本文來(lái)源：智車(chē)科技
12月，特斯拉Cybertruck的交付掀起了一股特斯拉技術(shù)熱潮，除了防彈車(chē)身和超越911的加速度表現(xiàn)，特斯拉4680電池技術(shù)也再次成為話題。
目前，各大廠商使用的動(dòng)力電池主要有三種。歐洲韓國(guó)車(chē)企多使用軟包電池，國(guó)內(nèi)車(chē)企大多數(shù)使用方形電池，再就是特斯拉大規(guī)模使用的圓柱形動(dòng)力電池。而4680電池，指的就是直徑 46 mm、高 80 mm 的圓柱形電池。
01
4680電池緣起何時(shí)？
特斯拉和圓柱電池的連接起源于特斯拉推出第一款車(chē)型Roadster跑車(chē)。當(dāng)時(shí)，特斯拉用的是1991年日本索尼公司發(fā)明的18650電池，即直徑18mm，高度65mm的圓柱形電池，這也是世界上最古老的鋰離子電池。特斯拉將18650電池大量組裝在一起，做成高續(xù)航的電池包。Roadster跑車(chē)殺出重圍，18650電池功不可沒(méi)。
之后，特斯拉和松下成了緊密的合作伙伴。雙方共同研發(fā)了第二代圓形電池，也就是2170，它直徑和高度分別是21mm和70mm。這款電池助力特斯拉model 3位居銷(xiāo)量榜榜首。表面看起來(lái)，特斯拉和松下合作很順暢，各取所需。實(shí)際上，松下一直暗戳戳卡馬老板的脖子，Model 3訂單紛至沓來(lái)，電池產(chǎn)能卻像擠牙膏。
作為世界頂級(jí)工業(yè)強(qiáng)人，馬斯克怎肯受制于人？必然會(huì)到來(lái)的電池自研之路早在規(guī)劃中。從2018年開(kāi)始，特斯拉便成立專(zhuān)門(mén)項(xiàng)目組，著手自研電池，力求掌握電車(chē)的核心技術(shù)之一。隨后為了支持低價(jià)電動(dòng)車(chē)計(jì)劃，擺脫供應(yīng)商掣肘，特斯拉更是加大力度推進(jìn)電池降本。在這些背景下，2020年，4680大圓柱電池應(yīng)運(yùn)而生。
記得在4680電池的發(fā)布會(huì)上，馬斯克對(duì)其極盡贊美，用了相當(dāng)大的篇幅來(lái)介紹這款電池：“4680電池是巨大技術(shù)突破，預(yù)計(jì)只需要三年，4680電池就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，到時(shí)候特斯拉就可以造出一輛非常吸引人，價(jià)格只有2.4萬(wàn)的新電動(dòng)車(chē)。”
馬斯克為何對(duì)4680電池如此看好？從技術(shù)層面看，它確實(shí)值得。據(jù)悉4680電池可以將特斯拉汽車(chē)?yán)m(xù)航提高16%，輸出功率提高6倍，它的電池容量更是當(dāng)時(shí)電池的5倍之多，而且成本還降低16%。4680電池成功量產(chǎn)，對(duì)特斯拉而言是里程碑式的突破。
02
大電芯+全極耳+干法工藝
和特斯拉之前使用的18650和21700圓柱形鋰電池相比，4680電池在電池容量、生產(chǎn)成本和效率等方面上，有了很大優(yōu)勢(shì)。
首先是大電芯：
相比方形電池，圓柱電池在封裝為電池包時(shí)，圓柱與圓柱之間會(huì)有縫隙，空間利用率比較低，圓柱體積的增大可以減少縫隙，有研發(fā)人員指出，車(chē)用圓柱電池直徑控制在45- 50 毫米時(shí)能最好地兼顧電池容量和空間利用率，特斯拉在經(jīng)過(guò)多方實(shí)驗(yàn)，遍歷所有關(guān)鍵指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)46mm是成本最小的電池外徑，直徑 46 mm、高 80 mm，是最完美的圓柱電池比例。
外形增大，減少了電池包中的單體電池?cái)?shù)量，降低殼體在單位電池容量上的占比，結(jié)構(gòu)件和焊接數(shù)量也顯著減少，與2170電池相比，成本降低了14%。同時(shí)，電池組中金屬外殼占比減少，正極、負(fù)極等材料占比增加，能量密度提高。
