4680 详解:卷土重来的圆柱电池
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  • 2022-04-28

4680 详解:卷土重来的圆柱电池

Fake it till you make it 。

2020 特斯拉电池日,马斯克提出了 TWh 级另外电池出产方针

许多时辰做成工作的第一步即是「把牛吹出去」 ,2020 年特斯拉在电池日上表态了划时代的 4680 电池,而那时间隔 4680 电池观点的提出仅仅才已往了 1 年,2019 年由松下以及欧洲的一个化学试验室基于全极耳的理论对于圆柱电池举行优化以及革新 ,末了感觉 4680 电池是个不错的方案。

假如以松下的气势派头,至少患上比及 2022 年才最先对于外宣传,到 2025 年后才可能最先年夜范围量产 ,究竟试验室里做出来跟年夜范围量产彻底不是一回事,但特斯拉就是敢「吹出去」,并且此次好像又吹成为了。

庆祝特斯拉加州工场试点出产了 100 万个 4680 电池 ,梗概能装 1,000 台 Model Y

在刚竣事不久的电动汽车百人会 2022 上 ,松下、比克电池 、亿纬锂能几年夜电池巨头都暗示了对于 46 系年夜圆柱电池的看好,同时在 1 月份特斯拉公布在加州的工场内已经经试点出产了 100 万个 4680 电池,间隔 4680 电池的正式装车已经经近在咫尺了 。

下面就重点聊聊特斯拉 4680 电池的焦点技能立异和将来对于市场的影响。

熟悉 4680 电池

在先容特斯拉 4680 电池的焦点技能以前 ,先经由过程几个问答简朴相识一下 4680 电池。

甚么是 4680 电池?

7 号电池、5 号电池、18650 、2170 以及 4680 电池个头对于比,4680 较着要年夜不少

4680 电池即直径 46 妹妹、高 80 妹妹 的圆柱电池,今朝特斯拉使用的 18650 以及 2170 电池也切合这一定名法则 ,此中 18650 电池末了一个「0」的寄义是圆柱,只不外 2170、4680 电池省略了 。

为何是 4680 电池,而不是更年夜或者更小的?

特斯拉 PPT 显示 ,圆柱电池直径 46 妹妹 是续航晋升以及降本的最优解

起首来看直径「46 妹妹」这个指标,从安全性来看,虽然整车电池节数削减可以降低 BMS 的治理难度 ,可是年夜电芯的散热是个难题,46 妹妹 是个均衡规模内的点。从晋升续航以及降本的角度来看,特斯拉以为 46 妹妹 之后整车的续航最先降落 ,同时降本的边际效益变患上很是低 ,是以 46 妹妹 是最优解。别的从内部应力以及角度来看,46 妹妹 也是一个比力临界的点,在化学机能 、出产工艺没有素质上的冲破前 ,46 妹妹 是一个黄金尺寸 。

另外一个参数高度「80 妹妹」,实在今朝业界尚未定论,重要因各家底盘设计而异 ,好比宝马接纳的是 4695 方案,另有的厂商计划了 46105 的方案,即高度为 105 妹妹 。但这个高度也不克不及过高 ,一方面是径向散热会成问题,另外一方面如许会较着增长底盘厚度,从而影响设计美感以及风阻。

为何特斯拉钟情于圆柱电池?

简朴来讲就是路径依靠 ,特斯拉 2004 年景立,2008 年推出首款车型 Roadster,其时市道上尚未很是成熟的动力电池方案可选 ,而松下的 18650 电池在平易近用范畴已经经很是成熟不变 ,安全性以及一致性都到达了很是高的水准,特斯拉因而选择了用几千个单体电池组装的方案,虽然对于 BMS 的磨练比力年夜 ,但在其时确凿也比其他动力电池方案更为靠谱。

特斯拉 Model S 电池包,由数千个 18650 电池构成

跟着动力电池的成长,18650 电池慢慢进级为 2170 电池 ,特斯拉和它的供给商松下、LG 化学等就愈来愈专精于圆柱电池,不外此次 4680 电池对于圆柱电池来讲也是一次挤爆牙膏的进级 。

牙膏挤爆,特斯拉 4680 电池的焦点技能立异点

特斯拉电池日 PPT ,4680 电池要比 2170 电池提高 54% 的续航并降低 56% 的成本

从 18650 到 21700 的进级从数字就能够看出来很有点挤牙膏的味道,有点像近来两年的高通骁龙芯片,而 4680 电池比拟 2170 电池 ,不仅是体积增长了 448%,更多的是与全极耳、高硅负极 、与 CTC 联合等革命性的技能相联合,终极才有了续航增长 54% ,成本降落 56% ,单元产能装备投资额降落 69% 的挤爆牙膏式的晋升(固然特斯拉的 PPT 历来有些水份,这应该 4680 电池迭代两三次后告竣的效果)。

