4680 詳解：卷土重來的圓柱電池

特斯拉下場造電池，圓柱迎來春天？

本文來自微信公眾號“42號車庫”（ID:i42how），作者：長頸鹿呀，撰文：伍剛星，編輯：萊因哈特，未來汽車日報經授權發布。

Fake it till you make it。

2020 特斯拉電池日，馬斯克提出了 TWh 級別的電池生產目標

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於全極耳的理論對圓柱電池進行優化和改進，最後覺得 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 年後才可能開始大規模量產，畢竟實驗室裏做出來跟大規模量產完全不是一回事，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了 100 萬個 4680 電池，大概能裝 1,000 台 Model Y

在剛結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已經試點生產了 100 萬個 4680 電池，距離 4680 電池的正式裝車已經近在咫尺了。

下面就重點聊聊特斯拉 4680 電池的核心技術創新以及未來對市場的影響。

認識 4680 電池

在介紹特斯拉 4680 電池的核心技術之前，先通過幾個問答簡單了解一下 4680 電池。

什麼是 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則，其中 18650 電池最後一個「0」的含義是圓柱，只不過 2170、4680 電池省略了。

為什麼是 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 是續航提升和降本的最優解

首先來看直徑「46 mm」這個指標，從安全性來看，雖然整車電池節數減少可以降低 BMS 的管理難度，但是大電芯的散熱是個難題，46 mm 是個平衡範圍內的點。從提升續航和降本的角度來看，特斯拉認為 46 mm 以後整車的續航開始下降，同時降本的邊際效益變得非常低，因此 46 mm 是最優解。另外從內部應力的角度來看，46 mm 也是一個比較臨界的點，在化學性能、生產工藝沒有本質上的突破前，46 mm 是一個黃金尺寸。

另一個參數高度「80 mm」，其實目前業界還沒有定論，主要因各家底盤設計而異，比如寶馬采用的是 4695 方案，還有的廠商規劃了 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，從而影響設計美感和風阻。

為什麼特斯拉鐘情於圓柱電池？

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 電池在民用領域已經非常成熟穩定，安全性和一致性都達到了非常高的水準，特斯拉於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，由數千個 18650 電池組成

隨著動力電池的發展，18650 電池逐步升級為 2170 電池，特斯拉以及它的供應商松下、LG 化學等就越來越專精於圓柱電池，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。

牙膏擠爆，特斯拉 4680 電池的核心技術創新點

特斯拉電池日 PPT，4680 電池要比 2170 電池提高 54% 的續航並降低 56% 的成本

從 18650 到 21700 的升級從數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、高矽負極、與 CTC 結合等革命性的技術相結合，最終才有了續航增加 54%，成本下降 56%，單位產能設備投資額下降 69% 的擠爆牙膏式的提升（當然特斯拉的 PPT 向來有些水分，這應該 4680 電池疊代兩三次後達成的效果）。

全極耳：開得遠，還要充得快

傳統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，這樣內阻自然上來了，不僅損耗電池的能量，而且發熱問題難以解決。

而根據特斯拉專利可以看到 4680 電池的結構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 電池電子在集流體裏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，那麼電子的路徑會長達 3.8 米，內阻也會相應增加 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，根據特斯拉的介紹，4680 電池內阻發熱只有 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部移動。

V3 超充下，4680 電池的預估充電速度要快於 2170 電池，在 V4 超充下預計差距將更明顯

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 Insideevs 的研究報告，400 V 的 4680 電池系統充 70% 電量需要 15 分鐘，而采用 800 V 電池系統的保時捷 Taycan 和現代汽車的 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，充電速度還會更快。

高鎳正極 + 高矽負極：單體能量密度達到 300 Wh/kg 的關鍵

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，要實現更高的能量密度，負極也十分關鍵。目前絕大多數電池都是石墨負極，但石墨的理論比容量為 372 mAh/g，實際上已經達到了約 330—370 mAh/g，已經觸及天花板。而矽的比容量能達到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在負極摻入一定比例的矽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 上顯示了矽碳負極以及高鎳正極，實現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，特斯拉就已經引入了「摻矽」的技術，只是比例還比較小（大約摻了 5—6% 的矽合金），對能量密度的提升還不太明顯。國內也有一些廠商已經采用「摻矽」的負極，比如 CLTC 續航能達到 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矽，另外智己汽車還有蔚來即將在第四季度量產的 150 kWh 的「固態」電池也用了這一技術。

