12月，特斯拉Cybertruck的交付掀起了一股特斯拉技术热潮，除了防弹車(chē)身和超越911的加速度表现，特斯拉4680電(diàn)池技术也再次成為(wèi)话题。
目前，各大厂商(shāng)使用(yòng)的动力電(diàn)池主要有(yǒu)三种。欧洲韩國(guó)車(chē)企多(duō)使用(yòng)软包電(diàn)池，國(guó)内車(chē)企大多(duō)数使用(yòng)方形電(diàn)池，再就是特斯拉大规模使用(yòng)的圆柱形动力電(diàn)池。而4680電(diàn)池，指的就是直径 46 mm、高 80 mm 的圆柱形電(diàn)池。
4680電(diàn)池缘起何时？
特斯拉和圆柱電(diàn)池的连接起源于特斯拉推出第一款車(chē)型Roadster跑車(chē)。当时，特斯拉用(yòng)的是1991年日本索尼公司发明的18650電(diàn)池，即直径18mm，高度65mm的圆柱形電(diàn)池，这也是世界上最古老的锂离子電(diàn)池。特斯拉将18650電(diàn)池大量组装在一起，做成高续航的電(diàn)池包。Roadster跑車(chē)杀出重围，18650電(diàn)池功不可(kě)没。
之后，特斯拉和松下成了紧密的合作伙伴。双方共同研发了第二代圆形電(diàn)池，也就是2170，它直径和高度分(fēn)别是21mm和70mm。这款電(diàn)池助力特斯拉model 3位居销量榜榜首。表面看起来，特斯拉和松下合作很(hěn)顺畅，各取所需。实际上，松下一直暗戳戳卡马老板的脖子，Model 3订单纷至沓来，電(diàn)池产能(néng)却像挤牙膏。
作為(wèi)世界顶级工业强人，马斯克怎肯受制于人？必然会到来的電(diàn)池自研之路早在规划中。从2018年开始，特斯拉便成立专门项目组，着手自研電(diàn)池，力求掌握電(diàn)車(chē)的核心技术之一。随后為(wèi)了支持低价電(diàn)动車(chē)计划，摆脱供应商(shāng)掣肘，特斯拉更是加大力度推进電(diàn)池降本。在这些背景下，2020年，4680大圆柱電(diàn)池应运而生。
记得在4680電(diàn)池的发布会上，马斯克对其极尽赞美，用(yòng)了相当大的篇幅来介绍这款電(diàn)池：“4680電(diàn)池是巨大技术突破，预计只需要三年，4680電(diàn)池就可(kě)以实现量产，到时候特斯拉就可(kě)以造出一辆非常吸引人，价格只有(yǒu)2.4万的新(xīn)電(diàn)动車(chē)。”
马斯克為(wèi)何对4680電(diàn)池如此看好？从技术层面看，它确实值得。据悉4680電(diàn)池可(kě)以将特斯拉汽車(chē)续航提高16%，输出功率提高6倍，它的電(diàn)池容量更是当时電(diàn)池的5倍之多(duō)，而且成本还降低16%。4680電(diàn)池成功量产，对特斯拉而言是里程碑式的突破。
大電(diàn)芯+全极耳+干法工艺
和特斯拉之前使用(yòng)的18650和21700圆柱形锂電(diàn)池相比，4680電(diàn)池在電(diàn)池容量、生产成本和效率等方面上，有(yǒu)了很(hěn)大优势。
首先是大電(diàn)芯：
相比方形電(diàn)池，圆柱電(diàn)池在封装為(wèi)電(diàn)池包时，圆柱与圆柱之间会有(yǒu)缝隙，空间利用(yòng)率比较低，圆柱體(tǐ)积的增大可(kě)以减少缝隙，有(yǒu)研发人员指出，車(chē)用(yòng)圆柱電(diàn)池直径控制在45- 50 毫米时能(néng)最好地兼顾電(diàn)池容量和空间利用(yòng)率，特斯拉在经过多(duō)方实验，遍历所有(yǒu)关键指标，发现46mm是成本最小(xiǎo)的電(diàn)池外径，直径 46 mm、高 80 mm，是最完美的圆柱電(diàn)池比例。