另外，4680電池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，與CTC技術(shù)完美結(jié)合。4680尺寸更大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，其作為結(jié)構(gòu)電池成為車(chē)結(jié)構(gòu)的一部分，既提供能源，也用作結(jié)構(gòu)起支撐作用，節(jié)省了空間也減少了10%的重量，續(xù)航里程提升14%。
全極耳：
在結(jié)構(gòu)上，與上一代2710相比，4680電池除了體型增大外，革命性地引入了全極耳（Full-tab）加集流盤(pán)（Current Collector）結(jié)構(gòu)。
（特斯拉4680無(wú)極耳渲染圖）
極耳是從電芯中將正負(fù)極引出來(lái)的金屬導(dǎo)電體，是電池充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。在電池工作中，電子從正極極耳流向負(fù)極極耳，其流經(jīng)路徑與電池內(nèi)阻成正比，流經(jīng)寬度與電池內(nèi)阻成反比，而電池內(nèi)部損耗功率與內(nèi)阻的平方成正比，因此極耳接觸面積越大，極耳間距越短，電池輸出功率越高。
傳統(tǒng)電池只有兩個(gè)極耳，分別連接正極與負(fù)極，而4680電池將傳統(tǒng)電池凸起的極耳結(jié)構(gòu)去掉，讓整個(gè)電池底部和外殼充當(dāng)極耳。
（雙極耳、全極耳平面圖 圖片來(lái)源：逸飛激光）
這種改進(jìn)帶來(lái)的好處如下：由于電池電流通路變寬，降低了內(nèi)阻，內(nèi)部損耗隨之降低，從而極大提升了輸出功率，相當(dāng)于2170電池的6倍；全極耳提升了電池安全性，熱量傳輸通道寬闊，增強(qiáng)了電池的熱穩(wěn)定性，更容易散熱；由于全極耳結(jié)構(gòu)，電子更容易在電池內(nèi)部移動(dòng)，電流倍率提高，因此充放電速度更快等等。
干電池技術(shù)：
當(dāng)下，電池制造技術(shù)主要有兩種，濕法工藝和干法工藝。
在過(guò)去30年，電池公司一直使用濕法工藝。濕法工藝包括混料、涂布、烘干、NMP 回收、輥壓的流程，在這個(gè)過(guò)程中需要充分蒸發(fā)有毒的溶劑和水分，工序繁瑣，制造成本較高，設(shè)備、人工、廠房成本約占整個(gè)電池制造的 22.76%。
為了降低電池生產(chǎn)成本，2019 年，特斯拉花 2.19 億美元買(mǎi)下超級(jí)電容公司 Maxwell，將超級(jí)電容器的干法電極工藝運(yùn)用到鋰電池中，不使用液態(tài)粘合劑，省去了昂貴的涂覆機(jī)，跳過(guò)烘烤等傳統(tǒng)步驟，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省了成本，極大地提高了生產(chǎn)效率。馬斯克曾披露，僅靠這個(gè)工藝，特斯拉就能將單位產(chǎn)能的設(shè)備支出減少三分之一，將電極生產(chǎn)車(chē)間的占地面積和能源損耗減少 90%。
除此之外，干法工藝還增加了電池能量密度。在有溶劑的情況下，鋰與混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合，有第一次循環(huán)容量損失問(wèn)題，干電池技術(shù)會(huì)大大改善這種問(wèn)題，從而提升電池能量密度。
除了大電芯+全極耳+干電池技術(shù)，特斯拉4680電池采用的硅碳負(fù)極等新材料與新技術(shù)也重新定義了圓柱電池，它的大規(guī)模量產(chǎn)和使用將帶動(dòng)正負(fù)極材料、封裝技術(shù)及結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域全面突破，帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)革新。
03
難產(chǎn)的4680