雖然說「摻矽」能立竿見影地提升能量密度，但矽先天不如石墨穩定容易膨脹，一般碳基負極在嵌鋰反應中體積的膨脹不超過 10%，而矽基則能膨脹 360%，從而引發 SEI 膜破損等副反應，導致電池容量衰減。

相對來說，圓柱內部的應力在各個方向上都很均勻

相對來說 4680 電池的結構更適合「摻矽」，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，方型和軟包電池在 R 角處易出現應力集中而導致的破損和褶皺，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矽，預計能達到 10% 以上，能量密度從而有顯著提升。

CTC 技術：天生好搭檔

從第一性原理出發，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裏裝最多的雞蛋，最好是把雞蛋托盤去掉，也就相當於把模組件去掉，更極端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技術了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。

4680 電池與 CTC 技術相結合，座椅直接裝在電池上方

而 4680 電池天生就有這個潛質，首先 CTC 對電池的結構強度有一定的要求，電池本身要承擔不小的機械強度，相比於 18650 和 2170 電池，4680 單體電池更大結構強度更高，並且一般方殼電池是鋁殼的，而 4680 外殼是不銹鋼的，天生結構強度就有保證 。另外采用 CTC 技術基本意味著告別維修和更換了，如果發生激烈的碰撞或電池的一致性出現問題，那麼可能就只能換車了，而圓柱電池的一致性一直是優勢所在。最後相對比方殼電池，圓柱電池的布局會更靈活，能適應各種不同的底盤，再結合全極耳高能量密度高充放功率的優勢，未來在 HEV 和 PHEV 領域的潛力也非常大。

除了全極耳電池、高鎳 + 高矽以及 CTC 技術外，特斯拉 4680 電池還有其他一些技術的應用，比如在隔膜上塗抹 PVDF 防止矽負極膨脹，負極添加矽納米管提升導電性，另外特斯拉第二代 4680 電池還可能用上幹電極的工藝，總之這次特斯拉是要把牙膏擠爆了，就看對手們如何接招了。

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

數據顯示 2019 以來，中國動力電池市場方形電池一直占據著 80% 左右的份額，寧德時代占據了其中的一半以上，4680 電池首先沖擊的自然也是寧德時代。

這裏先拋開國內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 圓柱電池的優劣勢以及發展趨勢。

4680 電池的排布形式

首先從結構上方形電池的成組效率是明顯優於高於圓柱電池的，預計優秀的 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，數量越少，與化學物質無關的其他部件占比就越低。

大眾的 CTP 三元方形電池包

不過由於方形電池單體電芯大，並且是面接觸，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並不太適合往超高鎳的方向發展，同時上面說到方形電池的負極不適合添加太多「矽」，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，再配合高矽負極，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，二者的系統能量密度差不多。

而圓柱電池作為已經商業化超過 30 年的品種，工藝最為成熟，在生產效率、良品率、投資成本等方面都有一定優勢。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% 就已經是非常優秀的水平了。

另外在生產效率方面，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線，每分鐘可以生產 200 顆 2170 電池，而類似產線的方形電池 200 Ah 以內的一般一分鐘能生產 10—12 個、200 Ah 以上的大方形一分鐘產量不足 10 個。如果是一台搭載 80 度電的新車，圓柱電池的生產大約需要 20 分鐘，而方形電池則需要 30 分鐘。

如果 4680 電池大規模量產順利，預計 2024 年後每 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。

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

那麼寧德時代就要面對 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，隨著弗迪電池的產能開始大幅擴張，這裏可以參考文章《收下蔚來、小米，弗迪的進攻才剛開始》，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能量密度分別能達到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，並能實現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。

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 特斯拉已經開始試生產，年底或能交付少量 4680 的 Model Y 給消費者。真正的爆發期還是在 2023 年後，屆時跳票已久的 Cybertruck 和重卡 Semi 將逐步與大家見面。寶馬的 4695 電池給出的量產時間則是 2024 年以後，或許會成為寶馬未來的純電平台「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，在動力電池領域全球的份額僅次於寧德時代

