电池博士讲电池：特斯拉4680电池 | 电动势
从比亚迪的刀片电池，到蜂巢能源的无钴电池，再到宁德时代的钠离子电池，动力电池产业经历着不断地创新。
2020年9月23日——特斯拉电池日，特斯拉CEO埃隆·马斯克向全球展示了一款全新电池——4680电池。
此前，圆柱锂电池的尺寸主要是18650和21700两种，21700比18650的能量多50%。而4680电池的电芯容量是21700电池的五倍，新电池能将每千瓦时的成本降低约14%，续航里程提高16%。
马斯克直言，这款电池将使 2.5 万美元的电动车成为可能。
那么，这款来势汹汹的电池究竟是何来头？接下来我们一一解析。
一、什么是4680电池？
特斯拉对动力电池的命名方式非常简单直白。4680电池，顾名思义就是单体电芯直径为46mm、高度为80mm的圆柱形电池。
三种不同尺寸的锂离子圆柱电池
从图中可以发现，相比起特斯拉原来采用的18650电池和21700电池，4680电池的外观就像是一个又高又壮的壮汉。
但是4680 电池并不只是尺寸变化，特斯拉融入了很多新技术来提升性能。
二、4680电池的新技术
1、无极耳设计
直观上来看，4680最大的感受就是体积更大。那么为什么以前其他厂商不把电池做大呢。这是因为体积越大，能量越高，热量就很难控制，燃烧和爆炸产生的安全威胁就更大。
特斯拉显然也考虑到这个问题。
相比于以前的圆柱电池，4680电池最大的结构创新是无极耳，又称全极耳。传统的圆柱体电池，正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕，为了引出电极，会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线叫极耳。
传统的1860电池卷绕长度是800mm，以导电性更好的铜箔为例，极耳从铜箔上把电导出来长度就是800mm，相当于电流要通过800mm长的导线。
通过计算得到电阻大约是20mΩ，2170电池卷绕长度约是1000mm，电阻约23mΩ。可以简单换算下，同样厚度的薄膜要卷成4680电池，卷绕长度约是3800mm。
卷绕长度变长有很多坏处，电子需要走更长的距离才能到电池两头的极耳上面，电阻就会变大，电池更容易发热。电池的性能会下降，甚至产生安全问题。为了缩短电子走的距离，4680电池采用了无极耳技术。
无极耳不是没有极耳了，而是把整个集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳，电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输。
整个导电长度由1860或者2170铜箔长度的800～1000mm变成了80mm（电池高度）。电阻降到2mΩ，内阻消耗由2W降到0.2W，直接降低一个数量级。
这种设计大幅降低了电池的阻抗，解决了圆柱电池的发热问题。
无极耳技术一方面增大了电流传导面积、缩短电流传导距离，大幅降低电池内阻；内阻降低可以减小电流偏移现象，延长电池寿命；电阻减小还可降低热量产生，电极导电涂层和电池端盖的有效接触面积可达到 100%，能提升散热能力。
4680 电池在电芯结构方面采用新型无极耳技术，可实现降本增效。另外一方面，省去极耳焊接过程，提高了生产效率，同时还可降低因焊接产生的不良率。
单极耳和全极耳结构示意图
2、结合CTC技术
一般来说电池尺寸越大，同一辆车需要安装的电池数量就越少。使用18650电池，一辆特斯拉需要7100颗电池。如果使用4680电池，只需要900颗电池。
电池越少组装就越快，效率越高，中间环节出问题的概率就更小，并且价格更便宜。据特斯拉透漏，大体积的4680可以把电池生产价格减少14%。
为了提高电池包的能量密度，4680电池会和CTC（Cell to Chassis）技术结合。就是将电池单体直接集成到底盘中。通过完全移除模组和电池包，电池单体与单体间变得更为紧凑，电池零部件数量将大幅下降，底盘的空间利用率也会得到极大改进。
