨著電池長(zhǎng)度的增加而顯著增加?？傊?，4680和46120相比，每個(gè)電池的能量更高，但組裝成本最多可節(jié)省20%。不過，從電池總成本的角度來看，這種節(jié)省又是值得考慮的，因?yàn)橛捎谀壳安牧蟽r(jià)格非常高，組裝成本在總成本中所占的比例可能只有5%到7%。
新一代圓柱形電池的潛力
不僅性能特點(diǎn)令人期待，生產(chǎn)商和原始設(shè)備制造商也發(fā)布了大量公告，這表明未來幾年圍繞46毫米新型電池形式的活動(dòng)將十分活躍。不過，這種電池要在電動(dòng)汽車上廣泛使用還需要幾年時(shí)間。大規(guī)模建立新的生產(chǎn)線可能需要一到兩年的時(shí)間。此外，我們還可以假設(shè)，無極耳設(shè)計(jì)或使用特別厚的電極等技術(shù)創(chuàng)新將給產(chǎn)量提升帶來一兩個(gè)挑戰(zhàn)。特斯拉汽車制造商的生產(chǎn)可能會(huì)在今年更多地向新型電池轉(zhuǎn)換。寶馬公司預(yù)計(jì)要到2025年才會(huì)在其新一代汽車上采用新型電池。不過，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電動(dòng)汽車以外的應(yīng)用，如固定儲(chǔ)能，也會(huì)從新電池中獲益，但正如通常情況一樣，它們首先必須排在汽車行業(yè)主要客戶的后面。