全极耳:开患上远,还要充患上快

传统的电池有一个很是年夜的限定 :能量密度以及功率密度不克不及统筹 ,举个例子,本田雅阁混动的三元电池能量密度只有 82 Wh/kg,而纯电车型的三元锂电池能量密度一般在 150—180 Wh/kg ,这是由于 HEV 锂电池焦点参数是功率密度,究竟电池小(雅阁混动的电池容量仅为 1.3 kWh)又要动员年夜功率的机电,只能捐躯一些质量能量密度。

全极耳方案下 ,电子畅通的路径较着缩短

而特斯拉 4680 电池经由过程接纳全极耳(特斯拉宣传是无极耳)的方案来让两者统筹,极耳简朴来讲就是正负极充放电时的接触点,传统电池在正负极各有一个极耳 ,如许就带来一个问题,电流从正极流向负极时,如上图左侧所示 ,要穿越很长的横向路径 ,如许内阻天然上来了,不仅损耗电池的能量,并且发烧问题难以解决 。

而按照特斯拉专利可以看到 4680 电池的布局中正负极上漫衍着匀称的极耳 ,如许年夜年夜缩短了极耳间距,好比 2170 电池电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度,路径约 900 妹妹 ,而 4680 的正负极薄膜是 2170 电池的 4—5 倍,假如依然接纳单极耳,那末电子的路径会长达 3.8 米 ,内阻也会响应增长 4 倍,而全极耳的方案能让这一起径缩短为电池的高度,即 80 妹妹 ,按照特斯拉的先容,4680 电池内阻发烧只有 2170 电池的五分之一。再加之全极耳年夜年夜增长了电畅通路,如许电子更易在电池内部挪动。

V3 超充下 ,4680 电池的预估充电速率要快于 2170 电池 ,在 V4 超充下估计差距将更较着

是以全极耳的 4680 电池就具有了年夜功率放电以及超充的先天,按照 Insideevs 的研究陈诉,400 V 的 4680 电池体系充 70% 电量需要 15 分钟 ,而接纳 800 V 电池体系的保时捷 Taycan 以及现代汽车的 IONIQ 别离需要 18 分钟以及 22 分钟 。将来假如 4680 电池接纳 800 V 电压体系,充电速率还会更快。

高镍正极 + 高硅负极:单体能量密度到达 300 Wh/kg 的要害

今朝特斯拉的 4680 电池正极接纳的仍是 NCM 811 高镍方案,这个各人已经经比力认识了 ,将来 4680 正极还会向更高比例的镍(如 NCM 9/0.5/0.5) 和「无钴」以及「四元」方面演化。

正极方面的变化不年夜,要实现更高的能量密度,负极也十分要害 。今朝绝年夜大都电池都是石墨负极 ,但石墨的理论比容量为 372 mAh/g,现实上已经经到达了约 330—370 mAh/g,已经经涉及天花板。而硅的比容量能到达 4,200 mAh/g ,是石墨的 10 倍以上,是以在负极掺入必然比例的硅一直是电池能量密度冲破的标的目的。

2020 NIO DAY 上,蔚来 150 度电池的 PPT 上显示了硅碳负极和高镍正极 ,实现高能量密度各人殊途同归

现实上早在 2017 年搭载 2170 电池(来自松下)的 Model 3 上 ,特斯拉就已经经引入了「掺硅」的技能,只是比例还比力小(约莫掺了 5—6% 的硅合金),对于能量密度的晋升还不太较着 。海内也有一些厂商已经经接纳「掺硅」的负极 ,好比 CLTC 续航能到达 1,000 km 的广汽埃安 LX 144.4 度的年夜电池的负极就掺了必然比例的硅,别的智己汽车另有蔚来行将在第四序器量产的 150 kWh 的「固态」电池也用了这一技能 。

虽说「掺硅」能立竿见影地晋升能量密度,但硅天赋不如石墨不变轻易膨胀 ,一般碳基负极在嵌锂反映中体积的膨胀不跨越 10%,而硅基则能膨胀 360%,从而激发 SEI 膜破损等副反映 ,致使电池容量衰减。