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，三星 SDI 計劃 2024 年量產，另外還有一家以色列公司 Storedot 同樣計劃 2024 年量產 4680 電池。

國內寧德時代目前規劃了 12 GWh 的 4680 電池產能，研發節奏正在加快，預計 2024 年開始量產，客戶可能是特斯拉和寶馬；比克電池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出過大圓柱產品，預計 2023 年量產；億緯鋰能預計 2024 年可實現 4680 電池的量產，規劃產能 20 GWh，同時還有去歐洲匈牙利建廠的計劃。

綜合來看，相比於從 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展方向，也有望引領圓柱電池的市場份額對方形電池實現快速追趕。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，同時全極耳塗布的弧形邊緣對設備的精密度要求也更高，未來對 4680 電池的發展重點關註特斯拉、松下、LG 化學等企業的良品率什麼時候能穩定在 90% 以上。

該文觀點僅代表作者本人，未來汽車日報系信息發布平台，未來汽車日報僅提供信息存儲空間服務。

卡門精選 2022-04-08 | 行業大公司
https://auto-time.36kr.com/p/1689721869147015

---

4680電池制程、技術、產業鏈

4680電池制程、技術、產業鏈

Source from: Citic Securities

【摘要】

4680電池采用新設計新構型，良率突破是量產關鍵。

相比2170電池單極耳結構，4680電池采取了全極耳+集流盤的設計，同時主流方案采取殼體槽底處打孔放正極柱、殼體槽口用蓋板激光焊封口的新構型。在加工工序方面，4680電池比2170電池增加了極耳模切、揉平、激光焊集流盤、開口化成、激光焊蓋板的工序。目前特斯拉1月已自產100萬顆4680電池，平均良率達92%，最高良率達97%，良率已達可量產水平。

特斯拉打出4680電池“組合拳”，國內外頭部電池供應商跟進。

特斯拉圍繞4680電池打出“大電芯+全極耳+高鎳高矽+CTC”的“組合拳”，同時實現了1）續航長：4680能量密度提升>20%；2）充電快：全極耳優化了電池的熱電性能，可承受4C以上高倍率電流；3）成本低：大電池+高能量密度攤薄單Wh成本。另外，4680由於其熱安全性能更優、內應力分布均勻的優勢，較方形更適配高鎳高矽體系，我們預計中低端車將多應用磷系方形+CTP方案，高端車將多應用高鎳高矽4680+CTC方案。此外，海外如LG、松下、三星，國內如寧德時代、億緯鋰能等頭部電池供應商亦跟進布局4680電池。4680電池有望在特斯拉和頭部電池廠的推動下迎來爆發拐點。

4680電池技術為高能量高倍率主輔材應用帶來強驅動，為結構件和設備升級帶來新機遇。

此前由於補貼退坡帶來降本訴求、安全性問題凸顯，主輔材向高能量高倍率方向升級速度放緩，4680電池有望成為新的升級驅動。高鎳正極、矽碳負極、補鋰劑、碳納米管、LiFSI、PVDF等主輔材滲透率/用量有望提升。結構件方面，由於4680采用新構型設計，制造門檻提升，使結構件轉向定制化、殼體+蓋板成套采購，格局優化同時單品價值量提升。設備方面，激光模切、激光焊等工序用量增加、高精度要求提升相關設備價值量，頭部電池廠規劃新產能有釋放訂單。殼體沖壓設備有望實現國產替代。

4680布局領先的電池企業：寧德時代、億緯鋰能；

4680電池爆發需求提升主輔材供應商：中偉股份（高鎳）、當升科技（高鎳），璞泰來（矽碳）、杉杉股份（矽碳）、德方納米（補鋰劑）、科達利（殼體）、天奈科技（碳納米管）、天賜材料（LiFSI）、新宙邦（LiFSI），建議關註貝特瑞（高鎳+碳納米管）、芳源股份（高鎳）、斯萊克（殼體）、海目星（激光模切設備）、聯贏激光（激光焊設備）、寧波精達（沖壓設備）。

Tesla 4680 -Making Batteries(Video)

1）什麼是4680？

4680電池，即直徑46mm，高80mm的電池。於2020年9月的特斯拉電池日首次公開發布，相較於特斯拉此前采用的2170電池，4680電池的電芯容量是其5倍，能夠提高相應車型16%的續航裏程，輸出功率6倍於2170電池。

