4680是指直徑為46毫米、高度為80毫米的圓柱形電池。大圓柱體相對于小圓柱體。特斯拉最初的動力電池是一個圓柱形18650電池（直徑18毫米，高度65毫米）。

圓柱形電池的尺寸由小變大，這不僅意味著尺寸升級，還包括電池安全性、續(xù)航里程和充電容量等因素。大型圓柱形電池并不局限于某家公司，而是許多汽車公司和電池工廠繪制的軌跡。該領(lǐng)域未來的可替代性和后續(xù)的迭代范圍將逐漸擴(kuò)大。

 

1.從小到大的圓柱形電池

索尼是第一個將圓柱形鋰電池商業(yè)化的公司。1991年，索尼發(fā)布了18650圓柱形電池，開啟了鋰電池的商業(yè)時代。松下是第一家向汽車公司提供圓柱形電池的公司。

2008年，特斯拉的第一款豪華轎跑車Roadster問世，使用了7000多塊松下18650三元鋰電池，拉開了特斯拉與松下的長期合作。2017年，由特斯拉和松下聯(lián)合開發(fā)的21700圓柱形電池。

 

 

2020年9月，特斯拉推出4680大圓柱電池，標(biāo)志著動力電池行業(yè)進(jìn)入大圓柱電池時代。從那時起，整車和電池領(lǐng)域的公司一直在爭先恐后地部署大型圓柱形電池，希望在下一代車型和電池的設(shè)計中獲得主動權(quán)。

全球排名前十的動力電池公司正在積極部署大型圓柱形電池，一些汽車制造商也在開發(fā)大型圓柱形動力電池。

專業(yè)人士表示，這個大圓筒本身就是一個壓力容器。工業(yè)中出現(xiàn)的所有電池化學(xué)物質(zhì)都可以裝入大圓筒中。包括全固態(tài)電池、半固態(tài)電池、高鎳三元電池、低鎳NCM622、NCM532、lifepo4電池、磷酸鐵錳鋰電池、正極用鈉電池。

 

 

還有鋰金屬、石墨+硅純石墨作為陽極。這也是大型圓柱形電池的另一個非常核心的優(yōu)勢，即更好的適應(yīng)性和與不同平臺的兼容性。從不同材料來看，2022年銷售的新能源汽車安裝的三元電池的平均能量密度約為154Wh/kg，安裝的磷酸鐵鋰電池的平均能源密度約為128Wh/kg。

因此，根據(jù)車企的訂單需求，今年開始放量的大型圓柱形電池主要適合中高端車型。預(yù)計2023年，全球大型圓柱形動力電池裝機(jī)容量將達(dá)到15.6GWh，大型圓柱形家用蓄電池裝機(jī)容量為0.4GWh。

 

2.大圓筒4680的46毫米有什么突破

圓柱形電池的直徑已從最初的18mm和21mm逐漸升級為26mm（2665）、32mm（3265）和34mm（3420）。為什么主流的大型圓柱形電池的直徑設(shè)置為46毫米？

在電力領(lǐng)域，盡管圓柱形電池尺寸的增加可以減少車輛中使用的電池數(shù)量，降低BMS管理的難度，但會帶來性能和安全問題。據(jù)研究，電池容量每增加10%，其循環(huán)壽命就會縮短約20%，充放電率會降低30%-40%，電池的溫升約為20%。如果你繼續(xù)增加電池尺寸，你就有犧牲安全的風(fēng)險。

 

 

從46毫米的直徑開始，整車的電池壽命開始下降，降低成本的邊際效益逐漸放緩。因此，從電池的整體性能和成本來看，46mm的直徑是目前生產(chǎn)技術(shù)水平下的最佳解決方案。

從18650電池到21700電池，電池單元的容量增加了35%，能量密度增加了20%，系統(tǒng)價格下降了約9%。從21700到4680，根據(jù)特斯拉的數(shù)據(jù)，其4680電池的能量密度增加了5倍，充放電功率增加了6倍，續(xù)航里程增加了16%，每千瓦時的系統(tǒng)成本降低了約16%。

與傳統(tǒng)電池相比，大型圓柱形電池不僅在尺寸上有所升級，而且在單體和系統(tǒng)層面都具有技術(shù)創(chuàng)新性。4680電池最大的創(chuàng)新是新的無標(biāo)簽技術(shù)，也被稱為全標(biāo)簽技術(shù)。

 