相对于来讲,圆柱内部的应力在各个标的目的上都很匀称

相对于来讲 4680 电池的布局更合适「掺硅」,起首圆柱电池极片卷绕的特色可以只管即便使极片各个位置膨胀力匀称 , 削减破损以及褶皱的呈现,方型以及软包电池在 R 角处易呈现应力集中而致使的破损以及褶皱,别的 4680 电池的不锈钢壳体机械强度年夜 ,可充实接收负极的膨胀力。是以理论上 4680 电池负极中能掺入更多的硅 ,估计能到达 10% 以上,能量密度从而有显著晋升 。

CTC 技能:生成好搭档

从第一性道理出发,要提高电池包的能量密度 ,「中间件」必定越少越好,打个比喻想让一个盒子里装至多的鸡蛋,最佳是把鸡蛋托盘去失 ,也就相称于把模组件去失,更极度一些,盒子也不要了 ,也就是 CTC(Cell to Chassis)技能了,也有的叫 CTV(Cell to Vehicle)。

4680 电池与 CTC 技能相联合,座椅直接装在电池上方

而 4680 电池生成就有这个潜质 ,起首 CTC 对于电池的布局强度有必然的要求,电池自己要负担不小的机械强度,比拟于 18650 以及 2170 电池 ,4680 单体电池更年夜布局强度更高 ,而且一般方壳电池是铝壳的,而 4680 外壳是不锈钢的,生成布局强度就有包管 。别的接纳 CTC 技能基本象征着离别维修以及改换了 ,假如发生猛烈的碰撞或者电池的一致性呈现问题,那末可能就只能换车了,而圆柱电池的一致性一直是上风地点 。末了相对于比喻壳电池 ,圆柱电池的结构会更矫捷,能顺应各类差别的底盘,再联合全极耳高能量密度高充放功率的上风 ,将来在 HEV 以及 PHEV 范畴的潜力也很是年夜。

除了了全极耳电池 、高镍 + 高硅和 CTC 技能外,特斯拉 4680 电池另有其他一些技能的运用,好比在隔阂上涂抹 PVDF 避免硅负极膨胀 ,负极添加硅纳米管晋升导电性,别的特斯拉第二代 4680 电池还可能用上干电极的工艺,总之此次特斯拉是要把牙膏挤爆了 ,就看敌手们怎样接招了。

4680 圆柱电池 VS CTP 方形电池 ,宁德时代危矣?

中国市场方形电池桂林一枝,海外市场圆柱、方形、软包鼎足之势

数据显示 2019 以来,中国动力电池市场方形电池一直盘踞着 80% 摆布的份额 ,宁德时代盘踞了此中的一半以上,4680 电池起首打击的天然也是宁德时代 。

这里先抛建国内重要缭绕疾驰等欧洲客户睁开的软包电池,重点对于比下 CTP 方形电池以及 4680 圆柱电池的好坏势和成长趋向。

4680 电池的排布情势

起首从布局上方形电池的成组效率是较着优于高于圆柱电池的 ,估计优异的 CTP 方形电池能到达 80%—90%,4680 + CTC 能到达 70% 以上,这点也不难理解 ,4680 电池虽然比以前年夜了不少,但跟年夜的方形电池比照旧很小的,一辆 Model Y 上约莫需要 960 颗 4680 电池 ,换成方壳可能只需要 6 到 10 块,数目越少,与化学物资无关的其他部件占比就越低。

公共的 CTP 三元方形电池包

不外因为方形电池单体电芯年夜 ,而且是面接触 ,如许就给方形电池的散热以及热掉控防护带了很年夜的难度,是以方形电池三元电池正极其实不太合适往超高镍的标的目的成长,同时上面说到方形电池的负极不合适添加太多「硅」 ,是以方形电池的单体能量密度没法做患上过高 。

而圆柱电池由于单体电芯小,自己比力轻易散热,再加之全极耳的运用让热量集中鄙人面更易针对于性散热 ,是以可以接纳比力激进的高镍方案,再共同高硅负极,单体能量密度能到达 300 Wh/kg ,将来假如接纳超 90% 比例镍的正极,单体能量密度能到达 350—400 Wh/kg 。

如许下来,虽然方形电池的集成效率高 ,但 4680 圆柱电池的单体能量密度高,综合下来,两者的体系能量密度差未几。

而圆柱电池作为已经做生意业化跨越 30 年的品种 ,工艺最为成熟 ,在出产效率 、良品率、投资成本等方面都有必然上风 。好比良品率方面,松下的 2170 电池能到达 99% 以上,比拟方形电池能到达 90% 就已经经长短常优异的程度了 。