2）4680目前兩種結構方案對比

傳統方案：

• 負極耳所在一端朝向鋼殼槽底面；正極耳從開口端引出，與正極端子焊接連接
• 采用脈沖激光穿透焊，將鋼殼基底通過凹槽與負極全極耳焊接連接
• 優勢：無負極集流盤的結構不占用鋼殼高度方向上的空間，提高空間利用率
• 劣勢：當電池壁厚增加，穿透焊難以將極耳與殼體底部焊接牢靠

新方案

• 正極集流盤直接焊接到正極柱，正極柱卡在殼體槽底的開口上，之間設有絕緣密封件
• 電芯為全極耳結構，兩端面分別和正、負極集流盤連接，極柱通過正極集流盤和電芯電性連接，殼體和負極集流盤電性連接
• 蓋板和殼體的槽口連接，蓋板上刻蝕有防爆線

3）4680和2170生產流程對比

4）4680難點：新結構帶來了工藝實現和一致性的挑戰，影響電池良率

• 塗布：全極耳塗布的弧形邊緣對設備的精密度要求更高（外圈比內圈留白越來越多，極耳長度越到外圈越長）
• 極耳分切：工藝要求更高，如果邊不齊，造成極耳貼合出現縫隙

• 激光焊：全極耳與集流盤面焊，焊點增加（4680的焊點數量相比21700提高五倍以上），容易造虛焊或者溫度過高損傷隔膜
• 揉平：產生金屬碎屑
• 註液：全極耳覆蓋後註液較難，影響連續生產

Part 2: 特斯拉打出4680電池“組合拳”，全球頭部電池供應商跟進

1）特斯拉4680電池有內在自洽的產業邏輯

1.1 為什麼要用全極耳？——打破了能量與功率密度不能同時提升的約束

電：減少電子流過路徑，降低內阻。2170電子在集流體裏流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約1000mm，按銅的電導率測算，對應阻抗>20mΩ；4680全極耳的電芯中，電子在集流體流過的路徑僅為軸向長度，即80mm，對應阻抗2mΩ

熱：產熱方面，電阻減小發熱減少（全極耳電池發熱僅為單極耳的1/5）；散熱方面，沿徑向形成強導熱路徑，可在僅底部布置冷板（原來2170是蛇形管冷卻側壁），熱管理難度與能耗降低。綜上，電、熱能損失小，打破了能量與功率密度不能同時提升的約束，實現續航長、充電快

工：2170/18650的極片上需要將留出空白區域給極耳。全極耳可避免斑馬塗布，簡化工序

1.2為什麼要用高鎳高矽？跟方形高鎳高矽+CTP的方案有何區別？

從原理上看，4680圓柱形電池只是一種封裝形式，不限材料體系。但從應用層面上，高鎳高矽才能發揮出4680大圓柱較方形熱性能更優、內應力分布均勻的優勢

• 能量密度：由於圓柱形電池集成效率較方形低，即要做成相同能量密度的pack，圓柱形的單體能量密度必須要比方形高。因此，要達到更高的pack能量密度，天然要求圓柱搭配高鎳。
• 高鎳適配程度：圓柱比方形更適配高鎳。核心原因是方形高鎳為面接觸，且單體電池大，體心內產熱不易釋放，熱失控設計不好控制；另一方面，鐵鋰化學性質穩定，對散熱和熱失控要求較三元低，因此方形CTP非常契合鐵鋰體系的電池，充分發揮方形集成度高的優勢，但熱失控設計有難度的短板。4680+鐵鋰在乘用車上失去了4680的優勢，可能未來在二輪車、電動工具上有應用。
• 此外，由於負極添加矽後會膨脹，圓柱形比方形內部應力分散更均勻，方形在此方案下容易造成顆粒破碎，影響性能和壽命。因此，為極致提升電芯能量密度選擇高矽方案搭配高鎳。

1.3高鎳高矽4680+CTC vs 磷系方形+CTP？

• CTP是電芯廠向整車廠奪回pack的產值，CTC是整車廠向電芯廠搶話語權的手段
• 特斯拉自制電池，除了掌握CTC技術，還有向外采供應商壓價的作用
• 因此，未來特斯拉的電池供應格局預計會出現：1）中低端：外采磷系方形+CTP；2）高端：自供+部分電池廠外供高鎳高矽4680+CTC

