本文來源：智車科技
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，各大廠商使用的動力電池主要有三種。歐洲韓國車企多使用軟包電池，國內(nèi)車企大多數(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？
特斯拉和圓柱電池的連接起源于特斯拉推出第一款車型Roadster跑車。當(dāng)時，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跑車殺出重圍，18650電池功不可沒。
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位居銷量榜榜首。表面看起來，特斯拉和松下合作很順暢，各取所需。實際上，松下一直暗戳戳卡馬老板的脖子，Model 3訂單紛至沓來，電池產(chǎn)能卻像擠牙膏。
作為世界頂級工業(yè)強人，馬斯克怎肯受制于人？必然會到來的電池自研之路早在規(guī)劃中。從2018年開始，特斯拉便成立專門項目組，著手自研電池，力求掌握電車的核心技術(shù)之一。隨后為了支持低價電動車計劃，擺脫供應(yīng)商掣肘，特斯拉更是加大力度推進電池降本。在這些背景下，2020年，4680大圓柱電池應(yīng)運而生。
記得在4680電池的發(fā)布會上，馬斯克對其極盡贊美，用了相當(dāng)大的篇幅來介紹這款電池：“4680電池是巨大技術(shù)突破，預(yù)計只需要三年，4680電池就可以實現(xiàn)量產(chǎn)，到時候特斯拉就可以造出一輛非常吸引人，價格只有2.4萬的新電動車。”
馬斯克為何對4680電池如此看好？從技術(shù)層面看，它確實值得。據(jù)悉4680電池可以將特斯拉汽車續(xù)航提高16%，輸出功率提高6倍，它的電池容量更是當(dāng)時電池的5倍之多，而且成本還降低16%。4680電池成功量產(chǎn)，對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。
首先是大電芯：
相比方形電池，圓柱電池在封裝為電池包時，圓柱與圓柱之間會有縫隙，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，車用圓柱電池直徑控制在45- 50 毫米時能最好地兼顧電池容量和空間利用率，特斯拉在經(jīng)過多方實驗，遍歷所有關(guān)鍵指標，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數(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，電池組中金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。
另外，4680電池結(jié)構(gòu)強度增加，與CTC技術(shù)完美結(jié)合。4680尺寸更大，結(jié)構(gòu)強度更高，其作為結(jié)構(gòu)電池成為車結(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（Current Collector）結(jié)構(gòu)。
（特斯拉4680無極耳渲染圖）
極耳是從電芯中將正負極引出來的金屬導(dǎo)電體，是電池充放電時的接觸點。在電池工作中，電子從正極極耳流向負極極耳，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)電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池將傳統(tǒng)電池凸起的極耳結(jié)構(gòu)去掉，讓整個電池底部和外殼充當(dāng)極耳。
（雙極耳、全極耳平面圖 圖片來源：逸飛激光）
這種改進帶來的好處如下：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，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，在這個過程中需要充分蒸發(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 億美元買下超級電容公司 Maxwell，將超級電容器的干法電極工藝運用到鋰電池中，不使用液態(tài)粘合劑，省去了昂貴的涂覆機，跳過烘烤等傳統(tǒng)步驟，工藝簡單，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)容量損失問題，干電池技術(shù)會大大改善這種問題，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)和使用將帶動正負極材料、封裝技術(shù)及結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域全面突破，帶動全產(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電池將多項創(chuàng)新技術(shù)融合也帶來量產(chǎn)難度大的問題。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。具體來說，影響4680量產(chǎn)進度的主要有三項技術(shù)：全極耳成型、集流盤焊接、激光封口。
全極耳成型。對于全極耳成型，鋰電業(yè)內(nèi)主要有兩個解決方案——切折和揉平。揉平工藝是指通過機械方式將卷繞后的極芯端面揉平成一個密實的平面。切折工藝的全極耳電解液注液時間更短，特斯拉以提高生產(chǎn)效率為目標，采用的便是切折全極耳技術(shù)。
這一技術(shù)對電池卷繞機精度要求很高，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。
集流盤焊接。激光焊接是4680生產(chǎn)過程中最重要的焊接工藝。4680的激流盤焊接工序十分復(fù)雜，存在焊接升溫導(dǎo)致隔膜產(chǎn)生熱縮效應(yīng)，焊接時壓力過大出現(xiàn)焊接穿孔，或壓力過小造成焊接不牢固，組件脫落等問題。
激光封口。利用激光技術(shù)對電芯殼蓋與殼體進行圓周密封焊接的激光封口過程是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，對激光焊接工藝要求極高。
這三項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)流程還未實現(xiàn)標準化，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)人士打上了問號。
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1000萬塊4680電池，用4個月將產(chǎn)量翻番，這無疑是巨大的進步。
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)線也有可能開動。除此之外，有韓國媒體爆料，特斯拉弗洛蒙德工廠的量產(chǎn)能力已經(jīng)達到月800萬只水平。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線和工廠對面的新場地新線，特斯拉月產(chǎn)能將達到6,000萬只。
別忘了，特斯拉在內(nèi)華達還有四條線在建。這樣的量產(chǎn)能力一旦建成，單位成本肯定會大幅下降。?
雖然幾經(jīng)延期，但特斯拉還是一步步把吹過的牛皮圓了回來，用實打?qū)嵉漠a(chǎn)量證明4680電池大規(guī)模量可以實現(xiàn)，此前立下目標——有能力生產(chǎn)100 GWh的4680電池，滿足130萬輛電動汽車需求的目標也近在咫尺，4680大規(guī)模商業(yè)化曙光已在天邊。