不是煙霧彈，特斯拉的4680大電池來了

譯|盧安琪

目前4680的產能相對于特斯拉的產銷率來看只是杯水車薪。

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

在看好特斯拉的人眼里，盡管數量不大，但這標志著4680電池正式進入了量產階段，且預計特斯拉即將開始交付搭載4680電池的新型Model Y。

據了解，每輛ModelY大約需要1000個4680電池，100萬個4680電池僅夠生產約1000輛Model Y。

由此可見，一百萬塊電池的生產對產業鏈來說只是個開始，想要推動產業變革，自產外的采購必不可少。

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

而在國內產業鏈方面，寧德時代(300750)等多家頭部企業也已投入4680電池量產布局，力求全方位加速推進4680電池產線建設。

哪些方面實現了優化？

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。

根據特斯拉公布的數據來看，4680電池的續航里程提升了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采用了硅碳負極材料。這是一種理論上能量密度比傳統石墨負極更高的材料，采用硅負極材料的鋰電池質能密度可提高8%以上，體能密度則可達到提升10%以上。

并且，由于石墨負極的電壓十分接近鋰的沉積電位，硅基負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保的原料。

然后便是無極耳技術（也稱全極耳）的采用，也是特斯拉正在申請的新專利。當前的電池普遍采用“果凍卷設計”， 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極端子的設計。

但這種設計下的電阻會隨著續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。

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

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

而干電極技術則省去了放置溶液的步驟和干燥的過程，通過將活性正負粒子與聚四氟乙烯(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，且生產速度更快。

不僅節約了傳統方法帶來的溶劑開支和覆膜機成本，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。

有人認為，4680在電池的性能優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在熱平衡系統上取得過突破，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，硅原料的循環性較差。鋰離子嵌入傳統的石墨原料時，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，硅原料的導電性不強，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。

現況及展望

盡管松下等大企業宣稱已經做好大規模量產4680電池的準備。從這次特斯拉1月份宣布的4680大圓柱電池量產情況來看，完全量產并應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量，內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的產能相對于特斯拉的產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十萬輛的產銷量相比，僅以目前產能還難以做到全面覆蓋。

此前，馬斯克在發布4680電池概念時提出對4680的投產計劃也可作為發展參考。

他于2020年預計4680電池全面投產大約需要三年時間，并且計劃4680產量在2022年達到一年100GWh、在2030年達到一年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產量將達到100萬輛，Cybertruck和Semi在2023年實現量產后，產量將分別達到25-30萬輛/年、10萬輛/年。

而Electric Vehicle Database數據顯示，Model Y、Cybertruck、Semi的電池容量分別為75kWh、250kWh和500kWh。

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

總結

4680電池增強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、循環性能等方面還有進一步提高的空間。

總而言之，除去新材料和新技術的誕生外，電池容量的提升、生產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電池的全方位投產也將在接下來將推動高鎳陰極、硅碳陰極、碳納米管導電劑、大圓柱結構組件、新鋰鹽等多方面供給需求。

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

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