2）低成本實現路徑

• 低成本=大電芯攤薄非活性物質成本+盡可能做高能量密度攤薄總體單Wh成本+生產過程簡化節省成本
• 非活性物質成本：以結構件為例，2170電池殼體+蓋帽2元，4680目前為10元左右，長續航M3需要用2170/4680電芯4400/960個，目前對應單車價值量8800/9600，因此單車電池結構件成本基本持平。後期量產後降價空間巨大（假設還能降本30%，單結構件就能比2170節省約2000元）。2170 vs 4680，Pack面積：2.7:2.57；Pack電量：95:82
• 盡可能做高能量密度：石墨+高鎳能量密度283wh/kg（vs LG2170247wh/kg），矽碳+83系高鎳能量密度300wh/kg，91系目標350-400Wh/kg
• 不同良率下能夠做到的單Wh成本：97%-98%的石墨+高鎳 vs 95%方形：0.65 vs 0.6。60%-70%良率的4680為0.8-0.9
• 生產過程中節約的成本——主要是前段的幹電極技術：將正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）粘結劑混合，使其纖維化，直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，制備出正負極片。可省略繁覆的輥壓、幹燥等工藝，大幅簡化生產流程，提升生產效率，節省成本
• 4680主要對自動裝配線改動較大，主要新增極耳揉平和正負集流盤激光焊，單GWh投資額2.1億，僅略低於方形

2）特斯拉4680電池需求測算

3）產業鏈如何跟隨？——電池廠

對於特斯拉來說，隨著4680的推廣，將來在國內需要有兩三家代工廠來實現更大的產能各大電池廠跟進布局4680電池，2023年有望迎來爆發元年。

• 海外：特斯拉2020年9月率先公布，將於2022Q1開始交付搭載4680電池的Model Y；松下計劃2022H1在日本開始試生產4680電池，2023年進行量產；LG將在韓國梧倉工廠擴建4680電池產能，計劃2022-2023年量產；三星SDI計劃2024年實現量產，以色列公司Storedot2021年9月宣布成功生產出第一款4680電池，計劃2024年實現量產。
• 國內：寧德時代正加快研發節奏，計劃2024年量產；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圓柱產品，預計2023年量產；億緯鋰能2021Q4在荊門投產20GWh大圓柱電池產能項目，預計2024年可實現4680電池量產。

Part 3：4680驅動高能量高倍率主輔材應用，為結構件和設備升級帶來新機遇

1）高鎳正極：對能量密度的持續追求

2）矽基負極：下一代主流負極材料，4680量產帶動需求爆發

矽基負極材料作為理想的下一代負極材料，純矽比容量是石墨的10倍，但純矽在充電過程中膨脹近3x，目前采用氧化矽摻雜，目前摻雜含量約5%，4680電池有望提升至10%以上

3）補鋰劑：補齊矽碳負極首次庫倫效率短板

• 首次庫倫效率是矽碳負極的短板：鋰電池在首次充電過程中，有機電解液會在石墨等負極表面還原分解，形成固體電解質相界面(SEI)膜，永久地消耗大量來自正極的鋰，造成電池容量的不可逆損失，目前石墨不可逆容量損失＞6%，而對於具有高比容量的矽基負極，不可逆容量損失甚至10%～20% 以上
• 矽碳負極除首效低外，循環過程中SEI膜會“呼吸”再生，降低循環壽命，對補鋰劑需求更強烈：矽碳負極的膨脹相較石墨負極更為嚴重，致使負極材料不斷粉化、脫落，增加與電解液接觸的表面積，因此形成的SEI膜更厚
• 正極補鋰的原理：在正極合漿的過程中添加少量高鋰容量、低脫鋰電位的材料（補鋰劑），在充電過程中Li+率先從補鋰劑中脫出，抵消SEI膜造成的不可逆鋰損耗，提高電池的有效容量，彌補矽碳負極在首次庫倫效率上的短板