外形增大，减少了電(diàn)池包中的单體(tǐ)電(diàn)池数量，降低壳體(tǐ)在单位電(diàn)池容量上的占比，结构件和焊接数量也显著减少，与2170電(diàn)池相比，成本降低了14%。同时，電(diàn)池组中金属外壳占比减少，正极、负极等材料占比增加，能(néng)量密度提高。
另外，4680電(diàn)池结构强度增加，与CTC技术完美结合。4680尺寸更大，结构强度更高，其作為(wèi)结构電(diàn)池成為(wèi)車(chē)结构的一部分(fēn)，既提供能(néng)源，也用(yòng)作结构起支撑作用(yòng)，节省了空间也减少了10%的重量，续航里程提升14%。
全极耳：
在结构上，与上一代2710相比，4680電(diàn)池除了體(tǐ)型增大外，革命性地引入了全极耳（Full-tab）加集流盘（Current Collector）结构。
（特斯拉4680无极耳渲染图）
极耳是从電(diàn)芯中将正负极引出来的金属导電(diàn)體(tǐ)，是電(diàn)池充放電(diàn)时的接触点。在電(diàn)池工作中，電(diàn)子从正极极耳流向负极极耳，其流经路径与電(diàn)池内阻成正比，流经宽度与電(diàn)池内阻成反比，而電(diàn)池内部损耗功率与内阻的平方成正比，因此极耳接触面积越大，极耳间距越短，電(diàn)池输出功率越高。
传统電(diàn)池只有(yǒu)两个极耳，分(fēn)别连接正极与负极，而4680電(diàn)池将传统電(diàn)池凸起的极耳结构去掉，让整个電(diàn)池底部和外壳充当极耳。
（双极耳、全极耳平面图 图片来源：逸飞激光）
这种改进带来的好处如下：由于電(diàn)池電(diàn)流通路变宽，降低了内阻，内部损耗随之降低，从而极大提升了输出功率，相当于2170電(diàn)池的6倍；全极耳提升了電(diàn)池安全性，热量传输通道宽阔，增强了電(diàn)池的热稳定性，更容易散热；由于全极耳结构，電(diàn)子更容易在電(diàn)池内部移动，電(diàn)流倍率提高，因此充放電(diàn)速度更快等等。
干電(diàn)池技术：
当下，電(diàn)池制造技术主要有(yǒu)两种，湿法工艺和干法工艺。
在过去30年，電(diàn)池公司一直使用(yòng)湿法工艺。湿法工艺包括混料、涂布、烘干、NMP 回收、辊压的流程，在这个过程中需要充分(fēn)蒸发有(yǒu)毒的溶剂和水分(fēn)，工序繁琐，制造成本较高，设备、人工、厂房成本约占整个電(diàn)池制造的 22.76%。
為(wèi)了降低電(diàn)池生产成本，2019 年，特斯拉花(huā) 2.19 亿美元买下超级電(diàn)容公司 Maxwell，将超级電(diàn)容器的干法電(diàn)极工艺运用(yòng)到锂電(diàn)池中，不使用(yòng)液态粘合剂，省去了昂贵的涂覆机，跳过烘烤等传统步骤，工艺简单，节省了成本，极大地提高了生产效率。马斯克曾披露，仅靠这个工艺，特斯拉就能(néng)将单位产能(néng)的设备支出减少三分(fēn)之一，将電(diàn)极生产車(chē)间的占地面积和能(néng)源损耗减少 90%。
除此之外，干法工艺还增加了電(diàn)池能(néng)量密度。在有(yǒu)溶剂的情况下，锂与混有(yǒu)锂金属的碳不能(néng)很(hěn)好地彼此融合，有(yǒu)第一次循环容量损失问题，干電(diàn)池技术会大大改善这种问题，从而提升電(diàn)池能(néng)量密度。
