12月，特斯拉Cybertruck的交付掀起了(le)一股特斯拉技術熱潮，除了(le)防彈車身和(hé)超越911的加速度表現(xiàn)，特斯拉4680電池技術也(yě)再次成爲話(huà)題。
目前，各大(dà)廠(chǎng)商使用(yòng)的動力電池主要有三種。歐洲韓國車企多使用(yòng)軟包電池，國内車企大(dà)多數使用(yòng)方形電池，再就是特斯拉大(dà)規模使用(yòng)的圓柱形動力電池。而4680電池，指的就是直徑 46 mm、高(gāo) 80 mm 的圓柱形電池。
4680電池緣起何時(shí)？
特斯拉和(hé)圓柱電池的連接起源于特斯拉推出第一款車型Roadster跑車。當時(shí)，特斯拉用(yòng)的是1991年日本索尼公司發明(míng)的18650電池，即直徑18mm，高(gāo)度65mm的圓柱形電池，這(zhè)也(yě)是世界上(shàng)最古老(lǎo)的锂離子電池。特斯拉将18650電池大(dà)量組裝在一起，做成高(gāo)續航的電池包。Roadster跑車殺出重圍，18650電池功不可沒。
之後，特斯拉和(hé)松下(xià)成了(le)緊密的合作(zuò)夥伴。雙方共同研發了(le)第二代圓形電池，也(yě)就是2170，它直徑和(hé)高(gāo)度分别是21mm和(hé)70mm。這(zhè)款電池助力特斯拉model 3位居銷量榜榜首。表面看(kàn)起來(lái)，特斯拉和(hé)松下(xià)合作(zuò)很(hěn)順暢，各取所需。實際上(shàng)，松下(xià)一直暗戳戳卡馬老(lǎo)闆的脖子，Model 3訂單紛至沓來(lái)，電池産能(néng)卻像擠牙膏。
作(zuò)爲世界頂級工(gōng)業強人，馬斯克怎肯受制于人？必然會(huì)到(dào)來(lái)的電池自(zì)研之路早在規劃中。從(cóng)2018年開(kāi)始，特斯拉便成立專門(mén)項目組，着手自(zì)研電池，力求掌握電車的核心技術之一。随後爲了(le)支持低(dī)價電動車計(jì)劃，擺脫供應商掣肘，特斯拉更是加大(dà)力度推進電池降本。在這(zhè)些(xiē)背景下(xià)，2020年，4680大(dà)圓柱電池應運而生。
記得在4680電池的發布會(huì)上(shàng)，馬斯克對(duì)其極盡贊美(měi)，用(yòng)了(le)相當大(dà)的篇幅來(lái)介紹這(zhè)款電池：“4680電池是巨大(dà)技術突破，預計(jì)隻需要三年，4680電池就可以實現(xiàn)量産，到(dào)時(shí)候特斯拉就可以造出一輛非常吸引人，價格隻有2.4萬的新電動車。”
馬斯克爲何對(duì)4680電池如此看(kàn)好(hǎo)？從(cóng)技術層面看(kàn)，它确實值得。據悉4680電池可以将特斯拉汽車續航提高(gāo)16%，輸出功率提高(gāo)6倍，它的電池容量更是當時(shí)電池的5倍之多，而且成本還降低(dī)16%。4680電池成功量産，對(duì)特斯拉而言是裏程碑式的突破。
大(dà)電芯+全極耳+幹法工(gōng)藝
和(hé)特斯拉之前使用(yòng)的18650和(hé)21700圓柱形锂電池相比，4680電池在電池容量、生産成本和(hé)效率等方面上(shàng)，有了(le)很(hěn)大(dà)優勢。
首先是大(dà)電芯：
相比方形電池，圓柱電池在封裝爲電池包時(shí)，圓柱與圓柱之間會(huì)有縫隙，空(kōng)間利用(yòng)率比較低(dī)，圓柱體積的增大(dà)可以減少縫隙，有研發人員指出，車用(yòng)圓柱電池直徑控制在45- 50 毫米時(shí)能(néng)最好(hǎo)地兼顧電池容量和(hé)空(kōng)間利用(yòng)率，特斯拉在經過多方實驗，遍曆所有關鍵指标，發現(xiàn)46mm是成本最小(xiǎo)的電池外(wài)徑，直徑 46 mm、高(gāo) 80 mm，是最完美(měi)的圓柱電池比例。