4）碳納米管：矽碳負極將拉動單壁碳納米管的用量

• 由於矽碳負極材料的導電性能差，因此需要添加碳納米管（CNT）以增加活性物質之間的導電性，提升電池能量密度
• 根據石墨烯片的多少，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：多壁碳納米管具有較高的剛性，而單壁碳納米管柔韌性強、長徑比更高、有效添加量僅為0.1%，可有效解決矽碳電池在充放電過程中導致的體積膨脹和裂縫問題
• 天奈科技目前是全球碳納米管的龍頭企業，公司已布局矽碳負極的導電漿料技術，可轉債方案落地，產能擴張將加速推進；此外，化工企業如石大勝華、炭黑龍頭黑貓股份等企業也在積極布局碳管生產
• 4680電池帶來矽碳負極用量的提高，將帶動單壁碳納米管的用量，單壁CNT粉體價格約為1300萬元/噸，在負極添加比例為0.1%左右

5）LiFSi：適用於高鎳高壓高倍率電池的新型鋰鹽

• 4680電池應用高鎳導致熱穩定性降低、充放功率高要求電解液導電性能提升。三元正極隨著鎳含量提升熱穩定性降低，結構穩定性變差。4680采用全極耳結構，追求高倍率性能。高鎳高倍率對鋰鹽性能要求提升。
• 雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSi)為一種新型電解液溶質鋰鹽，具有更好的低溫放電和高溫性能保持能力、更長的循環壽命、更高倍率放電性能、更高的安全性能。
• 用量：兩種用途，1）1%~3%，一般可視為添加劑；2）3%~5%，成為LiPF6成的輔助鋰鹽。一般而言，5/8/9系用量為0.5%-1%/1%-2%/2.5%。負極如果使用矽碳，用量有望達4%-5%。
• 價格： LiFSi已完成50%降本，還有25%下探空間。此前由於其高昂的價格（售價40-45萬元/噸）與六氟相比不具備經濟性優勢，由於供需不平衡，目前六氟價格已達58萬元/噸，LiFSI具備階段性相對經濟性優勢，但絕對值仍處於較高位。另一方面，LiFSI的降本仍在繼續（2016年90萬元/噸降至如今45萬元/噸），目前LiFSI成本約20萬元/噸，數據預測隨著技術突破，2022年LIFSI售價有望降至35萬元/噸以內，最終成本有望降至15萬元/噸以內。

6）PVDF：用量增加，供需缺口擴大

• PVDF在電池中主要用在正極、隔膜中，充當粘結劑 正極：以油溶性PVDF為主，占到高達90%，用量占到正極材料的1%-3%。4680大圓柱電池高鎳預計與2170相當。
• 隔膜：在接觸負極側加塗PVDF以增加粘性；1）提高矽碳負極粉的穩定性；2）貼得更緊，提升能量密度；3）提升保液性。假設PVDF塗層1μm，PVDF密度為1.8g/cm³，1GWh用量約20噸。
• 粘結劑（非活性物質）用量過降低能量密度和導電性能，預計4680電池PVDF總用量增加至正極材料質量分數6%左右。

7）設備：利好激光模切、激光焊設備與殼體生產設備供應商

• 全極耳因極耳排列緊密，采用五金模切難度高，且部分方案中極耳寬度沿著極片長度而變化，因此激光模切更適用。
• 激光焊設備受益於4680方案，疊加行業內主要電池廠亦規劃有產能，有望迎來量利齊升。–4680方案增加了全極耳+集流盤的焊接，焊點數量相較於21700電池提高5倍以上，焊接設備數量增加3倍。–焊接工藝難度大幅增加，設備可能會從原來的脈沖激光器變為連續激光器，價值量增加。
• 國產殼體生產設備憑借高效率、價格和服務優勢，有望在鋰電結構件大幅擴產的階段逐步形成國產替代。–例如寧波精達設備價格是海外同類設備的50%-70%；殼體拉伸設備方面以“一出多”方式生產，效率提升且節約原材料，同時預沖杯工藝可使整線效率提升。

EDC電驅未來 | 2022年5月7日 1702瀏覽專題
https://www.jishulink.com/post/1866930

---

特斯拉牛皮吹大了！4680電池性能遭質疑 不如國產電芯？

現在在車用動力電池（電芯）領域並行著4種技術路線，第一種是最常見的，以方形大單體電芯為封裝形式的VDA電芯路線，目前大多數電車和為數不少的電動自行車和電動摩托車，采用的都是這種技術路線。另一種是中韓兩國都在力推的固態電池技術，如今處於半固態電池狀態，目前已經有部分國產純電車開始裝車這種電芯。第三種是比亞迪、廣汽和長城三家自主品牌力推的非三元鋰型長條狀電芯，而第四種，就是特斯拉力推的4680電芯了。