别的在出产效率方面 ,一样接纳卷绕工艺的话,圆柱电池齐心圆卷绕的特征天赋效率就超出跨越不少,好比根据亿纬锂能最新的产线 ,每一分钟可以出产 200 颗 2170 电池,而近似产线的方形电池 200 Ah 之内的一般一分钟能出产 10—12 个、200 Ah 以上的年夜方形一分钟产量不足 10 个。假如是一台搭载 80 度电的新车,圆柱电池的出产约莫需要 20 分钟 ,而方形电池则需要 30 分钟。

假如 4680 电池年夜范围量产顺遂,估计 2024 年后每一 kWh 的 4680 电池成本比三元方形电池自制 50—100 元,一辆 100 度电池的电动汽车成本能低出 5,000—10,000 元 。

是以从三元电池系统(包罗无钴电池 、四元电池)的角度来看 ,假如 4680 电池的良品率能快速晋升,将依附必然的成本上风,同时超高的充放电功率 ,在中高端市场将慢慢对于方形三元锂电池形成替换效应。

而在中低端市场仍以磷酸铁锂电池为主 ,而磷酸铁锂天赋就比力不变不易热掉控,是以就更合适集成效率高但不易散热的方形电池。是以将来的场合排场极可能是一些高端车型最先慢慢使用 4680 三元电池,中低端则以 CTP 方形磷酸铁锂电池为主 。

比亚迪刀片电池 ,汉 EV 上的刀片电池还接纳了叠片工艺

那末宁德时代就要面临 4680 电池以及比亚迪刀片电池两面的夹击了,比亚迪自己就因此电池发迹的,再加之多年来一直专攻磷酸铁锂电池 ,跟着弗迪电池的产能最先年夜幅扩张,这里可以参考文章 《收下蔚来、小米,弗迪的进攻才刚最先》 ,必将要吃失一部门宁德时代的份额。

宁德时代 CTP 3.0 麒麟电池,宣传三元锂以及磷酸铁锂的体系能量密度别离能到达 250 Wh/kg 以及 160 Wh/kg,并能实现无热散布的最高安全要求

不外在方才已往的电动汽车百人会 2022 上 ,宁德时代也给出了还击——CTP 3.0 版本的麒麟电池,能不克不及守住今朝绝对于的龙头职位地方,详细就看 CTP 3.0 的落地效果与降本增效的速率了。

哪些车企、电池厂在跟进结构年夜圆柱电池?

今朝从车企端来看 ,重要鞭策者照旧特斯拉 ,2022Q1 特斯拉已经经最先试出产,年末前能交付部门 4680 的 Model Y 给消费者 。真实的发作期照旧在 2023 年后,跳票已经久的 Cybertruck  、Roadster 2 和重卡 Semi 也将全数来到咱们身旁。宝马的 4695 电池给出的量产时间则是 2024 年之后 ,也许会成为宝马将来的纯电平台「Neue Klasse」的主力电池。

美国造车新权势 Lucid 也接纳 2170 圆柱电池

别的今朝海外已经经有不少接纳圆柱电池的厂商,好比美国的新权势 Lucid 以及 RIVIAN 今朝接纳的是 2170 电池,将来过渡到 4680 电池也长短常天然的 。

LG化学 ,在动力电池范畴全世界的份额仅次于宁德时代

而在电池厂商这端,海外重要是特斯拉以及日韩的电池厂商,包孕松下、LG 化学、三星 SDI ,松下以及 LG 化学规划 2023 年量产,三星 SDI 规划 2024 年量产,别的另有一家以色列公司 Storedot 一样规划 2024 年量产 4680 电池。

海内宁德时代今朝计划了 12 GWh 的 4680 电池产能 ,研发节拍正在加速,估计 2024 年最先量产,客户多是特斯拉以及宝马 ;比克电池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出过年夜圆柱产物 ,估计 2023 年量产;亿纬锂能估计 2024 年可实现 4680 电池的量产 ,计划产能 20 GWh,同时另有去欧洲匈牙利建厂的规划。

综合来看,比拟于从 18650 到 2170 的进级 ,4680 电池此次是把牙膏挤爆了,基本确定了圆柱电池的成长标的目的,也有望引领圆柱电池的市场份额对于方形电池实现快速追逐 。不外 4680 电池仍旧面对诸多工艺难题 ,好比全极耳电池激光焊点至少是 2170 的五倍以上,对于精度要求很是高,同时全极耳涂布的弧形边沿对于装备的周详度要求也更高 ,将来对于 4680 电池的成长重点存眷特斯拉 、松下、LG 化学等企业的良品率何时能不变在 90% 以上 。

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