除了大電(diàn)芯+全极耳+干電(diàn)池技术，特斯拉4680電(diàn)池采用(yòng)的硅碳负极等新(xīn)材料与新(xīn)技术也重新(xīn)定义了圆柱電(diàn)池，它的大规模量产和使用(yòng)将带动正负极材料、封装技术及结构件等领域全面突破，带动全产业链技术革新(xīn)。
难产的4680
4680電(diàn)池的生产并非一帆风顺。4680電(diàn)池将多(duō)项创新(xīn)技术融合也带来量产难度大的问题。从2020年发布4680電(diàn)池至今，特斯拉一直处于技术攻关和产能(néng)爬坡阶段。具體(tǐ)来说，影响4680量产进度的主要有(yǒu)三项技术：全极耳成型、集流盘焊接、激光封口。
全极耳成型。对于全极耳成型，锂電(diàn)业内主要有(yǒu)两个解决方案——切折和揉平。揉平工艺是指通过机械方式将卷绕后的极芯端面揉平成一个密实的平面。切折工艺的全极耳電(diàn)解液注液时间更短，特斯拉以提高生产效率為(wèi)目标，采用(yòng)的便是切折全极耳技术。
这一技术对電(diàn)池卷绕机精度要求很(hěn)高，必须将表层平整度和精度偏差维持在极小(xiǎo)范围内，電(diàn)池體(tǐ)积大，電(diàn)芯厚，都极容易造成极耳接触程度不一致，导致内阻一致性差，焊接后材料连接不稳定，良率难以保证。
集流盘焊接。激光焊接是4680生产过程中最重要的焊接工艺。4680的激流盘焊接工序十分(fēn)复杂，存在焊接升温导致隔膜产生热缩效应，焊接时压力过大出现焊接穿孔，或压力过小(xiǎo)造成焊接不牢固，组件脱落等问题。
激光封口。利用(yòng)激光技术对電(diàn)芯壳盖与壳體(tǐ)进行圆周密封焊接的激光封口过程是4680壳體(tǐ)密封的关键步骤。4680的外壳采用(yòng)不易焊接的钢壳镀镍的材质，壳壁更薄，对激光焊接工艺要求极高。
这三项高精工艺增加了特斯拉量产的难度，再加上4680圆柱電(diàn)池的生产流程还未实现标准化，各家電(diàn)池厂商(shāng)在工艺上有(yǒu)不少差别，由于以上诸多(duō)因素，特斯拉能(néng)否大规模量产4680電(diàn)池被很(hěn)多(duō)业内人士打上了问号。
曙光
在不少质疑声中，特斯拉终于在今年10月份官宣其德州超级工厂在4680電(diàn)池的生产上取得了重大突破，该工厂生产了第2000万块電(diàn)池。而6月份特斯拉刚宣布其德州工厂生产了第1000万块4680電(diàn)池，用(yòng)4个月将产量翻番，这无疑是巨大的进步。
众所周知，德州工厂目前还只是一条产線(xiàn)在生产，到今年年底，另外三条产線(xiàn)也有(yǒu)可(kě)能(néng)开动。除此之外，有(yǒu)韩國(guó)媒體(tǐ)爆料，特斯拉弗洛蒙德工厂的量产能(néng)力已经达到月800万只水平。根据韩媒流出的数据，到明年年中，加上弗洛蒙德的一条试验線(xiàn)和工厂对面的新(xīn)场地新(xīn)線(xiàn)，特斯拉月产能(néng)将达到6,000万只。
别忘了，特斯拉在内华达还有(yǒu)四条線(xiàn)在建。这样的量产能(néng)力一旦建成，单位成本肯定会大幅下降。
虽然几经延期，但特斯拉还是一步步把吹过的牛皮圆了回来，用(yòng)实打实的产量证明4680電(diàn)池大规模量可(kě)以实现，此前立下目标——有(yǒu)能(néng)力生产100 GWh的4680電(diàn)池，满足130万辆電(diàn)动汽車(chē)需求的目标也近在咫尺，4680大规模商(shāng)业化曙光已在天边。
*文(wén)章来源旺财锂電(diàn)
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