與傳統(tǒng)的電池技術(shù)相比，使用無標(biāo)簽的優(yōu)勢在于：

它可以將電子運動路徑縮短5%-20%，并將內(nèi)阻降低5-10倍；

可以避免電子偏移和過電位現(xiàn)象的發(fā)生，提高電池壽命；

導(dǎo)電涂層與電池殼的接觸面積達(dá)到100%，分散了加熱面積，有效解決了電池發(fā)熱問題。

 

 

無卡口設(shè)計縮短了電池中電流的移動距離，解決了高倍率充放電時溫度升高的問題，大大提高了充電速度，突破了快速充電的瓶頸。

與傳統(tǒng)電池中使用的鋁線焊接不同，4680電池的電池和集電器是通過激光焊接的。它消除了電線連接導(dǎo)致的集電器故障問題，減少了用于電氣連接的零件數(shù)量，降低了零件的電阻，增加了電池的能量密度，有利于增加電池的尺寸。目前，干電極的能量密度超過300Wh/kg，從長遠(yuǎn)來看可以達(dá)到500Wh/kg。

 

3.4680電池量產(chǎn)的瓶頸

特斯拉采用的無極凸耳解決方案是目前大型氣缸的主流技術(shù)路線。具體操作是在纏繞極片并進(jìn)入纏繞機(jī)之前，在極片上切割一些小孔。向上滾動時，將切割凸舌引導(dǎo)到滾動時的某個位置。最后，將所有導(dǎo)向件引導(dǎo)到一個位置，最后將接線片和回流板焊接在一起。

每個制造商設(shè)計的4680電池結(jié)構(gòu)件不同，屬于非標(biāo)準(zhǔn)件。特斯拉4680電池的上表面和下表面均與電池側(cè)殼體機(jī)械連接。根據(jù)LG新能源的4680電池專利說明書，電池的上表面是獨立組裝的，下表面與側(cè)面融為一體。

 

 

從繞線電池?zé)o接頭工藝到設(shè)備，一些起步較早的電池公司也有自己的技術(shù)路線。每家公司都專注于不同的領(lǐng)域，并有自己的障礙。從行業(yè)角度來看，現(xiàn)階段大型圓柱電池量產(chǎn)的瓶頸主要來自工藝層面。

大型圓柱形電池?zé)o凸片的創(chuàng)新技術(shù)增加了凸片模切、壓平、無凸片和集電板激光焊接過程中的難度，直接影響了電池的良品率，使電池難以批量生產(chǎn)。

實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)需要90%以上的良品率，這僅靠電池公司開發(fā)和設(shè)計大型圓柱形電池組裝段是很難實現(xiàn)的。還需要與鋰電池設(shè)備公司合作，進(jìn)行產(chǎn)品升級和工藝創(chuàng)新，以實現(xiàn)良率突破，滿足量產(chǎn)要求。

 

無極柱形電池大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的核心在于通過激光焊接實現(xiàn)集電器、集電器、正負(fù)極蓋的全面積焊接。

接片數(shù)量的增加對焊接的準(zhǔn)確性、質(zhì)量和一致性提出了更高的要求。它可以推動激光技術(shù)設(shè)備從傳統(tǒng)電池的脈沖激光點焊向4680連續(xù)激光焊接設(shè)備的轉(zhuǎn)變，激光焊接工藝從5道增加到7道。

單個方形電池的電池容量約為150-250Ah，而單個4680電池的電池電量僅為25Ah。生產(chǎn)特斯拉Model Y需要大約960個4680電池。

 

 

因此，無論從單體電池的水平還是所需的電池總數(shù)來看，4680電池技術(shù)帶來的焊點數(shù)量都比傳統(tǒng)電池高出約5倍。也就是說，要生產(chǎn)1GWh的4680電池，與18650和21700條電池生產(chǎn)線相比，需要增加5臺焊接設(shè)備。

大型圓柱形電池現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)也是商業(yè)機(jī)會。大型圓柱形電池在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上的要求更加嚴(yán)格，這帶來了對耳朵激光切割、揉捏和激光焊接等設(shè)備的升級需求。結(jié)構(gòu)件行業(yè)壁壘提高，具有全球競爭力的結(jié)構(gòu)件龍頭企業(yè)有望受益。

在電池化學(xué)材料方面，高鎳正極和硅基負(fù)極等具有更高能量密度的化學(xué)系統(tǒng)可能會迎來新一輪的增長機(jī)會。同時，將進(jìn)一步推動大型圓柱形電池材料體系的更新，推動單壁碳納米管和新型鋰鹽LiFSI獲得更大的市場份額。