外(wài)形增大(dà)，減少了(le)電池包中的單體電池數量，降低(dī)殼體在單位電池容量上(shàng)的占比，結構件和(hé)焊接數量也(yě)顯著減少，與2170電池相比，成本降低(dī)了(le)14%。同時(shí)，電池組中金(jīn)屬外(wài)殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能(néng)量密度提高(gāo)。
另外(wài)，4680電池結構強度增加，與CTC技術完美(měi)結合。4680尺寸更大(dà)，結構強度更高(gāo)，其作(zuò)爲結構電池成爲車結構的一部分，既提供能(néng)源，也(yě)用(yòng)作(zuò)結構起支撐作(zuò)用(yòng)，節省了(le)空(kōng)間也(yě)減少了(le)10%的重量，續航裏程提升14%。
全極耳：
在結構上(shàng)，與上(shàng)一代2710相比，4680電池除了(le)體型增大(dà)外(wài)，革命性地引入了(le)全極耳（Full-tab）加集流盤（Current Collector）結構。
（特斯拉4680無極耳渲染圖）
極耳是從(cóng)電芯中将正負極引出來(lái)的金(jīn)屬導電體，是電池充放(fàng)電時(shí)的接觸點。在電池工(gōng)作(zuò)中，電子從(cóng)正極極耳流向負極極耳，其流經路徑與電池内阻成正比，流經寬度與電池内阻成反比，而電池内部損耗功率與内阻的平方成正比，因此極耳接觸面積越大(dà)，極耳間距越短，電池輸出功率越高(gāo)。
傳統電池隻有兩個極耳，分别連接正極與負極，而4680電池将傳統電池凸起的極耳結構去掉，讓整個電池底部和(hé)外(wài)殼充當極耳。
（雙極耳、全極耳平面圖 圖片來(lái)源：逸飛(fēi)激光）
這(zhè)種改進帶來(lái)的好(hǎo)處如下(xià)：由于電池電流通路變寬，降低(dī)了(le)内阻，内部損耗随之降低(dī)，從(cóng)而極大(dà)提升了(le)輸出功率，相當于2170電池的6倍；全極耳提升了(le)電池安全性，熱量傳輸通道(dào)寬闊，增強了(le)電池的熱穩定性，更容易散熱；由于全極耳結構，電子更容易在電池内部移動，電流倍率提高(gāo)，因此充放(fàng)電速度更快(kuài)等等。
幹電池技術：
當下(xià)，電池制造技術主要有兩種，濕法工(gōng)藝和(hé)幹法工(gōng)藝。
在過去30年，電池公司一直使用(yòng)濕法工(gōng)藝。濕法工(gōng)藝包括混料、塗布、烘幹、NMP 回收、輥壓的流程，在這(zhè)個過程中需要充分蒸發有毒的溶劑和(hé)水(shuǐ)分，工(gōng)序繁瑣，制造成本較高(gāo)，設備、人工(gōng)、廠(chǎng)房成本約占整個電池制造的 22.76%。
爲了(le)降低(dī)電池生産成本，2019 年，特斯拉花(huā) 2.19 億美(měi)元買下(xià)超級電容公司 Maxwell，将超級電容器的幹法電極工(gōng)藝運用(yòng)到(dào)锂電池中，不使用(yòng)液态粘合劑，省去了(le)昂貴的塗覆機，跳過烘烤等傳統步驟，工(gōng)藝簡單，節省了(le)成本，極大(dà)地提高(gāo)了(le)生産效率。馬斯克曾披露，僅靠這(zhè)個工(gōng)藝，特斯拉就能(néng)将單位産能(néng)的設備支出減少三分之一，将電極生産車間的占地面積和(hé)能(néng)源損耗減少 90%。
除此之外(wài)，幹法工(gōng)藝還增加了(le)電池能(néng)量密度。在有溶劑的情況下(xià)，锂與混有锂金(jīn)屬的碳不能(néng)很(hěn)好(hǎo)地彼此融合，有第一次循環容量損失問題，幹電池技術會(huì)大(dà)大(dà)改善這(zhè)種問題，從(cóng)而提升電池能(néng)量密度。
除了(le)大(dà)電芯+全極耳+幹電池技術，特斯拉4680電池采用(yòng)的矽碳負極等新材料與新技術也(yě)重新定義了(le)圓柱電池，它的大(dà)規模量産和(hé)使用(yòng)将帶動正負極材料、封裝技術及結構件等領域全面突破，帶動全産業鏈技術革新。