4680電池的生產(chǎn)并非一帆風(fēng)順。4680電池將多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)融合也帶來(lái)量產(chǎn)難度大的問(wèn)題。從2020年發(fā)布4680電池至今，特斯拉一直處于技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)能爬坡階段。具體來(lái)說(shuō)，影響4680量產(chǎn)進(jìn)度的主要有三項(xiàng)技術(shù)：全極耳成型、集流盤(pán)焊接、激光封口。
全極耳成型。對(duì)于全極耳成型，鋰電業(yè)內(nèi)主要有兩個(gè)解決方案——切折和揉平。揉平工藝是指通過(guò)機(jī)械方式將卷繞后的極芯端面揉平成一個(gè)密實(shí)的平面。切折工藝的全極耳電解液注液時(shí)間更短，特斯拉以提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)，采用的便是切折全極耳技術(shù)。
這一技術(shù)對(duì)電池卷繞機(jī)精度要求很高，必須將表層平整度和精度偏差維持在極小范圍內(nèi)，電池體積大，電芯厚，都極容易造成極耳接觸程度不一致，導(dǎo)致內(nèi)阻一致性差，焊接后材料連接不穩(wěn)定，良率難以保證。
集流盤(pán)焊接。激光焊接是4680生產(chǎn)過(guò)程中最重要的焊接工藝。4680的激流盤(pán)焊接工序十分復(fù)雜，存在焊接升溫導(dǎo)致隔膜產(chǎn)生熱縮效應(yīng)，焊接時(shí)壓力過(guò)大出現(xiàn)焊接穿孔，或壓力過(guò)小造成焊接不牢固，組件脫落等問(wèn)題。
激光封口。利用激光技術(shù)對(duì)電芯殼蓋與殼體進(jìn)行圓周密封焊接的激光封口過(guò)程是4680殼體密封的關(guān)鍵步驟。4680的外殼采用不易焊接的鋼殼鍍鎳的材質(zhì)，殼壁更薄，對(duì)激光焊接工藝要求極高。
這三項(xiàng)高精工藝增加了特斯拉量產(chǎn)的難度，再加上4680圓柱電池的生產(chǎn)流程還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，各家電池廠商在工藝上有不少差別，由于以上諸多因素，特斯拉能否大規(guī)模量產(chǎn)4680電池被很多業(yè)內(nèi)人士打上了問(wèn)號(hào)。
04
曙光
在不少質(zhì)疑聲中，特斯拉終于在今年10月份官宣其德州超級(jí)工廠在4680電池的生產(chǎn)上取得了重大突破，該工廠生產(chǎn)了第2000萬(wàn)塊電池。而6月份特斯拉剛宣布其德州工廠生產(chǎn)了第1000萬(wàn)塊4680電池，用4個(gè)月將產(chǎn)量翻番，這無(wú)疑是巨大的進(jìn)步。
眾所周知，德州工廠目前還只是一條產(chǎn)線在生產(chǎn)，到今年年底，另外三條產(chǎn)線也有可能開(kāi)動(dòng)。除此之外，有韓國(guó)媒體爆料，特斯拉弗洛蒙德工廠的量產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到月800萬(wàn)只水平。根據(jù)韓媒流出的數(shù)據(jù)，到明年年中，加上弗洛蒙德的一條試驗(yàn)線和工廠對(duì)面的新場(chǎng)地新線，特斯拉月產(chǎn)能將達(dá)到6,000萬(wàn)只。
別忘了，特斯拉在內(nèi)華達(dá)還有四條線在建。這樣的量產(chǎn)能力一旦建成，單位成本肯定會(huì)大幅下降。?
雖然幾經(jīng)延期，但特斯拉還是一步步把吹過(guò)的牛皮圓了回來(lái)，用實(shí)打?qū)嵉漠a(chǎn)量證明4680電池大規(guī)模量可以實(shí)現(xiàn)，此前立下目標(biāo)——有能力生產(chǎn)100 GWh的4680電池，滿足130萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)需求的目標(biāo)也近在咫尺，4680大規(guī)模商業(yè)化曙光已在天邊。