而最近我們收到不少消息，顯示被特斯拉寄予厚望的4680電芯，似乎存在相當大的能量密度問題，在一些言論中甚至表示，現在的4680電芯能量密度，甚至還不如磷酸鐵鋰電池，更無法和三元鋰相提並論。最後得出結論，代表美國最先進的4680電芯技術，遠不如我們國產的電芯。

說的好像有鼻子有眼的，但這到底是咋回事？特斯拉的4680電芯，真的就這麽不堪？

特斯拉的4680電芯，全稱4680無極耳電芯，或者叫4680全極耳電芯。首先必須強調一點，4680電芯代表著的不是這個電芯采用了什麽全新的化學材料制成，它只是電芯的一種封裝形式。又或者說，4680這四個數字，本身代表的就是圓柱形電芯直徑46毫米，高度80毫米而已，換句話說，4680電芯是一個規格名，和18650電芯（直徑18，高度65，單位毫米），21700電芯（直徑21，高度70）都是一樣的命名方式.

所以上文提到的某些言論中，把4680電芯和三元鋰和磷酸鐵鋰電芯比較，進而帶節奏的做法，本身就是田忌賽馬一般的表述。4680可以是三元鋰，也可以是磷酸鐵鋰，也可以用其他化學配比做，沒人規定4680電芯必須用哪一種電芯正負極材料。只是因為現階段做4680的只有特斯拉，而特斯拉沒在4680電芯上使用三元鋰配比而已。

那我們為什麽在文章最開始，把4680設定為平行於VDA等電芯類型的一種單獨的技術路線呢？那是因為4680在電芯封裝上，確實非常有創新性，也確實非常先進。要討論4680的無極耳技術之前，大家得先知道，現在的鋰電池電芯是什麽結構。

電芯的內部結構基本就是這麽個樣子。如果你把電芯這個“大大卷”橫著切開，會發現它實際上在這麽薄的一層裏，有5層結構，分別是上下兩端的正負極，中間那張比蟬翼還薄的ATL膜，再就是在這幾個結構中間充斥著的，水一樣的液體（那確實就是水，電解液用純水制成）。

小學級別的電學知識告訴我們，電池是有正負極的，一般來說，正極極耳在電池的一端，負極極耳在另一端。大多數鋰電池的結構也都這樣。所以這裏存在一個問題：如果一個電芯需要存儲更多電能，那麽在電芯殼子裏的這些“大大卷”就會越來越多，又因為正負極是在整個電池本體的左右兩端，所以這就意味著，單個電芯存儲電容量越大的，正負極耳之間的距離就必然更遠。這裏會帶來一個很直接的問題：電子遷移率降低。

咋解釋呢？你可以把電子在正負極之間想象成一次田徑賽跑，假設運動員（電子）跑步速度一致，從正極耳跑到負極耳，這個距離是這位運動員要跑的“賽道”的長度。電池A的賽道長度是1米，但電池B的賽道長度是6米，大家覺得，哪塊電池的“運動員”，會最快跑完賽道？這就是問題所在，正負極耳之間的距離越長，會直接導致電子遷移率降低，電子遷移率降低會直接影響整塊電池的充放電速度。也就是說，單塊電芯電容量越大，理論上單體電芯性能就更差。

當然，電池制造商決不會允許這種事情的出現，通常的解決方法是，給這位運動員打大量的“興奮劑”，讓它以更快的速度跑完全程。但這就直接會產生兩個大問題：電芯發熱過大，以及鋰析晶可能性加劇。以目前的技術，這兩個問題是無法解決的，只能在電子遷移率降低，和電芯危險性提高這兩個裏面二選一。

但特斯拉的4680之所以具有開創性意義，原因就在於，它徹底從結構上解決了“運動員的賽道太長”的問題。4680的無極耳（或者叫全極耳）技術，直接在整個電芯本體（不是外面那個殼子）的正極上，通過一種很先進的金屬延展技術，把正極本身的金屬本體直接做成正極，和4680電芯的殼體連接。而負極直接通過同樣的技術延伸出來，在電芯殼體的下端連接。