難産的4680
4680電池的生産并非一帆風(fēng)順。4680電池将多項創新技術融合也(yě)帶來(lái)量産難度大(dà)的問題。從(cóng)2020年發布4680電池至今，特斯拉一直處于技術攻關和(hé)産能(néng)爬坡階段。具體來(lái)說，影響4680量産進度的主要有三項技術：全極耳成型、集流盤焊接、激光封口。
全極耳成型。對(duì)于全極耳成型，锂電業内主要有兩個解決方案——切折和(hé)揉平。揉平工(gōng)藝是指通過機械方式将卷繞後的極芯端面揉平成一個密實的平面。切折工(gōng)藝的全極耳電解液注液時(shí)間更短，特斯拉以提高(gāo)生産效率爲目标，采用(yòng)的便是切折全極耳技術。
這(zhè)一技術對(duì)電池卷繞機精度要求很(hěn)高(gāo)，必須将表層平整度和(hé)精度偏差維持在極小(xiǎo)範圍内，電池體積大(dà)，電芯厚，都極容易造成極耳接觸程度不一緻，導緻内阻一緻性差，焊接後材料連接不穩定，良率難以保證。
集流盤焊接。激光焊接是4680生産過程中最重要的焊接工(gōng)藝。4680的激流盤焊接工(gōng)序十分複雜(zá)，存在焊接升溫導緻隔膜産生熱縮效應，焊接時(shí)壓力過大(dà)出現(xiàn)焊接穿孔，或壓力過小(xiǎo)造成焊接不牢固，組件脫落等問題。
激光封口。利用(yòng)激光技術對(duì)電芯殼蓋與殼體進行圓周密封焊接的激光封口過程是4680殼體密封的關鍵步驟。4680的外(wài)殼采用(yòng)不易焊接的鋼殼鍍鎳的材質，殼壁更薄，對(duì)激光焊接工(gōng)藝要求極高(gāo)。
這(zhè)三項高(gāo)精工(gōng)藝增加了(le)特斯拉量産的難度，再加上(shàng)4680圓柱電池的生産流程還未實現(xiàn)标準化，各家電池廠(chǎng)商在工(gōng)藝上(shàng)有不少差别，由于以上(shàng)諸多因素，特斯拉能(néng)否大(dà)規模量産4680電池被很(hěn)多業内人士打上(shàng)了(le)問号。
曙光
在不少質疑聲中，特斯拉終于在今年10月份官宣其德州超級工(gōng)廠(chǎng)在4680電池的生産上(shàng)取得了(le)重大(dà)突破，該工(gōng)廠(chǎng)生産了(le)第2000萬塊電池。而6月份特斯拉剛宣布其德州工(gōng)廠(chǎng)生産了(le)第1000萬塊4680電池，用(yòng)4個月将産量翻番，這(zhè)無疑是巨大(dà)的進步。
衆所周知(zhī)，德州工(gōng)廠(chǎng)目前還隻是一條産線在生産，到(dào)今年年底，另外(wài)三條産線也(yě)有可能(néng)開(kāi)動。除此之外(wài)，有韓國媒體爆料，特斯拉弗洛蒙德工(gōng)廠(chǎng)的量産能(néng)力已經達到(dào)月800萬隻水(shuǐ)平。根據韓媒流出的數據，到(dào)明(míng)年年中，加上(shàng)弗洛蒙德的一條試驗線和(hé)工(gōng)廠(chǎng)對(duì)面的新場地新線，特斯拉月産能(néng)将達到(dào)6,000萬隻。
别忘了(le)，特斯拉在内華達還有四條線在建。這(zhè)樣的量産能(néng)力一旦建成，單位成本肯定會(huì)大(dà)幅下(xià)降。
雖然幾經延期，但(dàn)特斯拉還是一步步把吹過的牛皮圓了(le)回來(lái)，用(yòng)實打實的産量證明(míng)4680電池大(dà)規模量可以實現(xiàn)，此前立下(xià)目标——有能(néng)力生産100 GWh的4680電池，滿足130萬輛電動汽車需求的目标也(yě)近在咫尺，4680大(dà)規模商業化曙光已在天邊。
*文(wén)章來(lái)源旺财锂電
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