CTC对电池的结构强度有一定的要求，电池本身要承担不小的机械强度，相比于18650和2170电池，4680 单体电池更大结构强度更高，并且一般方壳电池是铝壳的，而4680外壳是不锈钢的，天生结构强度就有保证。
相对比方壳电池，圆柱电池的布局会更灵活，能适应各种不同的底盘，可以与地盘更好的结合。
据《电动势》研判，CTC技术是2022年新能源车的风口，同时也是岔口。
电池车身一体化会使车辆的维修变得异常复杂，电池很难独立更换。售后维修服务价格会升高，而这些成本会直接转移到消费者的头上，比如保险费用会随之上涨 。尽管马斯克声称他们设计了可以切断和更换的修复导轨，最后效果如何还需时间来检验。
很多车企都提出了自己的CTC技术方案，因为它不仅重新布局了电池，还同时需要改变车身结构。这就关系到相关产业供应链的重新分工。
CTC只是一种技术路线。它是电池车身一体化，不变拆卸。它对面还有另外一种技术-换电。换电技术方便拆卸，但是电池在电池强度上做很大贡献。如何选择这两种路线，是电池供应商和主机厂的一场博弈。
CTC技术结合4680电池
3、电池生产工艺、正极、负极材料创新
特斯拉将使用干电池电极工艺，不使用溶剂，而是将少量（约5-8%）细粉状PTFE粘合剂与正/负极粉末混合，通过挤压机形成薄的电极材料带，再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。
这样生产的电池更环保。并且这项工艺将会提高电池的能量密度，并且使生产能耗降低10倍。干电极技术很可能会成为下一代的技术标杆。
特斯拉4680电池干电极技术
正极材料方面，特斯拉表示还会去掉正极里面的钴元素。钴不但贵而且稀少。只在世界上很少的国家可以开采，还是在刚果这样局势不稳定的非洲国家。如果电池真能去掉钴元素，可以说是个重大的技术革新。
钴元素
在负极材料方面，特斯拉将从硅材料入手，使用更多的硅来替代现在使用的石墨。硅基负极理论比容量高达 4200mAh/g，超过石墨负极十倍。但是硅基负极也存在硅易体积膨胀、导电性差、首次充放电损耗大等问题。
因此，材料的性能改善实际上是在能量密度和稳定性之间寻找平衡，现在的硅基负极产品是将硅和石墨掺杂起来复合使用。
特斯拉计划从根本上改变硅表层的延展性，使其不容易破碎，这项技术不仅让电池充电速度更快，还可以使电池的续航能力增加20%。特斯拉将研制的新材料命名为“特斯拉硅”，成本为1.2美元/KWh，仅为现有的结构化硅工艺的十分之一。
硅基负极被看作下一代锂电池负极材料。
市面上已经有少数车型开始应用硅基负极材料。特斯拉 Model3 等车型已在在负极中掺入少量的硅。近期广汽埃安AION LX Plus 车型上市，千里版搭载了海绵硅负极片电池技术，能实现1000公里续航。
4680电池硅负极
总结一下4680电池技术的优势就是，它可以做到在降低成本的同时还提升性能。
三、4680电池的深远影响
4680电池并不算是一场颠覆性的技术革命，并不是在能量密度方面做出了突破，更多的是工艺技术上的创新。
但是在特斯拉的带动下，对当下新能源市场的格局而言，4680电池的投产将会改变现有的电池格局。行业必然会掀起一波大体积圆柱电池的潮流。
据报道，松下计划 2023 年初开始为特斯拉量产 4680 大容量电池。新投资将高达 800 亿日元（合约 7.04 亿美元）。三星 SDI 和 LG 能源也加入了 4680 电池的开发行列。
国内方面，亿纬锂能发布公告称，子公司亿纬动力拟在荆门高新区投建20GWh乘用车用大圆柱电池生产线。比克电池、蜂巢能源也将进入大圆柱电池领域。宝马、宁德时代也在积极部署大圆柱电池，基本格局已定。
电池厂商圆柱电池布局情况
四、电动势有话说
大圆柱电池的结构性创新，对动力电池产业的发展无疑具有推动作用，绝不是仅仅由五号电池升级为一号电池那么简单，它胖胖的身材里有大学问。
电池的成本接近整车成本的百分之四十，电池作为“心脏”，其重要性不言而喻。然而随着新能源汽车的普及，对电池的需求与日俱增，材料的价格水涨船高，电池的创新成为了车企发展的重要途径。
随着电池相关技术的发展，平价电动车指日可待！