換句話說，4680電芯你能看到的整個電芯殼子，全都是正極，只有電芯正下方那個圓柱形才是負極。這種結構是傳統電芯結構的大改良，盡管4680仍然屬於傳統的液態電池序列，但在動力電池領域，這是目前公認的，在結構上最完善最先進的電芯封裝形式，沒有之一。

4680電芯有兩個特別大的優勢：第一，能量密度可以做得很高而且充放電功率遠高於傳統電芯，其次，電芯本身在大功率充放電下的發熱會非常顯著地好於傳統電芯。發熱是電芯壽命最大的“殺手”，也就是說，4680電芯的理論壽命，也會非常顯著地，好於所有的傳統封裝的電芯。如果再加上特斯拉本就天下無敵的電芯磨損平衡算法，搭載4680電芯的特斯拉車，電池組壽命真的可以很“恐怖”，而且衰退還極低。

文初提到的，部分言論表示4680電芯的能量密度遠遠不如傳統電芯。這句話你可以說它錯，但也可以說它沒錯。因為發布這些信息的人刻意沒提到一個信息點：4680電芯，現階段還沒開始大規模裝車。

根據電芯行業媒體在23年5月底發布的一則消息顯示，4680電芯的唯一制造商，日本松下電池表示，在2031年要把4680電芯的產能擴大到200吉瓦時，是23年4月底的4倍，即2023年4月底，4680電池目前的全球年產量為50吉瓦時。這個數據什麽概念？2022年底，寧德時代第一電池工廠的滿產能為年產24吉瓦時，寧德時代6家電池工廠加起來年產能101吉瓦時。

看起來，4680電池的出貨量相當龐大？是的，非常龐大，但大家要知道的是，現階段出貨的絕大多數4680電芯，都沒有被裝配到特斯拉車上，而是用在特斯拉自己的超級儲能站項目上。這裏扯一句題外話，目前全球超級儲能站主要有兩個巨頭在玩，分別是排名第一的特斯拉，以及排名第二的比亞迪。但目前比亞迪在儲能容量上，相比特斯拉還有差距，短時間內趕不上。

而松下電池，從2021年開始就不斷對外公布4680電池的制造狀態。所以這裏涉及一個“采樣時間”的問題。在2021-2022年初，4680電芯因為技術難關還沒攻克，能量密度確實很低，哪怕到了2023年5月底的數據，4680電芯的能量密度也只是剛超過傳統磷酸鐵鋰的程度，跟NCM811這種能量密度怪物還有很大差距。所以現階段，你的確可以說4680電芯能量密度不行。

但這個信息沒提到的是，現階段那些能量密度較低的4680電芯，不是用在車上的，是用在儲能站上的。儲能站不要求太高的能量密度，但對鋰電芯本身的穩定性要求極高。而車子的要求正好反過來，車子可以不要求太高的電池穩定性（畢竟有很多保護措施在扛著），但能量密度一定要高。

而能量密度這東西，本身就是4680電芯的傳統強項。所以把在車上用的，把能量密度幹到極致的VDA電芯，和用在儲能站上的，還不是4680能量密度極限的非車用電芯去比，這多少有點不公平競爭。

但說句實話，別說我們作為第三方的媒體，現在連松下電池和特斯拉自己，都不清楚4680電芯到底能做到多大的能量密度。

所以我們對這件事的評價是：國產電芯的進步固然值得喝彩，但千萬不能自大，不要認為我們在電車領域領先了世界，在電車所有關鍵技術上就都處於無法被挑戰的統治地位。不是這樣的，就好比說美國，在電芯技術這塊就非常、非常強悍。另外小日子過得不錯的日本，在電芯技術上也強得很。在電芯領域，我們可以說是強敵環伺的。

所以我們更需要的，是在電芯等核心領域繼續奮發向上。我們誠然已經很強，但還沒強到，在電車核心技術上能俯視全世界的程度，革命尚未成功，同志仍需努力！

聲明： 本文由入駐搜狐公眾平台的作者撰寫，除搜狐官方賬號外，觀點僅代表作者本人，不代表搜狐立場。

閱讀 (1393)

2023-06-12 10:58:22
https://www.sohu.com/a/684572933_115886